基于K-Means聚类与熵权TOPSIS法的岩石可爆性评价研究

露天矿山的爆破块度分布,直接影响到后续的采装、运输和破碎工作。为了控制石墨矿山不同区域爆破块度分布,基于K-means无监督聚类学习法与熵权TOPSIS评价法建立了一种新的岩石可爆性评价模型,选取岩石密度、动力能量耗散率、动态抗压强度、平均应变率、脆性指数作为评价指标,通过熵权计算,发现岩石破碎程度受脆性指数影响最大,受平均应变率影响最小。将此模型应用于实际石墨矿山,可爆性分为10个等级,统计不同分级下的岩石平均破碎粒径,发现可爆性分级等级越高平均粒径越大,有明显的分级特征,验证了模型的有效性。从爆破石墨矿石岩体类型看,岩石可爆性从易到难排序为:片岩、片麻岩、变粒岩、混合岩。结合石墨矿石微观观测结果分析可知:岩性从片岩向混合岩转变,岩石内部石墨晶质呈下降趋势,石墨矿石可爆性等级也随之越来越高。岩石密度、能量耗散率、动态抗压强度之间呈线性正相关,岩石可爆性与平均应变率、脆性指数存在负相关性。研究成果为矿山矿岩可爆性评价提供了一条新思路,对露天矿山爆破块度优化具有一定的理论和实践指导意义。

基于VMD及能量熵的隧道爆破振动信号降噪方法

为从监测信号中获得真实的隧道爆破振动信号,引入一种基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)及能量熵的隧道爆破振动信号降噪方法。首先,在不同K值条件下对监测信号进行变分模态分解,得到一系列本征模态分量(Intrinsic Mode Function,IMF),计算各模态分量与原信号的相关系数,根据相关系数确定最优K值;然后,对原信号进行变分模态分解,得到一系列中心频率由高到低的本征模态分量,计算每个模态分量的能量熵,确认噪声与信号的分界;最后将信号分量进行重构,得到降噪后的隧道爆破信号。将该信号降噪方法应用于实际爆破振动信号处理,结果表明:与经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)降噪法相比,信噪比更高,剩余能量百分比更高,均方差更低,反映出所提降噪方法在隧道爆破振动信号处理中具有一定的适用性。

基于爆破块度控制的空气间隔装药台阶爆破参数优化

为解决某灰岩建筑石料矿山爆破后小粒径矿石难以与土分离而导致矿石回收率低下的问题,首先基于现场实测数据和数值模拟结果,构建爆破块度与岩体动力损伤关联模型,确定不同岩块粒径对应的动力损伤阈值;其次选用不同空气间隔装药段数和孔网参数开展三维裂隙岩体台阶爆破数值模拟试验,以提高0.3~0.9 m矿石粒径产率为目的,兼顾控制大块率,获取最佳爆破参数;最后,在数值模拟结果的基础上,开展现场爆破试验,优化装药结构和孔网参数。结果表明:灰岩爆破块度尺寸与动力损伤值之间存在负指数函数关系,爆破块度尺寸0.3 m和0.9 m所对应的岩体动力损伤阈值分别为0.793和0.286;仅采用空气间隔装药结构可提高0.3~0.9 m粒径占比,但大块率增幅较大;采用空气间隔装药结构、适当缩小孔网参数可显著提升0.3~0.9 m粒径占比,同时大块率几乎不变;其中采用二段空气间隔装药结构、适当缩小孔网参数,爆破效果最优。矿山现场应用结果表明,0.3~0.9 m矿石粒径占比提高了20.09个百分点,大块率基本不变,炸药单耗降低10.29%。

轻轨结构在隧洞掘进爆破下的响应数值模拟

依托深圳大芬水分洪箱涵暗挖隧洞工程,采用动力有限元软件建立了三维数值模型,研究了轻轨结构在隧洞爆破开挖下的响应特性。结果表明:随着爆心距增加,同一高程的轻轨结构峰值应力、位移和峰值振速逐渐减小;随着高程增加,同一立柱峰值应力逐渐减小,而峰值位移和峰值振速具有高程放大效应;隧洞已开挖区形成的空腔使上部轻轨结构的振速响应存在空腔放大效应和空腔阻尼效应。在此基础上,基于萨道夫斯基公式回归预测和仿真计算对隧洞掘进爆破单响药量进行优化,结果为:轻轨结构位于掌子面前面和后面,两种工况条件下的爆心距均为20.52、28.65 m,则在允许振速条件下的最大单响药量分别为1.8、6.0 kg和2.1、6.3 kg。

层状岩体磷矿床采空区失稳风险定量评价方法研究

现有层状岩体磷矿床采空区失稳分析方法很少考虑岩体力学参数的空间变异性。以杉树垭磷矿为研究背景,构建了能够表征岩体力学参数自相关性、互相关性及非高斯性的随机场,以层状岩体破坏接近度(FAI)为评价指标,建立了岩体单元破坏的极限状态方程,并借助Hermite随机多项式建立了随机岩体力学参数输入场与网格单元FAI输出场间的显式函数表达式。最后,采用蒙特卡洛法计算磷矿采空区网格单元破坏概率,实现了磷矿采空区失稳风险的定量评价。结果表明:参数随机场能够很好表征岩体力学参数的空间变异性,采空区失稳高风险区域(破坏概率≥70%)位于矿柱高度的中间部位,矿柱表面的破坏深度在2m以内,与实际矿柱破坏位置与破坏深度相吻合。常规数值计算因计算结果指标分布差异,常面临难以判定磷矿采空区是否失稳的问题,而本文数值计算方法既考虑了层状岩体力学参数自相关性、互相关性及非高斯性的客观空间变异性特征,又实现了基于破坏概率的磷矿采空区失稳风险定量评价。

建(构)筑物拆除爆破倒塌运动规律研究

建(构)筑物拆除爆破时,其倒塌范围、破碎程度、振动危害等都与倒塌运动规律紧密相关。而建(构)筑物拆除爆破环境越来越复杂,安全控制要求越来越高。为深入研究建(构)筑物拆除爆破倒塌运动规律,依托2个高层建筑物和1个100 m钢筋砼烟囱的拆除爆破工程项目开展了相关测试、分析与研究。在获取建(构)筑物拆除爆破倒塌运动过程原始数据基础上,利用四维时空分析方法和基于AutoCAD软件平台,建立了影像分析框架,提取锁定观测点的时空数据;通过对运动和影像数据进行综合分析计算,绘制了观测点的运动参数时程曲线。研究表明:建筑物最大塌落振动速度的发生时间是在爆破切口闭合时间段,位置是在爆破切口的闭合处;建筑物定向倾倒过程是先转后坐;钢筋混凝土烟囱切口闭合时,上下端因接触碰撞使筒体继续向上、向下破裂;定向窗上、下端面闭合时,因切口上、下端面接触碰撞导致转动受阻,此时角加速度为负值且逐渐减小。研究结果可为类似建(构)筑物拆除爆破提供参考。

基于3Dmine的鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区三维建模

借助于国内矿业软件3Dmine建立了鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区的三维模型。在介绍三维建模理论,不规则三角网(TIN)原理,块段建模原理和基于块段建模的品位估值的基础上,建立了矿山的地质数据库,并且构建了矿区地表、断层、矿体、地质界线和品位块体模型。建立的模型形象逼真,具有一定的科学性和准确性,为矿产资源评估、开采设计和生产计划编制提供了基础。

岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析

为探索岩体结构面对爆破振动速度峰值、主频和信号中的能量分布等的影响,在钻沟石灰石露天矿爆破生产现场进行爆破振动测试。分别采用小波包分析和ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对结构面影响下的爆破振动信号和爆破振动传播规律进行分析研究。小波包分析结果表明,当地震波穿过结构面时,爆破振动频率介于0~15.6 Hz之间的能量占爆破地震波能量比例随之增加,增幅达63.1%,而振动频率介于15.7~31.3 Hz之间的能量比例随之降低,降幅达56.9%。数值模拟结果表明,爆破地震波在未穿过结构面之前和穿过结构面后,振速峰值没有明显的衰减;而穿过结构面时,振速峰值衰减明显,其平均减震率为40.66%。此外,地震波在坡体内受高程和结构面双重作用,导致其放大系数呈先增大后减小的趋势。

层状倾斜矿体矿柱稳定性特征及矿房参数优化

湖北某磷矿开采过程中矿柱浅层岩体剥落破坏特征突出,严重影响了矿柱稳定性及采场围岩安全。采用极限强度理论和数值模拟方法,结合层状矿体倾斜赋存条件,研究了矿柱埋深、矿柱尺寸、矿柱间距等因素对矿柱安全系数和稳定性的影响规律,并给出了该矿房柱法开采的指导参数。研究表明:(1)对于埋深变化显著的层状倾斜磷矿床而言,当采深小于500 m时,选取5 m×5 m矿柱、9 m矿柱间距的采场布置参数,可保证矿柱和矿房顶板安全,当采深超过500 m后需进行参数优化。(2)矿柱尺寸是决定矿柱稳定性的主要因素,却是控制矿房顶板下沉的次要因素。当采用9 m矿柱间距时,将矿柱尺寸设计为6 m×6 m可有效减小矿柱变形量。(3)矿柱间距是决定矿房顶板围岩稳定性和矿柱变形程度的主要因素。工程实践表明,开采深度达到500 m后,采用5 m×5 m的矿柱尺寸,并且将矿柱间距减小至7 m,可显著减小矿柱和矿房围岩变形,有效降低矿柱荷载,使其处于稳定状态。

节理裂隙岩体空气间隔装药爆破试验研究

为探索节理裂隙岩体空气间隔装药爆破技术的可行性,在贵州某土石方工程爆破施工现场选取岩体节理裂隙发育和岩体相对完整的2种地质区域,分别选取空气层的比例为5%、10%、15%、20%、25%、30%等工况进行混装铵油炸药孔口与孔底空气间隔装药爆破试验,利用Split—Desktop 3.0软件对爆破块度和爆破开挖后根底进行统计分析,得出了不同区域相同空气层位置、比例以及相同区域不同空气层位置、比例下的爆破效果。结果表明:节理裂隙发育区域采用空气间隔装药容易产生根底;岩体完整性对空气间隔装药参数取值有显著影响;岩体节理裂隙发育区域,应当选用较小的空气间隔比例;该试验区域的节理岩体可采用间隔比例为10%～15%的孔口空气间隔装药进行爆破。

时序控制预裂爆破参数优化及应用

针对白鹤滩水电站地下厂房的爆破开挖,为降低爆破对岩体的损伤,采用数值模拟与现场试验研究小孔径时序控制预裂爆破中,后爆孔孔间延期时间及后爆孔孔距对时序控制预裂爆破成缝的影响,从而获取合理的延期时间和最佳的后爆孔孔距。研究结果表明,孔径为42mm的时序控制预裂爆破,先爆孔孔距为35cm时,合理的起爆延期时间为75~100μs;综合考虑炸药爆炸能量利用率和成缝效果,最佳的后爆孔孔距为70cm。科学地采用时序控制预裂爆破不仅可以减小钻孔工作量与炸药用量,还能降低对岩体的损伤,可为地下厂房爆破开挖安全、高效的进行提供一条有效的途径。

矿山短期生产计划优化的多目标遗传粒子群算法

针对露天矿山生产的基本特征及短期生产计划的编制要求,从露天矿山的品位及经济成本最小化的角度出发,构建了露天矿短期生产作业计划优化模型。以MATLAB软件为平台,采用遗传粒子群混合智能算法对模型进行求解。以某石灰石露天矿为工程背景进行研究,将研究结果与露天矿实际生产指标进行对比验证。结果表明:该模型适用于露天矿短期采掘作业生产计划的编制,优化结果保证了矿山生产作业出矿品位、出矿量及生产利润三者之间的平衡,有利于提高矿山的经济效益。

基于FLAC^(3D)的采场结构参数优化

房柱采矿法适合于开采水平或近似水平的矿体,在确保采场安全的前提下,获得较高的矿石回收率和降低矿石损失与贫化的重要途径是选取合理的采场结构参数。利用有限差分软件FLAC3D,建立了开采水平矿体时的采场结构力学模型并进行了数值模拟,分析了采场结构参数对房柱法采场稳定性的影响。然后,针对鄂西缓薄高磷赤铁矿,通过数值模拟,得到了不同深度下的采场最优结构参数,并计算得到了矿石回收率,进而通过线性回归得到回收率随深度变化的函数关系。

爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究

针对爆破工程课程实验存在较高危险性的难题,开展爆破虚拟仿真实验系统的研究与构建。采用数值模拟方法模拟炸药爆破作用,并通过动画模拟爆破对象的破坏过程,达到爆破过程再现的演示功能。开发爆破工程虚拟仿真实验系统平台,设置爆破破岩机理、台阶爆破、隧道掘进爆破、拆除爆破四个仿真实验模块。通过本仿真实验系统,学习者可清楚地了解炸药爆破作用机理,掌握炸药性能和爆破参数等对爆破效果的影响,直观真实;同时,大大降低了爆破工程课程实践教学危险性和实验成本,为改善课程教学效果提供保障。

基于HAZOP与模糊理论的台阶爆破安全综合评价

针对台阶爆破安全影响因素具有模糊性且难以量化的特点,提出了一种耦合危险性与可操作性分析(HAZOP)和模糊理论的综合评价方法。首先通过建立HAZOP评价指标体系辨识台阶爆破中存在的危险因素,分析危险因素产生的原因和造成的后果,运用层次分析法(AHP)确定各评价指标的权重;然后基于模糊理论对台阶爆破作业安全进行定量描述,得到台阶爆破安全评分等级;最后以贵州省某土石方工程为例,验证了该综合评价方法的科学性和实用性。

金堆城露天矿生产爆破合理微差时间的探讨

基于金堆城钼业公司现场的爆破振动试验的实测数据,利用小波分析技术,对不同微差间隔以及相同微差间隔不同爆心距的振动信号进行能量分析,获得了2种情况下爆破振动信号频带的能量分布规律,从能量的角度探索了适合金堆城露天矿生产爆破的合理微差时间,达到降低爆破振动的目的。

分层装药爆破间隔填塞长度优化研究

分层装药爆破在工程中应用广泛,其具有良好的爆破减振和提高孔口堵塞段破碎等效果。但是在实践中,合理的中间填塞长度选择一直缺乏依据。通过有限元软件LSDYNA对90 mm孔径6 m深的炮孔分别建立中间填塞段长度为25~105 cm的五个模型,上、下药包装药量固定,耦合装药,以爆破损伤以及单元所受最大拉应力两个指标来分析填塞段长度对分层爆破效果的影响。结果表明:中间填塞长度过短,能量集中作用于中间段,会导致岩石过于粉碎;中间填塞长度的增加,孔口堵塞段岩体破碎效果也随之改善,填塞长度105 cm和25 cm相比,地表处单元所受最大拉应力增加了约1倍,但中间段破碎效果弱化;当中间填塞段长度为85 cm时,中间填塞段岩体和上部岩体均有较好的破碎效果;通过振动分析,中间填塞长度变化对离炮孔较远区域爆破振动的影响较小。基于数值模拟结果的工程试验表明,最佳中间填塞段长度为85~95 cm,较数值模拟结果稍大。

LOO-XGboost模型预测岩石爆破块度

针对小样本条件下使用机器学习方法预测岩石爆破块度存在的数据利用率不足,预测精度存在浮动较大的问题。将留一法(LOO)与极限梯度提升(XGboost)算法结合,利用Python 3.7构建LOO-XGboost岩石爆破块度预测模型,选取31组爆破数据进行LOO-XGboost模型训练与预测,通过调用不同参数,得到模型的最优内置参数如下:求解方式为树模型,学习率为0.30,决策树数量为50,决策树最大迭代深度为3,叶子节点最小样本数为3,随机采样比例为0.8。将预测结果与同条件下的支持向量机回归(SVR)、BP神经网络(BPNN)、随机森林(RF)模型以及10折交叉验证下的XGboost模型进行对比,对比结果为LOO-XGboost模型预测精度明显高于其他4种模型,其相关系数、均方根误差、平均绝对误差分别为0.9128、0.0587、0.0342。结果表明:LOO-XGboost模型既保证了小样本情况下的数据利用率,又提高了预测精度,适合应用于岩石爆破块度预测。

多孔粒状混装铵油炸药爆炸性能试验研究

炸药性能直接影响到爆破的效果,为改善爆破效果,更好地利用炸药的爆炸能,通过现场试验测试混装铵油炸药的爆速,得出现场混装铵油炸药最佳配比为柴油占5%,并在最佳配比的条件下,研究了混装铵油炸药爆速随装药直径、装药密度及混合后存放时间的变化规律。结果表明,混装铵油炸药爆速随装药直径的增加而增大,当装药直径达到一定值后,爆速趋于稳定值;混装铵油炸药爆速随装药密度的增加先增加后逐渐减小。

金堆城南露天数码雷管减震爆破试验研究

为了确定合适金堆城南露天生产的孔间和排间的微差时间,以达到最佳的减震效果,在金堆城南露天1224平台、1236平台进行现场数码雷管减震爆破试验。分别选取孔间微差时间9ms、25ms、30ms、42ms,排间微差60ms、65ms、75ms、80ms。并与金堆城现场生产爆破采用的孔间微差25ms,排间微差65ms的爆破进行对比。用Split-Desktop3.0软件对爆破块度进行统计分析,得出不同的孔间微差和排间微差的爆破效果。结果表明,孔间30ms排间75ms的微差时间效果最优,与生产爆破相比减震率为38.4%。