基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法

摘要

本发明提供基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，包括：步骤一.在爆堆岩石中随机选取岩石样本，装满至少三个容器；步骤二.将岩石样本都进行振动密实，形成试件容器；步骤三.对每个试件容器的侧面分别进行拍照，得到岩石样本的侧面投影图像，选择衡量岩石块度的几何特征参量；针对待求取的粒径范围进行块度统计，得到岩石块度情况；步骤四.测量各个试件容器中岩石的空隙体积，计算相应的空隙率和岩石的体积；步骤五.建立空隙率与岩石块度的关系曲线N

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法。

背景技术

爆破开挖是水利水电工程、矿山、交通等领域中最基本的施工过程，伴随着岩石爆破开挖的进行，大量爆破碎石形成。矿岩爆破效果的好坏直接影响了矿山生产、大坝开挖建设、基础设施建设过程中爆破碎石铲装、运输、二次破碎等后续工艺的效率，同时也对评价破碎方法、研究破碎机理、决定开采方案以及选矿、放矿等至关重要的问题提供指导，为爆破参数调整、网络优化、装药结构改善提供依据。

通常可以用爆堆形状、岩块块度、有无飞石、爆破震动、爆破成本等指标对矿岩爆破效果进行衡量，其中爆堆的块度分布尤为重要。

评价爆堆岩石块度的方法基本上可划分为直接法和间接法。直接法包括应用普遍的筛分法、二次爆破岩块统计法、直接测量法。筛分法适用于筛分量小的情况，且要求精度高，但同时筛分工作会导致正常采矿、开挖作业受到干扰，成本增加。统计法与直接测量法则分别有着评价不全面和精度低的明显缺陷。间接法包括相关数据测量法、计算机模拟法、经验分布函数法和摄影测量的方法。相关数据测量法只能得到有关爆堆岩石块度的较为单一的评价指标，不能很好的反映爆堆块度分布规律；计算模拟则偏向于利用现有理论，推导并建立反映复杂瞬态爆破的数学模型，经验分布函数法目前应用较为成功，但应用范围有场地局限性，且耗财耗力。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，能够避免整体细致测量带来的繁琐工作量，有效提高测量效率、降低成本，为爆破设计和矿石运输提供反馈指导。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一.在爆堆岩石中随机选取岩石样本，装满至少三个体积互异、但形状相同的透明容器；步骤二.利用现场设备将每个透明容器都进行上下颠振，使得内装的岩石样本被振动密实，形成振动密实后的试件容器；步骤三.对每个试件容器的侧面分别进行拍照，得到相应试件容器中岩石样本的侧面投影图像，选择岩块的投影面积S、最大投影直径D、与最大投影直径垂直的投影直径d及两者的比值E作为衡量岩块块度的几何特征参量；针对待求取的粒径范围，对每个试件容器都进行块度统计，得到各个试件容器内的岩石块度情况；步骤四.将水倒入试件容器，测量各个试件容器中岩石的空隙体积，计算相应的空隙率e_i(i＝1,2…i)，同时计算出各个试件容器中岩石的自身体积V_i′(i＝1,2…i)；步骤五.利用所有试件容器中空隙率e_i与岩石块度的关系，建立空隙率e与岩石块度的关系曲线N₁；步骤六.建立岩石体积V′与相应空隙率e_i的关系曲线N₂，然后基于关系曲线N₂，以爆前岩石总体积V_总预测爆后爆堆岩石在同等振动密实条件下的空隙率e_总，再根据关系曲线N₁估算爆堆的岩石块度。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤一中，岩石样本的总体积应≥10％～15％的爆堆总体积。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤一中，所有透明容器的体积应满足线性变化关系。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤一中，每个透明容器的底面为正方形，且所有透明容器的底面大小相同，仅高度不同。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤一中，每个透明容器的边长≥10倍岩块最大直径的均值。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤三中，是对试件容器的每个侧面都进行拍照，得到侧面投影图像，然后利用摄影测量方法进行块度统计，最后获得岩石块度情况。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤一中，采用的透明容器为长方体状；在步骤三中，是对试件容器的四个侧面都分别进行拍照，得到侧面投影图像。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤四中，采用带有体积刻度的水箱测量水量变化，通过现场设备将水箱进行抬高和放低操作，利用高度差将水倒入试件容器内直至注满，通过水箱中水量变化测得相应试件容器中岩石的空隙率。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤四中，对于吸水性较强的岩石，用排水法测量空隙体积，先将试件容器中注满水，静置期间保持水满，之后将试件容器内水排出，测量排水体积，进而得到相应试件容器中岩石的空隙体积。

进一步，本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，还可以具有以下特征：当需要求取多个级别粒径范围的爆破块度分布情况，则在步骤三中统计并得到每个级别粒径范围下的岩石块度情况，在步骤五中建立每个级别粒径范围下的关系曲线N₁，在步骤六中建立每个级别粒径范围下的关系曲线N₂，再基于相应的关系曲线N₂和N₁估算每个级别粒径范围下爆堆的岩石块度，进而得到不同级别粒径范围下的爆破块度分布情况。

发明的作用与效果

本发明提供的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法，通过选取岩石样本，利用透明容器来进行拍照测量，以岩块投影的平面几何特征量代表岩块的体积分布，测量操作快捷，工作量小，保证精度与现场测量效率，降低了费用投入；通过现场向试件容器中注水与排水，可以高效、准确地确定容器空隙率，简化技术手段，方便快捷；通过构建岩块体积、空隙率、块度的之间关系曲线来预测整体块度适用于各种情况，应用范围广阔。本发明在利用现场采样统计和摄影测量的方法上，能够减少人力财力的成本投入，对后续矿石加工与处理有着预测成型和改善作用，符合工程实际要求，得到更全面的爆破质量评价。

综上，本发明可广泛应用于露天条件下矿山、水利水电、交通等领域的阶梯式或台阶爆破开挖工程，迅速、便捷地统计爆破开挖效果，能大幅提升爆破碎石处理效率，同时对爆破设计提供指导，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例中涉及的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例中涉及的装满岩块样本的透明容器的结构示意图；

图3为本发明实施例中为进行平行拍照在试件容器上设置参考尺寸标识的示意图；

图4为本发明实施例中采用水箱向试件容器中注水的操作示意图；

图5为本发明实施例中试件容器向水箱排水的操作示意图；

图6为本发明实施例中建立的表示空隙率与岩石块度分布的拟合曲线N₁的示意图；

图7为本发明实施例中建立的表示空隙率与岩石体积分布的拟合曲线N₂的示意图。

在上述图4和5中各标号含义如下：

1-水箱，2-排水管道，3-水流方向，4-阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

本实施例中，以某料场开挖为例进行说明，本次爆破共有约100m²矿石进行爆破开采，矿石吸水性差。

如图1所示，采用基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法进行操作，预测爆堆块度分布，具体包括如下步骤：

步骤一.在爆堆岩石中随机选取岩石样本，因拟定曲线至少需要三个数据点，故装满至少三个体积互异、但形状相同的透明容器，样本越多越精确。另外，所有透明容器的体积应满足线性变化关系。为减弱容器本身对其中岩块分布规律的影响，要求每个透明容器的边长≥10倍岩块最大直径的均值。选取的岩石样本的总体积应≥10％～15％的爆堆总体积。

如图2所示，在本实施例中，选取岩石样本装满了三个透明容器，体积分别为V₁、V₂、V₃，V₁＝2m³、V₂＝4m³、V₃＝6m³。每个透明容器的底面都为1.5m×1.5m的正方形，高度随体积要求改变，依次为0.89m，1.78m，2.67m。透明容器采用具备一定厚度、强度的高分子化合物制作成，可安全承载相应体积的岩块。

步骤二.利用现场设备(如装载车)将每个透明容器都进行上下颠振，使得内装的岩石样本被振动密实，形成振动密实后的试件容器。在试件容器中岩石样本也应该是处于装满的状态，振动密实过程中可往容器中补加相应岩石样本。

步骤三.对振动密实后的每个试件容器的侧面分别进行拍照，得到相应试件容器中岩石样本的侧面投影图像。本实施例中，是对试件容器的四个侧面都分别进行拍照，得到侧面投影图像。

然后，利用摄影测量方法进行块度统计，选择岩块的投影面积S、最大投影直径D、与最大投影直径垂直的投影直径d及两者的比值(伸长系数)E(E＝D/d)作为衡量岩块块度的几何特征参量；针对待求取的粒径范围，对每个试件容器都进行块度统计，四个侧面的块度分布取平均值作为各个试件容器内最终的岩石块度情况。

本实施例中，根据后续爆堆处理工序(装载、运输、二步破碎等)的岩石尺寸要求，确定分级尺寸H₁、H₂(H₁<H₂)，进行块度分布统计。则待求取的粒径范围为三个级别：小于尺寸H₁，H₁～H₂之间，大于尺寸H₂。基于摄影测量方法，得到其中粒径小于尺寸H₁的细粒含量C，粒径大于尺寸H₂的粗粒含量C′，以及粒径在H₁～H₂之间的中等粒径含量。具体地，H₁＝0.01m²，H₂＝0.02m²。

岩块侧面投影的几何特征量与岩块体积分布存在较强的线性关系，故本实施例中，采用平行投影面拍照的方法简化块度分布的统计过程，以岩石样本侧面投影的几何特征量表征岩块体积分布。可以在容器上布置参照物或者实际尺寸，以满足照片上投影图像与实际尺寸的换算要求。

本实施例中，以容器1为例，给出基于摄影测量方法所获得的具体岩石几何特征量数值(部分数据)，详见下表1。表2中直接给出试件容器1(V₁)、2(V₂)、3(V₃)的块度平均值统计结果。

表1对试件容器1一侧面拍照所获岩块几何特征参量表

表2试件容器1、2、3的块度百分比统计结果

注：S≤0.01对应第一级别粒径范围(小于尺寸H₁)的细粒；0.01<S≤0.02对应第二级别粒径范围(H₁～H₂之间)的中等粒径岩块；0.02<S对应第一级别粒径范围(大于尺寸H₂)的粗粒。

步骤四.采用注水法测量各个试件容器中岩石的空隙体积，计算相应的空隙率e_i(i＝1，2，3)，并计算出各个试件容器中岩石样本的自身体积V_i′(i＝1，2，3)。

在本实施例中，如图3和4所示，采用带有体积刻度的3m³水箱1测量水量变化，通过现场设备(如装载车)将水箱1进行抬高和放低操作，利用高度差将水倒入试件容器内直至注满，通过水箱1中水量变化测得相应试件容器中岩石的空隙率。然后，如图5所示利用高度差将水由试件容器再次排至水箱1。其余试件容器依次进行相同操作，得到所有试件容器中岩石的空隙率。下表3给出了经注水法测量得到的各个试件容器中岩石的空隙率。

表3容器空隙率

容器编号试件容器1试件容器2试件容器3空隙率(e_i)24％22％19％

步骤五.利用所有试件容器中空隙率e_i与岩石块度的关系，建立空隙率e与岩石块度的关系曲线N₁。

曲线N₁的建立原理是：具备线性变化关系的V₁、V₂…V_i容器中岩石在以本身块度分布代表爆堆整体块度分布的事件上呈现出误差线性变化的关系，即体积越大，其块度分布越接近爆堆真实值；同时不同体积样本容器对应不同的空隙率e₁、e₂…e_i，由此得到的曲线N₁可以作为以空隙率预测块度分布的依据。

本实施例中，对于第一级别粒径范围(小于尺寸H₁)的细粒，利用上述3个试件容器中空隙率e_i与岩块细粒含量，建立如图6所示的空隙率与岩块块度分布的关系曲线N₁。

采用同样的方式，建立第二级别粒径范围(H₁～H₂之间)和第三级别粒径范围(大于尺寸H₂)下的两条关系曲线N₁(图中未显示)。

另外，在图6中，A_i(i＝1,2,3)为同等体积中颗粒级配与空隙率的分布关系曲线，仅作辅助参考。

步骤六.建立岩石体积V′与相应空隙率e_i的关系曲线N₂，然后基于关系曲线N₂，以爆前岩石总体积V_总预测爆后爆堆岩石在同等振动密实条件下的空隙率e_总，再根据关系曲线N₁估算爆堆的岩石块度。

曲线N₂的建立原理是：具备线性变化关系的岩石体积V₁′、V₂′…V_i′分别对应e₁、e₂…e_i的空隙率，代表着不同原岩石体积经历爆破后，在容器中经振捣密实后的空隙率特征，以此可以推断整个爆区全部岩石经爆破、装入容器、振捣密实的空隙率e_总。

本实施例中，对于第一级别粒径范围(小于尺寸H₁)的细粒，计算3个试件容器中的岩石体积，建立如图7所示的空隙率与岩石体积的关系曲线N₂。根据N₂，由爆区岩石总体积V_总(12m³)预测得到其对应空隙率e_总(16％)，再依据N₁，预测爆堆岩块细粒含量C_总。

采用同样的方式，分别建立第二级别粒径范围(H₁～H₂之间)和第三级别粒径范围(大于尺寸H₂)下的两条关系曲线N₂(图中未显示)，进而预测对应空隙率，再预测出中等粒径岩块的含量和粗粒含量。

本实施例中，最终得出的不同级别粒径范围下的爆破块度分布情况为：爆堆岩块细粒含量为33％，中等粒径岩块的含量为43％，粗粒含量为24％。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于摄影测量和颗粒接触理论的爆破块度测量方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。