本發(fā)明屬于金屬礦山開采領(lǐng)域，為礦山開采爆破作業(yè)提供技術(shù)支持。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，爆破工程技術(shù)在社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中占據(jù)了越來越重要的地位。巖石是人類賴以生存與發(fā)展的基本物質(zhì)條件。人們的衣食住行離不開巖石，現(xiàn)代化生產(chǎn)的原料、能源與材料都取諸于巖石。目前巖石采掘工業(yè)的技術(shù)已發(fā)生了巨大的變化，但爆破一直是破碎巖石的有效手段。尤其是在礦山生產(chǎn)的過程中，要破碎大量的巖石，破碎的主要方法就是采用爆破技術(shù)，可以說爆破成本在整個(gè)巖土類工程成本中所占的比例非常高。我國(guó)各類礦山每年開采的礦巖量數(shù)以億噸計(jì)，爆破這些礦巖每天要消耗數(shù)以萬(wàn)噸計(jì)的炸藥。爆破作業(yè)不但自身要耗用大量材料和社會(huì)勞動(dòng)，而且影響礦山整個(gè)生產(chǎn)過程的設(shè)備效率，能量消耗和設(shè)備的磨損。所以開采硬巖的露天礦一向把爆破看做決定性的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采礦作業(yè)中，爆破成本占采礦直接成本的30%-50%，而其它的巖土類工程的情況與此也類似。所以，如何有效地降低爆破成本是我們能否以最少的投入換取最大收益的關(guān)鍵所在。另外，爆破作業(yè)是個(gè)高危險(xiǎn)性的工作，不合理的爆破設(shè)計(jì)，往往會(huì)造成過爆和拒爆等非常危險(xiǎn)的不良后果。因此，爆破工作中如何把爆破公害降到最低也是面臨的一個(gè)嚴(yán)峻課題。

爆破公害的產(chǎn)生和爆破成本的高低都與炸藥用量的多少有直接的關(guān)系。如果能用最少的炸藥量達(dá)到了破碎巖石的目的，那就既節(jié)約了成本又把爆破公害降到了最低。要想對(duì)用藥量有一個(gè)準(zhǔn)確的把握，就必須對(duì)巖石爆破的難易程度有一個(gè)充分的了解，即采用一定的分級(jí)方法對(duì)進(jìn)行爆破的巖體進(jìn)行準(zhǔn)確分級(jí)，從而對(duì)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)、控制爆破成本以及減少爆破公害起到積極的作用。

因此，巖石爆破性分級(jí)是正確地組織爆破設(shè)計(jì)施工的依據(jù)，也是實(shí)現(xiàn)露天開采作業(yè)最優(yōu)化的重要因素，研究巖石的爆破性分級(jí)有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)礦區(qū)地質(zhì)特征、礦巖特性，尋求一種合理的爆破分級(jí)方法，為爆破設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)的選取提供科學(xué)的依據(jù)。具體過程和步驟如下：

首先進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查及巖體節(jié)理的統(tǒng)計(jì)與描述。地質(zhì)調(diào)查是采礦作業(yè)也是可爆性分級(jí)的基礎(chǔ)。在絕大多數(shù)的爆破工程實(shí)踐中，巖體作為爆破的具體對(duì)象，是巖塊的集合體，巖塊間程度不同的存在著節(jié)理裂隙等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。在此種條件下，爆破的作用在于使天然巖塊沿結(jié)構(gòu)面破裂，進(jìn)而在一定程度上使天然巖塊產(chǎn)生破裂而成更小的巖塊。這表明巖體結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、幾何與空間分布特征都會(huì)對(duì)爆破破碎效果具有直接的重要影響。巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造越發(fā)育，即爆破前巖體越破碎，為達(dá)到預(yù)期的爆破破碎效果所需要的能量就越少，亦即巖體的可爆性越好；反之，巖體的可爆性越差。因此，反映巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)育程度的某種參數(shù)，是對(duì)巖體可爆性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的一個(gè)必不可少的重要指標(biāo)。因此，要在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)巖體節(jié)理的統(tǒng)計(jì)與描述作進(jìn)一步研究。

第二是對(duì)礦巖物理力學(xué)特性參數(shù)測(cè)試。由于爆破機(jī)理的復(fù)雜性與不確定性，影響巖石爆破性的主要因素是巖石本身物理力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素和炸藥性質(zhì)、爆破工藝等的外在因素。為了盡可能多的將影響爆破性的巖體的物理特性的考慮在內(nèi)，以保證爆破分級(jí)的準(zhǔn)確性與可靠性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)礦巖的物理力學(xué)特性做實(shí)驗(yàn)研究；在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上選定可爆性分級(jí)指標(biāo)。

第三是確定礦巖可爆性分級(jí)模型。在眾多的分級(jí)方法中，有的是按巖塊的強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，有的是按巖體的主要力學(xué)屬性進(jìn)行分級(jí)，有的是直接建立與在對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)特征描述之上的，有的是根據(jù)聲波在巖體中的傳播特性來分級(jí)的，有的是根據(jù)影響巖體可爆性的因素，按多個(gè)參數(shù)來分類。這些方法在礦巖的分類中得到了很好的應(yīng)用，不過，這些分級(jí)方法所選擇的評(píng)價(jià)因素是固定的，對(duì)于某個(gè)具體的工程來說，難以做到具體問題具體分析，以選擇最適于反映該巖體工程特性的參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)?；诳赏貙W(xué)理論的可拓工程方法與各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，可以解決原有方法未能解決的問題，或提出比原有方法更好的解決方法。應(yīng)用可拓學(xué)方法評(píng)價(jià)礦巖可爆性，建立礦巖爆破性的多指標(biāo)性能參數(shù)的可爆性評(píng)定模型，并以定量的數(shù)值表示分級(jí)結(jié)果，能較為完整地反映實(shí)際巖體的綜合爆破性難易程度。

最后確定可爆性分級(jí)判據(jù)指標(biāo)和分級(jí)方法。根據(jù)前人的研究成果，本發(fā)明在確定可爆性準(zhǔn)則方面，關(guān)鍵要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）評(píng)價(jià)準(zhǔn)則應(yīng)能較全面地反映巖體對(duì)爆破的抵抗能力，而不是巖塊試件對(duì)爆破的抵抗能力；重要的是巖體的整體性，而不是巖塊的個(gè)別特性。

（2）研究礦巖可爆性，要充分利用其可鉆性資料，因?yàn)榭摄@性資料是超前于生產(chǎn)爆破的唯一最能全面真實(shí)反映礦巖強(qiáng)度特性的指標(biāo)。

（3）因?yàn)椴傻V工程遇到的礦巖特性相差較大，因此，要針對(duì)具體礦山采場(chǎng)的具體區(qū)域來評(píng)價(jià)其可爆性，這樣才能對(duì)生產(chǎn)爆破有實(shí)際指導(dǎo)作用。

（4）要充分考慮巖石的非均質(zhì)性，強(qiáng)調(diào)礦巖中的裂隙對(duì)礦巖可爆性的影響。實(shí)踐證明，爆破后的巖塊絕大多數(shù)是沿原生裂隙面破裂的，有資料表明，爆堆中有新鮮破裂面的巖塊僅占整個(gè)爆落巖塊的很少一部分。

（5）對(duì)于露天礦爆破，炸藥品種比較單一，可選擇性很小，因此，研究礦巖可爆性還要重點(diǎn)考慮巖體的整體物理力學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)以上觀點(diǎn)及前述爆破性影響因素，遵循爆破時(shí)在巖石中能量轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則和考慮巖石裂隙構(gòu)造對(duì)巖石爆破性的嚴(yán)重影響，針對(duì)巖石爆破的動(dòng)態(tài)特征，密切結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破客觀變化的規(guī)律，來確定巖石爆破的動(dòng)態(tài)定量指標(biāo)，以作為巖石爆破性分級(jí)的判據(jù)。綜合分析后，本發(fā)明把巖體的波阻抗、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、節(jié)理分維值作為評(píng)價(jià)礦巖可爆性難易程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

選取巖體節(jié)理分維值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的原因，主要是巖體中節(jié)理的存在，使得巖體的完整性遭到破壞；同時(shí)，巖體中的節(jié)理也會(huì)引起炸藥爆炸的能量分布不平衡、阻礙應(yīng)力波能量的傳播等問題，從而嚴(yán)重影響爆破效果。但是由于巖體節(jié)理本身的復(fù)雜性和不規(guī)則性，傳統(tǒng)的研究方法對(duì)它的描述大都是定性的，很難對(duì)它進(jìn)行定量的描述。因此，對(duì)施爆巖體的節(jié)理給予定量描述，并將其應(yīng)用于巖體的可爆性分級(jí)指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)，就顯得尤其有意義了。新幾何學(xué)中的分形幾何無疑是描述自然界中節(jié)理這種不規(guī)則現(xiàn)象的有力工具。

分形理論(fractaltheory)是當(dāng)今十分風(fēng)靡和活躍的新理論、新學(xué)科。分形的概念是美籍?dāng)?shù)學(xué)家芒德勃羅(b.b.mandelbrot)首先提出的。mandelbrot將分形一詞解釋為不規(guī)則的或支離破碎的意?？梢姡中螏缀螌W(xué)是以極不規(guī)則的幾何圖形為研究對(duì)象的一門幾何學(xué)。在自然界中，不規(guī)則的現(xiàn)象是普遍的,因此分形幾何的用途十分廣泛。近年來,分形理論在巖體、爆破等工程領(lǐng)域有了諸多應(yīng)用，解決或解釋了一些以往難以處理的問題。分形圖形具有兩個(gè)基本性質(zhì)：自相似性和標(biāo)度不變性。自相似性是指局部是整體成比例縮小的性質(zhì)。一般情況下的分形都是無規(guī)分形,即自相似性并不是嚴(yán)格的,只是統(tǒng)計(jì)意義下的自相似性,其局部經(jīng)放大或縮小操作可能得到與整體完全不同的表現(xiàn)形式,但表征自相似結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的定量參數(shù)如分形維數(shù),并不因此變化。

分形維數(shù)(fractaldimension)是分形的度量，又叫分維、分?jǐn)?shù)維，是分形幾何學(xué)定量描述分形集合的參數(shù)。分形幾何是研究自然界不規(guī)則現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律的學(xué)科。對(duì)于無規(guī)分形,其自相似性是通過大量的統(tǒng)計(jì)抽象出來的，且它們的自相似性只存在于所謂的“無標(biāo)度區(qū)間”之內(nèi).因此其分形維數(shù)的計(jì)算要比有規(guī)分形維數(shù)的計(jì)算復(fù)雜得多。實(shí)際測(cè)定分形維數(shù)的方法大致有五種：改變粗視化程度求分形維數(shù)；根據(jù)測(cè)度關(guān)系求分形維數(shù)；根據(jù)相關(guān)函數(shù)求分形維數(shù)；根據(jù)分布函數(shù)求分形維數(shù)；根據(jù)頻普求維數(shù)。本發(fā)明采用第一種計(jì)算方法，其計(jì)算原理為：設(shè)是上任意非空有界子集,為覆蓋所需的分形基元的相似集r的最小個(gè)數(shù)的集合,如果時(shí),則定義集合的分維為:

該求測(cè)方法較簡(jiǎn)單，即統(tǒng)計(jì)過程中只需記錄每個(gè)級(jí)別中有節(jié)理跡線穿過的網(wǎng)格的數(shù)目,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中可得到一條擬合直線，其斜率的絕對(duì)值即為該塊段的分形維d。

附圖說明

圖1巖體節(jié)理照片之一；

圖2分形圖像提取流程圖；

圖3提取分形特征后的圖像；

圖4粗化網(wǎng)格節(jié)理覆蓋圖；

圖5細(xì)化網(wǎng)格節(jié)理覆蓋圖；

圖6采場(chǎng)巖體節(jié)理分維計(jì)算之一。

具體實(shí)施方式

要得到礦巖節(jié)理的分形維數(shù)，需要以下幾步工作：

1.巖體節(jié)理地質(zhì)特征搜集

首先采用數(shù)碼相機(jī)拍照的方法獲得采場(chǎng)巖體節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)信息。該方法獲取的數(shù)碼照片更便于后續(xù)進(jìn)行圖像處理。對(duì)礦山采場(chǎng)分類巖體的裸露巖面進(jìn)行拍照，其中一組原始照片如附圖1。在此照片中我們需要的僅僅是有關(guān)節(jié)理的信息，需要對(duì)原始照片進(jìn)行處理，去除干擾信息，然后對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)致處理并使其具有合適的對(duì)比度；最后在最佳的對(duì)比度狀態(tài)下進(jìn)行分形特征的提取，得到相應(yīng)的分形圖像(或圖形)。分形圖像提取流程如附圖2。

按上述流程對(duì)節(jié)理照片進(jìn)行分形特征提取后得到的分形圖像之一，如附圖3。

2.巖體節(jié)理分形維數(shù)計(jì)算

在提取了分形圖像以后，即可按無規(guī)分形計(jì)算其分形維數(shù)。按照前述計(jì)算原理，以數(shù)方格的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算節(jié)理結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。具體計(jì)算過程如下：

（1）生成正方形網(wǎng)格

首先在分形圖象中截取有代表性的節(jié)理部分作為取樣窗口，如圖5（其中粗斜線代表節(jié)理跡線，縱橫直線代表網(wǎng)格系統(tǒng)），所有窗口取相同的比例。建立其所示網(wǎng)格的生成是從原點(diǎn)出發(fā)，分別采用垂直于兩個(gè)坐標(biāo)軸且等間距(間距大小即為方格的邊長(zhǎng))的平行線切割該正方形窗口，就可以生成給定邊長(zhǎng)大小的正方形網(wǎng)格，如附圖4；然后通過改變方格的邊長(zhǎng)r實(shí)現(xiàn)改變粗細(xì)化程度，網(wǎng)格邊長(zhǎng)由大到小變化，網(wǎng)格節(jié)理覆蓋也變得細(xì)化，如附圖5。

（2）統(tǒng)計(jì)節(jié)理網(wǎng)格系統(tǒng)占有的方格數(shù)

方格是否被節(jié)理線所充填是一個(gè)幾何問題，計(jì)數(shù)原則為：只要節(jié)理線與方格相交，不論節(jié)理線侵入方格部分的大小，均視為該方格被節(jié)理線所占有，將被占有的方格數(shù)計(jì)數(shù)器加1；不論該方格被多少節(jié)理線所占有，只被計(jì)數(shù)1次，不能重復(fù)計(jì)數(shù)。記取樣窗口中含有節(jié)理的網(wǎng)格的個(gè)數(shù)為n(r)。

（3）雙對(duì)數(shù)值的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

不斷改變方格邊長(zhǎng)r的大小，并統(tǒng)計(jì)其相應(yīng)的網(wǎng)格個(gè)數(shù)n(r)，這樣便可以得到若干組r與n（r)的對(duì)應(yīng)值，然后計(jì)算lnr、lnn(r)的雙對(duì)數(shù)值，其中一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。

表格1一組節(jié)理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

(4)計(jì)算擬合直線的斜率

將表1中的數(shù)據(jù)表示在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，可以得到lnn(r)-lnr關(guān)系曲線。用回歸分析的方法求得該直線的斜率d，這個(gè)斜率在一定范圍內(nèi)保持不變，而這正說明所研究對(duì)象具有分形特點(diǎn)，即所謂的標(biāo)度不變性；此斜率d即為分維值，同時(shí)求得相關(guān)系數(shù)r，如附圖6。

上述相關(guān)計(jì)算，如方格計(jì)數(shù)與直線斜率的擬合，可以通過編程或借助計(jì)算機(jī)軟件完成，可以大大提高統(tǒng)計(jì)效率與精度。得到礦巖的分形維數(shù)以后，就可以將其和巖體的波阻抗、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度一起作為評(píng)價(jià)礦巖可爆性難易程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用前述的礦巖可爆性分級(jí)數(shù)學(xué)模型，即可判斷礦巖可爆性的難易程度。