实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法及装置

摘要

本发明公开了一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法，其包括：获取静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值；利用预置的爆破设计参数与钻爆成本的优化模型，结合静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值，计算在考虑爆破质量的前提下钻爆成本最低的爆破设计参数的最优解。本发明在保障爆破质量的条件下使钻爆成本达到最小，从而为爆破设计参数的选取提供简单、快速、收敛的解决方案。

权利要求

1.一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法，其特征在于，包括：

获取静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值；

利用预置的爆破设计参数与钻爆成本的优化模型，结合静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值，计算在考虑爆破质量的前提下钻爆成本最低的爆破设计参数的最优解；

静态爆破参数包括：炮孔直径d、台阶高度H、钻孔精度标准差δ、间隔器长度l、岩石系数A、大块尺寸xp、单位起爆成本k1、单位炸药成本k2、单位钻孔成本k3、炸药密度ρ和相对重量威力RWS；

爆破设计参数包括：炮孔间距a、最小抵抗线b、超深h、堵塞长度s、炮孔数量u；

与爆破质量关联的指标包括：均匀度指数n、大块率R(xp)、爆破方量V、炮孔间距与最小抵抗线的比值a/b、超深与最小抵抗线的比值h/b、堵塞长度与最小抵抗线的比值s/b；

其中均匀度指数和大块率均通过Kuz‑Ram模型算法求得，爆破方量由炮孔间距、最小抵抗线、台阶高度和炮孔数量求得；

与爆破质量关联的指标的约束参数值包括：均匀度指数下限值nmin、均匀度指数上限值nmax、大块率上限值Rmax、爆破方量下限值Vmin、炮孔间距与最小抵抗线的比值的下限值炮孔间距与最小抵抗线的比值的上限值 超深与最小抵抗线的比值的下限值 超深与最小抵抗线的比值的上限值 堵塞长度与最小抵抗线的比值的下限值 堵塞长度与最小抵抗线的比值的上限值所述爆破设计参数与钻爆成本的优化模型为：

2.如权利要求1所述的实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法，其特征在于，采用SQP方法求解优化模型的最优解。

3.一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化装置，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1～2中任一项所述的方法。

4.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，实现权利要求1～2中任一项所述的方法。

说明书

实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及爆破技术领域。更具体地说，本发明涉及一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法及装置。

背景技术

[0002] 在露天爆破工程中，为了满足例如安全、质量、成本等一系列工程指标，需要重点考虑爆破设计参数、岩石属性、炸药类型等方面的影响。许多研究者设计了一系列经验模型
将爆破设计参数和爆破质量(指大块率、块度分布等)或爆破成本联系起来，以对爆破参数
进行优化设计。

[0003] 爆破质量不仅反映了爆破设计参数和爆破方法的准确性、合理性，同时也直接影响着铲装、运输、破碎等后续工序的成本。一般情况下，钻孔爆破成本随着爆破质量的降低
而降低，而后续工序的作业成本则随着爆破作业质量的提高而降低。

[0004] 传统的爆破参数的优化设计一般基于工程经验确定参数，结合爆破实验结果和经验模型重新调整参数。由于经验模型的非线性性质，这种方法无法快速、精确地确定爆破设
计参数，缺乏科学依据，难以保障爆破质量和成本。因此设计一种基于迭代算法的爆破设计
参数优化方法来优化初始爆破设计参数，从而在保障爆破质量的同时降低钻爆成本，有着
十分重要的意义。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

[0006] 本发明还有一个目的是提供一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法及装置，在保障爆破质量的条件下使钻爆成本达到最小，从而为爆破设计参数的选取提供简
单、快速、收敛的解决方案。

[0007] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法，其包括：

[0008] 获取静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值；

[0009] 利用预置的爆破设计参数与钻爆成本的优化模型，结合静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值，计算在考虑爆破质量的前提下
钻爆成本最低的爆破设计参数的最优解。

[0010] 优选的是，静态爆破参数包括：炮孔直径d、台阶高度H、钻孔精度标准差δ、间隔器长度l、岩石系数A、大块尺寸xp、单位起爆成本k1、单位炸药成本k2、单位钻孔成本k3、炸药密
度ρ和相对重量威力RWS；

[0011] 爆破设计参数包括：炮孔间距a、最小抵抗线b、超深h、堵塞长度s、炮孔数量u。

[0012] 优选的是，与爆破质量关联的指标包括：均匀度指数n、大块率R(xp)、爆破方量V、炮孔间距与最小抵抗线的比值a/b、超深与最小抵抗线的比值h/b、堵塞长度与最小抵抗线
的比值s/b；

[0013] 其中均匀度指数和大块率均通过Kuz‑Ram模型算法求得，爆破方量由炮孔间距、最小抵抗线、台阶高度和炮孔数量求得。

[0014] 优选的是，与爆破质量关联的指标的约束参数值包括：均匀度指数下限值nmin、均匀度指数上限值nmax、大块率上限值Rmax、爆破方量下限值Vmin、炮孔间距与最小抵抗线的比
值的下限值 炮孔间距与最小抵抗线的比值的上限值 超深与最小抵抗线的比值
的下限值 超深与最小抵抗线的比值的上限值 堵塞长度与最小抵抗线的比值的
下限值 堵塞长度与最小抵抗线的比值的上限值

[0015] 优选的是，所述爆破设计参数与钻爆成本的优化模型为：

[0016]

[0017]

[0018] 优选的是，采用SQP方法求解优化模型的最优解。

[0019] 本发明还提供一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化装置，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所
述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个
处理器执行上述的方法。

[0020] 本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述的方法。

[0021] 本发明至少包括以下有益效果：本发明以获得最低钻爆成本为目标，以爆破质量为约束，通过采用计算迭代的方法，在保障爆破质量的条件下使钻爆成本达到最小，从而为
爆破设计参数的选取提供简单、快速、收敛的解决方案，相比于现有的基于工程经验确定参
数，结合爆破实验结果和经验模型重新调整参数的方法，本发明显然更加简单、快速、有效。

[0022] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例所述实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法的流程图；

[0024] 图2为本发明实施例所述优化模型求取最优解的流程图；

[0025] 图3为本发明实施例所述爆破设计参数优化前后的Kuz‑Ram通过率曲线对比图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0027] 需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵
向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，
并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因
此不能理解为对本发明的限制。

[0028] 如图1所示，本发明提供一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化方法，其包括：

[0029] S101、获取静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值；

[0030] 具体的，静态爆破参数包括：炮孔直径d、台阶高度H、钻孔精度标准差δ、间隔器长度l、岩石系数A、大块尺寸xp、单位起爆成本k1、单位炸药成本k2、单位钻孔成本k3、炸药密度
ρ和相对重量威力RWS；

[0031] 爆破设计参数包括：炮孔间距a、最小抵抗线b、超深h、堵塞长度s、炮孔数量u，优化前爆破设计参数的初始值可表示为a0、b0、h0、s0、u0。

[0032] 与爆破质量关联的指标包括：均匀度指数n、大块率R(xp)、爆破方量V、炮孔间距与最小抵抗线的比值a/b、超深与最小抵抗线的比值h/b、堵塞长度与最小抵抗线的比值s/b；

[0033] 其中均匀度指数和大块率均通过Kuz‑Ram模型算法求得，爆破方量由炮孔间距、最小抵抗线、台阶高度和炮孔数量求得。

[0034] 这里Kuz‑Ram模型给出的平均破碎块度X50、均匀度指数n和筛上物料的比率R(x)的算法如下：

[0035]

[0036]

[0037]

[0038] 大块率R(xp)是指当筛孔尺寸x为大块尺寸xp时的筛上物料的比率。

[0039] 单孔装药量Q可通过炮孔直径d、台阶高度H、超深h、堵塞长度s、间隔器长度l和炸药密度ρ估算得到：

[0040]

[0041] 爆破方量V是指所有炮孔破碎岩石的总体积，可用炮孔间距、最小抵抗线、台阶高度和炮孔数量求得：

[0042] V＝abHu

[0043] 与爆破质量关联的指标的约束参数值包括：均匀度指数下限值nmin、均匀度指数上限值nmax、大块率上限值Rmax、爆破方量下限值Vmin、炮孔间距与最小抵抗线的比值的下限值
炮孔间距与最小抵抗线的比值的上限值 超深与最小抵抗线的比值的下限值
超深与最小抵抗线的比值的上限值 堵塞长度与最小抵抗线的比值的下限值
堵塞长度与最小抵抗线的比值的上限值

[0044] 对上述与爆破质量关联的指标采用约束参数值进行条件约束，则可表示为：

[0045] R(xp)≤Rmax

[0046] nmin≤n≤nmax

[0047] V≥Vmin

[0048]

[0049]

[0050]

[0051] S102、利用预置的爆破设计参数与钻爆成本的优化模型，结合静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值，计算在考虑爆破质量的
前提下钻爆成本最低的爆破设计参数的最优解。

[0052] 具体的，所述爆破设计参数与钻爆成本的优化模型为：

[0053]

[0054]

[0055] 实际上，上述优化模型是通过以下方法构建得到：

[0056] 钻爆成本C主要分为起爆成本C1、炸药成本C2和钻孔成本C3，因此，钻爆成本钻爆成本C可表示为：

[0057] C＝C1+C2+C3；

[0058] 又起爆成本C1可通过单位起爆成本k1和炮孔数量u求得，C1＝k1×u；

[0059] 炸药成本C2可通过单位炸药成本k2、单孔装药量Q和炮孔数量u求得，C2＝k2×Q×u；

[0060] 钻孔成本C3可通过单位钻孔成本k3、台阶高度H、超深h和炮孔数量u求得，C3＝k3×(H+h)×u；

[0061] 那么钻爆成本C最终可表示为：

[0062]

[0063] 再结合与爆破质量关联的指标的约束条件，即可得到上述优化模型。

[0064] 在获取静态爆破参数值和爆破设计参数的初始值，及与爆破质量关联的指标的约束参数值后，本实施例通过SQP方法求得优化模型的最优解，如图2所示，其过程具体包括：

[0065] 首先，构建拉格朗日函数，表示如下：

[0066]

[0067] 式中，f(a,b,o,s,u)表示原目标函数，gk(a,b,o,s,u)表示不等式约束，vk表示拉格朗日乘子

[0068] 定义X为优化模型的一组解，即X＝(a,b,h,s,u)，优化前的初始参数表示为X0＝(a0,b0,h0,s0,u0)，在迭代过程中，第i组解表示为Xi＝(ai,bi,hi,si,ui)，设：

[0069] D＝Xi+1‑Xi

[0070] 其次，构建以下二次规划子问题：

[0071]

[0072]

[0073] 该子优化模型中，LXX表示拉格朗日函数的Hessian矩阵，即二阶偏导数矩阵，vi表示迭代过程中的第i组拉格朗日乘子。

[0074] 第三，对二次规划子问题使用KKT条件进行求解得到最优解D和一组新的拉格朗日乘子vi+1，则原优化问题的新的解为Xi+1＝Xi+D，这样又可构建新的二次规划子问题，不断迭
代直至收敛或达到迭代次数上限，最终可求出爆破设计参数的最优解。

[0075] 为了进一步说明本发明的有益效果，本发明选取了一组实际爆破工程中的爆破参数采用本发明的优化方法进行测试，爆破参数如表1所示，其中，1‑5号参数为待优化的爆破
设计参数，6‑16号参数为静态爆破参数，优化前后不发生改变。

[0076] 表1

[0077]

[0078]

[0079] 采用本发明的优化方法后得到最优爆破设计参数。优化前后的爆破设计参数及钻爆成本对比如表2所示，优化前后的约束满足情况如表3所示，优化前后的Kuz‑Ram通过率曲
线如图3所示。

[0080] 表2

[0081]

[0082] 表3

[0083]

[0084] 通过表2和表3不难看出，通过本发明的方法优化后，钻爆成本得到了降低，而与爆破质量关联的指标中，原来尚有大块率、爆破方量和堵塞长度与最小抵抗线的比值s/b不满
足约束条件，经过优化后，全体指标均满足约束条件，说明爆破质量得到提升。很显然本发
明是简单、快速、有效的。

[0085] 本发明还提供一种实现钻爆成本最低的爆破设计参数优化装置，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所
述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个
处理器执行上述的方法。

[0086] 本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述的方法。

[0087] 该存储介质具体可以为U盘、移动硬盘、只读存储器(Read‑Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的可读
存储介质。

[0088] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限
于特定的细节和这里示出与描述的图例。