基于GRNN的黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化

喻亞洲

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

基于GRNN的黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化

喻亞洲

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

針對(duì)黃麥嶺露天礦爆破過(guò)程中存在的大塊率高、根底多等問(wèn)題，使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化，得出最優(yōu)爆破參數(shù)為：孔距5.17 m，排距3.72 m，底盤抵抗線3.72 m，炸藥單耗0.88 kg/m3。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化后的爆破參數(shù)爆破效果明顯得到改善。

露天礦爆破 廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 參數(shù)優(yōu)化

穿孔爆破作業(yè)是露天礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，爆破效果的好壞對(duì)礦山生產(chǎn)過(guò)程中的采裝、運(yùn)輸?shù)群罄m(xù)工序的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益有很大影響[1-2],而爆破效果與爆破參數(shù)有直接關(guān)系。爆破參數(shù)的確定方法有類比法、公式法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法[3]。類比法是一種定性的方法，其推理體系不嚴(yán)密,對(duì)于不同的工程,類比結(jié)果也相差很大,而且類比的因素也不完全一致,很難確定工程類比法的準(zhǔn)確定義和操作過(guò)程[4]；公式法的參數(shù)范圍很大，無(wú)法做到真正優(yōu)選；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法投入巨大，且不具備普遍適用性[5]。為取得良好的爆破效果，通常會(huì)根據(jù)各地的實(shí)際條件對(duì)選取的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[6]。

隨著科技的進(jìn)步，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始越來(lái)越多的運(yùn)用于露天礦爆破參數(shù)的優(yōu)化研究，最常見(jiàn)的就是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。如鄭長(zhǎng)青等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的臺(tái)階爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，戴云波等基于BP網(wǎng)絡(luò)的采場(chǎng)爆破鉆孔參數(shù)優(yōu)化。然而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有其局限性，如收斂速度比較慢,訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。此外如果誤差曲面存在多個(gè)局部極小點(diǎn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可能會(huì)在沒(méi)有達(dá)到全局最小點(diǎn)的時(shí)候就結(jié)束訓(xùn)練。本文針對(duì)黃麥嶺露天礦生產(chǎn)過(guò)程中存在的大塊率高、根底多等問(wèn)題，使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，得出最優(yōu)爆破參數(shù)，改善了礦山爆破效果。

1 礦山概況、爆破現(xiàn)狀及其效果評(píng)價(jià)

1.1 礦山概況

黃麥嶺露天礦位于湖北省孝感市大悟縣，是一家國(guó)有大型企業(yè)，集采選、化肥、化工于一體，為全國(guó)十佳礦山、中國(guó)化工百?gòu)?qiáng)企業(yè)以及湖北省優(yōu)秀企業(yè)。該礦露天采場(chǎng)每年采剝礦巖總量600萬(wàn)t，年產(chǎn)礦石100萬(wàn)t。其西坑已經(jīng)開(kāi)采完畢，東坑采場(chǎng)礦體為WN—ES走向，向南傾斜；+110 m開(kāi)采水平上主要為淺粒磷灰?guī)r、條帶變粒狀磷灰?guī)r和錳質(zhì)磷灰?guī)r，屬于易爆礦體[7]。南面主要為團(tuán)狀淺粒巖、綠色片巖、二長(zhǎng)片麻巖和綠色片麻巖，其硬度系數(shù)為12～16，屬難爆巖石[8]。

黃麥嶺露天礦臺(tái)階高度10 m，使用TYL-368型履帶式潛孔鉆機(jī)，炮孔直徑140 mm。該礦目前采用逐孔起爆技術(shù)，使用車制乳化炸藥，并用高精度毫秒非電雷管起爆。炸藥單耗0.76 kg/m3，底盤抵抗線4.5 m，孔距5 m，排距4.5 m，超深1.5 m，堵塞長(zhǎng)度3 m。

1.2 爆破過(guò)程中存在的問(wèn)題

隨著礦山開(kāi)采的加深,開(kāi)采范圍變小,礦巖巖性發(fā)生變化,使用上述爆破參數(shù)出現(xiàn)了根底多，大塊率較高，后沖和側(cè)裂問(wèn)題比較嚴(yán)重的問(wèn)題。根底和大塊會(huì)增加運(yùn)輸和選礦的成本，后沖和側(cè)裂會(huì)降低下次穿孔的效率。因此，有必要對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以改善爆破效果。

1.3 爆破效果的評(píng)價(jià)

爆破效果的評(píng)價(jià)包括:安全標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]。安全標(biāo)準(zhǔn)指爆破作業(yè)本身的安全和周圍環(huán)境的安全,質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)因爆破的目的和方法等的不同而不同,經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)是將爆破成本控制在一定的范圍內(nèi)并盡可能的減小爆破成本。露天礦山目前通常采用大塊率和根底率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量爆破效果，好的爆破效果要求爆破后的爆堆比較松散、塊度均勻、后裂距離小、底板沒(méi)有根底，同時(shí)降低爆破成本并減小爆破的負(fù)面效應(yīng)[10]。

2 基于GRNN爆破參數(shù)優(yōu)化

2.1 GRNN的原理

1991年，美國(guó)學(xué)者Donald F. Specht首次提出GRNN(廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))。GRNN是基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在其基礎(chǔ)上添加一個(gè)特殊的線性層構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，常用于求解函數(shù)逼近等問(wèn)題。和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，GRNN有較好的收斂性和較高的精度，而且模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高，所以應(yīng)用性好。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示[11]。

圖1 廣義回歸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GRNN由4層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即輸入層、模式層、求和層、輸出層。其中，輸入層的神經(jīng)元數(shù)等于樣本向量的維數(shù)；模式層神經(jīng)元數(shù)等于學(xué)習(xí)樣本的個(gè)數(shù)，各神經(jīng)元對(duì)應(yīng)不同的樣本；求和層中有兩類神經(jīng)元進(jìn)行求和，分別對(duì)模式層中的數(shù)據(jù)通過(guò)式(1)、式(2)進(jìn)行求和；輸出層最終計(jì)算結(jié)果為式(3)：

(1)

(2)

(3)

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

黃麥嶺露天礦采集的一組爆破數(shù)據(jù)如表1。

表1 黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

注：①②兩組數(shù)據(jù)為檢測(cè)數(shù)據(jù)；③～組數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

綜合考慮鉆孔爆破和采裝運(yùn)輸?shù)冉?jīng)濟(jì)效益，黃麥嶺露天礦的爆破目標(biāo)是將大塊率控制在1%，根底率控制在0.1%，后裂距離控制在1.5 m。選取大塊率、根底率和后裂距離作為輸入?yún)?shù)。

在黃麥嶺露天礦的爆破施工過(guò)程中，孔徑、炸藥種類和超深都是固定的?？讖綖?40 mm，炸藥為車制乳化炸藥，超深為1.5 m?？梢圆豢紤]其作為輸出參數(shù)。

孔深為10+1.5=11.5 m，單孔裝藥量等于孔距、排距和炸藥單耗的乘積。在實(shí)際爆破中單孔裝藥量固定為195.5 kg，孔間微差時(shí)間為17和25 ms,排間微差為42和65 ms。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考采礦手冊(cè)，取底盤抵抗線和排距相等。將孔距、排距作為輸出參數(shù)。

按照前述步驟，將樣本數(shù)據(jù)代入建立好的模型樣本進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練完畢后，挑選①、②兩組數(shù)據(jù)，利用仿真函數(shù)來(lái)分析測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明測(cè)試誤差都在10%以內(nèi)，基本能夠滿足該礦的爆破設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明本模型對(duì)該礦爆破參數(shù)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

將大塊率1%，根底率0.1%，后裂距離1.5 m輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得到的輸出結(jié)果是孔距為5.165 4 m，排距為3.723 1 m。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中取孔距5.17 m，排距為3.72 m，則底盤抵抗線為3.72 m，炸藥單耗為0.88 kg/m3。收集現(xiàn)場(chǎng)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，理論值與實(shí)際值對(duì)比見(jiàn)表2，其中①組為理論值，②、③、④組為實(shí)際值。

表2 實(shí)際值與理論值對(duì)比

由表2可得，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中收集的3組值參數(shù)和理論值誤差都在10%以內(nèi)，達(dá)到了黃麥嶺的爆破目標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1)選取合理的GRNN網(wǎng)絡(luò)模型輸入因子及輸出因子，運(yùn)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行處理，確定最優(yōu)爆破參數(shù)為：孔距5.17 m，排距為3.72 m，底盤抵抗線為3.72 m，炸藥單耗為0.88 kg/m3。

(2)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)模型確定的最優(yōu)爆破參數(shù)，取得了比較理想的爆破效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益，證明基于GRNN的黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化分析方法是可行的。

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2015-04-20)

喻亞洲(1989—)，男，碩士研究生，430070 湖北省武漢市洪山區(qū)珞獅路122號(hào)。