BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測在臺階爆破參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用

陳微微，吳遠(yuǎn)林，佘 勇

(1.貴州省勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院，貴州貴陽 550000；2.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550000)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測在臺階爆破參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用

陳微微1，吳遠(yuǎn)林2，佘 勇2

(1.貴州省勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院，貴州貴陽 550000；2.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550000)

以遵義東聯(lián)二號路道路爆破工程實例為研究目標(biāo)，分析了爆破效果的各個影響因素，并建立了爆破效果評價指標(biāo)等級。收集了不同爆破工況條件下的爆破參數(shù)和爆破效果量化指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)建立了爆破參數(shù)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的爆破參數(shù)能夠改善爆破效果，并達(dá)到預(yù)定要求指標(biāo)，可為類似臺階爆破參數(shù)優(yōu)化提供參考。

臺階爆破；爆破質(zhì)量；參數(shù)優(yōu)化；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，使得市政、建筑、礦山等領(lǐng)域中的爆破工程對爆破效果的質(zhì)量要求越來越高，爆破效果嚴(yán)重影響施工進(jìn)度以及施工經(jīng)濟(jì)成本的控制，因此爆破方案的選取和優(yōu)化顯得格外重要。爆破質(zhì)量的影響因素復(fù)雜繁多，爆破效果的要求也根據(jù)不同條件工況有不同的行業(yè)要求。以塊度大小、根底率、飛石距離、振動峰值、爆堆松散系數(shù)、后裂距離等作為爆破效果的評價指標(biāo)得到了行業(yè)內(nèi)公認(rèn)[1-3]。對于爆破參數(shù)的優(yōu)化，一般通過改變孔網(wǎng)參數(shù)來實現(xiàn)，而相關(guān)學(xué)者也通過數(shù)值模擬、模糊數(shù)學(xué)評價等方法對不同爆破參數(shù)下的爆破效果進(jìn)行預(yù)測分析[4-6]，以此來調(diào)整爆破參數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近幾年具有高適用性的仿真預(yù)測模型，特別是在多種自變量和因變量的非線性預(yù)測上具有較大的優(yōu)勢[7-8]。通過收集現(xiàn)場不同爆破工況下的爆破參數(shù)及爆破效果評價量化指標(biāo)，建立了以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的預(yù)測模型，通過工程實例驗證預(yù)測模型的可靠性。

1 爆破效果影響因素

露天臺階爆破過程是一個復(fù)雜的過程，不同環(huán)境下的爆破效果往往都存在差異。一般來說，可以將影響爆破效果的眾多因素分為巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件、炸藥性能、爆破參數(shù)和裝藥工藝，在現(xiàn)場主要考慮的是巖石的堅固程度和爆破參數(shù)兩個方面。

1.1 巖石性質(zhì)

在露天中深孔爆破生產(chǎn)實踐中，對巖體的可爆性的判斷是影響爆破效果的重要依據(jù)，決定著爆破參數(shù)的選取。一般來說，巖體的可爆性分級指標(biāo)主要包括巖石普氏系數(shù)、波阻抗、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等，通過對巖體的可爆性進(jìn)行分級，能夠優(yōu)化采場的爆破參數(shù)，很大程度上能夠提高爆破質(zhì)量。因此，在爆破參數(shù)設(shè)計過程中，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查了解爆區(qū)內(nèi)巖體構(gòu)造、產(chǎn)狀分布等巖石、巖體相關(guān)特征，并研究其對爆破的作用效果，以此來調(diào)整爆破參數(shù)。

1.2 爆破參數(shù)

臺階中深孔爆破過程中容易產(chǎn)生大塊率高、根底多、松散系數(shù)不夠等問題，解決辦法除了提高管理技術(shù)手段之外，關(guān)鍵還在于優(yōu)化爆破參數(shù)，主要包括孔網(wǎng)參數(shù)、起爆網(wǎng)路、炸藥單耗。在工程爆破中，為了提高炸藥在炮孔內(nèi)的能量利用率，必須合理設(shè)計爆破參數(shù)，使炸藥能量主要作用于破碎和拋擲巖石，并降低爆破振動、爆破飛石、空氣沖擊波等爆破危害效應(yīng)的產(chǎn)生。爆破工藝因素包括爆破方法、炮孔布置參數(shù)和爆破施工質(zhì)量等對爆破作用的影響，對不同的爆破，其影響因素的影響效果也不相同。常見的影響因素有自由面數(shù)量n、底盤抵抗線Wd，孔間距a和排間距b、炸藥單耗q等。

2 爆破效果評價指標(biāo)

參考國內(nèi)外多個臺階爆破工程實例，分析爆破效果及其影響因素，得到爆破效果評價因素及其指標(biāo)，其中爆破振動指標(biāo)以距離爆源200 m處為依據(jù)，見表1。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆破參數(shù)優(yōu)化

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在實際工程中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用比較廣

泛的有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Backpropagation)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(徑向基函數(shù))等，而80%～90%都是應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)模型解決問題，因為該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，實例和理論證明，對比其它網(wǎng)絡(luò)，簡單的三層的BP網(wǎng)絡(luò)(輸出層、輸入層、隱含層組成)對于絕大多數(shù)模型的映射和擬合相關(guān)問題都能滿足。

表1 各爆破效果指標(biāo)等級

3.2 爆破參數(shù)優(yōu)化模型

通過對爆破效果等級評判指標(biāo)和爆破效果影響因素的分析，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，確定了爆破效果參數(shù)優(yōu)化模型，根據(jù)Kolmogorov定理，隱含層設(shè)置33個單元。模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表2所示，參數(shù)包括巖石普氏硬度系數(shù)、爆后巖石松散系數(shù)、臺階高度、爆破根底率、爆破塊度分布百分比、大塊率、后裂距離、爆破振動速度；輸出系數(shù)包括炮孔排距和間距、炮孔直徑、炮孔深度、底盤抵抗線、堵塞長度、炸藥單耗等。

表2 爆破參數(shù)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

3.3 工程實例

以遵義東聯(lián)二號路道路爆破工程實例為研究目標(biāo)，收集現(xiàn)場不同爆破工況下的爆破參數(shù)及爆破效果評價的量化指標(biāo)。爆區(qū)巖性為灰?guī)r，巖石普氏系數(shù)f約為8～11，節(jié)理裂隙間距在30～40 cm，沒有溶洞等地質(zhì)條件產(chǎn)生，區(qū)域地塊穩(wěn)定性好?，F(xiàn)場多次測量表明，因工程實際需要，需要保證爆破后巖塊塊度90%在60 cm以下，且在挖掘機(jī)條件限制下最大塊度不超過80 cm。

按照爆破設(shè)計，臺階高度10 m，爆破孔網(wǎng)參數(shù)采用梅花形布孔，孔距為4.0 m，排距為3.5 m，孔徑110 mm，孔深12 m，堵塞3.8 m，采用反向起爆，每孔均采用雙發(fā)起爆雷管。選取的爆破實例中有3排炮孔，每排4個孔，如圖1所示。

圖1 試驗布孔及起爆順序

3.3.1 爆破效果分析

(1)塊度分析。表3是由Split-desktop專業(yè)軟件分析計算本次爆破后的塊度分布實測百分比。根據(jù)表3可知塊度在60 cm以下的巖塊比例只占84.24%，不能滿足填方處理的要求，且有超過100 cm的超大塊巖石產(chǎn)生，需要進(jìn)行后期二次破碎，危險性較高，達(dá)不到爆破設(shè)計要求，爆破效果較差。

表3 實測爆破塊度分布百分比

(2)松散系數(shù)。松散系數(shù)是反映爆破效果的重要指標(biāo)，是指爆破松散后的巖體體積與原巖體積之比，原巖體積為：V0＝10.5×16×10＝1680 m3。在爆堆上取4個剖面，通過估算4個剖面的幾何斷面的面積，計算出爆堆的體積為：V1＝平均截面積×爆堆長度＝(149.10＋160.50＋132.60＋152.40)/4/16＝2378.40 m3，則 松 散 系 數(shù) 為：K＝V1/V0＝2378.40/1680.0≈1.4，爆破效果良。

(3)根底率計算。此次爆破產(chǎn)生一個圓錐狀根底，并通過相似計算可得根底體積約為4.84 m3，即有根底率：η＝V2/V1＝4.84/1680.0×100%＝0.28%，爆破效果良。

(4)后裂距離。爆破后對后裂距離進(jìn)行測量，以后方臺階坡底為參照測得爆破的后裂距離為1.5 m，爆破效果一般。

(5)爆破振動。利用成都中科測控TC-4850N在距離爆源中心200 m處設(shè)置爆破振動監(jiān)測點，測試最大振動速度峰值為1.2 cm/s，頻率為18.868 Hz。爆破效果一般。

3.3.2 爆破參數(shù)優(yōu)化及優(yōu)化后的爆破效果

現(xiàn)場爆破效果要求對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以前期收集的影響因素和爆破效果的量化指標(biāo)為訓(xùn)練樣本，根據(jù)現(xiàn)場要求對相同工況下的臺階爆破參數(shù)進(jìn)

行優(yōu)化，得到如表4所示的輸出孔網(wǎng)參數(shù)。

表4 爆破參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

按照優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行爆破施工，對爆破效果進(jìn)行統(tǒng)計，并對比分析優(yōu)化前后兩種工況下的爆破塊度分布，如圖2、表5所示。

圖2 優(yōu)化前(左)和優(yōu)化后(右)的爆破塊度

表5 塊度累計百分表/%

原爆破參數(shù)條件下最大塊度超過100 cm達(dá)到130 cm，60 cm以下的巖塊僅占84.24%；而爆破參數(shù)優(yōu)化后，爆破塊度60 cm以下的巖塊達(dá)到91.59%，且最大塊度小于80 cm。同時200 m處爆破振動實測峰值速度為1.0 cm/s，產(chǎn)生根底體積約1 m3，根底率為0.06%，松散系數(shù)為1.5，后裂距離1.0 m，在數(shù)據(jù)上滿足了爆破設(shè)計要求。后期的挖運(yùn)鏟裝作業(yè)表明：參數(shù)優(yōu)化后爆破效果改善明顯，尤其是振動峰值和大塊率都有明顯減低，爆堆拋擲效果和松散系數(shù)得到較好的優(yōu)化，提高了挖掘機(jī)在鏟裝過程中的工作效率，一個臺班完成工作量提高15%，爆破效果已經(jīng)達(dá)到了實際挖運(yùn)要求。

4 結(jié) 論

(1)收集現(xiàn)場爆破參數(shù)和效果量化指標(biāo)，結(jié)合工程實例建立了爆破效果指標(biāo)等級，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了爆破參數(shù)優(yōu)化模型。

(2)通過塊度分析和爆后效果評價，優(yōu)化后的爆破參數(shù)達(dá)到了爆破效果等級優(yōu)的評價指標(biāo)，滿足了爆破設(shè)計要求，降低了爆破有害效應(yīng)。

(3)后期的鏟裝作業(yè)效率表明，參數(shù)優(yōu)化后的臺班工作效率提高15%。

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2016-08-20)

陳微微(1972-)，湖南長沙人，工程師，主要從事勞動安全技術(shù)研究，Email：499498806＠qq.com。