一种露天台阶爆破爆堆形态预测方法及系统与流程

本发明涉及工程爆破，特别是涉及一种露天台阶爆破爆堆形态预测方法及系统。

背景技术：

1、露天台阶爆破开挖岩体效率高，开挖形成台阶面平整，且能将爆堆抛掷到预定区域，可提高后续爆堆铲装运输工序效率。当前，露天台阶爆破已成为我国矿山、水电、交通等领域露天工程岩体开挖最常用的技术手段。

2、随着绿色开采理论的发展，露天台阶爆破不仅要改善爆破块度分布使之满足工程需求，同时也需要控制爆堆的抛掷堆积形态。爆破开挖完成后，良好的爆堆形态不仅可降低岩体爆破破碎抛掷能的比例，提高炸药能量利用率，还能减少铲装运输机械的辅助工作量，降低铲装工作风险，进而节约工程成本。因此，露天台阶爆破爆堆形态的预测对于优化爆破设计参数，提高企业的经济效益具有重要意义。

3、岩体爆破破碎是一个非常复杂的热-力-化学耦合过程，岩体物理力学性质、爆破参数和炸药性能都会影响岩体的破碎、抛掷和堆积过程，爆堆形态预测的物理数学模型和计算方法仍较为欠缺。目前，工程爆破中常见的爆堆形态预测方法为体积平衡法、弹道学法、weibull随机统计模型法及weibull模型和各类人工智能算法间的组合。其中，体积平衡法和弹道学法是硐室爆破抛掷堆积规律预测较为成熟的理论，苏联科学家切尔尼高夫斯基在其著作《定向抛掷爆破》中详述了群药包、平面药包硐室爆破爆堆形态弹道学预测方法。然而，硐室爆破装药结构与台阶爆破差异大，破碎块体通常由药包中心沿辐射方向运动，抛掷速度梯度也异于台阶爆破，其预测方法不能直接运用于露天台阶爆破。为此，于亚伦等在90年代首次提出了利用weibull概率统计模型预测台阶爆破爆堆形态的方法，李祥龙、张宪堂等据此分别提出了露天煤矿高台阶抛掷爆破和节理裂隙岩石台阶爆破爆堆形态的预测方法，齐留洋等提出了将神经网络、支持向量机等各类人工智能算法与weibull模型相结合的台阶爆破爆堆形态的预测方法。以上几种方法预测的爆堆形态与实测爆堆轮廓线吻合相对较好，可一定程度满足工程实践需求，但仍存在以下不足：

4、(1)露天台阶爆破中，爆堆抛掷主要与破碎块体的抛掷初速度大小和抛掷角度密切相关，抛掷速度和抛掷角度则主要取决于破碎过程中炸药能量分布和台阶面最小抵抗线。例如，张宪堂等在《煤矿爆破》第50期提出的预测方法假定破碎块体抛掷角度与台阶倾角一致，李祥龙等在《爆炸与冲击》第33卷s1期提出的预测方法则直接假定了最远抛掷点和抛掷角度，即二者均未充分考虑爆堆抛掷过程的物理和力学影响因素。

5、(2)weibull分布模型的曲线形态与其形状控制参数α和β密切相关，但α和β取值有一定困难。根据理论推导，α和β受抛掷距离最远处的爆堆高度h0及该处爆堆轮廓曲线斜率k0影响较大，但已有的或已经公开的预测方法并未充分考虑α和β取值影响因素。例如，于亚伦等首次提出的利用weibull模型预测台阶爆破爆堆形态的方法，中国发明(申请号cn202110905758.x)公开的一种露天矿浅埋采空区爆破方法步骤4中提出了利用weibull模型模拟爆堆形态法，但并未公开α和β取值方法，李祥龙等在《爆炸与冲击》第33卷s1期和《煤炭学报》第36卷9期提出的预测方法则对h0及k0随机取值，并未充分考虑α和β取值影响因素。

6、(3)各类人工智能算法与weibull模型相结合的方法为爆堆形态预测提供了一种新思路，如中国发明(申请号cn201910313775.7)公开了一种基于广义回归神经网络的爆堆位移预测模型。采用此类方法预测爆堆形态时，需要开展大量现场试验获取大量样本数据，各类算法均需要经多次训练迭代得到最终预测模型，整个过程试验周期长、成本高、数据处理量大，且对工程人员的编程能力要求较高，易用性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种露天台阶爆破爆堆形态预测方法及系统，可预测爆堆轮廓形状，其计算原理清晰、简单使用、且预测结果符合实际。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种露天台阶爆破爆堆形态预测方法，所述预测方法包括：

4、基于图像处理技术，根据现场爆破试验获取试验爆堆的二维轮廓曲线和形态参数；所述形态参数包括：最远抛掷距离、爆堆隆起高度和塌落高度；

5、基于随机选取的最远抛掷距离处的爆堆高度以及该处二维轮廓曲线的斜率确定初始weibull曲线形状控制参数；

6、基于初始weibull曲线形状控制参数绘制weibull分布模型曲线；计算weibull分布模型曲线与二维轮廓曲线的重合度，若重合度大于或等于重合度阈值，则确定当前的最远抛掷距离处的爆堆高度以及最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，为最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度及最优的二维轮廓曲线的斜率，执行下一步骤；若重合度小于重合度阈值，则执行上一步骤；

7、将台阶爆破的柱状药包和台阶面岩体分别等效为多个理想的球形药包和多个形状为立方体的破碎块体，并计算得所有球形药包对每一个破碎块体的和抛掷速度与和抛掷角度；

8、基于所述和抛掷速度与所述和抛掷角度，利用弹道公式计算各破碎块体的预测抛掷距离；

9、将各破碎块体的预测抛掷距离进行对比得到最远预测抛掷距离；

10、利用经验公式估算爆堆松散系数；

11、通过所述最远预测抛掷距离、爆堆松散系数、最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度及最优的所述最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，得到最优的曲线形状控制参数；

12、基于所述最优的曲线形状控制参数和所述爆堆松散系数绘制最优的weibull分布模型曲线；

13、利用爆破漏斗可见深度修正最后一排炮孔处最优的weibull分布模型曲线，得到露天台阶爆破爆堆形态预测曲线。

14、可选地，计算得所有等效药包对每一个破碎块体的和抛掷速度与和抛掷角度，具体包括：

15、计算每个球形药包对破碎块体的抛掷速度和抛掷角度；

16、基于每个球形药包对破碎块体的抛掷速度和抛掷角度计算所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷速度与和抛掷角度。

17、可选地，计算每个球形药包对破碎块体的抛掷速度和抛掷角度的公式如下：

18、

19、

20、式中，vij为第i个球形药包爆破时第j个立方体破碎块体的抛掷初速度，wij为第i个球形药包与第j个破碎块体之间的抵抗线大小，为第i个球形药包爆破时第j个破碎块体的抛掷角度，p为炮孔内炸药延米装药量，h为台阶高度，α0为台阶倾角；hi为第i个球形药包到孔底的距离；hc为钻孔超深；w0为上台阶抵抗线大小；yj为第j个破碎块体的落差；所述落差为所述破碎块体抛掷点与其落点之间的竖直距离。

21、可选地，计算所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷速度与和抛掷角度的公式如下：

22、

23、

24、式中，vj0为所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷速度，θ为所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷角度，m为等效球形药包的数量。

25、可选地，所述预测抛掷距离的计算公式为：

26、

27、式中，lj为第j个破碎块体的预测抛掷距离，g为重力加速度，vj0为所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷速度，θ为所有球形药包对每个破碎块体的和抛掷角度，yj为第j个破碎块体的落差。

28、可选地，所述利用经验公式估算爆堆松散系数，具体包括；

29、基于炮孔直径、炮孔间距和排距计算单位面积炮孔负担的孔网面积；

30、基于炸药单耗、波动系数和单位面积炮孔负担的孔网面积计算爆堆松散系数。

31、可选地，所述最优的曲线形状控制参数的计算公式为：

32、

33、式中，α和β为最优的曲线形状控制参数，a0为露天台阶剖面面积，lm为最远预测抛掷距离，k0'为最优的所述最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，h0'为最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度，ξ为爆堆松散系数。

34、可选地，所述爆破漏斗可见深度，计算公式为：

35、

36、式中，n0为爆破作用指数，w为最后一排炮孔抵抗线大小；d2为爆破漏斗可见深度。

37、可选地，所述爆破作用指数，计算公式为：

38、

39、式中，r1为爆破漏斗底圆半径。

40、为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

41、一种露天台阶爆破爆堆形态预测系统，所述预测系统包括：

42、图像处理单元，用于根据现场爆破试验获取试验爆堆的二维轮廓曲线和形态参数；所述形态参数包括：最远抛掷距离、爆堆隆起高度和塌落高度；

43、初始参数确定单元，用于基于随机选取的最远抛掷距离处的爆堆高度以及该处二维轮廓曲线的斜率确定初始weibull曲线形状控制参数；

44、曲线比对单元，用于基于初始weibull曲线形状控制参数绘制weibull分布模型曲线；并计算weibull分布模型曲线与二维轮廓曲线的重合度；所述初始参数确定单元还用于在重合度小于重合度阈值时，重新基于随机选取的最远抛掷距离处的爆堆高度以及该处二维轮廓曲线的斜率确定初始weibull曲线形状控制参数；

45、和抛掷速度与和抛掷角度计算单元，用于在重合度大于或等于重合度阈值时，计算得所有球形药包对每一个破碎块体的和抛掷速度和抛掷角度；

46、预测抛掷距离计算单元，用于基于所述抛掷速度和所述抛掷角度，利用弹道公式计算各破碎块体的预测抛掷距离；

47、最远预测抛掷距离确定单元，用于将各破碎块体的预测抛掷距离进行对比得到最远预测抛掷距离；

48、爆堆松散系数估算单元，用于估算爆堆松散系数；

49、最优参数确定单元，用于通过所述最远预测抛掷距离、爆堆松散系数、最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度及最优的所述最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，得到最优的曲线形状控制参数；

50、分布模型曲线绘制单元，用于基于所述最优的曲线形状控制参数和所述爆堆松散系数绘制最优的weibull分布模型曲线；

51、分布模型曲线修正单元，用于利用爆破漏斗可见深度修正最后一排炮孔处最优的weibull分布模型曲线，得到露天台阶爆破爆堆形态预测曲线。

52、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

53、本发明公开一种露天台阶爆破爆堆形态预测方法及系统，所述方法通过现场爆破试验获取试验爆堆的二维轮廓曲线和形态参数；基于随机选取的最远抛掷距离处的爆堆高度以及该处二维轮廓曲线的斜率确定初始weibull曲线形状控制参数；基于初始weibull曲线形状控制参数绘制weibull分布模型曲线；计算weibull分布模型曲线与二维轮廓曲线的重合度；若重合度小于重合度阈值则重新随机选取的最远抛掷距离处的爆堆高度以及该处二维轮廓曲线的斜率，并重新计算重合度；若重合度大于或等于重合度阈值，确定当前的最远抛掷距离处的爆堆高度以及最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，为最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度及最优的二维轮廓曲线的斜率；计算得所有球形药包对每一个破碎块体的和抛掷速度与和抛掷角度；计算各破碎块体的预测抛掷距离；将各破碎块体的预测抛掷距离进行对比得到最远预测抛掷距离；估算爆堆松散系数；通过所述最远预测抛掷距离、爆堆松散系数、最优的所述最远抛掷距离处的爆堆高度及最优的所述最远抛掷距离处的二维轮廓曲线的斜率，得到最优的曲线形状控制参数；基于所述最优的曲线形状控制参数和所述爆堆松散系数绘制weibull分布模型曲线；利用爆破漏斗可见深度修正最后一排炮孔处weibull分布模型曲线，得到露天台阶爆破爆堆形态预测曲线。

54、与现有技术直接假定最远抛掷点和抛掷角度相比，本发明充分考虑了爆堆抛掷过程的物理和力学影响因素；现有技术需开展大量现场试验获取大量样本数据，各类算法均需要经多次训练迭代得到最终预测模型，本发明计算原理清晰、简单使用、预测结果符合实际、且可预测爆堆轮廓形状。