鈾礦山穿孔爆破系統(tǒng)免疫遺傳優(yōu)化控制*
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戴劍勇，原芳
（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，衡陽421001）
摘要：根據(jù)地下鈾礦山穿孔爆破系統(tǒng)特點(diǎn)及放射性污染物的特性，應(yīng)用自適應(yīng)模糊推理技術(shù)構(gòu)建爆破礦石塊度模型，應(yīng)用放射性污染物遷移機(jī)制構(gòu)建氡濃度析出模型，再將其模型參數(shù)換算成與穿爆參數(shù)關(guān)聯(lián)的氡濃度模型，然后構(gòu)建鈾礦山氡濃度控制下穿孔爆破系統(tǒng)的集成模型，最后運(yùn)用免疫遺傳優(yōu)化算法對其進(jìn)行優(yōu)化求解。實(shí)例分析表示該方法可在滿足氡濃度的要求下實(shí)現(xiàn)塊度最優(yōu)化問題，為鈾礦山安全生產(chǎn)提供了重要決策依據(jù)。
關(guān)鍵詞：穿孔爆破系統(tǒng)；爆破塊度；放射性污染物；免疫遺傳算法
O 引言
穿孔、爆破工作是礦山開采的兩個重要環(huán)節(jié)，穿孔作業(yè)的質(zhì)量以及爆破的效果，直接影響生產(chǎn)綜合成本。因此，穿孔爆破系統(tǒng)的效果將會影響到鈾礦山安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)效益。穿爆系統(tǒng)中影響因素眾多，且各因素之間存在復(fù)雜關(guān)系，并且目前尚無現(xiàn)成的函數(shù)能表達(dá)其關(guān)系，因而穿爆模型不能由傳統(tǒng)的建模方法所建立。在文獻(xiàn)[2 -3]中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值以及經(jīng)驗(yàn)公式，在爆破參數(shù)較少的情況下，對礦山爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，雖然得到了較好的優(yōu)化效果，但是存在了一定的人為主觀因素，并且不適用于其他礦山。在文獻(xiàn)[4 -5]中采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立礦山爆破參數(shù)模型，雖然取得較好的優(yōu)化結(jié)果，但必須采用大量的歷史數(shù)據(jù)反復(fù)訓(xùn)練，過程比較繁瑣而且數(shù)據(jù)收集較為困難。而ANFIS能夠輕松實(shí)現(xiàn)這一過程，這一系統(tǒng)是借助模糊邏輯的模糊推理能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，形成自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[7]利用氡滲流一擴(kuò)散運(yùn)移理論，建立了爆破鈾礦堆內(nèi)氡運(yùn)移的一維微分方程，推導(dǎo)出爆破鈾礦堆滲流出口表面氡析出率的計(jì)算公式，還有些學(xué)者建立了廢石的粒度大小、在堆表面所處的位置和廢石中U，Ra的活度與表面氡析出率的相關(guān)性。本文利用氡滲流一擴(kuò)散運(yùn)移理論，結(jié)合礦石粒度與氡析出率的規(guī)律，依據(jù)國家氡濃度限值規(guī)定，構(gòu)建地下鈾礦山氡濃度約束條件下的氡濃度與塊度模型，為鈾礦山安全生產(chǎn)提供了重要決策依據(jù)。
1 地下鈾礦山穿爆系統(tǒng)建模
1.1 穿孔爆破塊度模型
穿爆系統(tǒng)所涉及到的因素較多：礦巖力學(xué)性質(zhì)、炸藥性質(zhì)和藥包參數(shù)，穿孔質(zhì)量（孔徑、孔深、超深）、孔網(wǎng)參數(shù)（孔間距、排間距）、網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)、采場氡析出控制等。本文以影響爆破塊度的主要參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，以大塊率作為穿孔爆破輸出參數(shù)，應(yīng)用自適應(yīng)模糊推理方法構(gòu)建穿孔爆破塊度模型。主要操作流程如下：
Step1搜集富有歷史意義的穿孔爆破技術(shù)參數(shù)輸入輸出數(shù)據(jù)對，以做為ANFIS的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
Step2對樣本集的輸入輸出數(shù)據(jù)對進(jìn)行歸一化和初始化。
Step3設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)，調(diào)用anfis函數(shù)對初始化的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以達(dá)到誤差精度要求。
Step4建立ANFIS模型關(guān)系式：即通過anfis訓(xùn)練函數(shù)經(jīng)反復(fù)調(diào)試后得到穿孔爆破塊度模型：
式中：x為輸人數(shù)據(jù)向量；f表示穿孔爆破塊度模型。
1.2 采場氡析出濃度模型
爆破是鈾礦山生產(chǎn)作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，也是影響礦井氡析出量的重要因素。礦石在爆破的瞬間從礦體上爆落，變成了局部類型體的集合體一松散介質(zhì)，積存在縫隙中的氡被突然釋放出來，同時造成了礦體的新鮮暴露表面。按滲流方向選取破碎介質(zhì)計(jì)算坐標(biāo)，穩(wěn)定狀態(tài)下介質(zhì)中氡濃度穩(wěn)定分布方程為：
邊界條件為x=0處，C=nC。；
采場氡源中，破碎松散體的氡析出所占比例最大。又巖體爆破后形成的松散體滲透率比擴(kuò)散系數(shù)增長高出很多，導(dǎo)致破碎介質(zhì)中滲流速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于擴(kuò)散速度。因此，采場控氡通風(fēng)的關(guān)鍵在于控制破碎松散體的氡滲流析出。式(4)變?yōu)椋?
式中：C為介質(zhì)中氡的視濃度；D為介質(zhì)中氡的擴(kuò)散系數(shù)；u為介質(zhì)中的氣體滲流速度；A為氡的衰變常數(shù)；叼為介質(zhì)孔隙率；C。為介質(zhì)外空間中的氡濃度；F為破碎松散體局部類型體的平均氡析出系數(shù)；a為射氣介質(zhì)產(chǎn)生可移動氡的能力；沙為松散系數(shù)。此方程的解為：
根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，礦石的粒度較大和較小時氡的析出率都較低，對于較大粒度的礦石，氡的析出率變化范圍較寬。也就是大塊率較大或較小氡的析出率都比較低，大塊率位于中間數(shù)值時，氡的析出率相對較高。因此，采用高斯分布函數(shù)近似表示氡的析出率與塊度的關(guān)系模型。即：
式中：0為氡活度釋放率；A，為氡活度修正系數(shù)，大于1；礦．為側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)；盯：為垂直方向擴(kuò)散參數(shù)。
因此，氡濃度的析出和大塊率的方程為：
2 鈾礦井穿爆系統(tǒng)可靠性免疫遺傳優(yōu)化控制
為解決中深孔穿爆系統(tǒng)的塊度的最優(yōu)控制，將穿爆系統(tǒng)塊度模型作為主目標(biāo)函數(shù)，求解大塊率最小化問題。即根據(jù)各自建立的ANFIS模型，在滿足氡濃度的約束條件下，穿爆系統(tǒng)規(guī)劃模型如下：
式中：x為輸入數(shù)據(jù)向量；C．為放射性污染物濃度模型；則化約束條件為帶懲罰項(xiàng)的無約束函數(shù)為：
式中：r1為放射性污染物濃度的懲罰因子，由于穿孔爆破系統(tǒng)參數(shù)較多，采用實(shí)數(shù)編碼，隨機(jī)生成初始種群，應(yīng)用免疫算法進(jìn)行優(yōu)化求解。其流程如下：
Step1識別抗原，將種群信息定義為一個結(jié)構(gòu)體，初始化抗體種群。
Step2由親和度和濃度兩個條件確定評價抗體的優(yōu)秀程度，并計(jì)算出期望的繁殖概率，記錄每一代種群的平均適應(yīng)度以及最佳個體。
Step3根據(jù)優(yōu)秀程度，形成父代種群，更新記憶庫，加入精英保留策略。
Step4對記憶庫中抗體進(jìn)行選擇交叉變異，產(chǎn)生新
種群。
Step5如滿足條件，則結(jié)束，否則再轉(zhuǎn)向Step2。
3 實(shí)例分析
以我國某一大型鈾礦為例，該礦山炮孔采用扇形排面布置的上向中深孔。排面垂直于鑿巖平巷，沿礦體走向方向布置。確定其孔間距、排間距、補(bǔ)償空間系數(shù)、最小抵抗線和炮孔密集系數(shù)、炸藥單耗等6個因素作為穿孔爆破系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，爆破大塊率作為穿孔爆破系統(tǒng)的輸出參數(shù)，應(yīng)用MATLAB中的ANFIS工具箱構(gòu)建爆破礦石塊度模型，數(shù)據(jù)詳見表1，并對其進(jìn)行歸一化，以前46組數(shù)據(jù)作為training data，后4組作為contrastingdata，調(diào)用ANFIS對其進(jìn)行建模，訓(xùn)練誤差精度約為0. 001 799 9。為了防止氡的危害和保護(hù)礦山工人的健康，必須使井下空氣中氡濃度不超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制值，即氡濃度控制值為2.7 kBq/m3，依據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，氡活度修正系數(shù)取1.5，氡活度釋放率為3. 08×l05Bq/s，側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)10.8 m，垂直方向擴(kuò)散參數(shù)5.Sm，再結(jié)合式(6)~式(8)，應(yīng)用免疫遺傳算法對式(9)進(jìn)行迭代優(yōu)化求解。迭代次數(shù)和適應(yīng)度的關(guān)系，詳見圖1，最終得出穿孔爆破系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)最優(yōu)解，詳見表2。
4結(jié)論
1)應(yīng)用免疫遺傳優(yōu)化算法對該模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)解，確保了穿孔爆破系統(tǒng)安全最優(yōu)控制。
2)以國內(nèi)某大型地下鈾礦山為例，應(yīng)用免疫遺傳優(yōu)化算法的全局優(yōu)化機(jī)制對氡濃度控制下穿孔爆破系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最佳穿孔爆破參數(shù)為：孔間距0.9 m、排間距0.7 m、補(bǔ)償系數(shù)1.81、抵抗線0.7 m、密集系數(shù)1. 28、炸藥單耗0.41 kg/t、大塊率10.8 010。
3)與文獻(xiàn)[4]、[5]中的模型相比較，該方法可在滿足氡濃度的要求下實(shí)現(xiàn)塊度最優(yōu)化，同時精度更高，可為鈾礦山安全生產(chǎn)提供重要的決策依據(jù)。
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