露天矿台阶爆破设计专家系统的研究

露天矿台阶爆破设计专家系统的研究

梯子爆炸的设计直接影响露天矿生产的后道过程。为了提高台阶爆炸的设计水平，石仁沟煤矿和科研院所合作，研究和应用了露天矿边坡爆炸的专家系统。1矿岩爆破性分区进行爆破分区的研究是为建立石人沟露天矿台阶爆破设计专家系统提供基础数据。爆破分区的试验研究工作分两步进行:首先从矿岩的爆破性分级入手,以能量平衡准则为理论,以爆破漏斗体积、爆破块度组成和岩石声阻抗作为判据的爆破性分级方法,对石人沟铁矿的矿岩进行了爆破性能的测定和等级的划分。其次以矿岩的可爆性进行分区。矿岩爆破性分区与单纯爆破性分级不同,一是在研究对象上,分区是以区域为中心对矿岩爆破性加以区分;二是在分区准则上,除岩石固有的物理力学属性外,更强调节理、裂隙的影响和高应变率下的矿岩动载特性。为此我们利用SHPB高速冲击装置测定了矿岩动载特性,并且对采场岩体裂隙系数进行了测定。其结果为:8线至18线间各矿体的动抗压强度和动弹性模量最大,8线以北略小,18线以南最小。根据各种试验得出各区域范围内各类型矿体和岩体爆破性等级值,如表1所示,以此值为原始资料建立台阶爆破设计专家系统。2楼梯爆炸设计专业系统的建设专家系统结构由6部分组成:知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序和知识获得程序,见图1。2.1楼梯爆炸设计专家系统研究2.1.1实用的基于知识的台阶爆破设计系统的设计基于知识的台阶爆破设计系统主要用来完成露天矿台阶爆破各个设计阶段的任务,并尽可能使系统的设计步骤符合爆破设计专家或现场技术人员的设计习惯。一个实用的基于知识的台阶爆破设计系统应当是专家系统和计算机辅助设计系统的有机结合,应是一个智能CAD系统。既要能象爆破专家一样进行爆破参数的选择和确定,又要具有计算机辅助设计系统的能力。2.1.2爆破参数确定的阶段进行台阶爆破设计要分多步进行:①爆破设计专家或爆破技术人员首先根据现场爆破条件对整个爆区进行爆破参数的初选,根据整个爆区的情况初步确定整个爆区的全局爆破参数;②根据初选的爆破参数和现场条件进行钻孔设计并现场布孔,这一阶段主要是确定各个炮孔的位置和深度,大部分工作在室外完成;③钻机根据钻孔设计要求进行钻孔;④根据实际的情况和进一步了解的爆破条件以及爆破施工环境等,在实施爆破作业之前进行爆破施工设计,这一阶段工作主要是根据全局参数和各个炮孔的具体情况确定起爆方案和每一个炮孔的爆破参数等;⑤最后通过审批进行爆破施工。2.1.3系统的全球设计(1)爆破结果的输出通过以上分析,台阶爆破设计专家系统(简称BBES系统)包括如下几个部分。①爆破参数选择部分。该部分主要根据整个爆区的情况进行台阶爆破参数的初选。②钻孔设计部分。该部分根据初选的爆破参数、现场炮孔布置等确定各个炮孔的合理设计深度并以图表的形式输出设计结果。③爆破施工设计部分。该部分根据初选的爆破参数、最后炮孔的实际数据确定起爆方案,并统计整个爆区的爆破材料消耗等。④爆破效果预测部分。主要是根据施工设计结果进行台阶爆破效果的预测和常用技术经济指标的统计计算等。⑤知识库维护和管理部分。主要是对知识库、爆破实例库、矿岩特性库、炸药特性库和常用数据库进行维护和管理。主要工作包括修改、添加、建立、删除、显示等功能。⑥几何参数的辅助选择部分。该部分主要是为了充分发挥技术人员的能动性。技术人员或用户可以很方便地改变孔网参数和起爆顺序,以便观察实际起爆时的孔网参数和布孔时的孔网参数的区别,以及起爆顺序对孔网参数的影响。根据设计者的经验确定合理的几何爆破参数。⑦帮助信息部分。该部分主要是为整个系统的各个功能提供帮助信息,为设计者的操作提供方便。(2)采用引发快速推理机BBES系统采用Turboprolog2.0语言作为开发工具。①Turboprolog语言是程序设计语言,具有很大的灵活性,这对内部结构较为复杂的专家系统来说非常重要;②推理的搜索和匹配工作由Turboprolog中的一个内部子程序完成,无需编程者编制推理机;③Turboprolog有丰富的窗口功能,便于专家系统的开发;④Turboprolog的价格也比较低,是经济的;⑤Turboprolog和其它语言有方便的接口,所以它也是可靠的。2.2回原下拉菜单该系统的用户界面采用下拉式菜单,参看图2。系统完成某一功能后,自动返回原下拉菜单,如用户选择了“用专家系统选择爆破参数”这一下拉菜单项,系统则调用台阶爆破参数选择专家系统,完成后系统自动返回原下拉菜单。与此类似,用户可依次利用系统完成其它功能。图2BBES系统主菜单下的所有下拉菜单2.2.1混合控制推理策略该子系统是进行爆破参数的初选。采用基于实例和基于规则相结合的混合控制推理策略。知识的内部表示形式有逻辑谓词和产生规则两种,共包括三类规则:实例规则、条件规则和修改规则。2.2.2爆区的预期超深、炮孔确定主要是确定合理的炮孔设计深度。考虑的主要因素有:整个爆区的合理超深、炮孔预计待爆时间、炮孔直径、台阶高度和每个炮孔的三维坐标。以表格的形式输出设计结果,指导钻孔作业。2.2.3局部影响因素施工设计系统进行爆破参数的最后确定。不仅考虑全局影响因素,而且要考虑局部影响因素。从某种意义上讲,该子系统是一智能CAD系统,一些设计规则和参数选择原则被揉合进系统中。输出起爆网络图、炮孔爆破参数明细表和爆破材料消耗统计表。2.2.4爆炸效果预测系统输入爆破施工设计结果,该子系统可进行爆破效果预测和常用技术经济指标的统计,输出预测结果表。2.2.5爆破设计知识的内部表示形式该系统是对各类规则库和数据库进行管理。主要工作包括知识库的一致性维护,实例规则库的自适应实现,知识库数据库的修改、添加、建立、删除、显示等功能。在整个系统中,台阶爆破设计知识分为两大类:一类用于爆破参数的初选;一类用于台阶爆破的施工设计。根据知识所涉及范围的不同,在BBES系统中,知识又分为全局规则和局部规则,各类知识之间的关系可参见图3。知识的内部表示形式有逻辑谓词和产生式规则两种。在施工设计子系统中知识仅采用产生式规则的形式表示。图3BBES系统各类知识间的关系2.2.5.实例规则库的管理在台阶爆破选择专家系统中,知识的内部表示形式是用逻辑谓词和产生式规则来实现的。根据爆破设计知识的特点,表示知识的规则分成了不同的层次。“实例规则”反映的是由一系列爆破参数组成的爆破方案与影响爆破设计因素之间的关系。“条件规则”是对影响爆破设计因素的进一步描述。“修改规则”反映两次爆破条件的差别对爆破参数的影响,这样的知识表示便于知识库的维护和管理。实例规则库的管理主要包括:规则库的删除、添加、修改、调入、显示等功能。条件规则库用来保存各级条件规则。由于条件规则仅是对实例规则中的条件部分做进一步的解释,所以用户没有必要进行条件规则的添加,只需要进行条件规则的修改。所以条件规则的管理主要是对各级条件规则进行修改和显示。用户调用这一功能时,系统将显示各级条件规则库的文件名,用户可用光标键进行选择,然后在全屏幕编辑状态下进行具体条件规则的修改,按“F10”键则系统返回,按“ESC”键则放弃修改内容。修改规则库用来保存“修改规则”。与条件规则库的管理类似,修改规则库的管理主要也是对具体“修改规则”的修改。用户调用这一功能时,系统则显示修改规则库的文件名,然后可在全屏幕编辑状态下进行具体规则的修改。2.2.5.爆破实例的转化和保留台阶爆破设计知识系统的数据库管理包括工程爆破实例库管理、矿岩特性数据库管理、炸药特性数据库管理以及对常用数据库的修改等。(1)工程爆破实例库管理。工程爆破实例库是用来存放台阶爆破的工程爆破实例的。每一个工程爆破实例和规则库中的实例规则类似,有爆破实例编号、爆破条件、爆破参数。此外还有爆区编号和爆破效果评述。在系统内部仍采用逻辑谓词表示。具体格式如下:Case(实例编号,爆区编号,[爆破参数表],[爆破条件表],爆破效果描述)。其中,爆破条件仍然采用数字代码表示,和实例规则中的数字代码一样。系统在矿山应用之后,每次爆破情况都存放在实例库之中,对爆破效果较好的爆破实例,系统可以直接转化为实例规则,并自动存入对应的规则库。对工程爆破实例库的管理,与实例规则库的管理相似。包括工程爆破实例库建立,工程爆破实例库删除,工程爆破实例库添加,工程爆破实例库修改,工程爆破实例库调入和工程爆破实例库显示等功能。具体功能和实例规则库管理中的对应项的功能相似。其中,工程爆破实例的添加和实例规则的添加有一些差别:在添加工程爆破实例时,需要用户输入爆区编号和对爆破效果的描述。通过对实例的分析,用户既可以从爆破效果好的爆破实例中获取成功的爆破经验,也可以从不良的爆破实例中吸取教训。以便对规则库进行修改和补充。BBES系统中,工程爆破实例库的所有命名均以“Case”打头,后面的符号可自定义。(2)矿岩特性库管理。矿岩特性库用来存放矿山常见矿石和岩石的常用物理力学性能和其在各个爆区相对应的爆破性等级。在实际设计时,调入矿岩特性设计库,就能根据爆区编号、矿岩类型、矿体编号获取其对应的爆破性等级,这样就可在爆破参数选择时,利用实例规则库中储存的爆破性等级与爆破参数的对应关系加以选择。矿岩特性库管理主要包括矿岩特性库的装入、显示、添加和修改等。系统内部矿岩特性是采用谓词的形式表示的。具体表示为:rock(序号,矿岩名称,[特性表])。添加一条矿岩及其特性时,系统首先提示用户输入矿岩特性名称,其名称可以用汉字,也可以用其它字符。然后系统显示常用特性的名称,用户可用光标键进行选择,选择某一特性后,系统等待用户输入和选定该特性对应的特性值。依次输入所有的特性,按“ESC”键,系统则按上述格式存入矿岩特性库。系统并提问用户是否继续添加,否则,系统返回。3采场爆破效果自1997年以来,通过应用露天矿台阶爆破设计专家系统进行采场爆破设计取得了显著的效果:一是提高了采场爆破效率,减少了穿孔工作量,降低了炸药单耗;二是改善了爆破效果,降低了采剥电耗,降低了选厂破碎成本;三是保证了采场各水平的平整及汇水坡面的形成;四是在采场境界处运用新技术保证了边帮的规整和安全。该系统应用后每年创造效益200万元。4爆破分区的应用(1)该系统来自矿山用于生产,是一项使计算机按照爆破专家的思维方式解决台阶爆破设计,以提高经济效益为目的的应用研究项目。(2