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談模糊數(shù)學(xué)優(yōu)化臺(tái)階主爆區(qū)爆破參數(shù)

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談模糊數(shù)學(xué)優(yōu)化臺(tái)階主爆區(qū)爆破參數(shù)

摘要:在爆破設(shè)計(jì)與施工過程中,爆破設(shè)計(jì)手冊(cè)是爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù),但手冊(cè)的參數(shù)的不確定性和波動(dòng)性決定了爆破參數(shù)的隨意性,也就影響了爆破效果,因此選擇合理的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)顯得非常必要。盡管爆破參數(shù)是個(gè)范圍值,但本文在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行等差抽樣,進(jìn)行組合,利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)各組合進(jìn)行爆破效果分析,獲得所需要的最佳組合,從而間接優(yōu)化了爆破參數(shù),為類似爆破條件和效果要求提供爆破參數(shù)工藝設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:優(yōu)化爆破參數(shù);模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià);爆破設(shè)計(jì)方案

在面對(duì)日常爆破設(shè)計(jì)與施工過程中,對(duì)工程爆破設(shè)計(jì)手冊(cè)或?qū)V系膮?shù)無力適從,其所選參數(shù)不確定,且波動(dòng)范圍較大[1](客觀上也無法確定),無法量化,只能是定性的。顯然現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)是最貼近的,但是僅僅一次爆破實(shí)驗(yàn)是不夠的,對(duì)一個(gè)長(zhǎng)期從事爆破生產(chǎn)的,進(jìn)行系列爆破實(shí)驗(yàn)是必要的,也是最直接的。在理論指導(dǎo)下,進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn),運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)爆破效果分析,獲得較好的爆破方案,從而間接優(yōu)化爆破參數(shù),這無疑是一條很好的途徑。并為類似條件和效果要求的爆破提供參考。

1理論依據(jù)

爆破生產(chǎn)和其工藝設(shè)計(jì)是以爆破效果要求、爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)、爆破安全來衡定成功與否。而這些指標(biāo)與爆破參數(shù)是定性的,沒有量化,造成爆破參數(shù)難以選擇。爆破參數(shù)盡管是波動(dòng)的,有個(gè)范圍,總可在這個(gè)范圍內(nèi)等差取值,進(jìn)行有序構(gòu)成,形成覆蓋整個(gè)范圍的爆破參數(shù)組合。這就可對(duì)其爆破效果利用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2Fuzzy綜合評(píng)判模型

綜合評(píng)價(jià)又稱多元決策,在決策過程中利用模糊數(shù)學(xué)綜合考慮多因素的影響(作用),其作用顯著,在分析解決多因素控制復(fù)雜工程問題中廣泛被應(yīng)用。特別是在通常方法無法處理多因素對(duì)事物影響有多大的情況下,模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判優(yōu)為適宜。2.1兩個(gè)有限論域綜合評(píng)判影響因素論域集:U=u1,u2,...ui...u{}m(1)式中:ui—第i個(gè)評(píng)定因子。評(píng)判結(jié)果評(píng)語論域集:V=v1,v2,...vj...v{}n(2)式中:vj—第j個(gè)評(píng)定等級(jí)2.2U與V的關(guān)系因素論域U與評(píng)語論域V之間的模糊關(guān)系模糊評(píng)價(jià)矩陣:R=R1...Ri...Rj=r11...r1i...r1n......ri1...rij...rin......rm1...rmi...rmn(3)式中:rij=uR(ui,vj)∈(0,1)—單因素ui被評(píng)為vj等級(jí)的程度。2.3權(quán)重分配一般各個(gè)評(píng)定因子在總評(píng)定因素中所起的作用大小不同,因此在因素論域U上存在因素模糊子集:A=a1...a(chǎn)i...a(chǎn)()m(4)式中:ai/ui—評(píng)定因子ui對(duì)A的隸屬度,且存在Σi=mi=1ai/ui=1。單因素ui在總評(píng)定因素中所起的作用大小和所占地位輕重的地位即權(quán)重。2.4綜合評(píng)判結(jié)果根據(jù)模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算規(guī)則,由式(3)、(4)可得:B=AR=b1...bj...b()n(5)式中:B—評(píng)語論域集V上的等級(jí)模糊子集bj/vj—bj對(duì)B的隸屬度存在。根據(jù)最大隸屬度原則和在評(píng)語論域V上的綜合評(píng)判的結(jié)果B,選取bj中最大者,確定合理的方案,既突出重點(diǎn),又兼顧其它評(píng)定因子。根據(jù)以上分析,模糊關(guān)系矩陣R實(shí)質(zhì)上就是單因數(shù)評(píng)價(jià)矩陣,從一個(gè)U到V的變換器。輸入一組A,都能得到相應(yīng)的綜合評(píng)判的結(jié)果B。

3爆破效果綜合評(píng)判

根據(jù)Fuzzy綜合評(píng)判模型,結(jié)合爆破試驗(yàn)結(jié)果,選擇最優(yōu)爆破方案,可使技術(shù)合理,經(jīng)濟(jì)劃算。3.1爆破方案組合因素分析[3]選擇爆破參數(shù)是爆破設(shè)計(jì)與施工最重要的一環(huán),對(duì)爆破效果,爆破生產(chǎn)成本起著決定性的作用。在巖石爆破程中,主要涉及巖石炸藥單耗、孔網(wǎng)面積、密集系數(shù)、孔徑與巖石強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)在安全的最大段裝藥量,最好的起爆方式、起爆順序確定下,著重研究炸藥單耗、孔距比、密集系數(shù)、孔徑與巖石強(qiáng)度進(jìn)行組合,選擇最佳爆破效果組合方案。3.2爆破效果因素選擇3.2.1爆破參數(shù)選擇依據(jù)露天臺(tái)階主爆,必須改善爆破質(zhì)量及技術(shù)指標(biāo),降低工程成本。破碎質(zhì)量好,爆破快度符合要求,無根底,減少后沖,后裂,側(cè)裂,降低震動(dòng),提高延米爆破量,降低炸藥單耗,在改善爆破質(zhì)量的前提下,使鉆孔、轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸、機(jī)械破碎后續(xù)工序,發(fā)揮高效益,使工程的綜合成本達(dá)到最低。3.2.2爆破效果比較因素依據(jù)生產(chǎn)要求、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)安全對(duì)各爆破方案的爆破效果進(jìn)行比較,才能獲得最佳爆破方案。在礦山爆破設(shè)計(jì)與施工的主要要求是生產(chǎn)成本低、爆破塊度分布合理、生產(chǎn)安全、推進(jìn)線、臺(tái)階底盤爆后平整。因此綜合評(píng)判影響爆破效果質(zhì)量因素論域集由爆破快度合格率、巖石單位立方直接費(fèi)用、推進(jìn)線的平整度和臺(tái)階爆破后底盤的平整度四個(gè)因素構(gòu)成綜合評(píng)判影響因素論域集:U=u1u2u3{u}4(6)式中:u1—爆破快度合格率u2—巖石單位立方直接費(fèi)用u3—推進(jìn)線的平整度u4—臺(tái)階爆破后底盤的平整度3.3爆破實(shí)驗(yàn):參數(shù)組合極其效果分析該爆破組合實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖沁x擇萊蕪鋼廠擴(kuò)建工程場(chǎng)平最佳爆破參數(shù)并附帶建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫。3.3.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地萊鋼廠區(qū)內(nèi)大規(guī)模石方爆破,地處陡崖與緩坡交界處,大部分開挖深度在4~70m,爆區(qū)巖石為石灰?guī)r,地質(zhì)條件復(fù)雜多變,各爆區(qū)地質(zhì)條件差異較大,有的巖石較堅(jiān)硬完整,有的節(jié)理裂隙發(fā)育,根據(jù)地質(zhì)勘探,巖石堅(jiān)固系數(shù)f=4-14。爆破后巖石,其粒徑要求不得超過60cm,爆破后邊坡不得出現(xiàn)裂隙,要保證平順整齊,挖深到位,不得出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象。主要對(duì)作業(yè)起決定性的設(shè)備有KQ-200型潛孔鉆與KQ-150型潛孔鉆。3.3.2爆破方案的確定[4]根據(jù)巖石的堅(jiān)固系數(shù)確定礦巖炸藥單耗,結(jié)合實(shí)驗(yàn),取0.04kg/m3等差對(duì)其分組(見表1)。孔距a∈(2050)倍孔徑D,因此KQ-150型潛孔鉆的穿鑿抵抗線距b∈(37.5)m,KQ-200型潛孔鉆的穿鑿抵抗線距b∈(410)m,再結(jié)合孔網(wǎng)面積s=a×b,密集系數(shù)m=a/b∈(11.5),對(duì)孔網(wǎng)分組孔徑、巖石炸藥單耗與孔網(wǎng)共同構(gòu)成爆破設(shè)計(jì)主要參數(shù),根據(jù)表1與表2所分組數(shù)組合可形成c122×c118=396套爆破設(shè)計(jì)方案。3.3.3爆破效果分析爆破效果因素非常重要,直接影響評(píng)判結(jié)果。單位立方巖石的直接費(fèi)用的成本p,元/m,包括材料、人工和機(jī)械費(fèi)用直接費(fèi)用,含有大塊二次爆破,推行線與根基的處理的不包括穿裝運(yùn)的費(fèi)用。其目的是控制生產(chǎn)成本。為了下一次正常進(jìn)行爆破工程,減少下一次帶來不必要的費(fèi)用,同時(shí)保證采場(chǎng)美觀,每次控制推進(jìn)線的平整度l為實(shí)際推進(jìn)曲線的長(zhǎng)度比上設(shè)計(jì)線的長(zhǎng)度來衡量。保證爆破后底盤平整是爆破生產(chǎn)很重要的一環(huán)。平整地場(chǎng)地,有利于場(chǎng)地內(nèi)行車,減少磨損,有利于設(shè)備順利作業(yè)。其質(zhì)量表示為a=根基突出或凹坑總曲面積與投影面積之比。經(jīng)統(tǒng)計(jì),爆破快度服從非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布即N(u,σ2),爆破快度質(zhì)量由滿足要求快度所占百分比表示,即要求合格快度的正態(tài)分布函數(shù)值:(x)=∫m012槡πσe-()x-u22σ2dx(7)式中:m—可利用石方或廢石的最大合格快度,按設(shè)計(jì)要求可回填利用石方粒徑取0.6m3,廢石取0.8×4=3.2m3u—快度分布密度最大的快度,σ—方差。根據(jù)以上計(jì)算規(guī)則,結(jié)合對(duì)396個(gè)設(shè)計(jì)方案的爆破效果抽樣統(tǒng)計(jì),按廢石或礦石分別作各個(gè)評(píng)定因子的質(zhì)量表,由于數(shù)據(jù)太多,具體值未列出。3.4爆破效果質(zhì)量劃類別根據(jù)礦山對(duì)爆破效果質(zhì)量管理,將劃成四個(gè)類別,構(gòu)成評(píng)判結(jié)果評(píng)語論域集:V=v1,v2,v3{,v}4(8)式中:v1—優(yōu),v2—良,v3—合格,v4—差。3.5爆破效果評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定由爆破生產(chǎn)的實(shí)際需要和客觀規(guī)律確定的。服從生產(chǎn)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,不能一味地追求低成本,而降低生產(chǎn)質(zhì)量要求,最終得不償失。只有把二者結(jié)合起來,才能解決好這個(gè)矛盾。3.6影響爆破效果質(zhì)量因素的分布函數(shù)影響綜合評(píng)判爆破效果質(zhì)量因素論域集的四個(gè)因素為爆破快度合格率、巖石單位立方直接費(fèi)用、推進(jìn)線的平整度和臺(tái)階爆破后底盤的平整度,因素很多且離散較大,可以認(rèn)為它們的隸屬函數(shù)都服從正態(tài)性[5]。u(x)=e-(x-m/c)2(9)式中:m—范圍的平均值。由爆破效果評(píng)價(jià)指標(biāo)表3可知,每個(gè)平定因子在不同評(píng)定等級(jí)存在一個(gè)范圍,這個(gè)范圍的兩個(gè)邊界值的平均值為m(見表4),且其中任何一個(gè)邊界值,介于兩個(gè)相鄰平定等級(jí)之間,對(duì)這兩個(gè)平定等級(jí)隸屬度應(yīng)該是相同的,所以可認(rèn)為u(x)=0.5,根據(jù)式(10),就可得到c值3.7權(quán)系數(shù)矩陣的建立由于影響爆破效果的因數(shù)很多,主要有礦巖爆破快度,爆破單位立方巖石的直接費(fèi)用,爆破臺(tái)階的推進(jìn)線的平整度,以及爆破地板的平整度。但是對(duì)爆破效果地位與作用不同。礦山生產(chǎn)者,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)的需要,給這四個(gè)因素賦權(quán)。特別是爆破單位立方巖石的直接費(fèi)用占50%,爆破快度占40%。因此確定四個(gè)量權(quán)重分配。組成因素模糊向量A:A=(0.40.50.30.7)(14)3.8綜合評(píng)判結(jié)果根據(jù)模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算規(guī)則式(5)原理,結(jié)合(12)和(1)可得第m爆破設(shè)計(jì)方案的等級(jí)模糊子集:B`m=ARm=b`m1b`m2b`m3b`m()4(15)對(duì)等級(jí)模糊子集各項(xiàng)整理:bmj=b`mjΣj=4j=1b`2槡mj(j=1、2、3、4)(16)歸一化后得:Bm=ARm=bm1bm2bm3bm()4(17)分別對(duì)礦石和廢石各自的396個(gè)等級(jí)模糊子集的對(duì)不同爆破方案設(shè)計(jì)的爆破效果綜合評(píng)價(jià)。礦石和廢石各比較各自的396個(gè)等級(jí)模糊子集的的優(yōu)的模糊數(shù),選擇最大值:bmax=max...bij,(.....)(18)根據(jù)最大值最優(yōu)原則,巖石在不同堅(jiān)固系數(shù),不同孔網(wǎng)參數(shù),不同孔徑情況下獲得20種最優(yōu)秀爆破方案792種爆破方案,不能只有兩種最優(yōu)的。巖石的堅(jiān)固強(qiáng)度是不可改變的,礦山保證產(chǎn)量,必充分利用設(shè)備,因此在不同堅(jiān)固系數(shù)、兩種孔徑情況下,可求得不同孔網(wǎng)參數(shù)與不同巖石炸藥爆破單耗最優(yōu)組合。從表5、6可知,很明顯KQ—200潛孔鉆最佳爆破方案優(yōu)于KQ—150潛孔鉆方案,盡量利用KQ—200潛孔鉆和相對(duì)應(yīng)的孔網(wǎng)參數(shù)和礦巖炸藥單耗。3.9建立數(shù)據(jù)爆破方案庫從獲得最佳爆破方案過程中可以看到實(shí)質(zhì)上是建立模糊關(guān)系矩陣R即單因數(shù)評(píng)價(jià)矩陣,再輸入一組A變換器從而得到從一個(gè)U到V相應(yīng)的綜合評(píng)判的結(jié)果B。將各種爆破組合極其對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)效果建立數(shù)據(jù)庫。當(dāng)調(diào)整爆破效果指標(biāo)時(shí),就得到另外一個(gè)相應(yīng)的R,根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型,找到新要求的最優(yōu)爆破組合。

4結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)在萊蕪鋼廠擴(kuò)建工程長(zhǎng)期施工過程獲得,盡管時(shí)間長(zhǎng),但是利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)各種參數(shù)組合的爆破效果進(jìn)行分析,將獲得的20種最優(yōu)秀爆破方案的運(yùn)用,不但滿足生產(chǎn)要求,并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,也說明實(shí)驗(yàn)是必要的。

參考文獻(xiàn)

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作者:劉學(xué)佳 單位:中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司