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    露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下质点峰值振速预测

    丁伟捷 刘殿书

    丁伟捷, 刘殿书, 2023. 露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下质点峰值振速预测. 地球科学, 48(5): 2000-2010. doi: 10.3799/dqkx.2022.144
    引用本文: 丁伟捷, 刘殿书, 2023. 露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下质点峰值振速预测. 地球科学, 48(5): 2000-2010. doi: 10.3799/dqkx.2022.144
    Ding Weijie, Liu Dianshu, 2023. Blasting-Induced Peak Particle Velocity Prediction of Hole-by-Hole Blasting Operation Using Digital Electronic Detonator in Open-Pit Mine. Earth Science, 48(5): 2000-2010. doi: 10.3799/dqkx.2022.144
    Citation: Ding Weijie, Liu Dianshu, 2023. Blasting-Induced Peak Particle Velocity Prediction of Hole-by-Hole Blasting Operation Using Digital Electronic Detonator in Open-Pit Mine. Earth Science, 48(5): 2000-2010. doi: 10.3799/dqkx.2022.144

    露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下质点峰值振速预测

    doi: 10.3799/dqkx.2022.144
    基金项目: 

    中央高校基本科研业务费专项资金项目 2017QL05

    详细信息
      作者简介:

      丁伟捷(1992-),男,博士研究生,从事工程爆破综合研究. E-mail:BQT2000603034@student.cumtb.edu.cn

    • 中图分类号: P315.9

    Blasting-Induced Peak Particle Velocity Prediction of Hole-by-Hole Blasting Operation Using Digital Electronic Detonator in Open-Pit Mine

    • 摘要: 针对目前露天矿爆破质点峰值振速预测研究存在模型可解释性不足、不适用于数码电子雷管逐孔起爆条件等问题,通过现场试验记录每孔爆破参数与测取爆破振动信号,结合轻型梯度提升机(LightGBM)算法与SHAP模型可解释性框架,建立了露天矿数码电子雷管逐孔起爆条件下的三轴质点峰值振速预测模型.从测试集均方根误差RMSE和拟合优度R2而言,LightGBM总体RMSE相比于支持向量机与神经网络分别降低了25.9%和28.9%,总体R2分别提高了12.7%和9.9%.LightGBM与萨道夫斯基经验公式相比,RMSE在径向X、切向Y和垂向Z上分别降低了63.4%、39.5%和68.3%,R2分别提高了18.9%、27.7%和42.4%.除方向轴变量外,监测点距离、总药量、最小排距、平均装药长度、孔径与最大孔距为对质点峰值振速影响程度最大的6个变量,其中监测点距离与质点峰值振速为负相关关系,总药量、最小排距、平均装药高度与最大孔距则与质点峰值振速呈正相关关系.

       

    • 图  1  数码电子雷管起爆网路

      Fig.  1.  Blasting circuit based on digital electronic detonators

      图  2  经验公式测试集RMSE与R2对比

      Fig.  2.  Test set RMSE and R2 of the empirical formulas

      a.RMSE; b.R2

      图  3  训练集与测试集模型总体RMSE与R2对比

      a.训练集;b.测试集

      Fig.  3.  Training set and test set RMSE and R2 of the models

      图  4  测试集模型真实值‒预测值散点图

      a.LightGBM;b.SVM;c.NN;d.萨氏公式

      Fig.  4.  Test set actual PPV versus predicted PPV

      图  5  测试集模型三轴RMSE与R2对比

      Fig.  5.  Test set triaxial RMSE and R2 of the models

      a. RMSE; b. R2

      图  6  测试集高峰值振速样本RMSE与R2对比

      Fig.  6.  Test set RMSE and R2 of the high-vibration samples

      图  7  LightGBM模型变量重要度

      Fig.  7.  Variable importance plot of the LightGBM model

      图  8  LightGBM模型变量密度散点图

      Fig.  8.  Variable beeswarm plot of the LightGBM model

      图  9  LightGBM模型单样本变量影响

      Fig.  9.  Variable waterfall plot of the LightGBM model

      表  1  爆破质点峰值振速记录例表

      Table  1.   Example sheet of recorded peak particle velocity

      监测点位置 监测点距离(m) 径向X峰值振速(cm/s) 切向Y峰值振速(cm/s) 垂向Z峰值振速(cm/s)
      宿舍楼 1 758 0.15 0.20 0.19
      办公楼 1 635 0.16 0.16 0.16
      锅炉房 1 567 0.21 0.23 0.19
      变电站 1 545 0.24 0.25 0.30
      现场1 73.7 4.11 4.17 9.65
      现场2 155.5 2.92 2.14 2.89
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      表  2  爆破参数记录例表

      Table  2.   Example sheet of recorded blasting parameters

      孔号 孔径(mm) 台阶高度(m) 孔深(m) 孔距/排距(m) 药量(kg) 装药高度(m) 填塞长度(m)
      1 250 15.7 18.2 17/9.5 687 10.9 7.5
      2 250 15.6 18.1 17/9.5 680 10.8 7.5
      3 250 15.8 18.3 17/9.5 693 11 7.5
      4 250 15.5 18.0 17/9.5 674 10.7 7.5
      5 250 15.7 18.2 17/9.5 693 11 7.5
      ······
      50 250 15.6 18.1 17/9.5 680 10.8 7.5
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      表  3  模型变量

      Table  3.   Modeling variables

      原始变量 模型变量
      质点峰值振速 对数质点峰值振速
      监测点距离 监测点距离
      孔径 孔径
      孔数 孔数
      坐标轴 径向X独热编码
      切向Y独热编码
      垂向Z独热编码
      单孔装药量 最大单孔装药量
      平均单孔装药量
      最小单孔装药量
      总药量
      台阶高度 最大台阶高度
      平均台阶高度
      最小台阶高度
      孔深 最大孔深
      平均孔深
      最小孔深
      孔距 最大孔距
      平均孔距
      最小孔距
      排距 最大排距
      平均排距
      最小排距
      装药高度 最大装药高度
      平均装药高度
      最小装药高度
      填塞长度 最大填塞长度
      平均填塞长度
      最小填塞长度
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      表  4  LightGBM超参数

      Table  4.   Hyperparameters of LightGBM

      超参数 参数取值
      迭代次数 90
      学习率 0.06
      约束系数$ \gamma $ 0.05
      约束系数$ \lambda $ 0.1
      最大叶节点数 50
      最大深度 6
      每次迭代选用变量比例 1
      直方图离散区间最大数目 255
      直方图离散区间最小样本数 3
      叶节点最小Hessian值之和 1e-3
      数据重抽样步长 5
      数据重抽样比例 0.5
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      表  5  SVM超参数

      Table  5.   Hyperparameters of SVM

      超参数 参数取值
      核函数形式 径向基核函数RBF
      RBF核函数gamma值 0.05
      惩罚系数 4
      容忍度 1e-3
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      表  6  NN超参数

      Table  6.   Hyperparameters of NN

      超参数 参数取值
      激活函数形式 tanh
      隐含层神经元个数 30
      隐含层层数 4
      L2正则项系数 1e-4
      学习率 1e-3
      容忍度 1e-4
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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-04-15
    • 网络出版日期:  2023-06-06
    • 刊出日期:  2023-05-25

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