基於模式識別的巖體四指標可爆性分級方法

2023-12-08 16:31:31

專利名稱：基於模式識別的巖體四指標可爆性分級方法
技術領域：
本發明屬於礦山開採領域，涉及一種判斷巖體的可爆性的分級方法。

背景技術：
巖體的可爆性是指巖體在炸藥爆炸作用下發生破壞的難易程度。
在礦山爆破設計工作中，當炸藥種類與炸藥的爆炸性能參數一定時，巖體的可爆性級別是設計選擇爆破技術參數的基本依據。對於爆破難度大的巖體，炮孔布置參數小，爆破單位體積(或質量)的巖體所需要的炸藥量大；反之，可相應增大炮孔布置參數，減小炸藥消耗量。
根據巖體的某些物理力學指標，對巖體進行可爆性分級，然後根據巖體的可爆性分級選擇確定爆破設計參數，實現爆破參數的優化，即在保證爆破效果的同時，減少鑽鑿的炮孔數量、減少裝藥量。
在巖體爆破過程中，除炸藥爆炸性能、自由麵條件和爆破技術參數外，巖體的可爆性是影響爆破破碎效果的重要因素。因此，準確確定巖體的可爆性是保證爆破技術參數設計選擇合理性和爆破效果的重要前提。但是，採用不同的可爆性分級方法，對爆區礦巖爆破難易程度進行評估判斷的結果可有很大差異，從而可對爆破技術參數設計的準確性和科學性產生不同的影響。
由於爆破問題的複雜性，國內外爆破界目前尚未就巖體可爆性評估方法達成共識。迄今出現的巖體可爆性分級方法大致可分為兩類一類是爆破技術人員根據個人經驗對不同巖體的可爆性進行分級，一類是基於對巖體某一或某些物理力學特性參數的分析計算來表示。前一種方法的特點是爆破技術人員根據以往爆破經驗確定該種巖體的可爆性級別。經驗表明，這種方法不能避免人為因素的影響，爆破效果難以得到有效控制。
在目前國內外爆破參數優化研究中，多數是根據經驗簡單地採用巖石密度(或容重)和某些靜載力學特性參數(如巖石的靜載抗壓強度)作為衡量巖石可爆性能的指標，其基本指導思想是巖石的密度和強度越高，爆破所需要的炸藥能量就越多。這類方法中應用最為普遍的是按巖石堅固性的普氏分級法。普氏係數法只考慮巖石的單軸靜載強度這一指標，對巖體可爆性的描述不夠全面。基於爆炸應力波破壞理論，也有不少研究者用巖石或巖體的聲波速度或波阻抗(即巖石密度與縱波波速的乘積)描述巖石或巖體的可爆性〔3〕。這類方法認為，巖石的可爆性隨波速或波阻抗值的增高而下降。此外，基於爆破過程中巖石承載屬動載荷的認識，對巖石試件的動載衝擊特性參數與巖石可爆性之間關係的研究正在發展之中。


發明內容
本發明提供一種基於模式識別的巖體可爆性分級方法，用於實現對任意巖體進行可爆性分級。
巖體爆破效果的好壞主要與巖體的四個特徵量有關，即巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數四種指標。本發明將巖體的可爆性劃分為七級，並採用模式識別方法對巖體的這四種指標進行可爆性分級計算。
基於模式識別的巖體四指標可爆性分級方法，分級步驟如下 1.建立標準模型庫U 基於礦山實踐經驗，把巖石的可爆性級別確定為7個等級，並建立標準模型庫U U＝{Ai}(1) 其中Ai為標準模型庫U的第i個標準子集(i＝1～7)，代表巖體可爆性的一個第i個級別，即 把巖體的巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數這四個特徵量作為對巖體的可爆性進行描述的指標，有 Ai＝(xi1，xi2，xi3，xi4)(3) 式(3)中xi1——對巖體可爆性分級的影響因素巖石容重γ；xi2——對巖體可爆性分級的影響因素抗拉強度σt；xi3——對巖體可爆性分級的影響因素抗剪強度τ；xi4——對巖體可爆性分級的影響因素巖體完整性係數η。
即 Ai＝(γ，[σt]，[τ]，η)(4) 2.建立待評價樣本B 在任意一種待評價巖體的巖石容重γ、抗拉強度[σt]、抗剪強度[τ]、完整性係數η已知時，構成待評價樣本B，即 B＝(x01，x02，x03，x04)(5) 式(5)中x01——待評價巖體的巖石容重γ；x02——待評價巖體的抗拉強度[σt]；x03待評價巖體的抗剪強度[τ]；x04——待評價巖體的巖體完整性係數η。
3.歸一化處理 由U和B構成矩陣X 為消除各統計指標在量綱上的差異，以便於分析比較，對各指標的數據用下式進行標準化處理 式(7)中xik為X中第i行第k列元素的值，xk為X中第k列所有賦值的平均值 用X′和x′ik分別取代式(6)中的X和xik，得 之後運用極差公式(9)對式(8)中各元素數據進行歸一化處理，即將各元素的數值壓縮在
區間； 歸一化處理後得到矩陣X″ 4.加權Hamming貼近度計算 根據矩陣X″中各元素的值，分別計算U中各子集與待評價樣本B的加權Hamming貼近度，即 式中DH(Ai，B)為U中第i個子集與待評價樣本B的加權Hamming貼近度，w(Xk)是賦予Xk的權值(k＝1，2，…m)，並滿足 實踐經驗表明，巖石容重γ、巖石抗拉強度[σt]、巖石抗剪強度[τ]、巖體完整性係數η這四個指標各自對巖體可爆性的影響程度是不同的，巖石的抗拉強度和巖體的完整性係數對巖體的可爆性影響最大，巖石的容重與抗剪強度次之。因此，這四個指標的權值分別取為w(X1)＝0.2，w(X2)＝0.3，w(X3)＝0.2，w(X4)＝0.3。
5.巖體的可爆性級別判定 根據擇近原則，取DH(Ai，B)的最大值 D(Ai，B)＝max{DH(A1，B)，…DH(An，B)}(12) 在式(12)中，B與D(Ai，B)相對應的Ai最為貼近，故把評價樣本B歸入模式Ai，即將評價樣本B所代表巖體的可爆性級別判定為i。
綜合上述，對於任何一種巖體，已知其四個分級指標巖石容重γ、抗拉強度[σt]、抗剪強度[τ]、完整性係數η的值，就可以按上述方法計算出其與評價標準樣本庫中各級別之間的加權Hamming貼近度，並通過擇近原則判斷該巖體所屬的可爆性級別。
本發明的優點 1)巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數與巖體的可爆性具有較高的相關性。巖石容重越大，巖石破壞後移動所消耗的能量就越多；巖石的抗拉強度和抗剪強度越高，巖石就越難以發生爆破破壞；巖體完整性係數越高，表明巖體中的節理裂隙發育程度越低，完整性高，使巖石在爆破作用下破碎到期望的塊度所消耗的能量也越多。因此，將巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數四個指標作為評價巖體可爆性的判據指標，反映了巖體爆破破壞難易程度的本質，具有合理性。
2)巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數易於實測。因此，將之作為評價巖體可爆性的判據指標，實用、易行，在實踐中具有較高的可操作性。
3)將巖體的可爆性分為七級，涵蓋了絕大多數自然巖體的可爆性屬性範圍，能夠充分滿足礦山爆破工程實踐的要求。
4)試驗應用的結果表明，採用模式識別方法實現巖體的爆破分級，分級結果可靠，對確定爆破技術參數具有科學指導意義。

具體實施例方式 具體實施方法是，根據礦山各種不同巖石的巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數，建立巖體可爆性分級四指標七等級的標準模型庫，然後將待分類樣本與標準模型庫進行加權海明貼近度計算，最後根據擇近原則確定樣本所屬的可爆性級別。
以水廠鐵礦為例，水廠鐵礦絕大多數巖體的這四種參數指標的取值範圍分別為巖石容重2.4～3.6t·m-3、抗拉強度2.0～20MPa、抗剪強度15.0～50.0MPa、巖體完整性係數0.35～0.95。首先根據數據建立水廠鐵礦巖體可爆性分級標準樣本庫，如表1。
表1水廠鐵礦巖體可爆性分級標準模型庫 根據水廠鐵礦的具體巖體性質，運用基於模式識別的可爆性分級方法，將水廠鐵礦的巖體具體分為III、IV、V和VI。表2為水廠鐵礦巖體可爆性分級表。
表2水廠鐵礦巖體可爆性分級表 最後就可以根據水廠鐵礦的巖體可爆性級別，由表3得到不同鑽孔直徑條件下不同可爆性級別巖體的單位炸藥消耗量和單孔負擔面積兩個基本參數，進而可給出爆破設計的其它參數。
表3臺階炮孔爆破分類礦巖爆破技術參數

權利要求
1.基於模式識別的巖體四指標可爆性分級方法，其特徵在於分級步驟如下
1)建立標準模型庫U
基於礦山實踐經驗，把巖石的可爆性級別確定為7個等級，並建立標準模型庫U
U＝{Ai}(1)
其中Ai為標準模型庫U的第i個標準子集(i＝1～7)，代表巖體可爆性的一個第i個級別，即
把巖體的巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數這四個特徵量作為對巖體的可爆性進行描述的指標，有
Ai＝(xi1，xi2，xi3，xi4)(3)
式(3)中xi1——對巖體可爆性分級的影響因素巖石容重γ；
xi2——對巖體可爆性分級的影響因素抗拉強度σi；
xi3——對巖體可爆性分級的影響因素抗剪強度τ；
xi4——對巖體可爆性分級的影響因素巖體完整性係數η；
即
Ai＝(γ，[σi]，[τ]，η)(4)
2)建立待評價樣本B
在任意一種待評價巖體的巖石容重γ、抗拉強度[σi]、抗剪強度[τ]、完整性係數η已知時，構成待評價樣本B，即
B＝(x01，x02，x03，x04) (5)
式(5)中x01——待評價巖體的巖石容重γ；
x02——待評價巖體的抗拉強度[σi]；
x03——待評價巖體的抗剪強度[τ]；
x04——待評價巖體的巖體完整性係數η；
3)歸一化處理
由U和B構成矩陣X
為消除各統計指標在量綱上的差異，以便於分析比較，對各指標的數據用下式進行標準化處理
式(7)中xik為X中第i行第k列元素的值，xk為X中第k列所有賦值的平均值；
用X′和x′ik分別取代式(6)中的X和xik，得
之後運用極差公式(9)對式(8)中各元素數據進行歸一化處理，即將各元素的數值壓縮在
區間；
歸一化處理後得到矩陣X″
4)加權Hamming貼近度計算
根據矩陣X″中各元素的值，分別計算U中各子集與待評價樣本B的加權Hamming貼近度，即
式中DH(Ai，B)為U中第i個子集與待評價樣本B的加權Hamming貼近度，w(Xk)是賦予Xk的權值(k＝1，2，…m)，並滿足
將巖石容重γ、巖石抗拉強度[σt]、巖石抗剪強度[τ]、巖體完整性係數η這四個指標的權值分別取為w(X1)＝0.2，w(X2)＝0.3，w(X3)＝0.2，w(X4)＝0.3；
5)巖體的可爆性級別判定
根據擇近原則，取DH(Ai，B)的最大值
D(Ai，B)＝max{DH(A1，B)，…DH(An，B)}(12)
在式(12)中，B與D(Ai，B)相對應的Ai最為貼近，故把評價樣本B歸入模式Ai，即將評價樣本B所代表巖體的可爆性級別判定為i。
全文摘要
本發明屬於礦山開採領域，涉及一種基於模式識別的巖體四指標可爆性分級方法。其特徵是通過建立標準模型庫U和建立待評價樣本B對待評價樣本歸一化處理，然後進行加權Hamming貼近度計算、對巖體的可爆性級別進行判定。本發明將巖體的可爆性劃分為七級，並採用模式識別方法對巖體的巖石容重、抗拉強度、抗剪強度和巖體完整性係數四種指標進行可爆性分級計算。試驗應用的結果表明，採用模式識別方法對巖體的可爆性進行分級，分級結果可靠，對確定爆破技術參數具有科學指導意義。
文檔編號G06K9/62GK101586932SQ200910087308
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者璩世傑, 毛市龍, 譚文輝, 範利華, 王進強, 政 張 申請人:北京科技大學