摘要：鉴于某煤矿60采区0420工作面掘进工程中存在人工效率慢的缺点，同时为了解决掘进难度高和不合理的爆破方式，基于BP神经网络设计，优化爆破参数，建立模型结构，进行现场试验，结果表明：工作面爆破开挖后，巷道成形基本保持完整，少数局部有超挖现象，数值都控制在100 mm以内，提高了掘进效率，保证了爆破效果。

　　关键词：煤矿岩巷；中深孔爆破；爆破掘进；参数优化

　　1工程概况与掘进现状

　　工程选取山某煤矿60采区0420工作面的岩巷为试验巷，该试验巷与中线运输巷上山段开口位置距离为212 m，设计位置在3#煤层下方10~15 m处，全程距离达1 920 m，其中，以灰色，中厚状的砂质泥岩和细粒砂岩材质为主，硬度范围为6~7 Pa。在掘进工程进行中，存在以下问题：技术采用循环爆破和多浅眼的方式，人工效率慢；该巷道成形不良，开挖困难，需要大量的支撑材料，增加了人工回填和刷帮作业；爆破方式不合理，爆堆分散且体积过大，二次破碎难度大；某煤矿60采区60-0420工作面多为矩形断面，常采用的分次成巷施工工艺效果差，工作率低下。

　　2方案设计

　　2.1基于BP神经网络的爆破参数优化设计

　　根据煤矿60采区0420工作面实际作业要求，在完善相关主要工序后，以缩减工序工时和优化施工组织为施工原则，通过对爆破参数的优化设计，确定合适的掏槽形状，起爆方式，炮孔直径，炮眼数目以及各种孔距参数。爆破参数设计如表1所示。选取面积较大的二级楔形掏槽为主要使用的掏槽，克服了一级掏槽不能满足装药长度要求，炮泥易堵塞炮孔，炮孔孔口间距过大，爆破效果不理想的缺点；起爆方式选取反向起爆和分次起爆的方式，既能缩小岩石块度，提高炮孔利用率，又能减少炸药消耗量，提高爆破安全率；掏槽采用准直眼掏槽方式，设定3对主掏槽眼，次掏槽眼为五花眼；各种孔距设计如下：主掏槽孔上下垂直间距为450 mm，各槽口之间距离为2 000 mm，各槽底之间距离为1 600 mm，同时设定所有炮眼的深度均为2 200 mm，直径可达42 mm，顶眼开孔位置距顶板为350 mm，掏槽眼炮眼深度应达到2 700 mm；由于四个顶角的岩石夹制力较强的原因，我们在该部位布孔时，适当地将孔间距缩短到425 mm。因此，根据前面的参设计，计算得出总炮眼数总共为47个，需要的循环总装药量为51.2 kg。

　　2.2岩巷掘进爆破参数优化模型结构设计

　　基于以上工程概况和掘进现状，构建以BP神经网络的模型结构，该结构主要包括三部分：输入层、输出层和隐含层，如图1所示。在该模型结构中，结合巷道爆破掘进参数的设计，故将BP网络的隐含层设定为一层。

　　2.2.1输入层的构建

　　输入层在模型构建的作用是缓冲并储存接收到的数据。当网络中呈现数据源时，它的维度决定了神经元数目，即一个数据源决定一个神经元。在运行中，没有被删除的错误数据会降低网络训练的准确性，所以，训练模型运行前，要删除有误的数据，确认数据与实际的关联性，以此确保数据库的真实性与准确性。基于岩石巷道爆破掘进的特征及设计要求作为参数参考，设定输入神经元个数为6个。

　　2.2.2输出层的构建。

　　为了使岩巷掘进工艺参数优化，加快掘进速度，建立了神经网络模型。在构造过程中，根据以上的计算，输出层中的神经元被设置为6个，即单耗、孔深、爆光层厚度、挖槽眼孔间距、崩落眼孔间距和周围眼孔间距。

　　2.2.3隐含层的构建。

　　隐含层其工作原理是指从输入层获得样本，保存并寻找规律，其节点数的数量是影响网络性能的重要因素。实验中得知，构建网络模型的用途决定了网络所需要的层数和每层的节点数。基于Kolmogolov定理，由m=2n+1来确定隐含层节点数，故本模型中网络隐单元数目确定为11。

　　BP神经网络的属性是前向型网络，因此我们可基于函数newff来创建一个新的BP网络，其基本使用格式为：net=newff，则net=newff（minmax（P），[隐含层神经元个数,输出层神经元个数]，{隐含层神经元的激活函数，输出层神经元的激活函数}，反向传播的训练函数）。其中P代表着输入数据源，p代表着归一化处理后的结果，建立模型时将各项参数代入计算。在网络训练中，参数的调节要经过多次计算，直至得到最理想的结果。由图2可知，在迭代数达到117次时，网络设定的目标值就会达到，所以可以检验模型的精确度。

　　3应用效果

　　3.1现场试验

　　通过实地考察两条煤岩巷道的施工现场，比较了它们的基本状况，制定了爆破方案。在这两条巷道中，其地质条件基本一致，在试验设计时，所采用的爆破工具和爆破方案如下：

　　1）现场测试中，采用规格为Φ27 mm×400 mm的PT-476矿用水胶炸药。

　　2）通过对0420工作面的爆破参数进行了优化，得到了最大井位间距为420 mm，副井眼和二阶掏槽孔的最大间距为450 mm。

　　3）由于反向引爆技术在炮眼利用率方面的优越性，通过实验研究，证明了反向引爆的气体成分即瓦斯含量满足了反向引爆的需要，因此采用反向引爆。

　　4）为改善爆炸效果，所有药包均采用非耦合装药结构。

　　5）通过分析发现，在两条隧道中，采用爆破方法，在工作面上需要100个以上的开孔，而现场引爆设备的爆炸性能参差不齐，所以采取了分段引爆的方法。

　　3.2试验数据分析

　　根据设计的爆破方案，对两条类似的巷道进行了五次爆破实验，所得的爆破资料如表2。

　　1）炮孔数目相比之前有所减少，以巷道二回风巷

　　-800为例，共节约了35个炮眼，使工人在井眼位置上的时间大大缩短，劳动强度和劳动生产率得到了明显的提升。两条试验巷的炮眼利用率都在90%上下浮动，与以前的85%相比，提高了5%。

　　2）0420工作面经过优化后，爆破掘进平均可达230 m左右，以巷道二-800回风巷为例，单次循环的平均进尺达到2.22 m左右。和之前相比，耗费的时间增长，但就平均进尺而言，由之前的150 m增加到230 m，平均掘进增长量超过50%。因此，爆破掘进进尺效率大大提高，符合快速掘进的基本要求。

　　3）进行爆破后，岩石体破碎状态良好，块体多为直径在400 mm以内的均匀块体。岩石的抛掷效果十分理想，距离大部分都控制在23 m以内，达标程度高。

　　4）在工作面进行爆破开挖后，巷道成形基本保持完整，少数局部有超挖现象，数值都控制在100 mm以内。爆破效果在光面部分呈现较理想的效果，岩石未出现因爆破造成的大小裂缝。

　　4结论

　　1）基于BP神经网络系统构建了包括输入层、输出层和隐含层的优化模型，为炮孔深度、炮孔间距、排距等爆破参数的优化设计提供了依据。

　　2）通过现场试验，工作面爆破开挖后，巷道成形基本保持完整，少数局部有超挖现象，数值都控制在100 mm以内，爆破掘进模型的正确性和爆破掘进参数的准确性，提高了掘进进尺效率，保证了爆破效果。

       参考文献：

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