基于巖石爆破塊度的快速分析與智能控制系統(tǒng)的研究

張志剛,李學(xué)斌

1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091

2.中廣核新能源田東有限公司,廣西 百色 533000

0 引言

堆石壩壩料是堆石壩填筑中的首要工序,巖石的爆破塊度是筑壩質(zhì)量的重要保障,對(duì)后續(xù)施工環(huán)節(jié),如挖裝、運(yùn)輸、填筑有著很大程度的影響。同時(shí),由于開(kāi)采地形的復(fù)雜性、地質(zhì)情況的不確定性等,爆破開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)堆石壩智能控制最難的環(huán)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)爆破料堆塊度的快速、高精度檢測(cè),同時(shí)能夠根據(jù)開(kāi)挖面暴露出的巖石結(jié)構(gòu),估算分析爆破塊度分布,實(shí)時(shí)優(yōu)化爆破參數(shù)以及爆破方式,對(duì)于提升工程施工效率及經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。基于堆石壩施工過(guò)程,本文針對(duì)上壩料爆破開(kāi)采開(kāi)展智能控制理論和方法上的相關(guān)研究[1-2],為爆破料堆塊度分析與爆破設(shè)計(jì)參數(shù)智能控制提供參考。

1 工程概況

某抽水蓄能電站為瀝青混凝土面板堆石壩,最大壩高為182.3 m,上庫(kù)總填筑量達(dá)2 900余萬(wàn)m3。上水庫(kù)工程采用庫(kù)內(nèi)開(kāi)挖料作料源,不另設(shè)料場(chǎng),料源復(fù)雜,無(wú)備用料場(chǎng),挖填須精確平衡,并且填筑施工期短,上水庫(kù)大壩及庫(kù)盆填筑總工期約49個(gè)月,每月填筑強(qiáng)度超過(guò)80萬(wàn)m3的填筑時(shí)間持續(xù)18個(gè)月,其中每月強(qiáng)度超過(guò)90萬(wàn)m3的持續(xù)時(shí)間為8個(gè)月。

庫(kù)區(qū)出露的地層主要有震旦系燈影組(Z2dn)、寒武系以及閃長(zhǎng)玢巖脈(δμ)和少量方解石脈、石英脈,地表多為第四系(Q4)覆蓋層。

1)震旦系燈影組。巖性為細(xì)晶白云巖、內(nèi)碎屑白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r,灰白、淺灰～深灰色,中～厚層狀,含黑色燧石,多見(jiàn)藻絲化石,局部含角礫狀碎屑。

2)寒武系。幕府山組上段(∈1m2):含磷白云巖、含磷灰質(zhì)白云巖、含磷硅質(zhì)巖,普遍含磷,灰、灰黑色,局部夾泥質(zhì)白云巖及斷續(xù)條帶狀的燧石,中～厚層狀,石英細(xì)脈充填。炮臺(tái)山組(∈1p):泥質(zhì)白云巖為炮臺(tái)山組標(biāo)志地層,灰、灰黃色,薄層～中薄層狀。觀音臺(tái)群(∈2-3gn):上段(∈2-3gn-3)以硅質(zhì)白云巖、含硅質(zhì)條帶白云巖為主,深灰～淺灰色,少量灰白色,局部夾硅質(zhì)條帶白云巖,石英、方解石脈充填;中段(∈2-3gn-2)為灰質(zhì)白云巖、細(xì)晶白云巖夾薄層泥質(zhì)白云巖,深灰～淺灰色,少量灰白色,含硅質(zhì)條帶及少量燧石結(jié)核,局部夾含硅質(zhì)條帶白云巖,石英、方解石脈充填;下段(∈2-3gn-1)為含燧石結(jié)核或燧石條帶白云巖夾薄層泥質(zhì)、灰質(zhì)白云巖,中～厚層狀,灰～深灰色,薄層含泥質(zhì)白云巖呈灰黃、灰色。

3)奧陶系。侖山組(O1l):灰質(zhì)白云巖,深灰、灰黑色,含燧石團(tuán)塊為特征,中～厚層狀。紅花園組(O1h):生物碎屑灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r,淺灰、深灰色,厚層狀。

5)巖脈。水庫(kù)區(qū)出露巖脈以閃長(zhǎng)玢巖脈為主,局部方解石脈、石英脈。

2 主要研究?jī)?nèi)容

針對(duì)堆石壩壩料爆破開(kāi)采施工問(wèn)題,結(jié)合某抽水蓄能電站上水庫(kù)開(kāi)挖與填筑施工,對(duì)包含多種不確定因素情況下的開(kāi)采料的塊度控制進(jìn)行研究。

2.1 爆破料堆塊度預(yù)測(cè)理論和方法研究

針對(duì)爆破料堆塊度預(yù)測(cè)存在的精度不高問(wèn)題,結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),探索爆破料堆塊度高精度預(yù)測(cè)的方法以及實(shí)現(xiàn)途徑。

2.2 堆石壩壩料開(kāi)采智能控制理論和方法研究

在深入研究巖體結(jié)構(gòu)屬性、爆破設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)塊度影響基礎(chǔ)上,基于機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能理論和方法,開(kāi)展堆石壩壩料開(kāi)采智能控制理論和方法研究。

3 爆破試驗(yàn)

為滿足堆石壩壩料填筑的塊度要求,現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行爆破試驗(yàn)。主要研究采用深孔梯段微差擠壓爆破技術(shù)滿足各種級(jí)配料的塊度要求和爆破振動(dòng)效應(yīng)。

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況,爆破試驗(yàn)場(chǎng)地選在上庫(kù)的B區(qū)。

3.2 施工工藝

施工工藝:試驗(yàn)確定—爆破設(shè)計(jì)參數(shù)—爆破實(shí)施方案—測(cè)量放樣—鉆孔、驗(yàn)收—裝藥、起爆—驗(yàn)炮、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集整理分析—爆渣清理—爆破效果檢查—爆破參數(shù)的校正、優(yōu)化—下組試驗(yàn)。

3.2.1 鉆孔、驗(yàn)收

深孔梯段爆破采用帶吸塵設(shè)備的高風(fēng)壓液壓鉆機(jī),根據(jù)施工技術(shù)交底確定的孔位、角度及深度進(jìn)行鉆孔,鉆孔過(guò)程中記錄發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)異常情況,施工完畢后監(jiān)理旁站監(jiān)督進(jìn)行驗(yàn)收,具體見(jiàn)圖1～2。

圖1 堆石料爆破試驗(yàn)鉆孔施工 圖2 堆石料爆破試驗(yàn)炮孔驗(yàn)收

3.2.2 裝藥、填塞

梯段爆破試驗(yàn)主要采用2#巖石乳化炸藥和銨油炸藥,裝藥采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu),深孔梯段采用每個(gè)孔2發(fā)毫秒非電導(dǎo)爆管和2卷乳化炸藥藥卷組成的起爆藥包(雙起爆藥包),置于孔底反向起爆,使用巖屑進(jìn)行填塞,具體見(jiàn)圖3。

3.2.3 起爆網(wǎng)絡(luò)

為保證施工安全并充分利用爆破自由面,爆破試驗(yàn)均采用排間延期起爆網(wǎng)絡(luò)和“V”型起爆網(wǎng)絡(luò)[3]。排間延期起爆網(wǎng)絡(luò)每個(gè)炮孔布置1發(fā)MS-10導(dǎo)爆管,使用四通將排內(nèi)的數(shù)個(gè)孔一組連接,再使用1發(fā)或2發(fā)MS-3導(dǎo)爆管進(jìn)行串聯(lián),排與排之間采用MS-5雷管進(jìn)行并聯(lián),形成串并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。排間延期起爆網(wǎng)絡(luò)如圖4所示,“V”型起爆網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖4 排間延期起爆網(wǎng)絡(luò)

圖5 “V”型起爆網(wǎng)絡(luò)

3.2.4 爆破效果檢查

采用排間“一”字型起爆網(wǎng)絡(luò)時(shí)爆堆俯視呈方形,采用“V”型起爆網(wǎng)絡(luò)爆堆俯視呈梯形,爆破飛石均在深孔爆破安全警戒范圍200 m內(nèi)。排間“一”字型起爆網(wǎng)絡(luò)爆堆如圖6所示,“V”型起爆網(wǎng)絡(luò)爆堆如圖7所示。

圖6 “一”字型起爆網(wǎng)絡(luò)爆堆 圖7 “V”型起爆網(wǎng)絡(luò)爆堆

4 爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在上庫(kù)B區(qū)進(jìn)行堆石料爆破試驗(yàn),爆破試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1,爆破試驗(yàn)堆石料篩分的包絡(luò)線見(jiàn)圖8～12。

表1 堆石料爆破試驗(yàn)參數(shù)

圖8 堆石料第1場(chǎng)次試驗(yàn)包絡(luò)線

圖9 堆石料第2場(chǎng)次試驗(yàn)包絡(luò)線

圖10 堆石料第3場(chǎng)次試驗(yàn)包絡(luò)線

圖12 堆石料第5場(chǎng)次試驗(yàn)包絡(luò)線

根據(jù)爆破試驗(yàn)得知,巖性為弱風(fēng)化白云巖時(shí),炸藥單耗 0.5～0.55 kg/m3,采用寬孔距小排距微差擠壓爆破的布孔方式,能充分利用爆破能量,較好地控制爆破塊度,堵塞段加輔助藥包解決堵塞段巖體的大塊率,基本能滿足上壩料填筑的塊度要求。

5 爆破塊度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)雙隱含層 LM 算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4],對(duì)上庫(kù)B區(qū)堆石料的填筑塊度進(jìn)行爆破預(yù)測(cè),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入S/B、H/B、B/D、q、E等5個(gè)爆破設(shè)計(jì)及巖石參數(shù),其中,S為鉆孔排距,B為抵抗線距,H為臺(tái)階高度,D為鉆孔直徑,q為爆破單耗,E為取樣巖體彈性模量。經(jīng)隱含層對(duì)權(quán)值與閾值的不斷優(yōu)化,最終輸出層分析出爆破料堆塊度值,具體見(jiàn)表2～3。各爆破試驗(yàn)場(chǎng)次堆石料堆塊度分析值與實(shí)測(cè)值對(duì)比,具體見(jiàn)圖13。

表2 爆破設(shè)計(jì)及巖石參數(shù)

表3 爆破試驗(yàn)料堆塊度分析值

圖13 爆破料堆塊度分析值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),取得較適合的爆破參數(shù)(梯段高度、孔徑、孔距、排距、孔深、堵塞長(zhǎng)度、抵抗線距、炸藥單耗等),依據(jù)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其優(yōu)化,仿真分析結(jié)果說(shuō)明該模型具有一定的準(zhǔn)確性,同時(shí)也對(duì)雙隱含層LM算法模型的各輸入層爆破參數(shù)進(jìn)行敏感度分析驗(yàn)算,對(duì)工程爆破施工具有較高的實(shí)踐意義。

6 爆破施工智能控制

在堆石壩填筑料深孔梯段爆破的開(kāi)挖施工過(guò)程中,通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)可知,爆破料堆塊度主要受爆破設(shè)計(jì)、巖石巖性、炸藥參數(shù)等影響。爆破設(shè)計(jì)、炸藥參數(shù)稱為“穩(wěn)定參數(shù)”,巖石巖性稱為“不穩(wěn)定參數(shù)”,須綜合考慮。其中,爆破設(shè)計(jì)有鉆孔直徑(D)、鉆孔排距(S)、臺(tái)階高度(H)、抵抗線距(B)、堵塞長(zhǎng)度(L)等,具體見(jiàn)圖14;炸藥參數(shù)為爆破單耗(q)等;巖石巖性包括取樣巖體彈性模量(E)、原位巖石塊度(X)等[5]。

圖14 深孔梯段爆破設(shè)計(jì)示意圖

依據(jù)爆破料堆塊度分析系統(tǒng)(見(jiàn)圖15),通過(guò)進(jìn)行爆破試驗(yàn)后篩分試驗(yàn)、各場(chǎng)次實(shí)測(cè)爆破塊度級(jí)配曲線,驗(yàn)證了該模型能夠較好地預(yù)測(cè)爆破塊度值,相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)。

圖15 主系統(tǒng)界面

7 結(jié)束語(yǔ)

本文的研究聚焦計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等新興領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)熱點(diǎn)問(wèn)題,可形成一套堆石壩壩料爆破塊度快速分析與智能控制流程,有利于提高施工效率,為爆破塊度分析與爆破設(shè)計(jì)參數(shù)智能化控制提供有效參考,有利于提高水利水電行業(yè)的爆破施工技術(shù)水平。