分形理论在岩体爆破工程中的应用-矿业114网 
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分形理论在岩体爆破工程中的应用
2011-08-05
介绍了分形理论作为一种新理论在岩体爆破破碎、爆破块度和爆破参数优化等方面的应用,并提出了一些 发展方向。
第 28 卷 第 6 期 中 国 钼 业 Vol. 28 No. 6   CHINA MOL YBDENUM INDUSTRY December   2004 2 004 年 12 月 分 形 理 论 在 岩 体 爆 破 工 程 中 的 应 用 房 泽 法 ,钱 烨 ( 武 汉 理 工 大 学 ,湖 北 武 汉 430070) 摘 要 :介 绍 了 分 形 理 论 作 为 一 种 新 理 论 在 岩 体 爆 破 破 碎 、爆 破 块 度 和 爆 破 参 数 优 化 等 方 面 的 应 用 ,并 提 出 了 一 些 发 展 方 向 。 关 键 词 :分 形 理 论 ; 岩 体 爆 破 中 图 分 类 号 : TD235. 1 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1006 - 2602(2004) 06 - 0014 - 02 APPLICATION OF FRACTAL THEORY IN ROCK BLASTING ENGINEERING FAN G Ze - fa ,Q IAN Ye ( Wuhan University of Technology , Wuhan 430070 , Hubei ,Chain) Abstract :Fractal theory is a kind of new theory in fragmentation , its block and parameter optimization about rock blasting are introduced in the paper. Some new development in this field is also described. Key words :fractal theory ;rock blasting 数 维 空 间 的 假 设 上 。 对 岩 石 这 类“ 分 形 物 体 ”的 物 理 0 前 言 行 为 ,现 有 的 物 理 理 论 只 能 给 出 近 似 描 述 ,有 时 甚 至 无 能 为 力 。 这 也 许 是 岩 石 爆 破 学 科 理 论 落 后 于 实 践 的 原 因 之 一 。 我 们 需 要 新 的 理 论 方 法 来 解 决 这 些 问 自 然 科 学 与 技 术 总 是 在 不 断 地 带 动 新 学 科 的 发 展 。 分 形 理 论 就 是 在 这 种 情 况 下 产 生 并 发 展 起 来 的 一 种 新 理 论 。 近 年 来 ,分 形 理 论 已 开 始 应 用 到 岩 体 爆 破 工 程 研 究 领 域 ,促 使 爆 破 理 论 研 究 更 加 实 用 化 、 计 算 机 化 和 科 学 化 。 分 形 理 论 在 岩 体 爆 破 块 度 预 测 、爆 破 破 碎 和 爆 破 参 数 优 化 都 有 着 广 泛 的 应 用 ,并 且 解 决 或 解 释 了 一 些 过 去 难 以 处 理 的 实 际 问 题 和 理 论 问 题 。 [ 1 ] 题 。 分 形 理 论 无 疑 是 一 个 有 效 的 途 径 。 2 岩 石 爆 破 破 碎 分 形 损 伤 研 究 岩 石 是 一 种 具 有 严 重 初 始 损 伤 的 复 杂 地 质 材 料 ,岩 石 结 构 中 缺 陷 杂 乱 无 章 、随 机 分 布 ,在 载 荷 等 外 部 因 素 作 用 下 ,它 们 不 断 萌 生 、扩 展 、聚 集 、贯 通 , 最 终 导 致 岩 石 的 宏 观 破 碎 。 研 究 表 明 ,在 加 载 条 件 下 ,无 论 什 么 材 料 宏 观 裂 纹 顶 端 的 损 伤 区 形 状 和 范 围 大 小 随 时 间 是 一 个 时 空 函 数 的 相 似 变 化 。 大 量 的 1 分 形 理 论 分 形 (fractal) 一 词 来 源 于 拉 丁 文 “ fractus” , [ 1 ,2 ] 实 验 证 明 了 岩 石 材 料 的 损 伤 区 是 以 自 相 似 的 方 Mandelbrot 将 其 解 释 为 不 规 则 (irregular) 的 或 支 离 破 碎 的 意 思 。 分 形 几 何 学 是 以 极 不 规 则 的 几 何 图 形 为 研 究 对 象 的 一 门 几 何 学 。 在 自 然 界 中 ,有 规 则 的 现 象 是 特 殊 的 、近 似 的 。 而 不 规 则 的 现 象 则 是 更 为 普 遍 的 ,因 此 分 形 几 何 的 用 途 十 分 广 泛 。 分 形 几 何 学 的 主 要 概 念 是 分 形 维 数 (tractional dimension) ,它 与 经 典 几 何 中 拓 扑 学 意 义 下 的 整 数 维 区 别 不 仅 在 于 分 形 维 数 是 连 续 变 化 的 ,更 为 重 要 的 是 分 形 维 数 还 反 映 了 构 成 这 些 不 规 则 形 状 的 复 杂 程 度 和 物 质 充 满 空 间 的 程 度 。 分 形 的 基 本 特 征 是 分 形 维 大 于 整 数 维 ,这 就 决 定 了 分 形 在 解 决 一 些 诸 如 岩 体 爆 破 等 复 杂 的 自 相 似 问 题 方 面 有 独 到 的 优 势 。 式 演 化 的 。 基 于 这 个 事 实 ,自 相 似 分 形 很 自 然 地 被 应 用 于 岩 石 材 料 的 损 伤 分 析 。 从 微 裂 纹 的 分 布 到 材 料 的 损 伤 的 演 化 规 律 ,处 处 都 可 以 发 现 分 形 损 伤 的 [ 1 ] 特 征 和 行 为 。 因 此 ,近 年 来 应 用 分 形 理 论 来 做 爆 破 模 型 处 理 相 关 问 题 的 研 究 方 兴 未 艾 。 国 内 外 也 有 许 多 相 关 内 容 的 报 道 。 [ 3 ] 文 献 告 诉 我 们 ,岩 石 损 伤 和 破 碎 之 间 存 在 极 大 的 相 关 性 。 因 此 ,研 究 破 碎 就 必 须 研 究 损 伤 。 岩 石 爆 破 破 碎 损 伤 模 型 研 究 是 工 程 爆 破 理 论 研 究 的 前 沿 课 题 。 然 而 ,现 有 的 研 究 岩 石 爆 破 的 破 碎 模 型 不 是 未 将 岩 石 的 初 始 损 伤 作 为 岩 性 参 数 ,就 是 对 损 伤 演 化 的 假 设 存 在 一 定 的 局 限 性 ,致 使 计 算 结 果 与 实 际 有 些 出 入 ,再 加 上 一 些 初 始 参 数 难 以 确 定 ,影 响 了 众 所 周 知 ,现 有 的 力 学 理 论 和 定 律 是 建 立 在 整 [ 4 ] 这 些 模 型 的 广 泛 应 用 。 杨 军 等 人 利 用 岩 石 损 伤 分 形 研 究 新 成 果 对 爆 破 破 碎 模 型 进 行 了 提 高 以 形 成 收 稿 日 期 :2004 - 09 - 13 作 者 简 介 :房 泽 法 (1954 - ) ,男 ,武 汉 理 工 大 学 教 授 。 第 28 卷 第 6 期 房 泽 法 :分 形 理 论 在 岩 体 爆 破 工 程 中 的 应 用 房 15 房 爆 破 破 碎 分 形 损 伤 模 型 ,该 模 型 中 初 步 考 虑 到 了 岩 石 节 理 等 初 始 损 伤 对 岩 石 破 碎 的 影 响 。 可 以 肯 定 ,考 虑 岩 石 节 理 、裂 隙 等 初 始 损 伤 的 破 碎 模 型 是 最 具 有 发 展 前 景 的 ,也 是 最 具 可 能 使 岩 石 爆 破 破 碎 过 程 化 繁 为 简 而 又 能 揭 示 其 岩 石 爆 破 破 碎 实 质 的 模 型 。 并 采 取 有 效 措 施 是 决 定 爆 破 质 量 的 关 键 。 对 爆 破 参 数 优 化 采 用 的 方 法 有 模 糊 数 学 法 、遗 传 算 法 、模 型 实 验 法 、神 经 网 络 法 、正 交 设 计 、爆 破 漏 斗 试 验 、多 目 标 灰 色 决 策 和 多 目 标 模 糊 决 策 法 等 等 。 对 具 有 某 种 物 理 力 学 性 质 的 矿 岩 ,岩 石 破 碎 块 度 组 成 主 要 取 决 于 炸 药 性 能 和 爆 破 参 数 。 一 旦 选 定 了 与 矿 岩 相 适 应 的 炸 药 类 型 后 ,爆 破 效 果 将 直 接 取 决 于 爆 破 参 数 的 选 择 。 爆 破 效 果 又 直 接 反 映 在 爆 破 块 度 的 分 布 上 。 如 上 所 述 ,爆 破 块 度 及 其 影 响 爆 破 块 度 的 内 在 因 素 - 岩 石 节 理 和 裂 隙 等 都 具 有 分 形 性 质 。 所 以 了 解 了 岩 石 的 种 种 分 形 性 质 后 就 可 以 以 合 理 的 爆 破 块 度 分 布 为 目 标 ,通 过 调 整 爆 破 参 数 来 实 现 最 佳 的 爆 破 效 果 。 现 在 已 有 研 究 人 员 在 诸 如 单 耗 3 岩 石 爆 破 块 度 的 分 形 研 究 岩 石 爆 破 块 度 是 评 价 爆 破 效 果 的 重 要 指 标 ,也 是 实 现 爆 破 优 化 的 一 个 重 要 因 素 。 关 于 爆 破 块 度 的 研 究 已 经 做 了 很 多 工 作 ,研 究 人 员 采 取 了 块 度 分 布 函 数 、爆 堆 摄 影 、大 块 统 计 、模 糊 数 学 、灰 色 理 论 、神 经 网 络 、爆 前 节 理 裂 隙 分 析 及 过 程 数 值 模 拟 等 研 究 手 段 ,这 些 方 法 在 一 定 程 度 上 解 决 了 现 场 爆 破 块 度 分 布 和 评 价 爆 破 效 果 等 问 题 。 但 以 上 这 些 方 法 实 施 起 来 都 比 较 麻 烦 ,更 为 致 命 的 是 它 们 在 爆 破 块 度 预 报 方 面 往 往 达 不 到 要 求 。 因 此 关 于 爆 破 块 度 的 研 究 还 需 要 不 断 开 拓 新 的 领 域 。 [ 6 ,8 ,9 ] 与 块 度 分 布 的 关 系 [ ,以 及 起 爆 时 差 与 爆 破 块 度 7 ] [8 ] 分 布 的 关 系 等 方 面 作 出 了 有 益 的 探 讨 。 文 献 告 诉 我 们 尽 管 各 爆 区 的 爆 破 参 数 不 同 ,但 爆 破 后 的 岩 石 块 度 仍 具 有 良 好 的 分 形 结 构 。 同 样 ,我 们 也 注 意 到 虽 然 各 爆 区 岩 石 块 度 具 有 良 好 的 分 形 结 构 ,但 在 不 同 的 爆 破 参 数 条 件 下 ,爆 后 岩 石 块 度 的 分 维 数 也 会 不 同 。 所 以 建 立 爆 破 参 数 与 岩 石 块 度 分 维 数 的 关 系 很 必 要 。 它 能 使 我 们 选 择 合 适 的 爆 破 参 数 ,从 而 达 到 控 制 岩 石 爆 破 块 度 ,进 行 爆 前 的 块 度 估 算 和 岩 石 类 脆 性 材 料 爆 破 块 度 形 成 ,是 在 爆 炸 载 荷 作 用 下 ,是 具 有 统 计 自 相 似 性 的 岩 体 裂 隙 不 断 演 化 产 生 大 量 断 裂 面 而 相 互 贯 通 的 结 果 。 现 有 的 研 究 还 证 明 岩 石 无 论 是 在 爆 破 、切 割 作 用 下 还 是 在 风 化 作 用 下 所 形 成 的 岩 石 碎 块 其 块 度 分 布 都 具 有 分 形 特 预 报 。 [ 5 ] [8 ,9 ] 看 来 ,建 立 的 岩 石 分 维 数 与 征 ,也 就 是 所 具 有 自 相 似 性 特 征 或 尺 度 不 变 性 。 从 目 前 的 文 献 基 于 这 种 特 性 ,现 在 科 学 工 作 者 已 经 把 它 作 为 一 种 破 碎 机 理 用 来 描 述 爆 破 岩 块 的 形 成 过 程 。 已 经 证 明 用 不 同 的 方 式 破 碎 的 岩 石 块 度 ,破 碎 岩 石 的 分 维 数 变 化 在 1. 44~ 3. 54 之 间 。 较 高 的 分 维 数 表 示 爆 破 后 较 小 的 块 度 尺 寸 和 较 小 的 颗 粒 尺 寸 。 块 度 尺 寸 数 据 的 分 形 特 征 的 优 点 是 :因 有 尺 度 不 变 性 ,具 体 地 区 的 特 定 岩 石 的 分 维 数 为 常 数 ,那 么 ,只 要 量 测 一 种 尺 度 间 隔 ,就 可 以 确 定 整 个 尺 度 的 变 化 。 岩 体 爆 破 块 度 的 这 种 良 好 的 分 形 结 构 ,使 得 用 爆 破 分 形 维 数 来 衡 量 岩 体 爆 破 块 度 分 布 的 定 量 指 标 成 为 可 能 。 事 实 上 ,节 理 不 仅 控 制 着 岩 石 力 学 性 质 、岩 体 的 破 坏 形 式 ,还 极 大 地 影 响 着 爆 破 块 度 的 分 布 。 已 有 的 研 究 告 诉 我 们 ,岩 体 中 节 理 分 布 也 同 样 具 有 分 形 结 构 ,节 理 的 间 距 、迹 长 等 分 布 特 征 及 其 复 杂 程 度 也 可 以 用 分 维 数 定 量 描 述 。 所 以 需 要 进 一 步 研 究 的 问 题 是 如 何 在 预 测 模 型 中 反 映 出 节 理 裂 隙 的 分 布 特 征 。 困 难 之 处 也 就 在 于 准 确 地 确 定 节 理 分 布 的 分 形 特 征 、计 算 分 维 数 ,并 反 映 在 岩 石 爆 破 块 度 预 测 模 型 中 。 单 耗 的 关 系 均 为 线 性 关 系 ,对 于 复 杂 的 爆 破 问 题 而 言 这 种 关 系 无 疑 过 于 简 单 。 并 且 这 种 关 系 中 考 虑 的 岩 石 分 维 数 只 有 破 碎 分 维 数 ,对 节 理 分 形 维 、损 伤 分 形 维 均 没 有 考 虑 ,或 者 考 虑 不 全 面 。 再 者 ,以 分 形 理 论 为 基 础 的 爆 破 参 数 优 化 中 的 另 一 主 要 手 段 ——— 调 整 孔 网 参 数 几 乎 还 没 有 涉 及 。 参 考 文 献 [ [ [ [ 1 ] 谢 和 平 . 分 形 - 岩 石 力 学 导 论 [ M ]. 北 京 :科 学 出 版 社 , 994. 1 2 ] 周 宏 伟 ,谢 和 平 . 岩 石 节 理 张 开 度 的 分 形 描 述 [J ]. 水 文 地 质 工 程 地 质 . 1999 ,1. 3 ] 高 峰 ,谢 和 平 . 岩 石 损 伤 和 破 碎 的 分 形 分 析 [J ]. 岩 土 力 学 与 工 程 学 报 . 1999 ,5. 4 ] 杨 军 ,王 树 仁 . 岩 石 爆 破 分 形 损 伤 模 型 研 究 [J ]. 爆 炸 与 冲 击 . 1996 ,1. [5 ] 谢 和 平 . 分 形 几 何 及 其 在 岩 土 力 学 中 的 应 用 [J ]. 岩 土 工 程 学 报 ,1992 ,2 . [ [ [ 6 ] 杨 更 社 . 岩 石 爆 破 块 度 分 布 的 分 形 与 分 维 [J ]. 有 色 金 属 . 1994 ,3. 7 ]张 奇 ,杨 永 琦 ,于 滨 . 岩 石 爆 破 破 碎 时 间 及 微 差 起 爆 延 时 优 化 [J ]. 爆 炸 与 冲 击 . 1998 ,7. 4 岩 石 爆 破 参 数 优 化 的 分 形 研 究 8 ] 谢 贤 平 ,谢 源 . 分 形 理 论 与 岩 石 爆 破 块 度 的 预 报 研 究 [J ]. 工 程 爆 破 . 1995 ,6. 爆 破 参 数 优 化 对 于 提 高 爆 破 质 量 和 生 产 效 益 极 为 重 要 。 针 对 不 同 条 件 和 环 境 做 出 的 最 优 爆 破 设 计 [9 ] 单 晓 云 ,李 占 金 . 分 形 理 论 和 岩 石 破 碎 的 分 形 研 究 [J ]. 河 北 理 工 学 院 学 报 . 2003 ,2.
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