基于组合赋权和灰色聚类评估的深孔台阶爆破效果评价_马义全.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 013基于组合赋权和灰色聚类评估的深孔台阶爆破效果评价*马义全1,周传波1,蒋楠1,张升2,贺广龙2(1 中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074;2 内蒙古生力中伟爆破有限责任公司,鄂尔多斯 010300)摘要:为了对魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果进行综合评价,考虑爆破质量、安全、经济三方面目标,选取大块率、根底率、后裂距离、松散系数、单耗、延米爆破量、振动速度、飞散距离等 8 个参量作为评价指标。通过无人机、高速摄影
2、、振动监测等技术手段对魏家峁煤矿 4 个生产爆破平盘开展现场监测,并利用 Split-desk-top、Motion studio 等软件进行数据分析,得到了上述参量的量化指标。分别利用层次分析法和 CITIC 法,获得评价指标的主、客观权重,然后基于离差平方和最大原则确定了各指标的组合权重。利用中心点三角白化权函数对灰色聚类法进行优化,建立了爆破效果的灰色聚类评估模型,对魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果进行了综合评价,并根据综合聚类系数得到了 4 个平盘的爆破效果优劣顺序。最后对比指标数据分析了爆破效果最差的平盘主要存在的问题。研究结果表明:炸药单耗、大块率、根底率的组合权重都大于 0 15,对爆
3、破效果的影响较大;4 个平盘的爆破效果优劣顺序为:1080 平盘 1064 平盘 1096 平盘 1112 平盘;1112 平盘需要结合地质条件,针对后裂距离大、单耗高、延米爆破量小、飞散距离大等问题进行台阶爆破参数优化。关键词:深孔台阶爆破;爆破效果评价;现场监测;组合赋权;灰色聚类评估中图分类号:TD235文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0088 09收稿日期:2023 01 12作者简介:马义全(1999 ),男,硕士研究生,主要从事地下建筑、工程爆破方面研究,(E-mail)yqma cug edu cn。通讯作者:周传波(1963 ),男,教授,从事岩土工
4、程、工程爆破方面的研究,(E-mail)cbzhou cug edu cn。基金项目:国家自然科学基金面上项目(41972286)Evaluation of Deep Hole Bench Blasting Effect based onCombination Weighting and Grey Clustering EvaluationMA Yi-quan1,ZHOU Chuan-bo1,JIANG Nan1,ZHANG Sheng2,HE Guang-long2(1 College of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan)
5、,Wuhan 430074,China;2 Inner Mongolia Shengli Zhongwei Blast Co,Ltd,Ordos 010300,China)Abstract:In order to comprehensively evaluate the effect of deep hole bench blasting in Weijiamao Coal Mine,considering the three objectives of blasting quality,safety and economy,eight parameters such as block rat
6、e,rootrate,back crack distance,loose coefficient,unit consumption,long-meter blasting amount,vibration speed and flyingdistance were selected as evaluation indexes Through UAV,high-speed photography,vibration monitoring and othertechnical means,the field monitoring of four production blasting flat p
7、lates in Weijiamao Coal Mine was carried outIn the meantime,the data analysis was carried out by Split-desktop,Motion studio and other software,and the quanti-tative indexes of the above parameters were obtained The subjective and objective weights of evaluation indexes areobtained by using analytic
8、 hierarchy process and CITIC method respectively,and then the combined weights of eachindex are determined based on the principle of maximum sum of squares of deviations The grey clustering method isoptimized by using the center point triangle whitening weight function,and the grey clustering evalua
9、tion model ofblasting effect is established The deep hole bench blasting effect of Weijiamao Coal Mine is comprehensively evalua-ted,and the order of blasting effect of four flat plates is obtained according to the comprehensive clustering coeffi-cient Finally,the main problems of the flat plate wit
10、h the worst blasting effect are analyzed by comparing the indexdata The results show that the combined weight of explosive unit consumption,bulk rate and base rate is greater than0 15,which has a great influence on the blasting effect The order of blasting effect of four flat plates is that 1080 fla
11、tplate 1064 flat plate 1096 flat plate 1112 flat plate The 1112 flat plate needs to be combined with geologicalconditions to optimize the bench blasting parameters for the problems of large back crack distance,high unit con-sumption,small blasting amount per meter and large flying distanceKey words:
12、deep hole step blasting;blasting effect evaluation;on-site monitoring;combination weighting;grey clustering evaluation目前露天矿山的开采主要以深孔台阶爆破为主,爆破效果的好坏不仅影响着爆堆岩(矿)块的铲装和运输效率,还会影响到爆区周围的环境,以及现场作业安全,即直接关系到矿山经济效益和生产安全1,2。所以结合矿山生产实际,进行深孔台阶爆破的效果的合理、准确评价,对优化爆破参数,降低开采成本,保证开采安全具有重要的应用价值3。露天台阶爆破效果评价涉及多个指标,评价方法也多样,目前
13、为止还没有统一的爆破效果评价方法。专家学者们多选取大块率、松散系数、根底率、后裂距离、炸药单耗、振动速度、飞石飞散距离等多项评价指标,采用模糊综合评价、模糊神经网络、物元理论、未知测度理论、云模型理论等方法对爆破效果进行定性和定量的评价。如李建华等采用模糊综合评价方法,分析层次结构,确定了爆破质量的影响因素及权重,建立了 2 个层次、3 个单元、总计 12 项指标的多因素二级结构质量评价模型4。王小涵等基于赵固二矿煤层的深孔预裂爆破,提出了运用AHP-模糊综合评价法建立深孔预裂爆破效果综合评价模型的方法5。李春旭等运用以信息熵计算指标权重的未知测度理论构建了露天孤石群爆破效果综合评价模型,对广
14、西隆林县某二级公路土石开挖过程中露天大块孤石的爆破效果进行了评价6。雷振等选取大块率、爆堆形态、松散系数等 12 项指标,利用置信度识别准则和信息熵理论确定判定标准和指标权重,根据实测数据建立各指标的未知测度函数,对台阶爆破效果做出了综合评价1。陈庆凯等选取了 8 项评价指标,运用模糊神经网络理论建立了爆破效果综合评价模型,并对研山露天矿三种不同孔径方案的爆破效果进行了评价7。江文武等考虑矿岩破碎质量、技术经济效益、对环境产生影响三个方面,选取大块率、松散系数、爆堆形态等指标,基于物元理论建立了爆破效果评价模型8。柯丽华等考虑爆破效果评价中语言的模糊性和评价等级定量分析的随机性,运用 DEMA
15、TEL(决策实验室分析法)和 SEWM(结构熵权法)计算了爆破效果评价指标的混合权重,然后建立爆破效果评价云模型,对某露天矿的爆破效果进行了评价9。从以往的研究可以看出,在选取不同的指标体系并结合不同分析方法进行爆破效果评价时,评价方法选择和指标权重确定是最重要的两个方面。目前常用的赋权方法主要有两大类,主观赋权法,如层次分析法、德尔菲法等;客观赋权法,如熵权法、变异系数法等。不同方法都存在一定的局限性,如层析分析法、有较强的主观性,其准确性受专家意见影响较大;熵权法对样本的依赖性较大,随着样本数据变化权重会有一定波动;变异系数法未考虑指标间的相关性等。结合魏家峁煤矿实际生产需求,考虑爆破质量
16、、安全、经济三个目标,选取大块率、根底率、后裂距离、松散系数、单耗、延米爆破量、振动速度、飞散距离等 8 个参量作为魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果的评价指标。通过无人机、高速摄影、振动监测等技术手段开展现场监测,并利用 Split-desktop、Motion stu-dio 等软件进行数据分析,得到各参量的量化指标。分别使用层次分析法和 CITIC 法获得指标的主观和客观权重,然后基于离差平方和最大原则获得组合权重,得到每个指标对深孔台阶爆破效果的影响程度。利用中心点三角白化权函数对灰色聚类法进行优化,建立了爆破效果的灰色聚类评估模型,对魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果进行了综合评价,并根据综合聚类系
17、数得到了 4 个平盘的爆破效果优劣顺序。最后对比指标数据分析了爆破效果最差的平盘主要存在的问题,为煤矿开展爆破参数优化提供了一定的依据。文中所用的研究方法对类似矿山也具有一定的参考价值。1工程概况魏家峁露天矿地处内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗魏家峁镇境内,矿区总体构造形态为一走向 NNE,倾向 NWW 的单斜构造,区内无断裂构造和岩浆岩活动,地质构造类型简单。矿区主要的岩土体包括98第 40 卷第 2 期马义全,周传波,蒋楠,等基于组合赋权和灰色聚类评估的深孔台阶爆破效果评价黄土即轻亚黏土、红土即轻亚黏土和黏土、砾岩、砂质砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩等。矿区采用深孔台阶爆破的方式剥落覆盖层岩体,台阶
18、高度 9 18 m,坡面角 70,炮孔直径250 mm,采用多孔粒状铵油炸药,装药密度 0 8 1 0 g/cm3,连续耦合装药。每次爆破根据台阶宽度一般布孔 4 8 排,为梅花形布孔。本文选取矿区具有代表性的 4 个平盘,对其生产爆破过程开展了系统监测。不同平盘的爆破参数见表 1 所示,其中 1064 和 1080 平盘因台阶下方为煤层故钻孔超深为 0。表 1不同平盘爆破参数表Table 1Comparison table of blasting parameters of different flat discs平盘编号台阶高度/m最小抵抗线/m底盘抵抗线/m孔距 排距/m孔深/m 超深/
19、m 堵塞/m孔径/mm平均单孔装药量/kg孔数/个排数/排106412 5499 712 505 32502861508108010 0479 710 004 32502441764109616 04910 817 51 55 3250480107411129 5498 611 01 55 325022823582基于灰色聚类评估的爆破效果评价模型2 1灰色聚类评估模型的建立灰色聚类法依据不同聚类指标所拥有的白化数将观测对象按事先划分的灰类进行归纳,以判定该聚类对象所属的类别。它可以将多特征指标的对象划分为若干个可定义的类别,通过白化权函数的构建与计算将系统整体特性作出归类。设有 n 个深孔台
20、阶爆破聚类对象,m 个聚类指标,s 个不同灰类,记第 i(i=1,n)个评价对象关于聚类指标 j(j=1,m)的样本值为 xij,j指标k(k=1,s)灰类的白化权函数为 fkj(),j 指标关于 k 灰类的权为 wkj。则爆破效果样本矩阵 X满足X=(xij)nm(1)运用灰色聚类法,需要构造适用于深孔台阶爆破各评价指标的中心点白化权函数,具体计算步骤如下10(1)根据台阶爆破要划分的灰类数,分别确定 k(k=1,s)灰类中心点 k,并将指标 j 的取值范围相应地划分为 s 个灰类。(2)构造各指标的白化权函数 fkj()(j=1,m,k=1,s),计算观测值 x 属于 k 灰类的隶属度 f
21、kj(x),并确定权系数 wkj。(3)赋予各指标权重并计算综合聚类系数 kj,即爆破效果评价对象 i 关于灰类 k 的综合聚类系数表达式为kj=mj=1fkj(xij)wkj(2)(4)判断爆破效果评价对象 i 属于灰度 k*的关系式满足k*j=max1ks kj(3)2 2评价指标的选择及等级确定为了能够全面评价不同平盘的爆破效果,结合魏家峁实际并参考相关文献 7,8,从爆破质量指标、经济性指标、安全性指标三个方面选取大块率、根底率、后裂距离、松散系数、单耗、延米爆破量、振动速度、飞散距离共 8 项。选取的 8 项评价指标均采用实测值进行评价,建立指标等级分级标准见表 2 所示。表中深孔台
22、阶爆破效果评价的聚类指标数 m=8,分化的灰类数s=5,各灰类对应的爆破效果评价等级依次划分为很好(k=1)、较好(k=2)、一般(k=3)、较差(k=4)、差(k=5)。2 3构造三角白化权函数根据表 2 中对各评价指标的分级,构造适用于魏家峁矿深孔台阶爆破效果评价的各灰类中心点三角白化权函数,如图 1 所示,图 1 中 2、3、4分别为灰类 2、灰类 3、灰类 4 的中心点,1、5分别为灰类 1 和灰类 5 的白化权函数转折点。对于值越大越好的正向指标松散系数和延米爆破量,f1j(x)采用上限测度白化权函数,将指标向右延扩,对 f5j(x)采用下限测度白化权函数,将指标向左延扩。剩余指标值
23、越小越好,为逆向指标,对 f1j(x)采用下限测度白化权函数,对 f5j(x)采用上限测度白化权函数。正向指标的白化权函数表达式为式(4)(6),逆向指标的白化权函数表达式为式(7)(9),各评价指标的白化权函数形式如图 2 所示。09爆破2023 年 6 月表 2台阶爆破指标分级标准表Table 2Grading standard table of bench blasting index评价指标很好较好一般较差差大块率/%0 1 01 0 2 02 0 3 03 0 4 04 0根底率/%0 0 10 1 0 30 3 0 50 5 0 80 8后裂距离/m0 1 01 0 1 51 5
24、2 02 0 2 52 5松散系数1 41 4 1 31 3 1 21 2 1 11 1 1 0单耗/(kgm3)0 30 3 0 350 35 0 40 4 0 450 45延米爆破量/(m3m1)7070 6060 5050 4040振动速度/(cms1)0 0 50 5 1 01 0 1 51 5 2 02 0飞散距离/m0 5050 100100 150150 200200图 1不同类型的中心点三角白化权函数示意图Fig 1Schematic diagram of different types of center point triangular whitening weight f
25、unctions图 2不同爆破效果评价指标下的中心点三角白化权函数Fig 2Triangular whitening weight function of center point under different blasting effect evaluation indexes19第 40 卷第 2 期马义全,周传波,蒋楠,等基于组合赋权和灰色聚类评估的深孔台阶爆破效果评价f1j=0,x 21,x 1x 21 2,x 2,1(4)fij=0,x i+1,i1x i+1i i+1,x i+1,i,i=2,3,4i1 xi1 i,x i,i1(5)f5j=0,x 0,41,x 0,54 x4
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