基于皮质骨梯度断裂仿生的定向预裂爆破多参数优化方法与流程

本发明涉及矿山爆破与仿生工程，具体涉及一种基于皮质骨梯度断裂仿生的定向预裂爆破多参数优化方法，更涉及一种依托哺乳动物长骨皮质骨-松质骨梯度生物断裂机理建立岩体动态断裂判据，并嵌入多目标优化算法实现深部巷道、采场顶板定向预裂爆破参数智能优化的方法，适用于黄金矿山深部硬岩巷道轮廓预裂、采场切顶卸压、保护矿柱隔离预裂等工程场景。

背景技术：

1、深部岩体处于“三高一扰动”（高地应力、高渗透压、高地温及强烈的开采扰动）的极端复杂力学环境中。在此背景下，传统的预裂爆破工艺面临着严峻挑战：高地应力与强烈的构造应力场相互叠加，加之深部岩体节理极度发育、岩性破碎，导致爆破过程中预裂面成型质量差、保留围岩损伤严重、爆破振动速度超标，且炸药单耗居高不下，严重制约了深部矿山的安全、高效、绿色开采。

2、尽管现有技术在预裂爆破领域进行了诸多改进，但在应对深部硬岩复杂工况时，仍存在以下亟待解决的技术缺陷：其一，现有岩体力学模型理想化，忽略深部岩体参数的空间梯度特征。传统爆破断裂力学设计普遍基于均质岩体假设，在裂纹扩展判定中采用恒定的单值动态断裂韧度。然而，深部岩体由于受开挖卸荷、自由面效应及地质构造影响，其力学参数（如断裂韧度）在空间上呈现连续梯度衰减特征。现有模型未能建立适用于爆破设计的梯度断裂韧度量化方程，导致理论计算的裂纹扩展路径与现场实际严重偏离，预裂面凹凸不平，超挖与欠挖现象频发，无法形成平整的预裂壁面。其二，爆破参数优化缺乏定向断裂与边界止裂的定量力学判据。现有的爆破参数多目标优化模型通常仅将爆破质点振动速度作为安全约束条件，缺乏对裂纹定向启裂及边界止裂的定量力学控制机制。由于缺乏精确的力学判据，在实际施工中经常出现设计预裂路径裂纹不贯通，或者爆生裂纹过度扩展侵入保留围岩的问题，导致“定向造缝”与“围岩防护”的双重目标难以兼顾，无法有效保护保留岩体的完整性。其三，仿生爆破技术仅停留于外形模仿，缺乏机理层面的定量控制方程。当前仿生采矿爆破技术多停留在外形结构仿生层面（如仿生异形药卷、仿生钻头外形设计），仅通过模仿生物形态来改变爆破作用方式。这些技术未能从生物断裂力学演化机理层面（如生物硬组织的梯度结构、定向矿化机制）建立岩体破裂的定量控制数学模型，导致现有技术只能进行定性参考，无法嵌入数值优化模型实现爆破参数的精准求解与自适应调控。其四，未考虑深部高地应力下热力耦合对岩石断裂性能的弱化效应。在深部高地应力场与爆炸动荷载的耦合作用下，裂纹尖端会产生显著的绝热温升效应，该效应会显著弱化岩石的断裂性能。现有断裂准则未能将岩体参数的空间梯度、爆炸荷载的应变率效应以及热力耦合效应协同纳入统一的力学模型，导致理论模型与深部现场极端工况匹配度低，难以准确预测和控制深部岩体的爆破破裂行为。

3、有鉴于此，亟需研究一种基于生物断裂机理定量仿生、具备完整量化方程体系且能适配深部高地应力硬岩工况的定向预裂爆破参数优化方法，来实现深部岩体定向断裂、精准止裂及围岩损伤有效控制。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于皮质骨梯度断裂仿生的定向预裂爆破多参数优化方法，借鉴哺乳动物长骨皮质骨-松质骨梯度可控断裂生物力学规律，建立岩体空间梯度动态断裂韧度分布方程与裂纹启裂-止裂判据；将该仿生力学不等式作为硬性约束条件嵌入多目标优化模型，通过遗传算法求解最优炮孔布置、装药、起爆时序参数；实现预裂带裂纹定向连续贯通、保留围岩边界裂纹自动止裂，同时兼顾成型质量、炸药成本、围岩损伤三大工程目标，解决深部硬岩矿山预裂爆破成型差、围岩破损严重的行业痛点。

2、本发明实施例提供了一种基于皮质骨梯度断裂仿生的定向预裂爆破多参数优化方法，其包括如下步骤：

3、s1、对爆破区域开展现场勘察与力学试验，获取岩体基础动态断裂韧度及梯度力学参数，建立工程适配坐标系并标定岩体梯度衰减系数；所述工程适配坐标系包含预裂设计中心线及围岩边界，且所述预裂设计中心线对应低韧度开裂区域、所述围岩边界对应高韧度防护区域；

4、s2、基于梯度可控断裂机理，构建岩体空间梯度动态断裂韧度分布模型，所述模型表征岩体动态断裂韧度自所述预裂设计中心线向所述围岩边界方向梯度递增的分布规律；

5、s3、基于所述模型，建立预裂带裂纹定向启裂扩展判据和围岩边界裂纹止裂双梯度判据；

6、s4、以预裂缝贯通度、炸药消耗量及围岩损伤深度为优化目标，以爆破施工参数为设计变量，将所述预裂带裂纹定向启裂扩展判据和所述围岩边界裂纹止裂判据作为不可违背的硬性约束条件嵌入多目标优化模型；

7、s5、采用多目标智能优化算法求解所述多目标优化模型，获得满足所述硬性约束条件的最优解集，并从中筛选最优爆破参数组合；

8、s6、依据所述最优爆破参数组合开展现场工业试验，基于试验监测数据反演修正梯度衰减系数，闭环迭代优化所述多目标优化模型。

9、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述梯度可控断裂机理为哺乳动物长骨皮质骨-松质骨梯度可控断裂仿生机理，所述皮质骨对应所述围岩边界的高韧度防护区域，所述松质骨对应所述预裂设计中心线的低韧度开裂区域。

10、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，岩体空间梯度动态断裂韧度分布模型由以下方程表征：

11、；

12、式中，

k

id(

x)为任意坐标

x处岩体的梯度动态断裂韧度；

k

ic

,

rock为目标区域均质岩体基础动态断裂韧度；

λ为梯度衰减系数；

x

0为预裂设计中心线基准坐标；

x为岩体空间任意观测坐标；

13、针对深部爆破裂尖绝热温升弱化效应，建立温度耦合梯度动态断裂韧度分布模型，修正表达式如下：

14、；

15、裂尖瞬时绝热温升计算公式：

16、；

17、式中，

t为裂纹尖端瞬时绝热温度；

t

0为岩体初始环境温度；

α为岩石断裂韧度温度弱化系数；

w

d为裂纹扩展塑性耗散功；

ρ为岩体天然密度；

c

v为岩体定容比热容；

v

c为裂尖塑性区特征体积。

18、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，所述预裂带裂纹定向启裂扩展判据为：

19、；

20、式中，

k

i(

x,t)为地应力与爆炸动荷载耦合作用下裂纹尖端动态应力强度因子，随起爆时序

t动态变化，可由爆炸动荷载与地应力静荷载贡献叠加得到；满足所述判据时，爆生裂纹可沿预设预裂路径稳定贯通延伸；

21、所述围岩边界裂纹止裂判据为：

22、；

23、式中，

x

border为预裂开裂区与待保护围岩的分界面坐标，对应骨骼皮质骨与松质骨交界面；为围岩边界处裂纹尖端动态应力强度因子，由爆炸动荷载与地应力耦合计算得到，随起爆时t动态变化；为围岩边界处岩体梯度动态断裂韧度，由s2中空间梯度动态断裂韧度分布模型计算得到；

24、所述判据为围岩防护硬性约束，保证爆生裂纹传播至围岩边界时扩展阻力大于驱动力，实现裂纹止裂与界面偏转，杜绝围岩破损超挖。

25、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，还包括建立界面裂纹偏转角度量化判据：

26、；

27、式中，

θ为梯度界面处裂纹偏转角度，定量表征边界止裂效果，为爆破参数优化提供量化依据；为围岩边界处裂纹尖端动态应力强度因子。

28、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述优化目标包括：

29、1）预裂缝贯通度

f

1，定义为预裂带内满足所述预裂带裂纹定向扩展判据的连续微元段长度与预裂设计总宽度之比；表达式为：

30、

；

31、式中，

l

design

=，为预裂设计总宽度；，为第

i个离散点的坐标；为爆生气体驱动阶段裂纹尖端应力强度因子达到峰值的时刻；()为指示函数，满足括号内条件时取1，否则取0；要求预裂带内连续满足判据的微元段不得少于总微元数的90%，否则视为无效贯通，

f

1∈[0,1]，值越接近1表示预裂缝成型越完整连续；

32、2）总炸药消耗量

f

2，定义为预裂爆破段全线总装药量；表达式为：

33、

f

2

(x)=ql

design

(1+η

over

)；

34、式中，

η

over为炮孔超深装药系数；

q为线装药密度；

35、3）围岩损伤深度

f

3，定义为待保护围岩区内爆生裂纹驱动力超过所述围岩边界裂纹止裂判据阈值的最远侵入距离。

36、作为本发明的进一步改进，步骤s5中，所述多目标优化模型的约束条件按优先级从高到低分为三个层级：

37、第一层级为硬性约束条件，包括启裂完整约束、边界止裂约束及界面偏转约束；

38、其中，所述启裂完整约束要求预裂带内每一点均满足启裂条件，表达式为：

39、；

40、所述边界止裂约束要求围岩边界必须强制止裂，留安全裕度，表达式为：

41、；

42、所述界面偏转约束要求裂纹在梯度交界面偏转角不小于60，确保止裂有效，表达式为：

43、；

44、式中，() （

i=1，2，3，4，5，6，7）为约束函数；

x为优化设计变量向量；为预裂起始位置；为爆炸动载下位置、时刻对应的动态应力强度因子；为裂纹交界面偏转角度；

45、其中，补充裕度约束的表达式为：

46、；

47、第二层级为工程安全约束，包括爆破振动速度约束和预裂面有效拉应力约束；

48、第三层级为设计变量上下界约束。

49、作为本发明的进一步改进，步骤s5中，所述爆破施工参数包括炮孔间距、装药不耦合系数、线装药密度及微差起爆时差；

50、所述多目标智能优化算法为带精英策略的非支配排序遗传算法nsga-ii。

51、作为本发明的进一步改进，步骤s6中，反演修正梯度衰减系数采用高斯-牛顿非线性最小二乘法，通过构建实测值与模型预测值的残差向量，计算雅可比矩阵，迭代更新所述岩体梯度衰减系数直至收敛；所述收敛条件为相对残差平方和变化量小于1×10-4，或连续两轮迭代间梯度衰减系数的相对变化量小于3%；

52、闭环迭代优化收敛后，输出针对不同岩性段和不同埋深区间的标准化预裂爆破施工参数体系，所述标准化预裂爆破施工参数体系包括炮孔布置参数卡片、装药结构参数卡片及起爆网络参数卡片。

53、作为本发明的进一步改进，步骤s5中，筛选最优爆破参数组合包括针对不同工程场景的差异化权重筛选规则：

54、巷道掘进预裂场景，优先选取预裂缝贯通度最高的方案；

55、采场切顶卸压场景，优先选取预裂缝贯通度与围岩损伤深度均满足预设阈值且炸药消耗量最小的方案；

56、保护矿柱隔离预裂场景，优先选取围岩损伤深度最小的方案；

57、所述筛选最优爆破参数组合还包括采用逼近理想解排序法topsis对所述pareto最优解集进行多属性决策排序，以各优化目标的最优值构成正理想解、最劣值构成负理想解，选取贴近度最大的方案。

58、有益效果：

59、1、理论模型创新：本发明突破传统均质岩体断裂假设与外形仿生局限，首次实现哺乳动物长骨梯度可控断裂机理的工程量化映射，建立完整的梯度断裂韧度分布方程与启裂-止裂双判据体系，填补了深部硬岩爆破机理仿生定量控制的技术空白，理论体系完整、参数可试验标定、可工程复现。

60、2、约束体系完善：相较于传统单一振动约束优化模型，本发明将生物力学衍生的断裂判据作为核心硬性约束，从裂纹扩展本源机理管控爆破成型与围岩损伤，解决了传统优化方案成型质量不稳定、围岩防护失效的技术问题。

61、3、工程落地性强：整套技术方案全部参数可通过室内试验、现场测试、算法迭代获取，施工变量均为矿山现场可直接调整的爆破参数，适配深部金属矿巷道掘进、切顶卸压、矿柱防护等多种工程场景。

62、4、工程效益显著：可有效提升预裂缝贯通均匀度，降低巷道超挖欠挖量，抑制高地应力围岩片帮、开裂灾害，同时优化炸药消耗量，平衡施工质量、安全与成本三大核心工程指标，适配千米级深部高地应力复杂工况。

63、5、体系可迭代优化：通过现场工业试验实时修正模型梯度参数，可持续适配不同地质区段的岩体特性，方案稳定性与工程适配性优于传统经验试错设计方法。

64、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。