CC BY
11TECHNICAL SCIENCES
1НТЕЛЕКТУАЛЬНИЙ МОН1ТОРИНГ ВИБОРУ I ОБГРУНТУВАННЯ ФОРМИ ЗАРЯДУ ДЛЯ ЕФЕКТИВНОГО ВИБУХОВОГО РУЙНУВАНННЯ Г1РСЬКИХ ПОР1Д У КАР'СРАХ
Коновал В.М.
Кандидат техтчних наук, доцент, каф. промислового та цившьного будгвництва Черкаського державного технологгчного унгверситету, Украша ORCID. org/ 0000-0002-6740-6617 Голуб С.В.
Доктор технгчних наук, професор каф. програмного забезпечення автоматизованих систем Черкаського державного технологгчного унгверситету, Украша
ORCID.org/0000-0002-5523-6120
INTELLECTUAL MONITORING OF CHARGE FORM CHOICE AND JUSTIFICATION FOR EFFECTIVE EXPLOSIVE BREAKDOWN DESTRUCTION IN QUARRIES
Konoval V.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor kaf. Industrial and civil construction
Cherkassy State Technological University, Ukraine ORCID. org/ 0000-0002-6740-6617 Holub S.
Doctor of Technical Sciences, Professor, kaf. Software for automated systems Cherkassy State Technological University, Ukraine ORCID.org/0000-0002-5523-6120 DOI: 10.5281/zenodo.6532881
АНОТАЦ1Я
В стап наведено результата моделювання дроблення твердого середовища зарядами вибухових речо-вин рiзноl форми перерiзу за рiзними умовами !х динамiчного навантаження. За результатами руйнування твердого середовища виконано обгрунтування рацюнально! форми заряду шляхом прогнозування розпо-дшу гранулометричного складу зруйнованих моделей за рiзними умовами !х динамiчного навантаження з використанням технологи iнтелектуального мониторингу результатiв руйнування твердого середовища. Для отримання шформацп iз масиву чисельних характеристик результатiв спостережень побудовано мо-делi за багаторядним алгоритмом МГУА.
ABSTRACT
The article presents the results of modeling the crushing of solid media by charges of explosives of different cross-sectional shapes under different conditions of their dynamic loading. Based on the results of solid medium destruction, the rational form of charge is substantiated by predicting the distribution of particle size distribution of destroyed models under different conditions of their dynamic loading using the technology of intelligent monitoring of solid medium destruction results. To obtain information from the array of numerical characteristics of the results of observations, models were built according to the multi-row algorithm of GMDH.
Ключовi слова: модель, заряд вибухово! речовини, вибух, гранулометричний склад, штелектуальний мошторинг, МГУА.
Keywords: model, explosive charge, explosion, particle size distribution, intelligent monitoring, GMDH.
Постановка проблеми. Процеси прничого виробництва за технолопчною ознакою можна роз-дшити на три основш групи: тдготовка прничо! маси до вшмки, вшмково-навантажувальш та тран-спортш роботи, а також переробка корисних копа-лин (механiчне дроблення, подрiбнення та збага-чення).
Першим ^ в основному, визначальним проце-сом, що впливае на ефективнiсть екскаваци, транс-портування та переробки корисних копалин, е бу-ропiдривнi роботи (БПР). При цьому буровi роботи вщносяться до найбiльш консервативних, що ви-значено типом iснуючих бурових верстапв, i ввдпо-вiдним дiаметром свердловин на кар'ерах, як правило, !х не змiнюють протягом усього термiну екс-плуатацii родовища. Разом з тим, для управлшня
енергiею вибуху та забезпечення яшсного дроблення гiрських порiд дiаметр заряду (свердловини) мае велике значення. Таким чином, рiвень шдгото-вки гiрничоi маси при iснуючому буровому облад-наннi, з урахуванням властивостей порщ що руй-нуються (мщносп та iх структурних особливостей) залежить, перш за все, вiд ефективносп вибухових робiт. Вони включають широкий комплекс засобiв i технологiчних операцш, а саме: вибiр типу вибухових речовин (ВР) та засобiв iнiцiювання, дiаметр i конструкцiю свердловинного заряду ВР, схеми шщшвання, що обумовлюють взаемодiю окремих зарядiв ВР та iх груп, умови тдривання (рiвень об-водненостi масиву порщ наявнiсть пiдпiрноi сть нки), тип застосовуваноi набивки.
Тому вибip i обIpyнтyвaння yдосконaлениx констpyкцiй свеpдловинного зapядy e одшею iз умов ствоpення сyчaсниx pесypсозбеpiгaючиx ви-бyxовиx теxнологiй pyйнyвaння ripcbRHx поpiд склaдноï будови нa rap'epax pyдниx i неpyдниx ко-pисниx копaлин.
Анaлiз останшх дослiджень та публжацш. Як вiдомо, знaчнa чaстинa енеpгiï вибyxy витpaчa-еться в зош, що безпосеpедньо пpимикae до зapяд-но1' поpожнини (зaзвичaй 2-3 paAiycy зapядy), де вь дбyвaeться пеpездpiбнення твеpдого сеpедовищa, що веде до втpaт коpисноï копaлини га кap'epax бу-дiвельниx мaтеpiaлiв.
Pегyлювaння величини питомо1' енеpгiï вибyxy ^и pyйнyвaннi ripcbRHx поpiд, як доведено у pо-ботi Gфpемовa Э.И. [1], можливо piзними шляxaми. Зокpемa, це досягaeться зa paxyнок змши площi безпосеpеднього контaктy свеpдловинного зapядy вибyxовиx pечовин (BP) з поpодою, що pyйнyeться, aбо ствоpення умов, що зaбезпечyють зниженню динaмiчного впливу вибyxy нa повеpxню зapядноï поpожнини [1-3].
Для ефективного yпpaвлiння дieю вибyxy не-обxiдно вpaxовyвaти, що межa мiцностi ripcbRHx поpiд га pозтягaння i зpyшення пpиблизно в 10 pa-зiв менше зa межу мiцностi ripcbRHx поpiд га стис-кaння. А оскiльки енеpгоeмнiсть pyйнyвaння твеp-диx сеpедовищ пpопоpцiйнa квaдpaтy ïx меж1 мщ-носп пpи конкpетномy виду нaвaнтaження, то енеpгоeмнiсть pyйнyвaння твеpдиx сеpедовищ pоз-тягуючими зусиллями в 100 paзiв меншa зa енеpго-eмнiсть pyйнyвaння пpи дй' стискaючиx нaпpyжень. ^и цьому коpиснa дiя вибyxy цилiндpичниx зapя-дiв пpи pyйнyвaннi ripcbrax поpiд може бути шдви-щега шляxом pегyлювaння величини питомо1' енеp-riï BP зa його довжиною у поeднaннi зi збiльшенням pолi pозтягyючиx нaпpyжень в твеpдомy сеpедо-вищi, що pyйнyeться пpи викоpистaннi подовжениx комбiновaниx зapядiв: pозосеpеджениx iнеpтними, повiтpяними тa водними пpомiжкaми, змшного дia-метpy по висотi колонки тa piзноï фоpми попеpеч-ного пеpеpiзy.
З вище скaзaного юнуе низкa способiв фоpмy-вaння свеpдловинниx зapядiв, як по його довжиш, тaк i у попеpечномy пеpеpiзy. Зокpемa, це:
- фоpмyвaння по висоп зapядноï поpожнини сyцiльноï констpyкцiï свеpдловинниx зapядiв BP [4];
- ствоpення у пpобypениx цилiндpичниx поpо-жнинax pозшиpениx дiлянок дiaметpом б№шим зa дiaметp пеpвинноï поpожнини [5-6];
- pозтaшyвaння всеpединi зapядноï поpожнини сyцiльноï колонки BP в полiетиленовиx оболонкax змiнного дiaметpy, у фоpмi конyсa як1 поступово зменшуються в дiaметpi до гиpлa свеpдловини i з piзною конфiгypaцieю попеpечного пеpеpiзy [7-8];
- pозтaшyвaння всеpединi зapядниx поpожнин поpожнистиx тa iншоï фоpми фiгyp з iнеpтниx мa-теpiaлiв [9-10].
- зaстосyвaння свеpдловинниx зapядiв, pозосе-pеджениx повiтpяним пpомiжком [11-13].
Haйбiльшого пошиpення пpи вiдбiйцi rip^rax поpiд нa кap'epax нaбyли свеpдловиннi зapяди BP
сyцiльноï констpyкцiï, що пояснюеться с^ощен-ням опеpaцiй тд чaс ïx фоpмyвaнню. Основний не-долiк сyцiльного свеpдловинного зapядy полягае в тому, що пpи вибyxy тaкого зapядy pyйнyвaння по-pоди вiдбyвaeться безпосеpедньо пpи контaктi з зa-pядом BP. Pоботy зapядy, pозосеpедженого i^p^ ним мaтеpiaлом, вiдбyвaeться як дiя двоx сaмостiй-нт зapядiв. Хapaктеp pyйнyвaння гipськиx ropiA у цьому випaдкy подiбнa до pyйнyвaння, що вiдбyвa-еться ^и вибyxy зapядy BP сyцiльноï констpyкцiï [14]. Haявнiсть iнеpтноï нaбивки yсклaднюe iKrep-феpенцiю вибyxовиx xвиль мгж сум1жними чaсти-нaми pозосеpедженого зapядy, у pезyльтaтi якого коефiцieнт викоpистaння енеpгiï вибyxy тдвищу-еться в незгачнш мipi.
Одним iз способiв бiльш ефективнiшого вико-pистaння енеpгiï вибyxy пpи pyйнyвaннi гipськиx ropw е зaстосyвaння свеpдловинниx зapядiв, pозо-сеpеджениx повiтpяним пpомiжком [11-13]. ^и ствоpеннi в свеpдловинномy зapядi повiтpяниx ^о-м1жк1в можнa не пльки знизити yдapний пiк тиску зa paxyнок повiтpяниx поpожнин, a й зб№шити чaс дiï вибyxy га мaсив, a тaкож нaпpyженiсть поpоди зa paxyнок взaeмодiï yдapниx xвиль, що pозповсю-джуються по мaсивy поpiд вiд двоx pозосеpеджениx чaстин зapядy пpи одночaсномy ïx iнiцiювaнню. Удapнa xвиля, що pyxaeться в свеpдловинi, не тiльки зaбезпечye всьому пpоцесy динaмiчнiсть, a й безпеpеpвно пеpедae в сеpедовище свою енеpгiю, що i визнaчae пiдвищення штенсивносп дpоблення гipськиx поpiд.
Ефективнiсть свеpдловинниx зapядiв, pозосе-pеджениx повiтpяними пpомiжкaми доведенa бaгa-тоpiчною пpaктикою вибyxовиx pобiт, як у кap'e-pax, тaк i у пiдземниx yмовax пpи вiдбiйцi поpiд pi-зноï' мiцностi.
Ha жaль, метод пiдpивaння свеpдловинниx зa-pядiв, pозосеpеджениx повгфяними пpомiжкaми, не отpимaв подaльшого pозвиткy чеpез склaднiсть фоpмyвaння повiтpяниx пpомiжкiв тa збiльшення обсягiв видобутку обводнент гipськиx поpiд.
У той сший чaс, для кap'epiв неpyдноï' ^оми-словостi зменшення площi контaктy BP i поpоди, що pеaльно досягаеться пiд чaс ствоpення повiтpя-нт пpомiжкiв, дуже aктyaльно з позици зменшення виxодy дpiбниx (пеpездpiбнениx) фpaкцiй. Bиpi-шення цieï пpоблеми в yмовax кap'epiв Докyчaeвсь-кого флюсо-доломггного комбiнaтy стaло можли-вим тсля ствоpення спецiaльного зaмикaючого пpистpою кyмyлятивноï' дiï [15]. Bипpобyвaння пpоводилися тд чaс вiдбiйки необводнениx гipсь-кж поpiд. Bстaновлено, що виxiд фpaкцiï' дpоб-лення менше 200 мм га дiлянкax з викоpистaнням свеpдловин з повiтpяними пpомiжкaми, зa piвниx умов пiдpивaння (мiцнiсть поpiд тa питомa витpaтa BP), нa 5-14 % нижче, нiж нa дiлянкax свеpдловин iз зapядом сyцiльноï' констpyкцiï. Пpи цьому було зaбезпечено високу як1сть дpоблення поpiд нaвiть ^и зменшенню нa 10-15% питомиx витpaт BP нa експеpиментaльниx дiлянкax, що дозволило зa pa-xyнок зменшення чaстки неpегyльовaного дpоб-лення га piвнi нaбивки знизити в 1,2-1,3 paзи виxiд
негабариту, обсягу перездрiбнених порщ i тим самим пилогазових викидiв в атмосферу кар'ерiв.
В останш роки з'явилися реальнi способи та за-соби формування повиряних промiжкiв при вщ-бiйцi обводнених прських порвд [16], як1 пройшли випробування на гранiтних кар'ерах.
Роль основних руйнуючих чинник1в пiд час ви-буху (хвиль напружень i газоподiбних продуктiв детонацп) залежить вщ структури гiрських порiд. За наявносл води у твердому середовищi iз суцшь-но1 структури пiд час вибуху знижуеться амплiтуда тиску на контакт з ВР. Однак зi збiльшенням обсягу заряднох' порожнини пвд дiею ударноi хвилi (далi - УХ) тиск в обводненому середовищi може виявитися вищим, нгж у необводненому, що може призвести до збiльшення загального обсягу зруйно-ваного середовища. I не дивлячись на те, що напру-ження у хвилi стискання в обводнених середови-щах вище, шж у необводнених, на практищ спосте-ртаеться погiршення дроблення порiд вибухом.
При цьому розв'язання проблеми штенсифжа-ци дроблення порiд, як зазначалося вище, у верхнш частинi уступу на рiвнi набивки, можна здшсню-вати за рахунок розосередження колонки заряду ВР шертними промiжками iз бурового шламу, ввдаву, глини або повпряним i водним промiжком [4].У мь сцях розташування iнертних промiжкiв, внаслщок зниження тиску продуктiв детонацii на стшки заря-дно1 порожнини, руйнуюча д1я вибуху знижуеться, що ютотно важливо для пiдприемств нерудно1' про-мисловостi.
Так у роботi [17] встановлено, що вплив на пр-ський масив подовжених цилiндричних зарядiв ха-рактеризуеться величиною питомо1' енерги, що при-падае на одиницю його бiчноi поверхнi. Це означае, що зi збiльшенням дiаметра порожнини руйнуюча здатшсть заряду зростае. Однак це мае мюце тiльки при забезпеченш умов повного замикання заряду ВР у середовищ^ що руйнуеться. Для свердловин-них зарядiв, що мають вихiд на денну поверхню, зi збiльшенням дiаметра заряду рiзко погiршуеться замикання 1х набивкою, внаслвдок чого знижуеться коефiцiент корисно1' дп енергii вибуху. Це призво-дить до попршення якостi вибухового дроблення та опрацювання пiдошви уступу.
Таким чином, тдвищити корисну дiю вибуху при руйнуванш гiрських порiд можна використову-ючи заряди свердловин, розосереджених як пови1-ряним, так шертним пром1жком, iнертним кшьце-вим i зазором мiж поверхнею ВР i стiнкою свердло-вини [18]. При цьому маса ВР у свердловиш зменшуеться, проте запасу енергп може бути доста-тньо для руйнування породи. При цьому тдви-щення ефективносп ди вибуху досягаеться за рахунок збшьшення часу дп вибуху на масив та його рь зноградiентного навантаження по довжиш заряду. Чим бiльша поверхня контакту заряду ВР та породи, тим б№ша частина енергп вибуху викорис-товуеться на руйнування породи. Тодi поверхня контакту породи з зарядом постшно1' маси залежить ввд форми поперечного перерiзу i щiльностi ВР, яким заповнена свердловина. Збшьшення поверхш
заряду постiйного об'ему та маси досягаеться за рахунок зменшення дiаметра заряду, що призводить до полiпшення дроблення прсько1' породи.
Цей ефект реалiзований, зокрема, при застосу-ваннi подовжених зарядiв змiнного дiаметру [7-8]. При цьому заряди формуються шляхом розмiщення в пробурених свердловинах полiетиленових оболо-нок (рукавiв) змiнного дiаметру, заповнених ВР. При змш дiаметра заряду ВР змiнюеться енергiя, що трансформуеться в масив прських порвд, вини-кае рiзноградiентне поле напружень, в якому зростае роль напружень розтягання при руйнуваннi породи. Ефективнють таких зарядiв пiдтверджено при ввдбшщ гiрських порiд в умовах залiзорудних та флюсових кар'ерiв Украi'ни.
Свердловинш заряди змiнного дiаметру фор-мувались за допомогою полiетиленових рукавiв, дь аметр рiзних дiлянок яких становив 180 та 250мм. Досл1дження показали, що використання зарядiв ВР змшного дiаметру, при скороченнi витрати ВР на 10-15%, забезпечило полшшення руйнуючо1' дii вибуху свердловинних зарядiв за рахунок шдви-щення ролi напружень розтягання, а саме до зни-женню обсягу перездрiбнених фракцiй, що дуже важливо для кар'ерiв нерудно1' промисловостi.
Пошук рацiональноi конструкцп свердловин-ного заряду для тдвищення ефективностi вибухо-вих робiт призвiв до створення вдосконаленого способу котлових розширень по висотi свердло-вини [6]. Реалiзацiя нового способу вперше була здшснена в умовах кар'ерiв ПiвдГЗК. Свердловини з котловими розширеннями були створенi за допомогою верстапв вогневого бурiння. Надалi були спроби формуванню котлових розширень мехашч-ним способом, проте вони не набули розвитку. Мо-жливiсть забезпечити яшсне дроблення порiд при зменшенш витрат ВР сприяла пошуку нетрадицш-ного способу створення котлових розширень у све-рдловинних зарядах плазмовим способом [5].
Ршення сформульованих вище проблем пот-ребуе впровадженню невiдкладних заходiв щодо вдосконалення iснуючих та розробцi нових техшч-них рiшень по ефективносп вiдбiйки мiцних гiрсь-ких порвд складно1' будови з урахуванням прничо-технiчних та гiдрогеологiчних умов розробки кори-сних копалин.
У зв'язку з цим дослiдження, пов'язанi з вибо-ром i обгрунтуванням ново1' конструкцii свердло-винного заряду, наприклад, змiнноi форми поперечного перерiзу е основою рацiональних технологiч-них параметрiв нових ресурсозберiгаючих способiв ввдбшки гiрських пор1д, що базуються на враху-ваннi трiщино-тектонiчноi будови масиву i анiзот-ропii 1'х фiзико-механiчних властивостей, залиша-ються актуальними i на теперiшнiй час.
Мета та постановка завдання дослщжень. Метою роботи е проведення iндуктивного моделю-вання пiд час процесу iнтелектуального мониторингу результатiв експериментальних дослiджень по вибору i обгрунтуванню конструкцii подовженого заряду ВР рiзноi' форми поперечного перерiзу з по-дальшим прогнозуванням якостi гранулометрич-
ного складу зруйнованого вибухом твердого сере-довища. Для досягнення мети буде проведено ком-плексш дослiдження на шдготовлених структурно-однорщних пiщано-цементних моделях кубiчно! форми по оцщщ характеру руйнування твердого се-редовища пiд дieю вибуху зарядiв ВР рiзно! форми поперечного перерiзу та за рiзними умовами пере-дачi енерги вибуху. За результатами дробления моделей i отримано! шформацп iз масиву чисельних характеристик результапв спостережень будуть по-будоваш моделi за багаторядним алгоритмом МГУА, як1 вiдобразять залежиостi цiльового показ-ника вiд ознак, що характеризують умови та результата проведених вибухiв. Перелiк ознак та шльшсть спостережень визначено експертним шляхом.
Виклад основних результат. Прогнозування розподшу граиулометричного складу проду-ктiв руйнування отримало широке поширення при виршенш практичних завдань видобутку, транспо-ртування i переробки корисних копалин [19]. Воно базуеться на принципах математичного моделю-вання, тобто вивчення за допомогою математичних моделей явищ, процесiв i !х результатiв. При цьому метод математичного моделювання все бiльше за-стосовуеться для прогнозування й оцшки ймовiрно-стi отримания виходу кондицшних кусков (фракцiй) певних класiв у ввдбитш гiрничiй масi чи !х усеред-нених показник1в при веденш БПР, механiчному руйнуваинi та подальшому !х подрiбненню i пере-робщ.
Щоб прогнозувати вихiд фракцiй, який отримано пiсля вибуху залежно вiд конструкцп заряду ВР було проведено моделювання за одним iз iндук-тивних методiв - методом групового урахувания аргументiв [20]. Перелш впливових факторiв та !х ознак був визначений експертним шляхом.
Процес моделювання з метою прогнозування i керування гранулометричним складом продуктiв руйнування, виходячи з основних уявлень математики, можна роздiлить на три етапи [21].
Перший етап - побудова моделей, що взаемо-пов'язують основш розмiрнi (чи безрозмiрнi) пара-метри шматков iз фiзичними чи статичними параметрами процесу.
Другий - дослвджения й аиалiз полiномiальноl моделi з метою отримания вихщних даних за розмь ром шматка для подальшого !х порiвияння з результатами процеав, що вивчаються на практицi.
Третш етап з'ясовуе, чи задовольняе прийията гiпотетична модель обраному критерiю, тобто чи узгоджуються результати практичних спо-стережень гранулометрп з результатами моделювання iз прийнятною точнiстю спостережень.
Як1сть руйнування прських порiд вибухом ви-значаеться значною шльшстю пов'язаиих м1ж собою факторiв, рiвнi яких iстотно варшють [22]. Вона залежить, як ввд головних факторiв, обумов-люючих фiзичнi закономiрностi утворення кусков,
так i другорядних факторiв - випадкових, що характеризують вщхилення ввд цих закономiрностей, яш визначають статистичний характер процесу руйнування прських порвд вибухом.
Для оргашзаци спостережень за результатами вибухових робгг у кар'ерах нерудних корисних копалин експертним шляхом був визначений перелш основних умов: фiзико-механiчнi властивосп по-рiд, !х трiщинуватiсть рiзних рiвнiв, тип ВР, пара-метри розташування зарядiв ВР у масивi i кiнцевi результати вибуху. Зпдно наведених умов побуду-емо модель для прогнозування розподшу грануло-метричного складу пщрвано! прсько! маси.
Для обгрунтування та подальшого прогнозування гранулометричного складу продукпв руйнування твердого середовища i порiвняння !х з ре-зультами вибуху на уступi кар'еру в залежносп вiд конструкцп заряду ВР i умов передачi енерги вибуху було проведено 6 серш експериментальних дослiджень на моделях в полтенних умовах кар'еру «Овач» Корсунь-Шевченшвського РУ зп-дно розроблено! методики дослщжень [23].
Моделi для дослвджень виготовлювалась iз ш-щано-цементно! сумiшi з добавлянням води при !х-ньому спiввiдношеннi 1:1:0,5. Для виготовлення одше! частки моделей заповнювачем служив мш-кий рiчковий пiсок, а затворювачем - цемент марки М400. 1нша частка моделей виготовлювалась iз за-повнювача - мiлкий рiчковий пiсок + гранiтний ввд-сш дiаметром фракцiй 5-10 мм i затворювача - цемент марки М400 + вода при сшвввдношенш ком-понентiв 1:1:1:0,5.
Щдготовлене цементне псто заливали в спець альш залiзнi форми з розмiром ребра 150х150х150 мм. В центрi кожно! моделi в процесi Ii виготовлення формували заряднi порожнини розмщенням вставок дiаметром 16 мм на глибину 80 мм. Пiсля отримання 30 % мiцностi моделей !х виймали з форми i витримували на повiтрi до набрання максимально! мiцностi зпдно дшчих Держстандартiв. Для експериментiв було виготовлено 18 моделей по 3 шт. для кожно! сери експерименпв + одна для пробного вибуху [24]. Разом з виготовленням основних моделей виготовлялись зразки для оцшки фiзико-мехашчних властивостей середовища, що руйну-еться зпдно дшчих Держстантарпв.
Для руйнування пiдготовлених моделей i про-ведення 6-ти серш експериментальних дослщжень виготовлювали конструкцй' заряду ВР рiзноi форми у виглядi гiльзи iз картону трикутно!, квадратно! форми i у виглядi кола в перерiзу. В пiдготовленi пльзи розмiщували вибухову речовину «Компо-лайт ГС-6» вагою 2 г з шщатором - капсулем-де-тонатором, з'еднаною з неелектричною системою iнiцiювання (НС1) «1мпульс». Зовнiшнiй вигляд за-рядiв наведено на рис. 1
I
^J ÜJ LiJJ
ova
а б в
а - заряд постшного перергзу; б - заряд в перергзу у форм1 трикутно '1 призми; в - заряд в перергзу у
форм1 квадратноi призми; Рис. 2. Конструкци заряд1в ВР рiзноi форми перергзу для пгдривання моделей
Сформоваш конструкци зарядiв ВР розмiщу-вали в заряднш порожниш моделей з рiзними фь зико-мехашчними властивостями i умовами пере-дачi енерги вибуху руйнуючому середовищу. Цi умови були наступними.
Простiр навколо гiльз зарядiв трикутно! i квадратно! форми заповнювали пiском, водою i зали-шали зазор з повiтряним промiжком, а кругло! форми безпосередньо в контакп з поверхнею зарядно! порожнини. Пiдготовленi моделi розташовували в вибуховш камерi внутрiшня поверхня яко! футерована вакуумною гумою i шдривали. Пiдривання за-рядiв здшснювалось вибуховим приладом конден-саторним типу П1В 100.
Зруйновану модель iз камери струшують в ем-шсть i далi в лабораторних умовах проводять дос-лiдження гранулометричного складу зруйнованих вибухом моделей методом ситового аналiзу за ввдо-мими методиками [25] з використанням набору лабораторних сит типу СЛ-200 №58 та аналiзатору ситового А30.
На основi отриманого розподiлу гранулометричного складу зруйнованих вибухом моделей був сформований масив вхщних даних для шдуктив-ного моделювання iз застосуванням методу групо-вого урахування аргуменпв (МГУА).
МГУА використано як метод побудови iндук-тивно! моделi та ввдображенш у !! структурi власти-востей дослвджуваного об'екту. При оргашзащ! спостережень за об'ектом експертним шляхом фор-муеться словник ознак - перелш показникiв, як1, як вважають експерти, виключно характеризують стан об'екта. Часто до словника ознак заносяться п по-казники, як1 вже використовуються у визнаних методиках i вже довели свою шформативнють. Експертним шляхом визначаеться також перелж стану об'екту та кшьшсть спостережень об'екту у кожному станг Пiсля проведення спостережень шфор-мащя про об'ект вiдображена у масивi результатiв - чисельними значеннями ознак об'екту у рiзних його станах, який отримав назву первинного опису
(ПО). ПО мае форму двовимiрноi таблищ, яку утво-рюють вектори чисельних значень результапв спостережень - показнишв словника ознак. Назва сто-впчик1в е iменами ознак. Кожен вектор е точкою спостереження у багатовимiрному просторi ознак [26].
Наступним етапом перетворення ще! шформа-цii' е ввдображення ii у структурi моделi. Вщобра-ження властивостей об'екта ввдбуваеться у процес застосування алгоритму синтезу моделi (АСМ) [26]. За методом, на якому будуеться АСМ, визна-чають тип моделювання - математичне, статисти-чне, iмiтацiйне, iндуктивне та багато iнших. Метод групового урахування аргументiв (МГУА) [27] - це метод глибинного навчання, що використовуеться для iндуктивноi побудови ieрархii, як правило, по-лiномiальних моделей, за ПО, поданого у формi двовимiрно! таблицi. За допомогою цього методу виявляеться та аналогично подаеться залежнiсть од-ше! iз ознак масиву результатiв спостережень ввд iнших ознак цього масиву [28].
Алгоритми МГУА реалiзують процес масово! селекцii моделей за наперед заданими критерiями якостi. Початкова популяцiя моделей генеруеться у формi комбiнацiй одше!, двох та бiльше ознак об'екта або процесу, за якими вщбувались спостереження. Таким чином словник ознак надае змiннi, за якими будуються опорнi форми моделей, або опорш моделi. Вид опорних форм визначае структуру остаточно! моделi оптимально!' складностi, як1 е результатом роботи АСМ МГУА.
Зпдно iз теоремою Стоуна-Веерштрасса [29] неперервну на сшнченному iнтервалi функцiю мо-жна подати з достатньою точнiстю у виглядi полi-нома певного ступеня. Тому МГУА використовуе полiноми як форму опорно! моделт
Опорнi форми моделей будуються на основi дискретного аналогу ряду Вольтерри - ряду Вшера [30]:
x2, ■■■ , Xn)
= ao
П
+ ^ ^¿Х;
¿ = 1 n n
i = 1 7 = 1 n n n
+ ^ ^ ^ aijkxixj xk +
(1)
i=1 j=i k=1
Опорш моделi e ненавченими, оск1льки для ко-жно! точки спостереження значения змiнних у них BWMi i3 ПО, а значения постшних коефiцieнтiв при цих змшних e неввдомими. Навчити модель означае визначити значення коефiцieнтiв при змшних мо-делi. МГУА мае кшька десятков процедур навчання моделей, тобто кшька АСМ МГУА [27]. Серед най-поширешших - багаторядний та комбiнаторний АСМ МГУА.
Вперше процедуру навчання моделi, побудова-но! за формою ряду Вiнера (1), шляхом шдлашту-вання значень коефщенпв "а" до динaмiки часового ряду, застосував Д. Габор для передбачення майбутнього значення ознаки за 11 юторичними значенными [31]. Цей метод синтезу прогнозних моделей отримав назву «Передбачаючий ф№тр». Цей пiдхiд був використаний О.Г. 1вахненком для навчання моделей при створенш МГУА [32]. Опорною формою прогнозуючого фiльтрa використоно окре-мий випадок ряду Вiнерa (1), полшом Колморо-гова-Габора 2 ступеня (2):
У = + а1Х1 + а2х2 + 0.3X1X2 +
24X1 + а5х2 + ^6Х1Х2 + Х7Х1Х2 +
22
Ху у
8Л1Л2 ,
(2)
де x1x2 - комбшац1я поеднань змiнних iз словника ознак.
У цш роботi використовувався багаторядний
АСМ МГУА [27]. ПО розбиваеться на 2 послвдов-
носп точок спостереження. Послвдовшсть <«4» ви-
користовуеться для навчання моделей, послвдов-
нiсть точок «В» - для випробування цих моделей. Використовуючи опорш форми, генеруеться перший ряд моделей для селекци. Структура кожно! моделi (перелiк змiнних та послвдовшсть арифме-тичних дiй над ними) задаеться опорною формою. Змiннi ввдбираються iз словника ознак. Число вах комбiнaцiй змiнних визначае, ск1льки моделей буде згенеровано для побудови ряду селекци.
Шсля побудови ряду селекци ми отримуемо множину ненавчених моделей. Для навчання кожно! моделi використовуеться послвдовшсть дш, описана в [31]. Використовуючи послвдовшсть точок спостереження «Л», формуеться система умов-них рiвиянь, застосовуеться нормaлiзaцiя, система нормальних рiвиянь розв'язуеться одним iз станда-ртних методiв (наприклад за методом Зейделя),
розв язки системи нормальних рiвнянь дають значення коефщенпв при змiнних для задано! моделт Таким чином процес навчання моделi завершений.
Пiсля цього кожна модель випробовуеться на послiдовностi точок «В». За результатами випробу-вань розраховуеться критерiй якостi моделi. 1снуе калька критерi!в якостi моделi [27]. В залежносп вiд завдання, яке виконуе модель, та шформативносп результaтiв спостережень ПО пiдбирaeться най-бiльш адекватний критерiй якостi. Наприклад, кри-терiй регулярностi розраховуеться як середне квад-ратичне вiдхилення (СКВ) результапв моделю-вання ввд дшсних значень модельованого показника у ПО на послвдовносп точок спостереження «В». Результатом випробування моделi е значення критерш !! якосп. За цим критерieм моделi ранжуються. Ранг 1 присвоюеться моделi iз «най-кращим» значенням критерiю якосп (у випадку iз критерieм регулярносп найкраще - це найменше значення СКВ). Таким чином ввдбулась побудова множини моделей, як iдентифiкують функцюна-льну зaлежнiсть:
Y = fX),
Y = {У1, У2, ..., Ут}, (3)
X = (xi, Х2,..., Хп},
де т - число моделей, що утворюють ряд селе-кцi!; п - число змшних у словнику ознак.
Наступним етапом багаторядного алгоритму МГУА е вiдбiр моделей для генераци вищого ряду селекцi! моделей. Ввдбираеться задане число моделей, найвищих за рангом, та перевiряeться критерiй зупинки процесу генерaцi! вищого ряду селекци. 1с-нуе калька критерi!в зупинки селекцi!. Використо-вуються характеристики модел^ яка мае ранг «1», або характеристики множини моделей, яш утворю-ють весь ряд селекци. Процес селекци зупиняеться, якщо характеристики моделей вищого ряду селекци е пршими за характеристики моделей поперед-нього ряду. Значення критерш зупинки селекци по-чинають контролювати, починаючи з другого ряду.
Якщо селекц1я моделей не зупинена, ввдбува-еться генеращя моделей наступного ряду. Процес такий же як i генерaцiя моделей першого ряду, iз тieю вiдмiннiстю, що у якосп змшних виступають вже «кращЬ» моделi попереднього ряду: 2 = f(Y),
Z = {zi, Z2, ..., zk}, (4)
Y = {yi, У2, ..., yi},
де k - число моделей наступного ряду; l - число кращих моделей попереднього ряду.
Шсля спрацювання критерш зупинки селекци, АСМ повертаеться на попереднш ряд, видибае модель iз рангом «1», конструюе !!, виражаючи через змшш словника ознак множини "X". Модель готова для використання.
За допомогою багаторядного АСМ МГУА було проведено дослвдження по розв'язанню зaдaчi функцiонaльно! зaлежиостi виходу гранулометрич-ного складу зруйновано! вибухом цементно-шща-них моделей вiд конструкци i форми заряду ВР та побудовано математичну модель процесу руйну-вання. По результатам моделювання, яш отримaнi в
кожнш точщ моделювaння (певнa комб^щя фaк-торiв) побyдовaнi зaлежностi орипгальних знaчень розподiлy грaнyлометричного склaдy зрyйновaниx ви6ухом цементно-пiщaниx моделей в порiвняннi з
прогнозними оцiнкaми виходу рiзниx фрaкцiй тa динaмiкy покaзникiв y дослiджyвaномy дiaпaзонi (рис. 2-5).
Pue. 2. Buхiд фракци 0-5 мм
Pue. 3. Buхiд фракцИ' 5-20 мм
Pue. 4. Buхiд фракци 20-40 мм
Рис.5. Buxid фракци 40-70 мм
Висновки. Для проведения експерименпв в полтенних умовах використано розроблену методику дослiдження на моделях, яка складаеться з етатв пiдготовки твердого середовища i руйну-вання його енергiею вибуху зарядами ВР рiзноl фо-рми перерiзу. На основi отриманих статистичних даних розподiлу гранулометричного складу зруй-нованого вибухом твердого середовища з подаль-шим його прогнозуванням побудовано за допомо-гою багаторядного алгоритму МГУА математичну модель процесу руйнування. На основi побудова-них залежностей виконано порiвняння результатiв iндуктивного моделювання та результата натурних експериментiв у полiгонних умовах на моделях i шдтверджено !х задовiльну збiжнiсть, яка не пере-вищила 5-6 %.
За результатами моделювання встановлено, що iнтенсивнiсть руйнування моделей при постш-нiй май заряду ВР залежить ввд Г! форми перерiзу та умов передачi енергi! вибуху через пром1жне се-редовище - повiтря, вода, тсок, яким заповнено простiр м1ж поверхнею колонки заряду та поверх-нею зарядно! порожнини.
Застосування технологи формування свердло-винних зарядiв iз регульованою енергiею вибуху шляхом змши площi контакту ВР зi стiнками свер-дловин, що передаеться породi через одиницю бiч-но! поверхнi заряду, зумовлюе формуванню в цш зонi рiзноградiентних здвигових i напруження роз-тягання зi змщенням !х у часi i простор^ що забез-печуе рiвномiрностi дроблення породи, зниження об'ему перездрiбнених фракцш i витрат на вибу-ховi матерiали та сприяе отриманню реального еко-номiчного ефекту при розробщ нерудних корисних копалин Укра!ни.
Лiтература
1. Ефремов Э.И. Подготовка горной массы на карьерах. М.: Недра, 1980. 272с.
2. Ефремов, Э.И. Управление размерами зоны переизмельчения горных пород при их взрывном разрушении / Весник Криворожского технического университета. Кривой Рог, 2007. Вып.18. С.36-39.
3. Ефремов Э.И., Комир В.М., Чебенко В.Н.,. Ромашко А.М. Влияние типа ВВ и условий взрывания на переизмельчение нерудних полезных ископаемых: Матер.международ. конф. «Форум горняков- 2010». Днепропетровск: НГУ, 2010. С. 60-63.
4. Барон В.Л., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США.-М.: Недра,1989. 376с
5. Булат А.Ф., Никифорова В.А., Осенний В.Я. Повышение эффективности буровзрывных работ в крепких рудах / Весник Кременчуцкого гос. поли-техн. ун-та. 2006 (37). Вып. 2. Част.2. С.93-94.
6. Билоконь В.П., Ильин В.И., Белоконь М.П. и др. Эффективность отбойки горных пород системой сосредоточенных зарядов / Металлургическая и горнорудная промышленность. 1974. №2. С.59-60.
7. Ефремов Э.И., Белоконь М.П., Николенко Е.В., Баранник В.В., Понаморев А.В. Опытно-промышленные испытания технологии заряжания и эффективности взрывания необводненных горных пород зарядами переменного диаметра / Геотехническая механика. 2005. №58. С.13-18.
8. Белоконь М.П., Николенко Е.В., Яицков К.В., Яны С.В. Опыт взрывания скважинных зарядов переменного диаметра по высоте уступа / Вю-ник Кременчуцького держ. полтгехн. ун-ту. Кре-менчук, 2006. Вип.6 (41). част. 1. С. 56-60.
9. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Ищенко К.С. Способы взрывной отбойки горных пород зарядами переменного сечения / Современные ресур-сосберигающие технологии горного производства. 2008(1). №1. С.7-10.
10. Шкуматов А.Н., Калякин С.А. Перераспределение импульса взрыва при помощи рефракторов / Взрывное дело № 98/55. М.: МВК по взрывному делу, 2007. С. 120-128.
11. Тищенко. С.В., Федоренко П.Й., Еременко Г.И. [и др.]. Обоснование параметров скважинного заряда взрывчатого вещества с воздушным промежутком и отражателем из сыпучих материалов / Металлургическая и горнорудная промышленность. 2015. № 2. С. 90-93.
12. Комир В.М., Сокуренко В.А., Ромашко А.М. Эффективность различных конструкций зарядов при взрывной отбойке известняков на карьерах / Науковий вюник НГУ. 2005. №10. С. 7-10.
13. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Пономарев А.В., Поляков Ю.С. Эколого-экономическая эффективность скважинных зарядов, рассре-дото-ченных воздушными промежутками на карьерах нерудной промы-шленности. Науковий Вюник НГУ. 2008. №3. С.10-15.
14. Гончаров С.А. Разрушение горных пород, путем повышения его эффективности // Горн.журн.-1996.-№5.-С.9-12
15. Пристрш для розосередження заряду ВР повиряним промгжком. пат. на корисну модель № 1576, Украша. / В.В.Воробйов, Г.В.Славко, В.Т.Щетинш, К.В.Лотоус та шшг 2003. Бюл. № 6.
16. Быков Е.К. Способ получения воздушных промежутков / УСИВ. 2006. № 3. С.3-5.
17. Ефремов Э.И., Пономарёв А.В., Никифорова В.А. Влияние свойств ВВ на размеры зоны переизмельчения при разрушении твердых сред / На-уковий вюник НГАУ. 2001. № 1. С. 24-26.
18. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Ромашко А.М. О механизме разрушения горных пород цилиндрическими зарядами с кольцевыми инертными зазорами / Вюник Кременчуцького нацюнального утверситету. Кременчук: КрНУ, 2012. Вип. 1/2012(72). С. 127-130.
19. Ефремов Е.И., Петренко В.Д. и Пастухов А.И. Прогнозирование дробления горных пород взрывом. К.:Наук. думка,1990.118с.
20. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем. К.: Наук. думка, 1981. 296 с.
21. Турчин, В.М. Матстатистика. К.: Академия, 1999. 218 с.
22. Гуменик О.П. Стршець, В.Ю. Швець 1.Л. Визначення оптимальних параметрiв сейсмобезпе-чного виконання буротдривних робгг на Пщансь-кому родовищi мiгматитiв i гранiтiв / Сучасш ре-сурсоенергозберiгаючi технологй' гiрничого вироб-ництва. Кременчук: КрНУ, 2012. Випуск 2(10). 112120 с.
23. Споаб моделювання вибухового руйну-вання гiрських порiд: пат. на винахщ №110745 Украша / 1щенко К.С., Коновал С.В, Кратковський
1.Л., Круковська В. В., Коновал В.М. № а 201408761; заявлено 04.08. 2014; опубл.10.02. 2016. Бюл. №.3.
24. Коновал В.М. Оцшка характеру руйну-вання твердого середовища зарядами ВР змшно! форми поперечного перерiзу за рiзними умовами передaчi енергп вибуху / Вченi записки НТУ iменi В.1. Вернадського. Серiя: Техшчш науки. Том 33 (72) № 2. 2022. С.221-232.
25. Барон Л.И. Кусковатость и методы ее измерения. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 124 с.
26. Голуб С.В. Бaгaторiвневе моделювання в технологиях мониторингу оточуючого середовища. Монограф1я. Черкаси: Вид. вiд. ЧНУ iменi Богдана Хмельницького, 2007. 220 с. ISBN 978-966-353-0628.
27. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем. К.: Наук. думка, 1982. 296 с.
28. L. Deng and D. Yu. Deep Learning: Methods and Applications / Foundations and Trends in Signal Processing, 2013.vol. 7, nos. 3-4, pp. 197-387.
29. Вища математика. Навчальний поабник для студенпв техшчних напрямшв тдготовки / Ук-ладач: В. В. Бакун. — К.: НТУУ «КП1», 2013. — С. 109—110. — 270 с.
30. Weiner N. The Extrapolation Interpolation and Smoothing of Stationary Time-Series. I. Willey, N.Y., 1949. — 290 p.
31. Колмогоров А. Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей // Изв. АН СССР. Сер. математика, 1941.т. 5(1), С. 3-14.
32. Ivakhnenko A.G., Ivakhnenko G.A. and J.A. Muller Self-Organization of Neuronets with Active Neurons / Pattern Recognition and Image Analysis, 1994, vol.4, no.4, pp.177-188.
INFORMATION SYSTEM FOR MEASURING DEFORMATIONS OF SEMICONDUCTOR DEVICES
GAAS WAFERS
Oksanich I.,
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Prof.
Shevchenko I.,
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Prof.
Palagin V.,
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Prof.
Kohdas M.,
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, assist. Professor
Belska V.,
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Senior Lecturer
Bahno V.
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Student
DOI: 10.5281/zenodo.6532885
ABSTRACT
The work is devoted to solving the actual problem of automating the measurement of deformation of semiconductor wafers. The GaAs semiconductor wafer quality control method has been further developed, which is characterized by the use of a non-contact method for measuring complex forms of deformations, considering crystallographic directions, which makes it possible to reduce the absolute measurement error from ± 5% to ± 2%. Keywords: GaAs, deformations, semiconductor.
