CN110487683A - 基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法，(1)在爆堆的若干位置对爆破碎石进行不同缩放比尺的拍摄；(2)利用图像处理技术；自动识别各爆破碎石的边界，进而获取各爆破碎石的颗粒大小和长短轴比，并将于不同部位和不同缩放比尺下获得的图像识别结果进行合并处理；(3)基于图像处理结果获取爆堆的碎石颗粒大小分布；和平均长短轴比；(4)定义爆破碎石生产效率指标Q：Q＝[1–(|G–Gs|/Gs)]×[1–(|S–0.707|/0.707)]。本发明既能反映所生产爆破碎石的级配与规范要求的符合程度，又能考虑矿石的后续破碎研磨效率以及筑坝骨料的密实度，还能考量爆破碎石生产的经济性。
Description
技术领域
本发明属于采矿和水利水电工程中的岩石爆炸破碎技术领域，具体涉及一种基于颗粒形 状的岩石爆炸破碎效率评价方法。
背景技术
通过岩石的爆炸破碎获取级配良好的爆破碎石是露天和地下采矿以及水电堆石坝工程骨 料获取的重要环节，相应的爆炸破碎效果对后续的矿石装载、运输、破碎、加工和堆石坝的 整体稳定性、以及矿物成品产出和筑坝工程的效率具有直接影响(Kulatilakeet al.,2010；李瑞 泽等，2019)。目前岩石工程界一般利用爆破碎石的颗粒大小分布(级配)来评价爆破效果的优 劣。然而，作为固体材料破碎内在机理的重要表征指标，爆破碎石的颗粒形状同样对矿石的 破碎、碾磨等过程具有重要影响，同时其颗粒形状也将影响筑坝骨料的粒间接触形式，进而 影响坝料的密实度和整体刚性，最终影响坝体的沉降。因此，在利用颗粒大小分布进行常规 爆破效果评价的基础上，进一步引入并考虑颗粒形态的影响，对于提升采矿和水电工程的安 全和经济效益具有重要的理论和工程意义。
目前岩石工程界一般利用爆破碎石的颗粒大小分布(级配)来评价爆破效果的优劣。其核 心评价方法包括：
(1)对比岩块天然级配曲线与爆破改造后碎石级配曲线的平均值和斜率(Aler etal.,1996a, 1996b)；
(2)对比岩块天然级配曲线与爆破改造后碎石级配曲线的积分(Latham and Lu,1999)。
以上的爆炸破碎效率评价方法忽略了碎石形状的影响。根据不同的级配测定方法(筛分实 验或图像识别技术)，忽略碎石形状的爆炸破碎效率评价方法将可能存在如下局限：
(1)筛分实验方法。筛分实验方法利用一系列开孔大小逐渐变化的筛子测定碎石体的颗 粒大小分布，且每一级筛子的开孔大小相同。由筛分实验的原理可知，碎石的短轴和中长轴 总是更容易通过筛孔(Wang and Stephansson,1996；Maerz and Zhou,1998)，因此利用该方法测 定的短轴和中长轴相近、而长轴相差较大的不同碎石体仍将具有相似的级配。
(2)图像识别方法。2维图像识别方法通过自动识别块体边界，并用具有相同面积的椭圆 进行拟合，最终得到碎石体的颗粒大小分布(Durda et al.,2015)。根据2维图像识别方法的工作 原理，利用该方法测定的面积相近、而形态相差较大的不同碎石体仍将具有相似的级配。3 维图像识别方法与2维图像识别方法原理相近，其通过在三维空间中自动识别块体边界，最终 获取碎石体的颗粒大小分布(Han and Song,2016)。根据该方法的工作原理，体积相近、而形 态相差较大的不同碎石体也将具有相似的级配。
由以上讨论可知，利用已有的级配测定方法，具有相同颗粒大小分布的不同碎石体将可 能具有截然不同的形态分布。由于碎石的颗粒形状对矿石的破碎、碾磨等过程具有重要影响， 同时其颗粒形状也将影响筑坝骨料的粒间接触形式，进而影响坝料的密实度和整体刚性，最 终影响坝体沉降，因此，仅依赖已有的级配测定手段而不考虑碎石颗粒形态的爆炸破碎效率 评价方法不利于采矿和水电工程的安全和经济效益。
发明内容
本发明提供一种基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法，解决基于颗粒大小分布的 常规爆炸破碎效率评价方法无法考虑碎石颗粒形态、进而不利于采矿和水电工程安全和经济 效益的问题。
基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法，包括以下步骤：
(1)在爆堆的若干位置对爆破碎石进行不同缩放比尺的拍摄；
(2)利用图像处理技术；自动识别各爆破碎石的边界，进而获取各爆破碎石的颗粒大小和 长短轴比，并将于不同部位和不同缩放比尺下获得的图像识别结果进行合并处理；
(3)基于图像处理结果获取爆堆的碎石颗粒大小分布；和平均长短轴比；
(4)定义爆破碎石生产效率指标Q如下：
Q＝[1–(|G–Gs|/Gs)]×[1–(|S–0.707|/0.707)]
其中，G是图像处理获得的爆破碎石级配曲线在规范要求粒径范围内的积分，Gs是规范 要求的爆破碎石级配包络线的积分平均值，S是图像处理获得的爆破碎石的短轴与长轴之比的 平均值(长短轴比)。
本发明提出该爆破碎石生产效率评价指标的依据如下:
(a)式中第一项[1–(|G–Gs|/Gs)]用于评价所生产爆破碎石的级配与规范要求的符合程度，即 所生产的爆破碎石级配越符合规范要求，这一项的值越大；
(b)大量的高速冲击试验表明，在加载能量足够高时，碎裂块体的形态服从正态分布，其 三边之比的平均值接近于该规律与不同的加载物体类型、形态以及加载速率无关， 因此具有极高的普遍性和稳定性。由于一般认为图像处理所得的短轴、长轴实际分别对应于 皮尺测量的中长轴与长轴，因此式中第二项[1–(|S–0.707|/0.707)]使用充分破碎块体的中长轴与 长轴之比的统计平均值0.707进行正规化处理，使得爆破碎石的形态越稳定(即颀长与浑圆的 块体越少)，这一项的值越大。之所以需要利用该项算子在出现较多颀长与浑圆的块体时降低 对爆破碎石生产效率的评价，是因为过多的颀长块体(S值较低)不利于矿石的破碎研磨效率以 及筑坝骨料的密实度，而过多的浑圆块体(S值较高)则表明炸药单耗过高、经济效益较差。
(c)所生产爆破碎石的级配与规范要求的符合程度越高、爆破碎石的形态越稳定，指标Q 值越大，即岩石爆炸破碎效率越高。
本发明提供的基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法，既能反映所生产爆破碎石的 级配与规范要求的符合程度，又能考虑矿石的后续破碎研磨效率以及筑坝骨料的密实度，还 能考量爆破碎石生产的经济性。因此，该评价方法的提出和使用对于提升采矿和水电工程的 安全和经济效益具有重要意义。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的技术方案。
(1)某堆石坝工程要求坝体碎石骨料的级配包络线积分平均值为Gs，现有三种备选的碎石 骨料爆破生产设计方案，A，B，C。
(2)对三种爆破设计方案生产的碎石爆堆的底部、中部、顶部以及左侧和右侧分别进行放 大1倍、2倍、5倍、10倍的高清照片拍摄。
(3)利用图像处理软件Split自动识别所有照片中各爆破碎石的边界，进而获取各爆破碎石 的颗粒大小和长短轴比，并将于不同部位和不同缩放比尺下获得的图像识别结果进行合并处 理。
(4)爆破设计方案A获得的碎石级配曲线在规范要求粒径范围内的积分为G＝0.9Gs，其爆 破碎石的平均长短轴比S为0.61。
(5)爆破设计方案B获得的碎石级配曲线在规范要求粒径范围内的积分为G＝0.9Gs，其爆 破碎石的平均长短轴比S为0.69。
(6)爆破设计方案C获得的碎石级配曲线在规范要求粒径范围内的积分为G＝0.9Gs，其爆 破碎石的平均长短轴比S为0.76。
(7)计算本发明专利提出的岩石爆炸破碎效率评价指标，对于爆破设计方案A，其Q值为 0.7765；对于爆破设计方案B，其Q值为0.8784；对于爆破设计方案C，其Q值为0.8325。
(8)可见，在所生产碎石的级配基本相同的情况下，爆破设计方案A生产的碎石整体较为 颀长，碎石的平均长短轴比S为0.61(S较低)，这样的碎石形态将不利于坝体的整体稳定性； 而爆破设计方案C生产的碎石整体较为浑圆，碎石的平均长短轴比S为0.76(S较高)，这样的 碎石形态将导致过高的炸药单耗，经济效益较差。在所生产碎石的级配基本相同的情况下， 爆破设计方案B生产的碎石形态较为合理，这样的碎石骨料不仅更有利于坝体的整体稳定性， 其爆破生产也具有较好的经济效益，因此其岩石爆炸破碎效率评价指标Q值为0.8784，分别 高于爆破设计方案A和爆破设计方案C的Q＝0.7765和Q＝0.8325，所以在实际工程中使用爆 破设计方案B更为合适。
Claims (1)
1.基于颗粒形状的岩石爆炸破碎效率评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在爆堆的若干位置对爆破碎石进行不同缩放比尺的拍摄；
(2)利用图像处理技术；自动识别各爆破碎石的边界，进而获取各爆破碎石的颗粒大小和长短轴比，并将于不同部位和不同缩放比尺下获得的图像识别结果进行合并处理；
(3)基于图像处理结果获取爆堆的碎石颗粒大小分布；和平均长短轴比；
(4)定义爆破碎石生产效率指标Q如下：
Q＝[1–(|G–Gs|/Gs)]×[1–(|S–0.707|/0.707)]
其中，G是图像处理获得的爆破碎石级配曲线在规范要求粒径范围内的积分，Gs是规范要求的爆破碎石级配包络线的积分平均值，S是图像处理获得的爆破碎石的短轴与长轴之比的平均值即长短轴比；爆破碎石的生产效率越高，Q值越大；反之爆破碎石的生产效率越低，Q值越小。
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