喻亞洲

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院)

基于GRNN的黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化

喻亞洲

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院)

針對黃麥嶺露天礦爆破過程中存在的大塊率高、根底多等問題，使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(GRNN)進行爆破參數(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。通過現(xiàn)場試驗，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 參數(shù)優(yōu)化

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

隨著科技的進步，神經(jīng)網(wǎng)絡開始越來越多的運用于露天礦爆破參數(shù)的優(yōu)化研究，最常見的就是BP神經(jīng)網(wǎng)絡。如鄭長青等基于神經(jīng)網(wǎng)絡的臺階爆破參數(shù)優(yōu)化設計，戴云波等基于BP網(wǎng)絡的采場爆破鉆孔參數(shù)優(yōu)化。然而BP神經(jīng)網(wǎng)絡有其局限性，如收斂速度比較慢,訓練網(wǎng)絡需要的時間比較長。此外如果誤差曲面存在多個局部極小點，BP神經(jīng)網(wǎng)絡就可能會在沒有達到全局最小點的時候就結束訓練。本文針對黃麥嶺露天礦生產(chǎn)過程中存在的大塊率高、根底多等問題，使用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(GRNN)對爆破參數(shù)進行優(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)狀及其效果評價

1.1 礦山概況

黃麥嶺露天礦位于湖北省孝感市大悟縣，是一家國有大型企業(yè)，集采選、化肥、化工于一體，為全國十佳礦山、中國化工百強企業(yè)以及湖北省優(yōu)秀企業(yè)。該礦露天采場每年采剝礦巖總量600萬t，年產(chǎn)礦石100萬t。其西坑已經(jīng)開采完畢，東坑采場礦體為WN—ES走向，向南傾斜；+110 m開采水平上主要為淺粒磷灰?guī)r、條帶變粒狀磷灰?guī)r和錳質磷灰?guī)r，屬于易爆礦體[7]。南面主要為團狀淺粒巖、綠色片巖、二長片麻巖和綠色片麻巖，其硬度系數(shù)為12～16，屬難爆巖石[8]。

黃麥嶺露天礦臺階高度10 m，使用TYL-368型履帶式潛孔鉆機，炮孔直徑140 mm。該礦目前采用逐孔起爆技術，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，堵塞長度3 m。

1.2 爆破過程中存在的問題

隨著礦山開采的加深,開采范圍變小,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，后沖和側裂問題比較嚴重的問題。根底和大塊會增加運輸和選礦的成本，后沖和側裂會降低下次穿孔的效率。因此，有必要對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，以改善爆破效果。

1.3 爆破效果的評價

爆破效果的評價包括:安全標準、質量標準和經(jīng)濟標準[9]。安全標準指爆破作業(yè)本身的安全和周圍環(huán)境的安全,質量標準因爆破的目的和方法等的不同而不同,經(jīng)濟標準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指標來衡量爆破效果，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、底板沒有根底，同時降低爆破成本并減小爆破的負面效應[10]。

2 基于GRNN爆破參數(shù)優(yōu)化

2.1 GRNN的原理

1991年，美國學者Donald F. Specht首次提出GRNN(廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡)。GRNN是基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡，在其基礎上添加一個特殊的線性層構成的網(wǎng)絡，常用于求解函數(shù)逼近等問題。和BP神經(jīng)網(wǎng)絡相比，GRNN有較好的收斂性和較高的精度，而且模型結構簡單、計算效率高，所以應用性好。其結構見圖1所示[11]。

圖1 廣義回歸網(wǎng)絡結構

GRNN由4層網(wǎng)絡構成，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)等于學習樣本的個數(shù)，各神經(jīng)元對應不同的樣本；求和層中有兩類神經(jīng)元進行求和，分別對模式層中的數(shù)據(jù)通過式(1)、式(2)進行求和；輸出層最終計算結果為式(3)：

(1)

(2)

(3)

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡設計

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)試驗結果

注：①②兩組數(shù)據(jù)為檢測數(shù)據(jù)；③～組數(shù)據(jù)為訓練數(shù)據(jù)。

綜合考慮鉆孔爆破和采裝運輸?shù)冉?jīng)濟效益，黃麥嶺露天礦的爆破目標是將大塊率控制在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。在實際爆破中單孔裝藥量固定為195.5 kg，孔間微差時間為17和25 ms,排間微差為42和65 ms。根據(jù)經(jīng)驗并參考采礦手冊，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行訓練。訓練完畢后，挑選①、②兩組數(shù)據(jù)，利用仿真函數(shù)來分析測試網(wǎng)絡。結果表明測試誤差都在10%以內(nèi)，基本能夠滿足該礦的爆破設計要求，說明本模型對該礦爆破參數(shù)設計有很好的指導意義和參考價值。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡的應用

將大塊率1%，根底率0.1%，后裂距離1.5 m輸入神經(jīng)網(wǎng)絡模型，得到的輸出結果是孔距為5.165 4 m，排距為3.723 1 m。在實際生產(chǎn)過程中取孔距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3組數(shù)據(jù)進行比較，理論值與實際值對比見表2，其中①組為理論值，②、③、④組為實際值。

表2 實際值與理論值對比

由表2可得，實際生產(chǎn)過程中收集的3組值參數(shù)和理論值誤差都在10%以內(nèi)，達到了黃麥嶺的爆破目標。

3 結 論

(1)選取合理的GRNN網(wǎng)絡模型輸入因子及輸出因子，運用訓練好的網(wǎng)絡對爆破參數(shù)進行處理，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)運用網(wǎng)絡模型確定的最優(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。

[1] 管伯倫.爆破工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2] 王創(chuàng)業(yè)，張飛天，韓萬東.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化研究 [J].金屬礦山，2011(3)：57-59.

[3] 王玉杰．爆破工程[M].武漢:武漢理工大學版社,2007．

[4] 周海清，劉東升，陳正漢.工程類比法及其在滑坡治理工程中的應用[J].地下空間與工程學報，2008,4(6)：1056-1060.

[5] 戴云波，張德明，高宇梁,等.基于BP網(wǎng)絡的采場爆破鉆孔參數(shù)優(yōu)化[J].爆破，2014,31(3)：57-62.

[6] 魏大恩.露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化試驗研究[J].云南冶金，2002,31(5):10-14.

[7] 王 濤,惠明星,劉建兵.黃麥嶺露天礦層狀巖體爆破參數(shù)優(yōu)化 [J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(6)：68-69.

[8] 劉建兵，張建華，胡德義.黃麥嶺露天礦爆破參數(shù)的優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2013,33(1)：110-112.

[9] 袁 梅，王作強，張義平.基于模糊數(shù)學-層次分析的露天礦深孔爆破效果評價研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010,30(5):81-84.

[10] 秦 虎，汪旭光.爆破效果綜合評價的模糊數(shù)學模型[J].工程爆破，1997,3(3)：5-10.

[11] 趙順利,章 光,岳曉光,等.基于GRNN的廣義折減法在巖爆預測中的應用 [EB/OL].[2015-04-15].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2015/02/191.

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。