基于应力波波阻抗梯度调控的层状岩体爆破参数确定方法

本发明涉及计算力学与数值仿真，具体为基于应力波波阻抗梯度调控的层状岩体爆破参数确定方法。

背景技术：

1、随着计算机仿真技术的持续进步，数值模拟方法已成为层状岩体爆破参数优化的重要技术手段。目前，行业内广泛采用有限元法或有限差分法对岩体进行离散化处理，并基于声波方程正演计算，模拟应力波在岩体中的传播过程，进而分析岩体的损伤演化及破裂特征，据此调整和优化爆破参数。同时，数据驱动的机器学习方法也被尝试应用于爆破参数预测领域，旨在通过大量工程样本的训练，构建经验模型，以实现爆破参数的快速输出与适配。例如，公开号为cn113255175a的现有技术公开了一种层状软岩爆破数值模拟方法，该方法通过建立整体岩石模型，并结合数值模拟结果逐步调整爆破参数，最终形成适配实际工况的爆破方案。

2、然而，现有层状岩体爆破参数确定方法仍存在诸多技术缺陷，亟待解决：其一，现有数值模拟方法大多采用逐网格有限差分数值迭代方式求解声波方程，该过程计算复杂度高、重复计算量大，尤其在面对大规模横断面网格模型时，算力消耗极为显著，迭代周期漫长，难以满足爆破参数快速优化与现场即时响应的实际工程需求；其二，现有方法普遍未充分考虑层状岩体的非均质性特征，也忽略了爆破过程中岩体损伤演化对波阻抗属性的动态反馈作用，波阻抗矩阵多设为固定常量，导致应力波传播的仿真结果与实际地质条件之间存在较大偏差，进而易引发爆破效果空间分布不均、围岩损伤超出设计允许范围等工程问题，严重影响爆破质量与施工安全。

3、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于应力波波阻抗梯度调控的层状岩体爆破参数确定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于应力波波阻抗梯度调控的层状岩体爆破参数确定方法，具体步骤包括：

4、s1：对岩体横断面划分网格，预设时间步数量与步长，依据各网格的岩体波阻抗构建波阻抗矩阵并初始化波场矩阵，结合炮孔的数量与位置构建震源项矩阵，针对各炮孔预设起爆时延，在对应炮孔位置独立构建震源函数；

5、s2：将起爆时延、震源函数振幅和炮孔位置8邻域网格波阻抗作为待优化爆破参数，对声波方程进行空间离散得到离散拉普拉斯算子，并转化为权重固定的卷积核；

6、s3：以震源项矩阵为加速度激励，结合波阻抗矩阵对应的波速分布逐时间步递推求解波场矩阵，依据波场矩阵计算网格动应力与损伤变量，动态更新损伤后的波阻抗矩阵；

7、s4：迭代完成全部预设时间步仿真后，基于收敛后的各网格损伤变量，分别构建岩体均匀破碎损失项、围岩轮廓保护损失项、爆破能量效率损失项，将三类损失项加权融合得到总损失项，划定待优化爆破参数的约束范围，采用遗传算法全局寻优，生成多组初始优质爆破参数；

8、s5：以初始优质爆破参数为迭代初值，执行时间正演卷积运算，获取网格损伤变量与动应力场，结合损伤与应力特征构建虚拟震源并执行反演运算，依托正反演波场差值求解总损失项伴随梯度，通过拟牛顿优化器结合梯度迭代寻优，收敛后输出总损失项最小值对应的最优爆破参数。

9、进一步地，结合炮孔的数量与位置构建震源项矩阵，具体逻辑如下：

10、根据岩体网格划分结果建立与波场矩阵维度匹配的震源项矩阵，并初始化为零矩阵；依据现场炮孔布置方案，定位各炮孔对应的网格坐标，确定所有有效震源网格位置；基于各炮孔预设起爆时延与震源函数振幅，对每个装药对应网格位置独立赋值时序震源函数；非装药区域网格保持零值，最终构建得到仅在炮孔位置含时序激励、其余区域无激励的震源项矩阵。

11、进一步地，针对各炮孔起爆时延，在对应炮孔位置独立构建震源函数，具体逻辑如下：

12、以单炮孔为独立激励单元，结合预设起爆时延确定各炮孔的激励起始时刻，错开不同炮孔位置的爆破激励时间；依据炮孔爆破能量特征配置对应的震源函数振幅，匹配岩体介质属性构建时域爆破震源函数；对不同起爆时延的炮孔分别独立配置震源函数，使各炮孔位置的爆破激励时序、激励幅值相互独立，模拟多炮孔分步延时起爆的真实爆破工况。

13、进一步地，对声波方程进行空间离散得到离散拉普拉斯算子，并转化为权重固定的卷积核的方法为：

14、选取标量声波方程作为波场求解控制方程，结合岩体网格划分的网格长度，采用五点中心差分格式对空间拉普拉斯算子进行离散求解，得到离散形式的拉普拉斯算子；对离散后的拉普拉斯算子开展数学等价映射变换，将微分运算形式转化为卷积运算形式，得到权重固定的卷积核。

15、进一步地，以震源项矩阵为加速度激励，结合波阻抗矩阵对应的波速分布逐时间步递推求解波场矩阵，具体方法为：

16、结合空间域五点中心差分格式与时间域二阶中心差分格式，对标量声波方程进行离散处理，构建得到二阶中心显式格式的离散声波方程；迭代计算时，调取当前时间步、上一时间步的波场矩阵以及波阻抗矩阵，利用各网格波阻抗与岩体密度的比值计算网格纵波波速，形成波速分布；采用固定权重卷积核对当前波场矩阵开展卷积运算，求解空间二阶微分项；将空间二阶微分项、波速分布、上一时间步的波场矩阵与震源项矩阵的加速度激励耦合代入离散声波方程，逐时间步迭代计算，求解得到下一时间步的波场矩阵，遍历全部时间步完成波场时序更新。

17、进一步地，依据波场矩阵计算网格动应力与损伤变量，动态更新损伤后的波阻抗矩阵的方法为：

18、基于标量声波方程的声压-位移本构关系构建离散计算式，结合波场矩阵的空间梯度、岩体密度与纵波波速计算各网格的声压幅值，并将其作为网格动应力；将网格动应力与预设的岩石动态强度阈值比对，当动应力超出岩石动态强度阈值时，通过幂律损伤模型计算并累积对应网格的损伤变量，将1与损伤变量的差值，乘以初始波阻抗值的计算结果，作为损伤演化后的实时网格波阻抗值，逐网格更新波阻抗矩阵。

19、进一步地，基于收敛后的各网格损伤变量，分别构建岩体均匀破碎损失项、围岩轮廓保护损失项、爆破能量效率损失项，具体方法为：

20、将岩体网格划分为爆破目标区与围岩轮廓保留区,对不同功能区域分别建立针对性损失约束；完成全时间步波场与损伤迭代收敛后，提取所有网格的最终损伤变量及全时程动应力峰值，分别构建三类约束损失项，具体表达式如下：

21、

22、式中，表示岩体均匀破碎损失项，表示围岩轮廓保护损失项，表示爆破能量效率损失项，表示爆破目标区网格集合，表示围岩轮廓保留区网格集合，表示网格的空间索引，表示炮孔总数量，表示单组炮孔索引，表示正演过程中的时间变量，表示正演总时长，表示网格迭代收敛后的最终损伤变量，即正演结束后的网格的损伤变量，表示爆破目标区预设损伤阈值，表示惩罚权重系数，表示网格在完整仿真时程各时间步动应力中的最大值，表示围岩预设安全应力阈值，表示第组炮孔对应的时序震源函数；

23、将三类损失项加权融合得到总损失项，所依据的公式如下：

24、

25、式中，表示总损失项，分别表示岩体均匀破碎损失项、围岩轮廓保护损失项、爆破能量效率损失项的权重系数，其中，，且。

26、进一步地，采用遗传算法全局寻优，生成多组初始优质爆破参数的方法为：

27、将预设约束范围内的待优化爆破参数构建为空间参数向量，随机初始化生成初代种群，并将该初代种群作为首次迭代的父代种群；对父代种群中的各个体参数，依次执行波场正演、损伤更新与多维度损失项计算，以总损失函数值的倒数作为个体适应度值，依据适应度值采用锦标赛选择策略筛选优质父代个体，对选出的优质父代个体以预设交叉概率执行模拟二进制交叉操作，生成子代个体，以预设变异概率对子代个体执行多项式变异操作，引入参数空间随机扰动以提升种群多样性，将变异后的子代种群与当前轮次父代种群合并，采用精英保留策略筛选并保留适应度最优个体，以形成新一代种群；将新一代种群更新为下一轮迭代的父代种群，循环执行选择、交叉、变异及种群更新流程，直至迭代次数达到预设最大迭代次数；迭代收敛后，从末代最优种群中筛选多组高适应度参数，得到初始优质爆破参数集。

28、进一步地，以初始优质爆破参数为迭代初值，执行时间正演卷积运算，获取网格损伤变量与动应力场，结合损伤与应力特征构建虚拟震源并执行反演运算，具体方法为：

29、完成全时间步正演仿真后，对比各网格最终损伤变量与损伤阈值、全时程动应力峰值与围岩安全应力阈值，构建与波场矩阵维度一致的虚拟震源强度矩阵；矩阵各元素按网格区域类型差异化赋值：对于爆破目标区网格，若最终损伤变量小于损伤阈值，则虚拟震源强度取值为损伤阈值与最终损伤变量的差值，否则赋值为0；对于轮廓保留区网格，若全时程动应力峰值大于围岩安全应力阈值，则虚拟震源强度取值为全时程动应力峰值与围岩安全应力阈值的差值，否则赋值为0；

30、构建与波场矩阵同维度的逆向波场矩阵并初始化为全零矩阵，将虚拟震源强度矩阵作为总时间步的加速度激励源，开展时间反演卷积运算；沿时间逆序逐时间步递推计算，运算过程沿用权重固定的卷积核，并匹配各时间步对应的波阻抗矩阵与波速分布，逐步求解得到前一时间步的逆向波场矩阵；汇总全部时间步反演计算结果，最终得到逆向波场时间序列。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明将声波方程离散后的拉普拉斯算子转化为固定权重卷积核，通过卷积运算完成时间正演，替代传统逐网格有限差分数值迭代方式，有效减少重复计算、降低计算复杂度；同时，该卷积运算即便针对大规模横断面网格模型，也能快速完成应力波传播、动应力及损伤变量的求解，大幅缩短仿真与优化周期，实现爆破参数的快速落地应用。

33、本发明以遗传算法生成的初始优质爆破参数为迭代初值，通过时间正演获取网格损伤变量与动应力场，结合岩体损伤与应力特征构建虚拟震源并执行反演运算，依托正反演波场差值精准求解总损失项伴随梯度，采用拟牛顿优化器结合梯度迭代寻优，实现超线性收敛，快速输出总损失项最小的最优爆破参数，该参数能够兼顾岩体均匀破碎、围岩轮廓保护及爆破能量高效利用三大核心目标，适配隧道掘进、矿山开采等多种层状岩体爆破工程场景，提升爆破仿真贴合度，构建波阻抗矩阵，并在正演过程中动态更新损伤后的波阻抗，充分考虑层状岩体的非均质性及爆破损伤对波阻抗的动态影响，实现应力波波阻抗梯度动态调控，使应力波传播过程与实际地质特征高度贴合，有效避免现有技术中因波阻抗固定导致的爆破效果空间分布不均、围岩损伤超出设计允许范围等工程问题。