（计算机应用技术专业论文）利用神经网络预测崩落体形成的研究.pdf

硕士论文摘要 摘要 本文探讨了崩落体形成过程中外部环境因素的重要影响，避开复杂的流动力学 处理过程，利用神经网络技术处理了崩落体形态，并使用计算机程序加以实现，最 后证实模拟效果与实际数据误差很小，数据处理效果很好，也验证了松动体和爆破 参数对崩落体形态的影响。 矿山回采系统中最重要的问题是减少矿石贫化，提高资源的回收率。崩落体理 论的提出对提高资源回收率起了重要作用，在崩矿与放矿之间架起了一座桥梁，一 些学者对此进行了深入的研究，通过实验室模拟爆破实验与现场实验相结合定性地 提出了崩落体的众多性质，并且对其数学模型进行了深入的研究。 伴随计算机技术的推广，许多学者使用数值模拟方法解决了众多矿山回采系统 中的问题，中国学者利用流动力学理论结合计算机的数值模拟功能对崩落体形态进 行了深入的研究，流动力学理论建立的数学模型处理复杂，计算繁琐，本文借鉴前 人经验，利用神经网络技术综合分析处理了崩落体系统中的各个参数，使用实验室 模拟爆破实验数据对神经网络进行训练，从而得到稳定的网络结构，建立了崩落体 形成过程中外部环境因素到崩落体形态的数据映射关系，定量的分析了外部因素对 崩落体形成的影响，从而也达到了预测控制崩落体形态的目的，同时避开了复杂的 松散介质力学问题和流动力学理论，降低了问题的复杂性。 本文使用非线性动力学理论研究神经网络的收敛情况，针对传统神经网络收敛 速度过慢、训练精度不高等缺点，使用“最速模式移动算法”、节点精度定义和步长 因子动态生成三种方法，加快了网络的训练速度，提高了网络精度。 对于三维空间中的崩落体形态尚需要进一步研究。 关键宇：崩落体，神经网络，非线性动力学，爆破 硕士论文 a b s t t a c t a b s t r a c t i ti se x p l a i n e di nt h ep a p e rt h a te x t e r i o rf a c t o r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nf o r m a t i o n s o ft h eb l a s t e db o d y a n da n a l y z et h e s ef a c t o r sb ya n nt h e o r y ，s oa v o i dc o m p l i c a t e dl i q u i d m e c h a n i c sp r o c e s s t h ea u t h o re s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d e lf r o ml o o s e n e db o d ya n d b l a s t i n gp a r a m e t e rt ob l a s t e db o d ya n dr e a l i z eb yc o m p u t e rp r o g r a m ，a n dg e t ag o o d r e s u l t i ti st h em o s ti m p o r t a n tt or e d u c eo r el o s sa n de n h a n c er e s o u r c er e c o v e r yr a t ed u r i n g m i n ec a v i n g t op u tf o r w a r dt h eb l a s t e db o d yt h e o r yr e a c t sv i t a l l yi ni m p r o v i n gr e s o u r c e r e c o v e r yr a t e ，f o ri ta c t sa sab r i d g eb e t w e e nc o l l a p s i n gm i n ea n dd r a w i n gm i n e c h i n e s e a n df o r e i g ns a v a n t sh a v es t u d i e do ni td e e p l y , a n ds u m m a r i z em a n yc h a r a c t e r so fb l a s t e d b o d yv i as i m u l a t i n gb l a s t i n ge x p e r i m e n ti nl a ba n d f i e l de x p e r i m e n t ，a tt h es a m et i m et h e y f o u n d e dt h el i q u i dm e c h a n i c sm o d e lo fb l a s t e db o d y w i t hs p r e a d i n gc o m p u t e rt h e o r y , m a n ys a v a n t su s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt o s o l v et h ep r o b l e mo fm a n ym i n e sc a v i n gs y s t e m m a n ys a v a n t sh a v es t u d i e do nt h e f o r m a t i o no ft h eb l a s t e db o d yb yt h em a t hm o d e lw i t hg r a n u l a rm e d i u mm e c h a n i c s t h e a u t h o r sd r a w sl e s s o n sf r o mp r e d e c e s s o re x p e r i e n c e ，a n da n a l y z ea n dd i s p o s ee a c h p a r a m e t e ro fb l a s t e db o d ys y s t e mb ya n nt e c h n i q u e ，m e a n w h i l et r a i na n n w i t hl a b s i m u l a t i n gb l a i t i n ge x p e r i m e n td a t a ，c o n s e q u e n t l yr e c e i v es t e a d yn e t w o r ks t r u c t u r ea n d e s t a b l i s hd a t am a p p i n gr e l a t i o n ，a n dt h e na v o i di n t r i c a t eg r a n u l a rm e d i u mm e c h a n i c s ，s o d e b a s et h ec o m p l i c a t i o no ft h ep r o b l e m 。 f u r t h e r m o r et h ea u t h o ru s e sn o n l i n e a rd y n a m i c st h e o r yt oa n a l y z et h ec o n v e r g e n c e c a s eo fa n n ，a n dp u t sf o r w a r d “g r a d i e n tp a t t e mm o v i n ga l g o r i t h m ”，n o d ep r e c i s i o n d e f i n i t i o n sm e t h o da n dd y n a m i cs t e pg e n e r a t i o na i m i n gt ot r a d i t i o na n nc o n v e r g e n c e s l o w l y , w a i np r e c i s i o nl o w l y t h e ni tq u i c k e n sn e t w o r kt r a i n i n gs p e e d ，a n de n h a n c e s n e t w o r kp r e c i s i o n t h es t u d yo nt h ef o r m a t i o no fb l a s t e db o d yi n3 - d i m e n s i o nw i l lb e c o m et h en e x t f o c u s k e yw o r d s ：b l a s t e db o d y ，a n n ，n o n l i n e a r , b l a s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 。 签名：l 阻日期：逸：三! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 ， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：骂! 塑 导师签名： 日期：谊厶幻p 硕士论文第一章绪论 1 1 文献综述 第一章绪论 无底柱分段崩落法是国内外金属矿山广泛采用的采矿方法，从上世纪3 0 年代， 中外学者围绕降低矿石贫化，改进采矿效果对其进行了深入的研究，取得了众多成 果。 2 0 世纪3 0 年代，苏联学者通过进行大量的观察和室内实验，开始对崩落矿岩 放出过程的运动开始进行初步的研究。 2 0 世纪五十年代，苏联学者r m 马拉霍夫提出了一整套确定采场合理结构参 数和预测矿石贫化的方法，在其专著崩落矿块的放矿一书中，用大量的实验证 实了放出体是旋转椭球体的结论。 2 0 世纪6 0 年代，相继出现了许多对放矿实验研究的成果：b b 库里柯夫在金 属矿床的联合开采与二次开采中发展了单孔放矿理论；以松散矿岩流向漏斗口的 流动面与水平面所夹的放矿角作为放矿分析和指标计算基础的放矿角理论以及放出 体表面以流动带的曲线方程为依据所形成的放矿漏斗理论；端部放矿以扁椭球体缺 为依据的三轴椭球缺理论，更多的是对放出体和松动体的形态、参数及其影响因素 做了大量的实验研究工作【l 】。 2 0 世纪7 0 年代，国内外学者除了继续完善已提出的理论，简化繁难的放矿计 算，探讨放矿模拟的相似原理以外，放矿研究以松散介质力学为基础做了大量的工 作，并探讨利用散体力学研究崩落矿岩流动规律，放出体形成原理和散体流动带内 的应力状态的研究日益受到重视哪4 【5 】【6 】 刀【8 】，同时，以随机理论为依据来研究松散 矿岩流动规律，以及利用计算机进行随机模拟和数值模拟放矿的研究，把放矿的研 究与基础科学和现代科学技术结合起来，使放矿的研究进入了一个崭新的阶段。为 了更有效地控制生产放矿和及时掌握矿石品位地变化，加快品位地分析，快速品位 地分析仪也得到了迅速发展，振动出矿技术开始在我国应用和推广。 2 0 世纪8 0 年代，b b 库里柯夫出版了专著放矿对单孔放矿理论进行了深 入的研究，东北大学刘兴国教授在研究r m 马拉霍夫放矿理论中发现，放出体与等 速体不能同时为椭球体，且等速体不存在过渡关系。除了继续完善放矿椭球体理论 和推广应用外，计算机随机模拟和数值模拟，特别使前者得到了更大的发展，开始 硕士论文第一章绪论 应用离散单元法进行放矿研究。同时对放矿管理和放矿质量监控方法进行了一些研 究“ h 2 i 。 进入9 0 年代，计算机随机模拟放矿研究得到长足的发展。在寻求放矿最佳控制 方法与预报放矿指标上取得了实际的效果 2 6 1 2 7 1 。国内外学者将概率论方法引入了 放矿理论中，给出了散体在放矿过程中的移动概率方程： p m ( 工，) ，z ) ：土e x p ( 一 )( 1 1 ) 为正态分布函数，均值为零；x ，y ，z 为散体在矿体内的三维坐标，从而建立了随 机介质放矿理论学说2 2 】，代表性的学者是东北大学的任凤玉教授，给出了完整的 随机介质放矿理论。 近年来，国内学者提出了完整的崩落体理论，通过大量的矿场实验和室内实验， 分析了崩落体的形态、参数以及影响因素及其控制，在数据模型的建立方面进行了 系统的研究。把回采系统作为一个有机整体进行系统的研究，认为崩落放矿过程中 缺少对崩落后矿石的形态进行分析研究，认为崩落体的形态是影响放矿和下一次爆 破崩矿的决定性因素，提出了完整的崩落体理论【2 9 】3 0 】【3 2 】。 二二至! 三塑里至二 i 二二! 至而三堕：至二 j 图j 一1 放矿理论发展过程 崩落体的形态模型是在分析矿山现场实验以及模拟实验数据下由国内学者提 2 硕士论文 第一章绪论 出，对崩落体理论的应用也开始在矿山现场展开，在减少矿石贫化、提高经济效益 上取得了一定成果，但在应用中受到了限制，特别是在对崩落体形态的控制方面需 要进一步深入的研究。 1 2 问题的提出 崩落体理论在崩矿以及放矿之间架起了一座桥梁，将矿山回采系统作为一个有 机的整体进行研究，这对于减少矿石贫化、提高矿山的经济效益具有重大意义，研 究崩落体形成过程可以进一步完善崩落体理论，具有很好的现实意义。 崩落体是受外部众多条件的影响而形成的，崩落体形成有其必然的外部因素也 具有很大的偶然性，崩落体的形成制约着放矿和下一次爆破的效果，研究崩落体形 态具有很好的经济意义，许多学者根据流动力学理论建立了崩落体的数学模型，使 用数值分析手段，对崩落体形态进行了深入的研究和探讨。 由于崩落体的流动力学分析过程极其复杂，使用数值分析手段也很繁琐，借助 神经网络在处理复杂系统上的优势可以避开繁琐的流动力学分析过程，也能够对崩 落体形态进行预测和控制的目的。 1 3 神经网络概述 神经网络是- - i q 新兴的、综合性、交叉性很强的学科。由于神经网络具有一些 十分吸引人的特点，如复杂系统、并行处理、分布存储、可变结构、高度容错、非 线性计算、自组织等，因此神经网络技术在许多领域得到了广泛的应用。 1 3 1神经罔络发展史 1 9 4 3 年m c c u l l o c h p i t t s 提出了早期的神经元的m p 模型，神经元的输入、输 出都是二值变量，结构是固定的且权也是固定的。m p 模型的数学形式： -n ， y ，= 日( w o x + 喊一只) ( 1 2 ) j = l k = l m p 模型开始应用到了图像处理和模式识别中。1 9 7 7 年a n d e r s o n 提出了一种新的 神经网络动力学模型，为b s b 模型，该模型为一种正反馈模型，是一种基于分类的 模型。后来1 9 8 2 年，美国加州工学院的物理学家h o p f i e l d 提出了一种新的非线性 网络模型，该模型由一组微分方程描述， 硕士论文第一章绪论 n 神经元输入为：y i ( f ) = j ，( f ) + ，f 卢l 神经元输出为：x i ( f + 1 ) = s g n ( y j ( f ) ) ( i 3 ) ( 1 4 ) 在网络理论分析和综合上都达到了相当的深度，成功的解决了著名的旅行推销员问 题。1 9 8 5 年r u m e l h a r t 领导的p d p 研究组提出了一种多层非线性网络的“误差反向 传播算法( b p ) ”，突破了单层网络的局限。h o p f i e l d 模型和b p 算法的提出标志着神 经网络理论研究开始复兴。神经网络广泛应用于数据挖掘、汉语语音识别、故障诊 断、画像识别等领域，尤其是在不精确推理和知识获取方面3 4 l 【3 5 1 。 1 3 2b p 神经网络发展状况 b p 神经网络是在输入层和输出层之间有一层或多层隐含层，含有一层隐含层 的m p n n 就足以解决任意分类判决问题，一个三层的m p n n 可以形成任意复杂的 决策区域，以任意精度逼近任何连续函数。若隐含层神经元的个数可根据需要任意 设定，且激励函数取为符号函数，则一个三层m p n n 可以任意精度逼近任意二值逻 辑函数“4 2 l 。一般取激励函数为s 型函数。但是这样的b p 神经网络有很大的缺陷： ( 1 ) s 型函数数值区间为【o ，1 】，所以要对数据进行预处理( 2 ) 要重复进行误差运 算，收敛速度慢( 3 ) s 型函数为非线性函数，易陷入局部最优( 4 ) 隐含层节点数 目很难确定。 针对以上缺陷，中外许多学者将新的数学方法引入神经网络，最主要的有遗传 算法、并行计算。遗传算法加快了b p 神经网络的收敛速度，同时可以对噪声进行 清洗。遗传算法采用从自然选择机理中抽象出来的选择、交叉、变异3 种基本的遗 传算子对参数编码进行操作，可以实现全局最优搜索，同时提出了对染色体数据进 行编码的方法一格雷码。并行算法主要是针对b p 网络面临的主要问题训练 集中训练模式过多提出对训练集划分的算法，在一定程度上加快了b p 神经网络的 收敛速度。也有许多学者为了提高收敛速度，通过调节收敛步长，使步长成为两络 误差的一个函数，在网络训练过程中称为变步长方法，对于隐含层节点不能确定的 问题，中国学者提出一种同层节点连接权的方式，认为网络中如果出现输出恒为1 或者输出恒为0 节点，则该节点为“无效”节点，可以删除，对于两个节点的输出 相近，对下一层节点的影响相同，则给予合并。在确定隐含层节点数目理论上提出 一个输入节点数为n ，输出节点数为n l 的三层b p 神经网络，隐含层节点数最大应 该在2 ( m + n ) 左右的观点 3 8 】【3 7 】【4 2 1 。 对神经网络的改进大大的提高了网络收敛速度，同时也对网络结构给出了一定 4 硕士论文第一章绪论 的参考依据，但是b p 神经网络的收敛速度依旧很慢。 现在b p 神经网络仍有许多未解决的问题( 1 ) 隐含层节点的数目为不确定性( 2 ) g a 算法应用于b p 网络，如何科学的形成染色体( 3 ) 神经网络应用于多维数据挖 掘空间还需要进一步研究( 4 ) 收敛速度仍然过慢。 1 4 小结 许多学者已经开始对崩落体形态进行了深入的研究，由于崩落体形成过程是一 个及其复杂的能量转化过程，要寻找崩落体形态与崩落体形成时的外部环境存在的 规律需要使用复杂的数据分析处理过程，许多学者也从流动力学方向使用数值模拟 方法对崩落体形态进行了深入的研究。 神经网络技术在处理复杂系统中具有很大的优势，而且神经网络技术已日趋成 熟，可以借助神经网络技术来处理崩落体系统，挖掘出崩落体形成的外部因素与崩 落体形态之间的内在规律，以此达到分析控制崩落体形态的目的，也避开了复杂的 流动力学理论分析。神经网络在处理放矿理论的应用很早就出现了，最有代表性的 就是使用神经网络处理放出体形态，避开了非常复杂的物理过程分析，但是处理过 程中没有考虑崩落体这个重要的中心环节，而是从爆破参数上分析了放出体的形态。 硕士论文 第二章崩落体理论概述 第二章崩落体理论概述 2 1 松散介质力学基础 松散介质力学性质是影响崩落体形成的重要因素。 由大量性质大致相同的单个颗粒所组成的物体称为松散介质，如砂堆、卵石堆、 煤堆、松散矿岩等。松散介质的物理性质介于固体和液体之间。 松散介质与固体不同。松散介质的颗粒具有流动性，仅在一定范围内能保持其 堆积状态，它不能承受或只能承受很小的拉力，但能承受较大的压力和剪力，剪力 随着法向压力的增大而增大。 松散介质与液体也不同。液体具有很大的流动性，液体本身没有固定的形状， 抵抗剪力的能力很小，但能向各个方向传递相等的压强。松散介质虽然也能向各个： 方向传递压强，但不相等。松散介质是不同于固体和液体的一种介质。 松散介质中的单个颗粒，具有固体的特征，构成了松散介质的骨架。但从整个 松散体来看，它有流动的性能，故具有液体的某些特征。松散介质具有这种双重特 性，这就使松散介质既不属于固体，又不属于液体，而是一种固体和液体性质兼而 有之的介质。这种双重特征就决定了崩落矿岩运动过程的力学特点。 松散介质的性质主要有：容重、流动性、松散性、空隙度、压实度、内摩擦角、 粘聚度、湿度和块度等，下面主要介绍几个方面。 2 1 1松散介质的容重 松散介质单位体积的重量称之为松散介质的容重。崩落的松散矿岩的容重，对 爆破与放矿来说是一个重要的物理参数。崩落的松散矿岩的容重可以说明崩落矿岩 松散体内部结构的松散性或压实度。随着容重的增大，松散性减小，压实度增大， 崩落体将变小。故容重是引起崩落体体积变化的因素之一。然而容重又往往与下面 所讲的松散性和压实度有关。 6 硕士论文第二章崩落体理论概述 2 1 2松散介质的流动性 松散介质的流动性是崩落体形态的重要性质之一。影响流动性的因素很多，其 中有内摩擦力、粘聚力、堆积密度及物料颗粒问所含空气的多少。物料的内摩擦力， 粘聚力愈小、堆积密度愈小以及物料所含空气量愈多，则物料的流动性愈好。崩落 体内的松散介质的流动性是影响放出体形成的重要因素： 对于崩落采矿法，矿石是在自重的作用下从崩落的矿块中放出。放出时，矿石 具有流体的流动特性，不能抵抗拉力，抵抗剪切力的能力取决于作用的压力，对于 单个矿块来说在一定范围内能保持其固体的形状，抵抗剪切力的能力更小。所以说， 放矿时矿岩具有固体和液体的某些特征。此外，崩落矿岩是复杂和非均力材料，块 体之间存在空隙，这些空隙可能有石头屑、沙和泥等物质充填。矿岩块体的运动是 相当复杂的，块体不但有朝着放矿口方向的刚体运动，同时伴随着块体问的滑动和 滚动。就某一块体而言，运动状态具有很强的随机性。矿岩在放出过程中还具有明 显的脉动现象。苏联学者从试验观察到，通过实验发现，颗粒在放出过程中并非液 体一样连续不断地流动，而是跟脉搏跳动般断断续续地移动。通过实验发现，散体 颗粒在流动过程中存在明显地脉动，其流动轨迹总是限制在某一狭小地区间内，开 始移动时速度较小，越靠近放出口时速度越大。 2 1 3松散介质的松散性 整体矿岩经过爆破破碎以后的体积，比原有体积增大的性质称之为松散性。松 散性通常用崩落矿岩在松散状态的体积，与整体状态下的体积之比来表示，称为松 散系数( 也叫碎胀系数) 。通常，在地质报告中所提供的松散系数就是装载松散系数， 是矿岩爆破后，在无外界约束状态下，经过自由松散而测得的。在矿山设计中，用 它来计算运输和提升的装载质量，或用它来计算采矿爆破的松散性。在放矿工作中， 通常把地下采场崩矿以后整体矿石体积之比，称为一次松散系数。在地下采场爆破 时，虽产生巨大的爆破动载荷，但受补偿空间的限制，使被爆矿石得不到自由的松 散。当采用垂直深孔的挤压崩矿时一次松散系数一般为1 1 1 2 。 2 1 4松散矿岩的压实度与结块度 松散矿岩的压实度是指崩落的松散矿岩的外力作用下，被压实的程度。通常是 7 硕士论文第= 章崩落体理论概述 把松散矿岩压实后的体积与原松散状态下总体积之比，称之为松散矿岩的压实度。 松散矿岩的压实度与动静载荷大小、储存时间、湿度和块度组成等因素有关。若爆 破地震效应强烈而频繁，覆盖矿岩重力作用大，湿度增大，贮存时间增长等，都会 使松散矿岩块重新排列，结构改变，孔隙减小，而导致压实度增大。压实度的增大 将引起内摩擦系数和粘聚力增大，崩落体形态变坏，致使放矿指标恶化。因为压实 度过大时，松散矿岩可能丧失松散性；不过只要其粘结性不大，放矿时，松散性仍 能逐渐恢复。 结块性是指采下的矿石，在遇水和受压并经过一段时间后，又连接成整块的性 质。一般可能使矿石结块的因素有： 矿石中含有粘土质物质，受湿及受压后粘结在一起； 高硫矿石遇水后，由于矿石表面氧化，形成硫酸盐薄膜，受压后连结在一起。 矿石的结块性是影响崩落体的形成的重要性质，对放矿、装卸及运输等生产环 节，均可造成很大的困难。 2 1 5松散介质的块度 松散介质的块度是只松散矿岩块度尺寸和各级矿岩所组成的百分比。在目前地 下采场崩矿条件下，崩落的松散矿石，总是由各种不同尺寸的矿石块所组成。在生 产实际中，根据产品和采场工艺本身的要求，松散矿石的块度不能过大和过于粉碎， 必需对块度上下限有一定的限制。如对大块应规定允许的最大块度，当超过这种规 定的块度尺寸，称之为不合格大块。松散矿石中所包含大块的百分比，称之为大块 产出率。把大块破为小块称为二次破碎。由于松散矿石块的大小、形状和组成，对 崩落体的形态有很大的影响，故有必要加以研究。 2 1 6松散介质的黠聚力 松散介质颗粒的接触之间，存在有胶物质和水时，即使没有压力，也会使散体 具有一定的刚度和抗剪能力。这种初始的抗剪能力称之为松散介质的黏聚力，它和 内摩擦力共同决定着散体的抗剪强度。 松散介质的黏聚力，一方面与所含黏聚性颗粒多少、湿度和压实度有关；另一 方面与孔隙中所含水分的毛细管作用有关。黏土颗粒增多，湿度增大，在压力作用 下，松散介质会产生固结，粘聚力增大。黏聚力的大小，对松散介质流动性的影响 较大。 硕士论文第二章崩落体理论概述 2 1 7松散介质的内摩擦角 松散介质的内摩擦角是指没有粘聚力的松散介质内部发生剪切破坏的瞬间，作 用在松散介质内部剪切面；上的正应力和合成应力的夹角。内摩擦角用松散介质抗剪 强度试验法求得。根据试验结果所作的正应力口一剪应力f 的图解，把抗剪强度曲 线与横坐标d 的夹角，称之为内摩擦角p 。而把内摩擦角的正切称为内摩擦系数k 。 因此，内摩擦系数是松散介质在破坏瞬间沿剪切面的极限剪应力f 与正应力盯之比， 即： k ：t a n 9 ：三 ( 2 1 ) o r 如果是非理想的松散介质，则具有粘聚力c 。因此，内摩擦系数则应为剪应力 与粘聚力之差( - g c ) 与正应力仃之比，即： k = t a n p = 二二( 2 2 ) o r 在松散介质的内部，相互接触的颗粒当发生相对位移时，总要产生一种内摩擦 力。根据接触情况和状态，内摩擦力也可分为三种： ( 1 ) 滑动摩擦力，是指松散体的一部分沿另一部分呈平面或曲面滑动时，所产 生的阻碍滑动的力。 ( 2 ) 静摩擦力，是指松散体内部产生滑动的趋势。这种阻碍松散矿石转向运动 的力叫做静摩擦力。 ( 3 ) 滚动摩擦力，是指颗粒在另一个面上滚动时，所产生阻碍滚动的力。这三 种摩擦力有其相应的摩擦系数和摩擦角。 松散介质的内摩擦角受松散介质的松散性、湿度、块度组成、块度形状和表面 粗糙程度以及剪切速度等因素的影响。 随着松散介质的松散系数的增大，内摩擦角、内摩擦系数和粘聚力都减小，如 表2 一l 和图2 1 所示。反之，随着压实度的增大，内摩擦角也增大，、要使松散介 质产生相对位移，所需要的剪切力也增大。因此，松散系数和孔隙度增大，压实度 减小，对放矿有利。 表2 1内摩擦角和粘聚力与松散系数的关系 i 松散系数 。 1 3 01 3 51 4 51 5 51 6 51 7 5 i l 内磨擦角( 。) 4 64 54 3 4 0 3 83 6 9 硕士论文第二章崩落体理论概述 崔 饕 藿 - g ： 捻教系数k 图2 1 内摩擦系数和松散系数的关系 随着松散介质湿度的增大，毛细管作用产生的粘聚力和抗剪强度急骤增大。在 这种情况下，放矿时就可能形成空峒。但是当松散介质的湿度超过一定范围，即为 水饱和以后，这种粘聚力将消失，内摩擦角大大减小。当细小颗粒和含粘土颗粒增 多而且湿度很小时，则松散介质内摩擦角增大。同一种粒级，颗粒圆滑的松散介质 的内摩擦角要小：而多种粒级组成的颗粒为不等轴尖角的松散介质，则其内摩擦角 要大些。当剪切速度提高时，内摩擦角减小。 从这些因素的分析中可以看出，内摩擦角在很大程度上影响着松散矿石流动的 状况、放出体和松动体的形状和大小，因此它是一个重要的物理力学参数。 2 1 8松散介质的测压系数 崩落矿岩一般属于非理想的松散介质，矿岩块之间有一定的粘结力，但其强度 远远比矿岩本身的强度小。就单个矿岩块而言，它具有固体的特性，而就整个散体 而言，它又具有液体性质，如矿岩块之间的位置容易改变，可以和盛着它的容器具 有同一轮廓形状，也可以从容器的孔中流出。故散体具有固体和液体的双重物理属 性。 散体的力学性质也介于固体和液体之间。如散体在容器中和液体一样，有向容 器四周施加水平压力的性质，但水平压力的大小又和液体不同，不是等于同高的垂 直压力，而要乘上一个小于1 的侧压系数i ( c ，即： 只= k 。p ： ( 2 1 3 ) 式中p 散体水平压力； k ，侧压系数； 1 0 硕士论文 第二章崩落体理论概述 p 垂直压力。 散体的k 。值介于l 0 之间，而固体为0 ，液体为1 。所以从这一点看，散体的 力学性质也具有固体和液体的双重性。同时散体在一定条件下的确存在向固体或液 体转化的可能性，如散体湿度超过临界值变成“泥石流”，向流体转化；而散体结块 则是散体向固体转化的一种表现。 2 1 9松散介质的变形 松散介质受到外载荷以后，构成介质骨架的固体颗粒互相移动。与此同时，孔 隙体积改变，内部结构变化，颗粒之间原接触点破坏并转为新的更稳定的平衡状态： 或者颗粒之间粘聚力破坏，整个松散体破裂，这种变形称为结构变形。结构变形是 属不可逆的塑性变形。 撂 繇 疆 臻 0b d ac 变形 图2 2松散介质变形曲线 松散介质的变形与静压载荷之间特性关系曲线如图2 2 所示。第一次加载产 生了变形o a ，其中o b 代表不可逆转的结构变形，a b 段代表可逆转的弹性变形。 第二次加载以后，变形又增长，构成线段b c ，其中b d 段为结构变形，c d 段为弹 性变形。此时弹性变形c d 大于结构变形i b d 。继续增加载荷，结构变形会减小到 零，仅仅余下弹性变形。 松散介质的变形主要为不可逆的结构变形。 松散介质的变形主要表现为它的孔隙比的变化：压缩表现为孔隙比减小，松散 表现为孔隙比增大。而单个颗粒的变形是很小的，因而，在研究松散介质变形时， 硕士论文 第= 章崩落体理论概述 往往将固体颗粒的这种微小变形忽略，所以松散介质的变形力学主要是研究孔隙比 与法向主应力、孔隙比与介质体积的变化之间的关系。 在不发生侧向变形条件下，松散介质压缩主应力口与孔隙比k 。之间的关系可 写成： k h = k ho ) ( 2 4 ) 这表明松散介质的孔隙比值是主应力的函数。 同理，也可以求出与孔隙比有密切关系的松散介质的密度p 、内摩擦角妒及粘 聚力c 与主应力口的关系如图2 3 。 ， ， f f l ， | | | 4 6 a - - 矿与盯关系b _ 一p 与口关系 图2 - - 3 松散介质p 、妒与盯关系图 2 1 1 0 松散介质在压缩过程中的应力一应变关系 为了更确切地表达散体在压缩过程中的应力一应变关系，常用孔隙比e 的变化来 表示。所以压缩试验结果的表达方法主要是孔隙比e 随外压力p 的变化规律为一种 普通尺度表示的e _ _ p 关系曲线。在实践中为了简化，当压力变化范围不大时，可 近似地在散体压缩前后所受的压力变化范围( p r _ p 1 ) 内，此时孔隙比的变化范围 为( e e 2 ) ，用割线代替曲线( 如图2 4 ) 所示，并以其斜率代表的比例关系，此 时： q 一8 2 = 口( 足一只) ( 2 5 ) 式中口一压缩系数。 铷 瑚 渤 桃 。 硕士论文第= 章崩落体理论概述 图2 4e p 关系曲线 崩落体形成过程中所发生的变形，有以下几个特点： ( 】) 崩落体形成过程就是它发生变形的过程，这个变形由弹性变形和结构变形两 部分组成，且大部分属于结构变形； ( 2 ) 崩落体形成时，周围松散矿岩的孔隙比减小； ( 3 ) 在其他条件相同的情况下，颗粒之间的接触联结力对崩落矿岩的结构变形产 生决定性的影响，而这种联结力主要取决于崩落矿岩的初始密度。初始密度愈大， 孔隙度愈小，矿岩愈难以放出，结构变形愈难以发生。挤压崩矿以后矿石在开始难 以放出，就是因为块状矿石之间挤得很紧，接触联接力很大的缘故； ( 4 ) 崩落矿岩的压实效果与载荷的性质关系很大。动载荷对崩落矿岩的压实作用 要比静载荷大，所以井下经常性爆破，特别是大爆破对崩落矿岩的压实作用要比静 载荷大得多； ( 5 ) # 1 - 加压实和外加松动对崩落矿岩的变形又有差别。实践证明不论外加载荷的 性质如何( 动载荷或者静载荷) ，对崩落矿岩的变形程度的影响比起松动作用给崩落 矿岩的变形影响程度要微弱得多。许多矿山为了采场内矿石结块和降低底柱上承受 的压力，定时从漏斗中放出一定的矿石，使之经常保持松动，就是利用了崩落矿岩 这一力学特性； ( 6 ) 重力松动和振动松动对崩落矿岩的作用区别又很大，以细粒矿石为例，在强 烈的振动力作用下，内摩擦系数减少很大，这就是目前国内外应用振动出矿的理论 依据。 2 1 1 1 松散介质流动的力学过程 放矿之前，整个松散矿岩处于相对静止状态。开始放矿以后，位于放矿口上部 硕士论文 第= 章崩落体理论概述 的颗粒的静力平衡受到破坏，开始流出放矿口。一个颗粒落下就破坏了位于该颗粒 之上的另一个颗粒的平衡，这样另一个颗粒和周围的颗粒一道同时加入运动，流向 放矿口。这种平衡状态的连续破坏过程，就是矿岩不断从采场流出的过程，一直达 到新的平衡为止( 如放矿口堵塞、闸门关闭等) 。松散矿岩的流动和停止，是由以下 诸力相互作用的结果。 这些力是：重力、松散矿岩的内摩擦力、松散矿岩与岩壁或静止边界的外摩擦 力、松散矿岩的粘聚力。 松散矿岩产生流动的条件是，重力大于其余各力的合力； 松散矿岩停止流动的条件是，重力的作用等于其余各力的合力： 松散矿岩流动与停止流动的极限平衡条件是，重力恰好等于其余各力的合力， 且作用方向正好相反。一旦这种平衡破坏，松散矿岩就开始流动。 2 2 覆盖岩层的性质与自然分级 覆盖岩层是回采系统中的重要组成部分，它是无底柱分段崩落法的特征之一， 可以说没有覆盖岩层就没有崩落法。覆盖岩层的性质与自然分级对崩落体的形成影 响很大。覆盖岩层一般是在开矿初期形成的，其块度分布很不均匀，成分组成非常 复杂，与地表自然条件有关，常含有泥沙等。因此，研究覆盖岩层的性质是非常必 要的。 随着系统的进化和采动的影响，覆盖岩层的状态在不断地发生变化，出现了一 系列新情况、新问题，如覆盖岩层的自然分级现象等。这些均影响崩落体形态，对 开采技术经济效果带来严重影响。 随着开采深度的增加，起始形成的覆盖岩层不断下降，在下降过程中较小颗粒 穿过较大岩块向下运动，出现了覆盖岩层的块度自上而下逐渐变小的现象，我们把 这种现象称为覆盖岩层的自然分级。 覆盖岩层的自然分级是覆盖岩层的重要性质之一。覆盖岩层的这一性质已经被 科学实验和生产实践所证实。有的矿山在放矿过程中较早出现粉岩或泥沙就说明了 这一点。覆盖岩层的自然分级对使用崩落法的矿山的开采效果影响较大，而且随着 开采深度的增加会愈加明显，必须引起我们的高度重视。 放矿在覆盖岩层中形成松动体和压缩体，使覆盖岩层出现非均匀性，松动体的松散 系数较压缩体大得多，体内内摩擦系数较小，沿不同方向的压缩性各异，这些对崩 落体的形成产生很大影响。随着开采深度的增加，覆盖岩层厚度的加大( 有的矿山 已达数百米) ，覆盖岩层的压力很大，造成松动体的形态发生变化，存在时间缩短， 4 硕士论文第= 章崩落体理论概述 使爆破的补偿空间随时间变小。如果不合理确定放矿与爆破的间隔时间，及时爆破， 势必影响崩落体的形成。这是系统进化的必然结果。 2 3 崩落体的形成机理 崩落体形态是由回采系统的诸多因素决定的，影响崩落体形成的主要因素有： 爆破参数、结构参数、矿体性质、覆盖岩性质、松动体形态。此外，还有回采过程 中的科学管理。 圈2 5 崩落体形成外部条件 爆破参数不同，崩落矿石所处的空间位置、形状、大小、块度组成、松散系数 等也不同。也就是说，调整爆破参数，可改变崩落体的形态。这里的爆破参数有： 一次爆破矿石厚度( 爆破步距) 、炮孔排距、炮孔扇面倾角、扇形炮孔的边孔角、孔 底距、炸药品种及性能、装药结构、起爆顺序、微差时间等。这些参数极大地影响 着崩落矿石的数量和性质，即崩落体的性质【2 9 】。 在其他条件一定时，加大爆破步距，可增加爆破量，但是，随着崩矿厚度增加， 爆破补偿空间减小，容易造成“过挤压”，同时由于爆破能量有限，但是爆破矿石量 大，能量在粉碎矿石上就能够减小，造成崩落的矿石块度很大，这样就会使松动体 内的碎小废石通过空隙进入崩落体，造成矿石的贫化，块度大的矿石流动性很差， 不利于放矿，这样就影响崩落体形态，进而影响放出体的形成和发育。 硕士论文 第二章崩落体理论概述 图2 - - 6 “过挤压”的崩落体形态 相反，减少崩矿厚度，崩落矿石将被爆炸的能量向松动体内部进行挤压，但是 崩落的矿石量小，大量的矿石会进入松动体，从而在未爆破矿体边缘形成一条凹陷 带，这样废石将获得比矿石达到放矿口更大的几率，同样造成矿石的贫化现象，称 这种现象为“过发育”现象。 图2 - - 7 “过发育”的崩落体形态 当爆破步距处于最佳时，崩落的矿石可以在松动体内块度均匀，这时的崩落矿 石将被粉碎得块度适中，流动性好，并且在松动体内部被适度挤压，在松动体内部 形成挤压体，避免了废石进入矿石空隙，在未爆破矿体边缘不存在凹陷带，称这种 现象为“充分发育”。 1 6 硕士论文第二章崩落体理论概述 图2 8“充分发育”的崩落体形态 覆盖岩层的状态是形成崩落体的外部约束条件，直接影响崩落体的形成。放矿 理论认为，松动体为一类椭球体，而在松动体内的松散介质空隙度较它以外的压缩 体大得多。这使得被爆矿体在爆破和矿石碎胀作用下，崩落矿石对其周围覆盖岩层 的推移与压缩变形是非均匀的。一般来说，其结构变形主要发生在松动体内部，也 是矿体爆破主要的补偿空间，所以松动体的形态是决定崩落体形态的主要因素。通 过大量的实验数据，中国学者得出，崩落体形态类似于松动体，放出体的形态又类 似于崩落体，同为一类椭球体，并且三者的长轴几乎在同一条直线上，这说明在崩 落体形成过程中，松动体起到一种“模型”的作用，这也是能量传输过程中自然规 律造成的。 放矿工艺( 如铲取方式、铲取深度、放矿制度) 的不同，影响放出体和松动体 的形成，进而影响崩落体的形态。放矿过程是取得放出体的过程，同时又是影响下 一次爆破崩落体形成的重要过程，如果放矿过程操作不当，势必会影响下一次崩落 体的形成，因为放矿过程中松动体正在形成，在爆破过程中形成的挤压体会在放矿 过程中重新变为松动体，而且崩落矿石的项部覆盖岩由于受爆破能量的粉碎而充当 为下一次爆破的松动体，但是在放矿之前，这些覆盖岩将是被挤压的，密度很大， 只有得到充分的空间才能够成为松动体。 同样，被爆矿体的性质以及结构参数分段高度和回采巷道间距都影响 着崩落体的形成，但是这些条件比较固定，可操作性有限。 总之，崩落体是爆破参数、覆盖岩层性质、放矿工艺、以及矿体的性质和结构 参数共同作用下形成的，因此这些外部条件也决定了崩落体的形态。 硕士论文 第= 章崩落体理论概述 2 4 崩落体的性质 崩落体是在爆破作用下被爆矿体在覆盖岩层中形成的矿石松散体。松散介质的 性质主要有：容重、流动性、松散性、空隙性、压实度、内摩擦角、粘聚度、湿度 和块度。崩落体除具有松散介质的性质外，还具有其他一些特殊性质。 崩落体的特性包括崩落体的几何特征和状态特征，分别用几何参数和状态参数 表示。 崩落体的几何特征反映崩落体的形状，可用崩落体的几何参数高度( h b ) 、宽 度( b b ) 、长度( l o 和覆盖岩层陷落区的几何参数高度( h x ) 、宽度( b ；) 、长度 ( ix ) 表示 6 3 1 。 图2 - 9 崩落体形态 崩落体的状态特征反映崩落体的状态，它是崩落体的内在属性，可用状态参数 e 表示。它是决定放出椭球体偏心率的主要因素，是崩落体内块度分布、空隙度、 内聚力、内摩擦力、松散性、流动性等因素的综合体现。放出椭球体偏心率e 与长 短轴的关系如图。一般说来，放出椭球体偏心率e 愈小，崩落体的状态就愈好。反 之愈差。 硕士论文第= 章崩落体理论概述 ，确 。；、v f 虻辛： | 、0让 图2 一l o 放出椭球体偏心率与长短轴的关系 放出椭球体的偏心率取决于崩落矿岩的松散性质和放出条件。松散性好的放出 椭球体的偏心率值小，反之放出椭球体的偏心率值大。放出条件指放出体高度与放 出漏孔直径的比值，该比值小时，放出椭球体的偏心率值小，反之放出椭球体的偏 心率值大；当比值增大到一定数值之后放出椭球体的偏心率趋于常数。 ：所，渤_ ， 图2 - - 1 1 放出椭球体的偏心率的变化 崩落体的形态可用崩落体的放出性表示。它是崩落体放出体积与崩落体体积之 比，称为放出系数。在系统参数一定时，崩落体的放出系数是一定的，当系统参数 改变时，崩落体的放出系数也随之改变，但存在最佳值i 崩落体的放出性是崩落体 的重要性质之一。崩落体的几何参数和状态参数均影响崩落体的放出性，对于几何 参数不好( 如陷落区较大) ，状态参数e 再好，也不能使崩落体被充分放出，因此， 放出性较差。崩落体的放出性全面反映了崩落体自身和系统的特征 6 3 1 。 2 5 崩落体的影睛 在讨论了崩落体形成条件和性质之后，本章研究崩落体在回采系统中的作用， 为实现对崩落体的控制奠定理论基础。 崩落体放出体松动体的关系 崩落体、放出体和松动体是回采系统中三个重要组成部分，研究三者的相互关 系并揭示其内在规律，有着重要的意义。 1 9 硕士论文 第二章崩落体理论概述 图2 一1 2 回采系统三体关系图 崩落体的形态决定放出体形态的形成，放出体形态影响松动体形态的形成，松 动体形态又影响崩落体形态的形成。崩落体、放出体、松动体三者的关系是相互联 系又相互制约的关系。崩落体在系统中起着决定性的作用，它决定着放出体、松动 体的形成，对防止矿石损失贫化有重要影响。 放矿过程就是放出崩落体的过程，崩落体放出过程中，松动体开始形成，松动 体的松散系数开始变大，为下一次爆破崩落体的形成做准备。崩落体是在松动体内 部形成的，按照椭球体理论，松动体是一个类椭球体，爆