CN111814372B - 一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，包括：步骤一，进行现场岩体爆破试验，确定爆破块度分布曲线，测爆区后冲向不同位置的爆破振动速度，基于爆破振动速度计算实测爆破振动衰减规律；步骤二，利用实测爆破振动衰减规律校核爆破块度预测模型的动力参数；步骤三，开展爆破数值仿真，拟合应变率与爆破块度尺寸的数值关系；步骤四，在不同工况下分别开展爆破数值仿真，建立爆破块度与单耗的数值关系；步骤五，爆破参数的设计与优化。本发明针对性强、适应性广、预测精度高、合理可行、且经济高效。
Description
技术领域
本发明属于工程爆破和块度预测技术领域，特别涉及一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法。
背景技术
在水利水电堆石坝工程料场爆破开挖获取级配料的过程中，由于炸药性能、料场地质条件等因素影响，爆破块度分布往往不易控制，难以满足级配曲线的要求。同时，开展专项的爆破试验费时费力，很难基于有限的试验建立具有一定规律，并用于指导后期级配料的数理统计关系。爆破数值仿真是一种有效的重演爆破块度的研究方式，相比于专项试验，其具有操作简单、省时省力与研究工况丰富的特点。然而，现有爆破块度的预测模型计算参数繁多，部分参数的确定十分复杂，针对不同岩体，预测模型的适应性较差。
发明内容
目前工程实践表明，要保证爆破块度预测的准确性，必须充分考虑现场的试验结果。因此发明人想到，如果能基于现场的块度筛分和预测模型中核心变量的对应关系，建立考虑了试验规律的爆破块度预测模型，进而开展多工况的爆破块度数值仿真，以研究不同因素对爆破块度的影响规律，最终落脚于级配料爆破参数的优化设计。
并且已有研究已表明，用于块度数值仿真的爆破块度预测模型大多与岩体的应变率密切相关，应变率的分布特征往往代表了爆破动力响应的变化过程，因此本发明尝试建立试验中的块度筛分与应变率的统计关系，应用于块度分布的预测和爆破设计优化。
本发明基于上述思想，提供了一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，该方法能预测爆破块度分布并指导爆破参数的优化。
本发明提供的一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，包括：
步骤一，进行现场岩体爆破试验，获得爆破块度筛分结果；同时测爆区后冲向不同位置的爆破振动速度，计算实测爆破振动衰减规律曲线；
步骤二，校核数值计算模型的动力参数；本步骤进一步包括：
2.1利用数值计算模型，在不同动力参数下分别进行爆破数值仿真，计算出爆破后冲向位置的爆破振动速度；
2.2基于所计算的爆破振动速度，计算仿真爆破振动衰减规律曲线；
2.3比较仿真爆破振动衰减规律曲线与实测爆破振动衰减规律曲线，取与实测爆破振动衰减规律曲线最相符的仿真爆破振动衰减规律曲线对应的动力参数；
步骤三，采用步骤二所得动力参数继续进行爆破数值仿真，提取不同位置的应变率ξ及由步骤一所得的爆破块度筛分结果作为样本数据，利用样本数据对函数X＝m·ξn进行拟合，确定参数m和n，从而构建应变率-爆破块度预测模型；
步骤四，利用数值计算模型分别在不同工况下开展爆破数值仿真，计算炸药单耗，利用应变率-爆破块度预测模型预测爆破块度分布；以不同工况下的炸药单耗q和爆破块级配占比为样本数据，对函数Y＝A·qB进行拟合，构建爆破块度-单耗预测模型；Y为小于不同预设级配等级的爆破块级配占比；A和B为参数；
步骤五，爆破参数的设计与优化，具体包括：
根据已知的目标优化块度线获取不同级配等级对应的级配占比，分别代入相应的Y＝A·qB，计算不同级配占比对应的单耗值，所有单耗值取平均即最优单耗。
步骤一中，在进行现场的岩体爆破试验前，有基于阻抗匹配选取炸药的操作，即：对炸药进行爆速测试，获得岩体的纵波速度，选取波阻抗与岩体波阻抗最接近的炸药进行岩体爆破试验。
步骤一中，测得爆区后冲向的爆破振动分布，具体为：
在爆区后冲向若干不同工程位置布设爆破振动测试仪，通过爆破振动测试仪测量不同工程位置的爆破振动速度。
步骤一中的实测爆破振动衰减规律曲线和步骤二中的仿真爆破振动衰减规律曲线均采用萨道夫斯基公式计算并拟合得到。
子步骤2.1中，进行爆破数值仿真时，计算出与爆破试验工程位置相同处的爆破振动速度，爆破试验工程位置指步骤一中的爆破振动速度实测点位置。
子步骤2.3中，分别计算各仿真爆破振动衰减规律曲线相对实测爆破振动衰减规律曲线的误差率，取最小误差率对应的仿真爆破振动衰减规律曲线，即与实测爆破振动衰减规律曲线最相符的仿真爆破振动衰减规律曲线。
步骤三进一步包括：
3.1采用步骤二所得动力参数开展爆破数值仿真，获取应变率信息；
3.2根据步骤一爆破试验所得的爆破块度筛分结果，按照不同级配的同心圆将爆破块度分布映射到数值计算模型，获得同一位置的爆破块度和应变率信息；
3.3从炮孔由内向外，提取若干位置节点，以位置节点处的应变率ξ和爆破块度X为样本数据，对函数X＝m·ξn进行拟合，确定参数m和n。
步骤五中，目标优化块度线的获得方法为：
根据已知的爆破块度要求获得上、下包线，求上、下包线的平均值得目标优化块度线。
上述步骤五还包括：根据所确定的最优单耗确定其他爆破参数。
进一步的，根据步骤五所确定的最优单耗确定其他爆破参数，具体包括：
采用巴隆公式计算台阶抵抗线；
基于最优单耗和台阶抵抗线确定炮孔间距和炮孔排距；
基于台阶抵抗线确定堵塞长度和多孔微差爆破网路的延迟时间。
与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
(1)本发明将现场爆破试验结果融入爆破块度预测模型，精度高，适应性强，可直接指导工程实践；
(2)本发明基于现场爆破试验的振动监测数据和粒料筛分结果等多种信息进行数值计算参数的校核，得到数值仿真结果准确有效；
(3)本发明可根据料场实际情况调整模型参数，使其准确预测不同类别料场的块度分布状况，预测模型的工程适用性较强。
(4)本发明的参数优化设计中，采用大量的样本数据库拟合得到爆破块度与单耗的对应关系，基于上、下包线的平均值确定块度优化的目标值，参数的优化设计具有自适应和自学习的特点。
(5)本发明方法针对性强、适应性广、预测精度高、合理可行、且经济高效
附图说明
图1为具体实施方式中的流程路线图；
图2为具体实施方式中实测爆破振动衰减规律曲线与仿真爆破振动衰减规律曲线的对比图；
图3为具体实施方式中应变率与爆破块度的拟合曲线示意图；
图4为具体实施方式中爆破块度与单耗的拟合曲线示意图；
图5为具体实施方式中目标优化块度线。
具体实施方式
为使本发明的目的、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。
下面结合附图1，描述本发明方法的具体实施过程，具体步骤如下：
步骤一、进行现场爆破试验。
本步骤进一步包括：
1.1基于阻抗匹配选取炸药。
阻抗匹配选取炸药为本领域的公知技术，具体为：对炸药进行爆速测试，获得岩体的纵波速度，选取波阻抗与岩体波阻抗最接近的炸药。岩体波阻抗为岩体纵波速度和岩体密度的乘积。
1.2采用选取的炸药开展现场爆破试验。
开展现场原位的岩体爆破试验，对爆破块度进行筛分，确定爆破块度分布曲线，同时测得爆区后冲向的爆破振动速度分布。
爆破振动速度分布具体的测量方式为：通过在爆区后冲向若干不同位置布置爆破振动测试仪，测得不同位置的爆破振动速度，爆破速度随位置的变化即爆破振动速度分布。
本具体实施方式中，爆破振动测试仪分别布设于爆区后冲向5m、10m、20m以及40m处。爆破振动测试仪所布设位置为爆破试验工程位置。
1.3根据所测爆破振动速度分布计算实测的爆破振动衰减规律曲线。
根据所测爆破振动速度分布，采用萨道夫斯基公式计算出爆破振动衰减规律曲线，该爆破振动衰减规律曲线记为实测的爆破振动衰减规律曲线。采用萨道夫斯基公式计算爆破振动衰减规律曲线为公知技术，爆破振动衰减规律曲线用来反应质点振动速度峰值随比例距离的变化。其中比例距离指爆破中炸药质量的1/3次方与爆心距的比值。
步骤二、校核数值计算模型的动力参数，所述动力参数包括阻尼参数和边界条件。本具体实施方式中，数值计算模型采用LS-DYNA模型。
本步骤进一步包括：
2.1调整数值计算模型的阻尼参数和边界条件，利用数值计算模型，在不同的阻尼参数和边界条件下，分别开展爆破数值仿真，计算出与爆破试验工程位置相同处的爆破振动速度，爆破试验工程位置指布设爆破振动测试仪的位置。
2.2基于计算出的爆破振动速度，同样采用萨道夫斯基公式计算爆破振动衰减规律曲线，该爆破振动衰减规律曲线记为仿真的爆破振动衰减规律。
2.3将各仿真爆破振动衰减规律曲线与实测爆破振动衰减规律曲线比较，当实测爆破振动衰减规律与仿真爆破振动衰减规律相符时，表明当前的数值仿真采用的动力参数能比较准确地反映爆破过程，与现场试验比较吻合。则将该次数值仿真所采用的阻尼参数和边界条件用于后续的爆破数值仿真。
本具体实施方式中，爆破振动衰减规律曲线为基于有限个数据样本获得的拟合曲线。
本发明中，通过比较仿真爆破振动衰减规律曲线相对实测爆破振动衰减规律曲线的误差率，来判断仿真爆破振动衰减规律曲线与实测爆破振动衰减规律曲线是否相符，具体来说，当误差率小于预设值(例如5％)，则判断动力参数比较合适；否则，不相符。此处误差率用来反应同一比例距离下计算值和实测值的差，具体为两者差值与实测值的比例。
步骤三，构建应变率与爆破块度的数值关系，获得应变率-爆破块度预测模型。
本步骤进一步包括：
3.1采用步骤二得到的阻尼参数和边界条件，继续开展爆破数值仿真，提取应变率信息。
3.2将子步骤1.2所得爆破块度筛分结果按照不同级配的同心圆，映射到数值计算模型，目的是获得数值计算模型不同位置的爆破块度，从而获得同一位置的块度和应变率信息。
3.3从炮孔由内而外，提取20～30个节点，以这些节点的应变率ξ为横坐标，以这些节点所在位置的爆破块度尺寸X为纵坐标，对二者进行指数函数X＝m·ξn拟合，确定拟合参数m和n。
步骤四，建立爆破块度与单耗的数值关系，获得爆破块度-单耗预测模型。
将拟合得到的X＝m·ξn编制成用户自定义模型，导入动力有限元计算软件。改变工况，所述工况包括爆破孔的装药结构和孔网参数，利用数值计算模型，开展不同工况下爆破数值仿真。针对每种工况，分别计算炸药单耗，同时在每种工况下，利用应变率-爆破块度预测模型预测岩体的爆破块度分布。基于30次以上的数值计算结果，以炸药单耗为自变量，分别以爆破块度预测结果中块度分别小于5mm、10mm、20mm、50mm、100mm、200mm以及400mm等级的级配占比为应变量，在不同级配下分别建立炸药单耗与爆破块度的指数型拟合关系，如下式(1)所示：
Y＝A·qB (1)
式(1)中，q为炸药单耗，Y为小于预设级配等级的爆破块级配占比，A和B分别为模型参数，通过拟合确定。
需要说明的是，此处的“级配占比”指小于预设级配等级的爆破块所占百分比。根据块度级配要求，设置5mm、10mm、20mm、50mm、100mm、200mm以及400mm等7个不同的预设级配等级。
本发明中，预设的级配等级并不限于上述，可根据实际的级配要求来预设级配等级。
步骤五，爆破参数的设计与优化。
本步骤进一步包括：
5.1单耗的确定：
根据已知的爆破块度要求获得上、下包线，求上、下包线的平均值，确定目标优化块度线，参见图5。由公式(1)有：
对不同的块度级配要求，对应计算的一个q值，本发明中兼顾所有块度的要求，优化的单耗q采用下式确定：
式(3)中，qi为第i个级配等级相应的单耗值，N为级配等级数。
本具体实施方式中，级配等级包括小于5mm、10mm、20mm、50mm、100mm、200mm以及400mm等级，所以N取7。
5.2台阶抵抗线的确定。
确定单耗后，采用巴隆的公式，见公式(4)，计算台阶抵抗线W：
式(4)中：W为抵抗线，单位：m；p为炮孔集中装药度，单位：kg/m；q为单耗，单位：kg/m3；d为炮孔间距系数，即炮孔间距与抵抗线W的比值，间距系数的取值在1～1.5之间。
5.3炮孔间距、炮孔排距的确定。
炮孔间距a是同一排炮孔中，相邻两钻孔中心线的距离，可按下式(5)计算：
a＝dW (5)
采用等边三角形布孔，炮孔排距b可采用下式(6)计算：
b＝asin60° (6)
5.4堵塞长度的确定。
堵塞长度过大，将增大延米炸药量，增加钻孔费用，并造成台阶上部岩石破碎效果不佳；堵塞长度过短，则炸药量损失过大，将产生较强的空气冲击波、噪声、飞石等，并影响炮孔下部破碎效果。
堵塞长度L2一般按下式(7)确定：
L2＝(0.7～1)W (7)
对于垂直深孔，取L2＝(0.7～0.8)W；倾斜深孔取L2＝(0.9～1.0)W，采用钻屑作为堵塞材料。
5.5延迟时间的确定。
采用多孔微差爆破网路，由于当前多采用数码雷管进行延时起爆，对延迟时间采用下式(8)进行计算：
式(8)中：△t为延迟时间，单位：s；W为抵抗线，单位：m；Vp为岩体纵波速度，单位：m/s；K1为系数，表示岩体受高压气体作用后在抵抗线方向裂缝发展的过程，一般可取为2～3；Cp为裂缝扩展速度；s破裂面移动距离；V破裂体运动的平均速度，m/s。Cp，s，V查表获得。
实施例
选取一座特殊爆破级配的待开采山体，山体开挖高度200m，分20层开挖，每层开挖高度10m，山体岩石岩性为石灰岩，岩体纵波速度为4000m/s，岩体密度为2300kg/m3。需要开采的上级配与下级配的要求如表1所示。
表1开采级配要求
本实施例依次按以下步骤进行：
(1)选取炸药并开展现场爆破试验。
当地民爆公司可提供三种类型的炸药，密度分别为1050kg/m3、1150kg/m3和1300kg/m3；爆速分别为3300m/s、3600m/s以及4200m/s。计算岩石的波阻抗为2300×4000＝9.2×106，三种炸药的波阻抗3.47×106、4.14×106以及5.46×106。根据阻抗匹配原则，选取同岩体波阻抗最接近的炸药，即第三种炸药。
采用所选炸药开展现场爆破试验，对爆破块度进行筛分，确定爆破块度分布曲线，同时测得爆区后冲向5m、10m、20m以及40m处的爆破振动速度，基于所测的爆破振动速度，采用萨道夫斯基公式计算出实测的爆破振动衰减规律曲线。
(2)校核数值计算模型的动力参数。
结合爆破试验的爆破振动衰减规律曲线，进行现场实测和数值仿真两种工况中爆破振动衰减规律曲线的比对。通过比对发现，当质量阻尼和刚度阻尼参数分别选取为58和0.0005时，仿真爆破振动衰减规律曲线与实测实测爆破振动衰减规律曲线吻合最好，误差在10％以内，如附图2所示。因此将数值计算模型的质量阻尼和刚度阻尼参数确定为58和0.0005。
(3)构建应变率与爆破块度的数值关系。
采用步骤(2)所获得的阻尼参数，采用LS-DYNA软件开展爆破数值仿真，预测爆破块度，提取爆破块度预测模型单元的应变率信息，根据应变率信息和筛分的爆破块度分布，建立应变率与爆破块度对应的数值关系，采用指数函数X＝m·ξn进行拟合，确定拟合值m和n分别为2.7817和1.05，即本实施例所获得的应变率与爆破块度的数值关系为X＝2.7817·ξ1.05，如图3所示，其中拟合曲线的R2为0.9682，R为相关性系数，用来表示拟合的准确性。
(4)爆破块度与单耗的数值关系
改变爆破孔的装药结构和孔网参数，在不同工况下开展爆破数值仿真。针对每种工况，分别计算炸药单耗和岩体的爆破块度分布。基于30次以上的数值计算结果，以炸药单耗为自变量，分别以小于5mm、10mm、20mm、60mm、100mm、200mm级配等级的级配占比为应变量，建立炸药单耗与爆破块度的指数型拟合关系，对于某一特定级配(如5mm)的拟合关系曲线如图4所示，图4所示拟合曲线的R2为0.9346。如前所述，采用Y＝A·qB进行拟合，拟合参数如表2所示。
表2拟合参数A、B值
| 级配范围 | 5mm | 10mm | 20mm | 60mm | 100mm | 200mm |
| A | 0.3273 | 0.3427 | 0.4641 | 0.6689 | 0.8236 | 0.8648 |
| B | 1.9864 | 0.9525 | 1.1635 | 0.8102 | 0.8042 | 0.5573 |
(5)爆破参数的确定。
5.1针对表1中的开挖要求，采用上、下包线取平均求出目标优化块度线，根据目标优化块度线取不同级配等级所对应的占配比，分别带入式(9)，计算出针对不同块度级配等级的单耗值，如下式(9)所示：
对不同块度级配等级对应的单耗值求平均，得最优的炸药单耗(单位：(kg/m3)，见式(10)：
5.2确定单耗后，采用巴隆公式计算台阶抵抗线W。
本实施例中，炮孔集中装药度为10.5kg/m；炮孔间距系数d取值1.2，则台阶抵抗线(单位：m)计算如下：
5.3确定台阶抵抗性后，采用公式(12)～(13)分别确定炮孔间距a(单位：m)和排距b(单位：m)：
a＝dW＝4.0 (12)
b＝asin60°＝3.4 (13)
5.4堵塞长度(单位：m)按下式确定：
L2＝W＝3.4 (14)
5.5采用多孔微差爆破网路，对延迟时间△t(单位：ms)采用下式进行计算：
Claims (10)
1.一种联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是，包括：
步骤一，进行现场岩体爆破试验，获得爆破块度筛分结果；同时测得爆区后冲向不同位置的爆破振动速度，计算实测爆破振动衰减规律曲线；
步骤二，校核数值计算模型的动力参数；本步骤进一步包括：
2.1利用数值计算模型，在不同动力参数下分别进行爆破数值仿真，计算出爆破后冲向位置的爆破振动速度；
2.2基于所计算的爆破振动速度，计算仿真爆破振动衰减规律曲线；
2.3比较仿真爆破振动衰减规律曲线与实测爆破振动衰减规律曲线，取与实测爆破振动衰减规律曲线最相符的仿真爆破振动衰减规律曲线对应的动力参数；
步骤三，采用步骤二所得动力参数继续进行爆破数值仿真，提取不同位置的应变率ξ及由步骤一所得的爆破块度筛分结果作为样本数据，利用样本数据对函数X＝m·ξn进行拟合，确定参数m和n，从而构建应变率-爆破块度预测模型；X为爆破块度；
步骤四，利用数值计算模型分别在不同工况下开展爆破数值仿真，计算炸药单耗，利用应变率-爆破块度预测模型预测爆破块度分布；以不同工况下的炸药单耗q和爆破块级配占比为样本数据，对函数Y＝A·qB进行拟合，构建爆破块度-单耗预测模型；Y为小于不同预设级配等级的爆破块级配占比；A和B为参数；
步骤五，爆破参数的设计与优化，具体包括：
根据已知的目标优化块度线获取不同级配等级对应的级配占比，分别代入相应的Y＝A·qB，计算不同级配占比对应的单耗值，所有单耗值取平均即最优单耗。
2.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
步骤一中，在进行现场的岩体爆破试验前，有基于阻抗匹配选取炸药的操作，即：对炸药进行爆速测试，获得岩体的纵波速度，选取波阻抗与岩体波阻抗最接近的炸药进行岩体爆破试验。
3.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
步骤一中，测得爆区后冲向不同位置的爆破振动速度，具体为：
在爆区后冲向若干不同工程位置布设爆破振动测试仪，通过爆破振动测试仪测量不同工程位置的爆破振动速度。
4.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
步骤一中的实测爆破振动衰减规律曲线和步骤二中的仿真爆破振动衰减规律曲线均采用萨道夫斯基公式计算并拟合得到。
5.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
子步骤2.1中，进行爆破数值仿真时，计算出与爆破试验工程位置相同处的爆破振动速度，爆破试验工程位置指步骤一中的爆破振动速度实测点位置。
6.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
子步骤2.3中，分别计算各仿真爆破振动衰减规律曲线相对实测爆破振动衰减规律曲线的误差率，取最小误差率对应的仿真爆破振动衰减规律曲线，即与实测爆破振动衰减规律曲线最相符的仿真爆破振动衰减规律曲线。
7.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
步骤三进一步包括：
3.1采用步骤二所得动力参数开展爆破数值仿真，获取应变率信息；
3.2根据步骤一爆破试验所得的爆破块度筛分结果，按照不同级配的同心圆将爆破块度分布映射到数值计算模型，获得同一位置的爆破块度和应变率信息；
3.3从炮孔由内向外，提取若干位置节点，以位置节点处的应变率ξ和爆破块度X为样本数据，对函数X＝m·ξn进行拟合，确定参数m和n。
8.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
步骤五中，目标优化块度线的获得方法为：
根据已知的爆破块度要求获得上、下包线，求上、下包线的平均值得目标优化块度线。
9.如权利要求1所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
还包括根据步骤五所确定的最优单耗确定其他爆破参数。
10.如权利要求9所述的联合数值计算和块度筛分的爆破块度控制方法，其特征是：
所述根据步骤五所确定的最优单耗确定其他爆破参数，具体包括：
采用巴隆公式计算台阶抵抗线；
基于最优单耗和台阶抵抗线确定炮孔间距和炮孔排距；
基于台阶抵抗线确定堵塞长度和多孔微差爆破网路的延迟时间。
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