CN111581800A - 一种考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法，包括：步骤1，对开采区岩体的每一临空面进行结构面三维扫描，获得三维图像；步骤2，基于岩体表面的节理裂隙，利用岩体三维结构分析系统在三维图像上构建岩体的天然裂隙网络，统计开采区岩体总体的天然块度分布；步骤3，根据级配需求的各级块度来划分开采区，获得若干块度区；步骤4，对块度不小于20mm的块度区，通过将级配需求与块度区进行匹配，来对开采区域的爆破进行时空划分；步骤5，对块度小于20mm的块度区，采用改变爆源参数法来确定模型，基于模型来指导爆破参数的确定。本发明基可精确控制爆破级配，操作简单且省时省力，且可提高炸药爆炸能量的利用率。

Description

一种考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法

技术领域

本发明涉及水利与土木工程领域的爆破技术，具体来说涉及一种考虑结构面的块度分区 优化爆破设计方法。

背景技术

科学的利用炸药爆炸能量有效的破碎岩体形成理想的爆破块度，是此过程中涉及的关键 技术之一。如在水电工程领域，开采的堆石坝级配料合格与否，直接关系到大坝的填筑质量 和坝体运行期的安全，需引起足够重视。大量资料表明，原生地质结构弱面占爆破岩块表面 总量的80％以上；然而随着粒径减少，其破碎面中原结构面影响所占的比例逐渐减少，对于 粒径小于10cm的岩块，结构面影响所占的比例从50％降到10％。因此结构面对爆破级配形 成的影响具有明显的分区特性。

要从根本上解决爆破块度控制问题，必须在岩体爆破的物理力学过程准确考虑天然结构 面的影响，才能更为贴近实际的指导岩体爆破块度的控制。

发明内容

针对现有爆破块度控制技术未充分考虑结构面影响的工程技术现状，本发明考虑到岩体 爆破过程中天然结构面的影响，提出了一种考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法。

本发明提供的考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法，包括步骤：

步骤1，对开采区岩体的每一临空面进行结构面三维扫描，获得岩体结构面的三维图像；

步骤2，基于岩体表面的节理裂隙，利用岩体三维结构分析系统在三维图像上构建岩体 的天然裂隙网络，统计开采区岩体总体的天然块度分布；

步骤3，根据级配需求的各级块度来划分开采区，获得与各级块度匹配的块度区；

步骤4，对块度不小于20mm的块度区，将各级块度的需求比例分别与匹配的块度区内 该级块度的比例进行匹配计算，选择匹配值最高的块度区作为主要或优先爆破区；

步骤5，对块度小于20mm的块度区，记为小块度区，进行如下处理：

(5a)选择3～5小块度区分别开展爆破试验，统计爆破块度百分比，并采集样本数据； 所述样本数据包括各小块度区的爆破块度筛分、以及各小块度区相应的爆破参数；所述爆破 参数包括炸药密度ρ_e、炸药爆速D、药卷直径a、炮孔直径b，炸药爆速D通过试验测定；

(5b)以

为自变量，分别以2mm、5mm以及10mm级配所占比例为应变 量R_x，构建模型

其中，σ_d为岩体动态抗压强度，α为衰 减指数，γ为等熵指数，取为3；K_x表示级配系数；

(5c)利用样本数据训练模型，获得反应

和R_x数值关系的拟合曲线；

在小块度区爆破时，输入当前小粒径级配需求，即输出

值，以

值作为实施爆破的参考。

进一步的，步骤1中，利用无人机或三维扫描设备进行三维扫描。

进一步的，步骤2中，岩体三维结构分析系统采用JRS-3D系统。

进一步的，步骤3具体为：

利用岩体三维结构分析系统中扫描窗扫描三维图像，获取扫描窗内岩体块度范围；

将扫描窗内块度范围依次与级配需求的各级块度范围比较，当与某级块度范围一致，或 扫描窗内块度范围落入某级块度范围内时候，则匹配，扫描窗内区域被分区为该级块度范围 所对应的块度区；

当扫描窗内块度范围与级配需求的某级块度范围部分重叠时，则计算匹配比例，当匹配 比例大于预设的阈值时，则匹配；否则，不匹配；

所述匹配比例指部分重叠的块度在扫描窗内的占比。

进一步的，步骤4具体为：

进一步包括匹配计算的预处理以及设计爆破；

匹配计算的预处理为：

提取级配需求中块度大于20mm的各级级配比例，针对大于20mm的各级级配分别进行 匹配计算，即：将各级块度的需求比例分别与各级块度相应的块度区进行匹配计算，计算匹 配值

其中，d_sn表示块度区内当前级块度的比例，d_n表示级配需求所要求的 当前级块度的比例。此处，当前级块度指各级块度中正在进行匹配计算的块度级；

设计爆破为：

分别选择与各级级配匹配值最大的中大块度区作为主要或优先爆破区，从而进行爆破设 计。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明基于结构面对爆破块度形成的影响力学机制，从结构面与爆源机制的影响权重 角度进行分区，提出爆破开采全过程的分区设计与优化技术。本发明可精确控制爆破级配， 操作简单且省时省力；可用于水利水电、交通、矿山等行业的石料爆破开采中，以提高炸药 爆炸能量的利用率。

附图说明

图1为爆破块度分区优化设计方法的具体流程示意图；

图2为实施例中待开采山体照片；

图3为实施例中的岩体三维扫描与裂隙重构图；

图4为实施例中爆区岩体的天然块度分布及爆破筛分块度分布；

图5为实施例中开采区的分区结果示意图；

图6为小粒径块度级配系数拟合曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图进一步说明本发明 的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。

参见图1，本发明方法为：首先，基于地质条件获取开采区岩体的天然块度分布，并对 开采区进行分区；接着，对小块度区和中大块度区采用不同的爆破设计；对小块度区，采用 改变爆源参数法确定爆破参数；对中大块度区，通过将现场级配需求与分区进行匹配，来确 定爆破的时空顺序。

下面将结合附图，提供本发明方法的具体实施过程，具体步骤如下：

(1)采用无人机或三维扫描设备对开采区岩体进行扫描，获取岩体结构面的三维图像。 进行岩体扫描时，需要对岩体的每一临空面进行结构面三维扫描。

(2)利用岩体三维结构分析系统，基于岩体表面的节理裂隙，在步骤(1)所得三维图 像上形成天然裂隙网络，统计开采区岩体总体的天然块度分布。

公知，岩体的天然块度分布可通过岩体表面的节理裂隙分割，可采用岩体三维结构分析 系统，具体可用JRS-3D系统，来统计岩体内部的天然块度分布。一般，所统计出岩体天然 块度分布的范围为20mm～1000mm。参见图4，示出了实施例所获得的天然块度分布曲线。

(3)根据级配需求，基于天然块度分布，将开采区划分为不同块度区间的若干块度区。

本文所提及“级配”，指各级块度(粒径)颗粒的分配情况，而此处的根据级配需求划 分块度区，具体指根据级配的各级块度来划分块度区间。例如，本实施例级配需求的各级块 度范围分别为不大于20mm、20mm～40mm、40mm～60mm、60mm～100mm、100mm～200mm、200mm～400mm，则将开采区划分为A块度区、B块度区、C块度区、D块度区、E块度区 以及F块度区，其中A块度区为小块度区，其他均为中大块度区。A块度区的块度范围与不 大于20mm匹配，B块度区的块度范围与20mm～40mm匹配，C块度区的块度范围与 40mm～60mm匹配，D块度区的块度范围与60mm～100mm匹配，E块度区的块度范围与 100mm～200mm匹配，F块度区的块度范围与200mm～400mm匹配。

利用岩体三维结构分析系统中扫描窗扫描岩体结构面的三维图像，获取各扫描窗内岩体 块度，从而实现块度范围匹配及分区。扫描窗尺寸设为一次爆破的区域尺寸，一般为30m× 15m。见图5中方框即扫描窗。

前述块度范围匹配及分区，具体过程为：

获取扫描窗内岩体块度范围，将扫描窗内块度范围依次与级配需求的各级块度范围比 较，若与某级块度范围一致，或扫描窗内块度范围落入某级块度范围内，则匹配，扫描窗内 区域被分区为该级块度范围所对应的块度区。

若扫描窗内块度范围与级配需求的某级块度范围部分重叠，则计算匹配比例，当匹配比 例大于预设的阈值时，则匹配；否则，不匹配。本实施例中，阈值预设为80％，可根据实际 的精度需求进行调整。所述匹配比例指部分重叠的块度在扫描窗内的占比。例如，扫描窗内 块度范围为10～40mm，则计算扫描窗内20～40mm范围块度的占比，具体通过扫描窗内的天 然块度分布曲线计算获得。

下面将结合一实例来描述该匹配及分区过程。参见图5，所示方框即扫描窗，从图中可 以看出各扫描窗区域的块度范围有20～40mm、40～60mm、60～80mm、80～100mm、100～120mm、 120～140mm、140～160mm、160～180mm、180～200mm，其中，20～40mm、40～60mm范围正 好与B块度区、C块度区的块度范围一致，则分别划分为B块度区、C块度区；60～80mm、 80～100mm范围都落入D块度区的块度范围，则都分区为D块度区；100～120mm、 120～140mm、140～160mm、160～180mm、180～200mm范围都落入E块度区的块度范围，则 都分区为E块度区。

(4)中大块度区域爆破设计。

参见图4，示出了天然块度分布曲线和实际爆破中获得的爆破筛分块度曲线，从图中可 以看出，天然块度分布曲线和爆破筛分块度曲线的中大块度匹配高，但不大于20mm的小块 度匹配不高。因此，本发明将以20mm块度为分界，对块度不大于20mm的小块度区和块度 大于20mm的中大块度区分别设计爆破。

步骤(3)中已对开采区进行了分区，获得了与级配需求各级块度所对应的块度区。基 于分区结果来设计爆破。具体来说，包括匹配计算的预处理以及设计爆破两个步骤。

匹配计算的预处理为：提取级配需求中块度大于20mm的各级级配比例，针对大于20mm 的各级级配分别进行匹配计算，即：将各级块度的需求比例分别与各级块度相应的块度区进 行匹配计算，计算匹配值

其中，d_sn表示块度区内当前级块度的比例，d_n表 示级配需求所要求的当前级块度的比例。此处，当前级块度指各级块度中正在进行匹配计算 的块度级。

预处理完成后，分别选择与各级级配匹配值最大的中大块度区作为主要或优先爆破区， 从而进行爆破设计。

(5)小块度区爆破设计。

小块度区爆破设计包括如下预处理步骤：

(5a)采用改变爆源参数法采集样本数据，具体为：

选择3～5个小块度区分别开展爆破试验，之后统计爆破块度百分比，进行爆破块度筛分， 采集样本数据。所采集样本数据包括：各小块度区的爆破块度筛分、以及各小块度区相应的 爆破参数，所述爆破参数包括炸药密度ρ_e、炸药爆速D、药卷直径a、炮孔直径b，炸药爆 速D通过试验测定；

(5b)构建结合各项爆破参数的自变量

分别以2mm、5mm以及10mm 级配所占比例为应变量R_x，构建指数型或直线型模型

其中，σ_d为岩体动态抗压强度，该值直接检测岩体获得；α为衰减指数，衰减指数为经验值，一 般取3；γ为等熵指数，取为3；K_x表示级配系数；

(5c)利用样本数据训练模型，获得各级配对应的级配系数K_x，将各级配及其相应的 级配系数进行拟合，获得级配系数的拟合曲线，参见图6。

在小粒径级配爆破控制时，基于小粒径级配需求(即应变量R_x)和级配系数的拟合曲线， 获得当前小粒径级配需求相应的级配系数，将当前小粒径级配需求和相应的级配系数K_x， 输入上述模型，即可输出爆破参数，以所输出的爆破参数为参考实施爆破。

实施例

选取一座特殊爆破级配的待开采山体，如图2所示，山体开挖周期为6个月，山体岩性 为玄武岩，开采需要形成的级配需求为场地回填石料粒径300mm以内约占开山总量的40％； 石料粒径在300mm～600mm以内的约占开山总量的55％；石料粒径大于600mm的不得超过 开山总量的5％。

本实施例依次按以下步骤进行：

(1)爆区岩体的三维扫描。

采用经过标定的三维扫描设备，对开采区域进行扫描，根据被拍摄岩体的面积选择合适 的拍摄距离和长/短焦镜头或广角镜头，以可以清晰拍摄到被测岩体为准。本实施例采用的 三维扫描设备型号为Riegl VZ400i。

对于拍摄到的左、右二副图像，采用ShapeMetriX3D岩石三维成像系统，通过计算合成 得到被测岩体表面的三维图像，软件中标杆的方向为Z轴方向，通过在软件界面上手动输入 安装在标杆之间的标牌的距离来引入高度比例尺。

(2)岩体三维天然裂隙网络重构与天然块度分布确定。

将三维图像导入岩体三维结构分析系统JRS-3D，对岩体表面的节理裂隙进行统计和录 入，绘制出不同空间位置的三维迹线分布，在岩体开挖表面生成节理迹线，从而获得三维迹 线网络，三维迹线网络即天然裂隙网络，所获得的天然裂隙网络见图3所示。利用JRS-3D 软件，在三维迹线网络上搜索出由结构面切割形成的各闭合块体区域，确定岩体中由原始结 构面切割形成的天然块度分布。

(3)根据级配需求，基于天然块度分布，将开采区划分为不同块度区间的若干块度区。

本实施例将开采区划分为块度分别为小于20mm、20mm～300mm、300mm～600mm、大于600mm的块度区。

(4)对块度不小于20mm的块度区，将各级块度的需求比例分别与块度区内该级块度 的比例进行匹配，选择与需求匹配比例最高的块度区作为主要或优先爆破区。

(5)基于爆源主控的小粒径块度控制

针对块度小于20mm的块度区，开展3～5次爆破级配试验，开展爆破块度筛分，统计爆 破后的块度百分比，获得2mm、5mm和10mm块度级配所占比例；以

为自变量，分别以级配为2mm、5mm以及10mm的所占比例为应变量，进行绘制指数型函数曲线， 确定级配系数K_x的拟合曲线，见图6所示。

在后续的小块度爆破控制中，基于小块度级配的需求比例，通过图6所示的拟合曲线， 即可确定

值，而

是和爆破参数相关的量，以

值作为 爆破装药的指导。

本发明以块度20mm为分界线，块度小于20mm的区域，采用改变爆源参数法来确定模 型，基于模型来指导爆破参数的确定；块度不小于20mm的区域，通过将级配需求与块度区 进行匹配，来对开采区域的爆破进行时空划分。

Claims (5)

1.一种考虑结构面的块度分区优化爆破设计方法，其特征是，包括步骤：

步骤1，对开采区岩体的每一临空面进行结构面三维扫描，获得岩体结构面的三维图像；

步骤2，基于岩体表面的节理裂隙，利用岩体三维结构分析系统在三维图像上构建岩体的天然裂隙网络，统计开采区岩体总体的天然块度分布；

步骤3，根据级配需求的各级块度来划分开采区，获得与各级块度匹配的块度区；

步骤4，对块度不小于20mm的块度区，将各级块度的需求比例分别与匹配的块度区内该级块度的比例进行匹配计算，选择匹配值最高的块度区作为主要或优先爆破区；

步骤5，对块度小于20mm的块度区，记为小块度区，进行如下处理：

(5a)选择3～5小块度区分别开展爆破试验，统计爆破块度百分比，并采集样本数据；所述样本数据包括各小块度区的爆破块度筛分、以及各小块度区相应的爆破参数；所述爆破参数包括炸药密度ρ_e、炸药爆速D、药卷直径a、炮孔直径b，炸药爆速D通过试验测定；

(5b)以

为自变量，分别以2mm、5mm以及10mm级配所占比例为应变量R_x，构建模型

其中，σ_d为岩体动态抗压强度，α为衰减指数，γ为等熵指数，取为3；K_x表示级配系数；

(5c)利用样本数据训练模型，获得反应

和R_x数值关系的拟合曲线；

在小块度区爆破时，输入当前小粒径级配需求，即输出

值，以

值作为实施爆破的参考。

2.如权利要求1所述的考虑结构面的爆破块度分区优化设计方法，其特征是：

步骤1中，利用无人机或三维扫描设备进行三维扫描。

3.如权利要求1所述的考虑结构面的爆破块度分区优化设计方法，其特征是：

步骤2中，岩体三维结构分析系统采用JRS-3D系统。

4.如权利要求1所述的考虑结构面的爆破块度分区优化设计方法，其特征是：

步骤3具体为：

利用岩体三维结构分析系统中扫描窗扫描三维图像，获取扫描窗内岩体块度范围；

将扫描窗内块度范围依次与级配需求的各级块度范围比较，当与某级块度范围一致，或扫描窗内块度范围落入某级块度范围内时候，则匹配，扫描窗内区域被分区为该级块度范围所对应的块度区；

当扫描窗内块度范围与级配需求的某级块度范围部分重叠时，则计算匹配比例，当匹配比例大于预设的阈值时，则匹配；否则，不匹配；

所述匹配比例指部分重叠的块度在扫描窗内的占比。

5.如权利要求1所述的考虑结构面的爆破块度分区优化设计方法，其特征是：

步骤4具体为：

进一步包括匹配计算的预处理以及设计爆破；

匹配计算的预处理为：

提取级配需求中块度大于20mm的各级级配比例，针对大于20mm的各级级配分别进行匹配计算，即：将各级块度的需求比例分别与各级块度相应的块度区进行匹配计算，计算匹配值

其中，d_sn表示块度区内当前级块度的比例，d_n表示级配需求所要求的当前级块度的比例。此处，当前级块度指各级块度中正在进行匹配计算的块度级；

设计爆破为：

分别选择与各级级配匹配值最大的中大块度区作为主要或优先爆破区，从而进行爆破设计。

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