本發(fā)明屬于井下爆破，尤其涉及一種底部上向扇形孔爆破中的鉆孔角度塊度優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、關(guān)于井下爆破技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已形成了科學(xué)完整的體系，從巖石性質(zhì)測(cè)試到不同爆破參數(shù)設(shè)計(jì)均進(jìn)行了深入研究并取得了一定的研究成果。在巖石力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方面，彭建宇針對(duì)靜應(yīng)力狀態(tài)下巖石的爆破漏斗形成問(wèn)題，對(duì)靜應(yīng)力作用下砂巖承受霍普金森桿沖擊載荷的斷裂行為以及靜應(yīng)力作用下水泥砂漿試樣的爆破破碎行為進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，研究了靜應(yīng)力狀態(tài)下巖石動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程中的現(xiàn)象、規(guī)律，揭示了動(dòng)靜載荷作用下巖石的破壞機(jī)理。在爆破漏斗方面，王鵬等采用ansys/ls-dyna非線性三維動(dòng)力有限元軟件，對(duì)巖石在多孔同段爆破作用下的應(yīng)力分布與傳播機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬。得到了不同時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖和典型單元的應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線，根據(jù)結(jié)果分析研究了應(yīng)力波傳播規(guī)律與爆破漏斗的形成過(guò)程，探討了影響爆破漏斗形成的相關(guān)因素。且在巖石可爆性分級(jí)方面，薛劍光等建立了工程爆破中巖體可爆性分級(jí)判別的屬性識(shí)別模型；選取巖石的密度、抗拉強(qiáng)度、沖擊動(dòng)載強(qiáng)度以及巖體完整性系數(shù)作為屬性識(shí)別的判別指標(biāo)，有效地解決巖體可爆性難易程度的評(píng)判問(wèn)題。

2、在具體爆破參數(shù)計(jì)算方面，針對(duì)巷道掘進(jìn)掏槽爆破問(wèn)題，王兆陽(yáng)等利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析爆破參數(shù)在普氏系數(shù)和斷面面積兩個(gè)巖巷特征參數(shù)維度下的變化特征，通過(guò)構(gòu)建爆破掘進(jìn)案例數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)研究巖巷掏槽爆破客觀規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著普氏系數(shù)增加，巖石極限抗壓強(qiáng)度增大，為保證爆破效果，會(huì)適當(dāng)增加炮孔長(zhǎng)度和炸藥單耗，同時(shí)也會(huì)略微增加單循環(huán)進(jìn)尺，但巖石本身的高應(yīng)力導(dǎo)致的夾制作用會(huì)降低炮孔的利用率；通常設(shè)置空孔為掏槽爆破提供新的自由面，通過(guò)應(yīng)力波反射拉伸使得靠近自由面的巖體破壞區(qū)域更大，硬巖巷道更適合直孔掏槽爆破。

3、針對(duì)扇形孔爆破中大塊率等問(wèn)題，馬鑫民等為優(yōu)化扇形中深孔爆破塊度分布，通過(guò)線性擬合得到爆破塊度分布預(yù)測(cè)模型，并計(jì)算對(duì)應(yīng)爆堆的分形維數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：微差爆破有利于控制大塊率，對(duì)扇形孔孔口進(jìn)行間隔裝藥，有利于降低中深孔爆破粉礦率。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，孔底有效峰值應(yīng)力<中間有效峰值應(yīng)力<孔口有效峰值應(yīng)力，容易在孔底產(chǎn)生大塊，孔口產(chǎn)生粉礦。

4、通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及缺陷為：現(xiàn)有技術(shù)不能有效調(diào)整上向扇形孔布孔角度，不能優(yōu)化爆破效果，大塊率比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服相關(guān)技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)實(shí)施例提供了一種底部上向扇形孔爆破中的鉆孔角度塊度優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

2、所述技術(shù)方案如下：底部上向扇形孔爆破中的鉆孔角度塊度優(yōu)化方法，該方法包括：

3、s1，利用位移探測(cè)器獲取多個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔中的鉆孔偏斜角度，若鉆孔偏斜角度≤1％預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求；若鉆孔偏斜角度＞1％預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則不滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求；基于獲得的鉆孔偏斜角度實(shí)施調(diào)控鉆頭掘進(jìn)狀態(tài)；

4、s2，在滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求的鉆孔偏斜角度下，根據(jù)不同巖性設(shè)置的孔排距，調(diào)整填塞、起爆方式與延期時(shí)間、一次爆破量參數(shù)控制爆破施工塊度及爆破振動(dòng)；

5、s3，針對(duì)急傾斜節(jié)理巖層，利用獲取的控制爆破施工塊度及爆破振動(dòng)方式，采用vcr采礦法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化爆破參數(shù)，確定炮孔兩端填塞長(zhǎng)度、藥量、延期時(shí)間爆破參數(shù)，完成急傾斜節(jié)理巖層爆破施工中糾正鉆孔角度偏斜下進(jìn)行深孔爆破，使塊度均勻。

6、在步驟s1中，基于獲得的鉆孔偏斜角度實(shí)施調(diào)控鉆頭掘進(jìn)狀態(tài)，包括：

7、s101，獲得基于鉆孔偏斜角度的空間正交基其中，nh和nv分別是均勻面陣底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔的列數(shù)和行數(shù)；u(nh)為……，u(nv)為……，為……；底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道矩陣中，底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔編號(hào)從第一列的第一個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔開(kāi)始，到第一列的最后一個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔，再?gòu)牡诙欣^續(xù)，以此類(lèi)推；

8、的每一列都反映陣列拓?fù)涞目臻g波束方向，偏斜角鉆進(jìn)時(shí)間調(diào)控區(qū)域正交基定義為u(nf)，其中，nf為分配給某個(gè)鉆頭控制端的鉆孔尺寸所包含的子載波個(gè)數(shù)；nf的選擇由參考信號(hào)的偏斜角鉆進(jìn)時(shí)間調(diào)控區(qū)域分布情況決定，空域和偏斜角鉆進(jìn)時(shí)間調(diào)控區(qū)域聯(lián)合正交基底表示為：

9、

10、式中，o為空頻正交基底，為……；

11、為巖層所有的nt個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔到鉆頭控制端的第u個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔之間，在t時(shí)刻的鉆孔尺寸底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道的向量化表示；將投影到空頻正交基底o(hù)上，表達(dá)式為：

12、

13、式中，vu(t)為角度時(shí)延域中的底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道的矢量，oh為……；

14、s102，vu(t)中的元素接近于0，將tl時(shí)刻的角度時(shí)延域底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道vu(tl)，以絕對(duì)值從大到小重新排序獲得不可忽略的角度時(shí)延位置的數(shù)量ns表達(dá)式為：

15、

16、式中，nr為用戶(hù)終端鉆頭控制端的底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔數(shù)，d為當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間索引，ns為不可忽略的角度時(shí)延位置的數(shù)量，為……，vu(td)為……，l為不可忽略元素的總偏移角度與底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道總偏移角度之；

17、s103，用線性擬和方法以d+1個(gè)爆破參數(shù)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)ns個(gè)角度時(shí)延對(duì)上在時(shí)刻，底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道，預(yù)測(cè)器的階數(shù)n滿(mǎn)足對(duì)于任意n,1≤n≤ns，通過(guò)求解以下方程獲得線性擬和系數(shù)：

18、r(u,n)p(u,n)＝-v(u,n)

19、式中，r(u,n)為……，p(u,n)為……，v(u,n)為……。

20、步驟s101中，底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道由p條徑組成，并且每條徑都有一個(gè)多普勒項(xiàng)p＝1,…,p；p為……，j為……，ωp為……，t為……，e為……；將底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道轉(zhuǎn)換到另一個(gè)域；以底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔陣列的幾何形狀，底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道的鉆孔尺寸延遲響應(yīng)結(jié)構(gòu)確定域，將大小為m×m的離散傅里葉變換鉆孔偏斜角度矩陣，表示為：

21、

22、式中，u(m)為……，m為……，η為……，m為……。

23、步驟s102中，不可忽略元素表示為vu,n(t),n＝1,2…ns，位于向量vu(t)的第r(n)行，底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔排列信道表示為：

24、

25、式中，or(n)為……。

26、步驟s103中，當(dāng)ns>1時(shí)計(jì)算nd次，每次將v(u,n,d)的第一列刪除，并把上次的預(yù)測(cè)結(jié)果附加到v(u,n,d)的最后一列，直到計(jì)算出時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。

27、在步驟s2中，起爆方式采用掏槽孔爆破、周邊光面爆破以及巷道掘進(jìn)爆破全斷面爆破中的一種；

28、一次爆破量參數(shù)的調(diào)整中，構(gòu)建炸藥材料模型，在ansys/ls-dyna中，炸藥材料模型采用高能炸藥材料模型mat_high_explosive_burn，并且利用jwl狀態(tài)方程，模擬爆破過(guò)程中炸藥的爆炸；

29、炸藥爆炸時(shí)的jwl狀態(tài)方程關(guān)系式為：

30、

31、式中，a,b,r1,r2,ω分別表示材料常數(shù)，p為壓力，v為相對(duì)體積，e0為單位體積的內(nèi)能，e為……，v為……；

32、根據(jù)炸藥爆炸時(shí)的jwl狀態(tài)方程，結(jié)合不同底部上向扇形孔的孔徑、孔深得到炸藥裝藥量以及填塞長(zhǎng)度；利用線性擬和方法獲得底部上向扇形孔間隔裝藥的排列中爆破參數(shù)，使孔底有效峰值應(yīng)力、中間有效峰值應(yīng)力、孔口有效峰值應(yīng)力相等。

33、在步驟s3中，采用vcr采礦法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，包括：將異常值分解應(yīng)用于爆破參數(shù)矩陣，刪除小的異常值的貢獻(xiàn)，對(duì)p(u,v)估計(jì)，g(u,n)的svd分解表示為：

34、g(u,n)＝u(u,n)∑(u,n)vh(u,n)

35、式中，g(u,n)為……，u(u,n)為……，∑(u,n)為……，vh(u,n)為……。

36、進(jìn)一步，將異常值分解應(yīng)用于爆破參數(shù)矩陣，包括：利用統(tǒng)計(jì)信息降低爆破參數(shù)異常爆破壓力，帶爆破參數(shù)異常爆破壓力的信道估計(jì)建模為：

37、hu(f,t)＝hu(f,t)+nu(f,t)

38、式中，hu(f,t)為所有巖層鉆孔和鉆頭的第u個(gè)鉆孔之間在時(shí)刻t及偏斜角鉆進(jìn)時(shí)間調(diào)控間隔f上的準(zhǔn)確信道向量，nu(f,t)為零均值和協(xié)方差為的獨(dú)立同分布的復(fù)高斯爆破參數(shù)異常爆破壓力。

39、進(jìn)一步，從帶爆破參數(shù)異常爆破壓力的信道估計(jì)建模型得到：

40、

41、式中，r為……，r為……，nr為……，σn為……，i為……；

42、其中，

43、r＝e{hf(f,t)h(f,t)}

44、式中，e{?}為……，hf(f,t)為……，h(f,t)為精確的信道；

45、r的一部分特征值接近于0，將r的特征分解記為r＝u∑uh，通過(guò)平均r的幾個(gè)最小特征值獲取爆破參數(shù)異常爆破壓力功率估計(jì)推導(dǎo)出一個(gè)最優(yōu)線性濾波器w進(jìn)行信道去爆破參數(shù)異常爆破壓力處理，表達(dá)式為：

46、

47、式中，w為……，e{}為……，h(f,t)為……。

48、本發(fā)明的另一目的在于提供一種底部上向扇形孔爆破中的鉆孔角度塊度優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)施所述底部上向扇形孔爆破中的鉆孔角度塊度優(yōu)化方法，該系統(tǒng)包括：

49、位移探測(cè)器，利用位移探測(cè)器獲取多個(gè)底部上向扇形孔鑿巖孔鉆孔中的鉆孔偏斜角度，若鉆孔偏斜角度≤1％預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求；若鉆孔偏斜角度＞1％預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則不滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求；基于獲得的鉆孔偏斜角度實(shí)施調(diào)控鉆頭掘進(jìn)狀態(tài)；

50、爆破施工塊度及爆破振動(dòng)控制模塊，用于在滿(mǎn)足孔底間距設(shè)計(jì)需求的鉆孔偏斜角度下，根據(jù)不同巖性設(shè)置的孔排距，調(diào)整填塞、起爆方式與延期時(shí)間、一次爆破量參數(shù)控制爆破施工塊度及爆破振動(dòng)；

51、爆破參數(shù)確定模塊，用于針對(duì)急傾斜節(jié)理巖層，利用獲取的控制爆破施工塊度及爆破振動(dòng)方式，采用vcr采礦法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化爆破參數(shù)，確定炮孔兩端填塞長(zhǎng)度、藥量、延期時(shí)間爆破參數(shù)，完成急傾斜節(jié)理巖層爆破施工中糾正鉆孔角度偏斜下進(jìn)行深孔爆破，使塊度均勻。

52、結(jié)合上述的所有技術(shù)方案，本發(fā)明所具備的有益效果為：底部上向扇形孔爆破參數(shù)優(yōu)化可有效調(diào)整上向扇形孔布孔角度，優(yōu)化爆破效果，降低大塊率；vcr采礦法爆破參數(shù)優(yōu)化可提高炸藥能量利用率，改善爆破效果，降低大塊率.可提高采空區(qū)回采效率，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)調(diào)整中深孔爆破合理孔間延期時(shí)間、扇形孔口裝藥結(jié)構(gòu)，可對(duì)中深孔爆破塊度分布進(jìn)行有效控制，有利于提高生產(chǎn)效率。