台阶爆破数据的不确定性及反馈式设计软件解决办法研究

范金国,林大能

(1.株洲市国土资源管理局, 湖南株洲市 412007;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭市 411201)

台阶爆破数据的不确定性及反馈式设计软件解决办法研究

范金国1,林大能2

(1.株洲市国土资源管理局, 湖南株洲市 412007;2.湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭市 411201)

由于台阶爆破参数的不确定性,以往的确定性爆破模型难以解决台阶爆破的参数设计和优化问题。提出反馈式设计的思想和方法,设计反馈式台阶爆破设计软件,并详细阐述该系统反馈功能,试图解决台阶爆破参数的设计和优化问题。

爆破数据;不确定性;反馈式设计;参数优化;反馈功能

0 前 言

爆破数据的不确定性是指由于岩体本身性质的复杂性、爆破破岩过程的高度复杂性,描述爆破的有关参数很难做到精确。爆破数据的不确定导致了台阶爆破参数设计问题迄今为止还没有彻底解决。为了解决台阶爆破中的不确定性问题,很多的科研工作者试图提高单项试验精度和规模来完善确定性模型,他们借用弹性力学、弹塑性力学和近年发展的断裂力学、损伤力学来建立确定性的计算模型来进行爆炸力学性质分析,然而实践证明这些手段并不能彻底解决爆破参数的优化设计问题。

由于工程爆破中大量不确定性问题的存在,确定性模型就难以表征复杂的爆破系统工程。鉴于此,本论文提出“反馈式设计”这种新思想和新方法,并设计“反馈式台阶爆破设计软件”作为反馈设计的工具,试图解决台阶爆破参数优化这种不确定性问题,减少宏观判断中的人为因素影响,同时拟对台阶爆破设计思想的改革起到推动作用。

1 爆破数据的不确定性的来源

(1)岩体结构具有不均匀性。按照地质力学的观点,岩体是不均匀的结构体,其变形破坏规律取决于岩体结构。由于岩石本身的不连续性,使得岩体结构的力学性质非常复杂,目前人们还不能对岩体裂隙系统的几何参数进行系统的确定性描述。

(2)有限的实验数据难以覆盖整体工程特征。通常露天矿的爆破规模为数十万吨矿岩量,爆区长度从数十米到数百米,在如此大的爆区范围内进行爆破参数、爆破效果的测量,由于测试样本数量的限制、测试条件的变化和测试方法的不一致,都会使得测量的结果不一样。少量的、有限的数据不能完全覆盖分布极不均匀的整个工程的特征。

(3)台阶爆破工程的模糊性、随机性导致计算结果的不确定性。影响爆破效果的因素是多方面的,包括:岩体结构、性质、炸药类型、爆破参数等。由于岩体结构的复杂性、炸药参数的易变性和爆破参数的多样性,使得采用上述参数建立的物理数学模型产生极大的不确定性,导致设计精度的要求与客观的模糊性、随机性之间的矛盾更加突出。

2 反馈式设计软件系统方案

2.1 设计思想介绍

由于上述的台阶爆破数据的不确定性,即使采用较为先进的设计理念,第一次设计出来的参数较难到达最优,这就使得反馈的功能非常必要。反馈式设计是指在进行一次爆破参数设计以后,使用这些设计出来的参数进行一次爆破施工,施工完以后把实际的爆破效果和期望的爆破效果的差距反馈给软件,由软件对先前设计的参数进行进一步修正,生成新的爆破参数,在下一次爆破中采用修正以后的、新的爆破参数进行施工。如果爆破效果再不满意还可以再次反馈,以逐步实现对爆破设计参数的最优化,从而得到理想的爆破效果。此外,由于露天矿的爆破规模较大,前期工程已经达到最优化的参数在后续工程中不一定是最优的,甚至会很不适合,这就需要在爆破的过程中不断地对参数进行动态的反馈优化。由此可见,爆破参数优化不是一蹴而就的工作,而是一个动态的不断修正的过程。

2.2 反馈式设计软件系统设计方案

本软件是以计算机图形学为核心,将计算机科学技术和工程爆破技术紧密结合在一起形成的一种综合型的、集成化的反馈式辅助设计软件,功能包括参数检索、方案设计、计算分析、工程绘图、输出设计参数报表和反馈设计功能等。本系统不止是单纯代替人工完成设计计算和自动绘图,而且是一种人机交互的综合性系统,把人的思维判断和计算机系统的严谨运算紧密结合在一起,用来寻求最优设计方案。系统总体设计框架图如图1所示。

图1 系统总体设计框架

3 爆破设计功能设计

爆破设计功能根据经典理论进行编程,和已经出现爆破辅助设计系统的设计思想没有大的不同。在输入一系列必须的已知参数后,即可设计出施工需要的布孔图和所有的施工需要的所有参数。这些输入参数是在爆破设计工作进行之前就已经确定的,包括炮孔直径 (凿岩机具决定)、台阶高度,炮孔密集系数、岩石密度、岩石可爆性分级、硬度系数、炸药密度、爆速、爆热、炸药种类等。对话框见图2。

图2 第一次爆破设计输入参数对话框

4 反馈功能设计

反馈功能是本系统在对爆破参数进行了优化设计的基础上进行再优化的过程。从计算上讲,这实际上是一个逆反的过程,第一次设计是由爆破已知条件推出需要的未知参数,而这是根据爆破的结果去逆推需要的未知参数。这个过程大大地丰富了求未知参数的途径,也增加了准确性。

反馈要求主要由台阶爆破的评价标准决定,当前一次爆破的效果和预期的效果有偏差时,就需要进行反馈纠正,输入的参数的界面设计如图3所示。如果在第一次爆破以后,发现平均块度过大 (具体标准根据具体铲装设备的不同各有不同),需要减少平均块度,那么就在“平均块度矫正”里输入 (或选择)1个负的百分数,例如输入“-5%”,表示需要把平均块度降低 5%,具体数值由爆破设计人员观测得到。输入完后点击界面下方的“确定”按钮,系统会根据输入的数值自动重新调整设计相关的爆破参数,如根据一定的标准调整单耗等,具体在这里输入的是“-5%”,系统根据这个输入的数值和相对应的算法标准增加一定值的单耗等,然后重新设计出其他的所有参数。

图3 反馈要求参数输入界面

事实上平均块度并不是越小越好,如果发现块度过小,即出现粉矿,同样会不利于铲装。此外平均块度过小还会浪费炸药,增加矿山日常运营的成本。在“平均块度矫正”栏里输入或选择一个正的百分数,例如“+5%”即表示需要把平均块度提高 5%。点击“重新生成图纸”以后,软件会根据这个输入的数值和相对应的算法标准减少一定值的单耗,也可以使用非耦合装药来减少装药线密度等。

在第一次爆破以后如果块度不均匀,大块率过高 (不可能会出现要提高大块率的情况,故此栏不能输入正数),比如在“大块率矫正”栏里输入“-10%”,即要求系统会自动 (部分不是非定量研究的需要手动)按照大块率降低 10%的要求重新进行设计,比如降低堵塞长度、调整分段装药参数等。

在根底反馈方面,如果在第一次爆破以后发现根底过高或者过低,设计者只需要在“调根底高度”栏里输入或选择 1个正值或负值,在这里由于根底的高度不好量化,根底的高度是相对的而不是绝对的,比如台阶高度 10 m时有 0.5 m的根底和台阶高度在 5 m时有 0.5 m的根底是不同的,故这里采用根底绝对高度和台阶高度 H的比值作为根底程度的标准。在“调根底高度 /H”输入 1个负的百分数即表示原来的设计根底过高,需要降低根底,那么系统会自动根据输入的数据和有关公式来计算需要改变的参数,如增加超深的长度等。同理,如果输入的是正数,即表示已经破坏了下一个台阶面,需要减少超深长度和减少底部装药等。

在降震方面,如果在第一次爆破以后发现震动过大,影响到了周围工程或者居民的生命财产安全,就需要通过设计适当的爆破参数来降低爆破地震。例如在“降震”栏后输入 10%,即表示需要降震10%,那么系统会自动根据这个数据来调整单孔装药量和同时起爆的炮孔数量 (单次起爆药量),也可以改变起爆方式来降震。由于没有震动过小的问题,这里不能输入负数。

在消除后冲方面,如果后冲过大,会影响后一个台阶边缘的钻孔工作,导致钻孔台车的不安全,需要减少后冲。如果后冲过小也不行,会形成“伞檐”。在输入了数据以后,系统也会根据数据调整相应的参数。

需要说明的是,上述参数用的都是百分数,这是由于影响爆破效果参数的复杂性,难以精确的量化,只能用“调档”的办法来矫正设计。

在输入完上述需要输入的参数以后,点击“确定”按钮,就会弹出如图4所示的反馈后设计的对话框。

图4 反馈后参数输入对话框

在图4所示的对话框中,不必重新输入参数,只需点击右下方工具栏中的“读取上次设计参数”,就可从数据库的工程实例库里读出上一次输入的参数。然后点击“重新生成设计文件”即可生成新的爆破设计参数输出表。布孔设计的操作方法和第一次生成布孔设计的操作方法基本相同,可以重新得到 1个新的布孔图。

5 结 语

要彻底解决台阶爆破参数设计中的参数优化问题,若单靠提高单项试验精度和规模来完善确定性模型是远远不够的。以往的爆炸力学性质分析均借用弹性力学、弹塑性力学和近年发展的断裂力学、损伤力学来建立确定性的计算模型,实践证明这些手段并不能彻底解决爆破参数的优化设计问题。本论文提出了“反馈式设计”这种新思想和新方法,并设计了“反馈式台阶爆破设计软件”作为反馈设计的工具,为台阶爆破设计人员提供了一种新方法,为解决台阶爆破参数优化这种不确定性问题提供了一种新的思路,同时期望对台阶爆破设计思想的改革和进步起到推动作用。

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2011-06-26)

范金国 (1982-),男,湖南隆回人,硕士研究生,主要从事采矿技术研究和矿产资源规划研究。