急傾斜厚大礦體中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

梁彥波

(西部礦業(yè)股份有限公司，青海 西寧 810000)

由于礦巖硬度等物理特性的限制，目前某礦山仍采用鉆爆法開采生產(chǎn)，而爆破效果的好壞，對于礦山生產(chǎn)具有重大的影響。爆破效果一般主要由炸藥自身特性及各項爆破參數(shù)決定[1-3]。由于炸藥的安全管控問題，礦山企業(yè)難以選擇、調(diào)整所使用的炸藥，僅能通過改變爆破參數(shù)以實現(xiàn)所需的爆破效果。確定爆破參數(shù)的常用方法有經(jīng)驗公式法、相似試驗法、數(shù)值模擬法及現(xiàn)場試驗法等。這些方法能較為完整地提供爆破使用的相關(guān)參數(shù)，但多為一個初始范圍值或理論推薦值，對比實際仍有欠缺，難以快速應(yīng)用到現(xiàn)場生產(chǎn)[4-7]。而用正交法確定爆破參數(shù)能夠根據(jù)礦山代表性數(shù)據(jù)進行試驗，在效率、成本上具有一定的優(yōu)勢。

1 礦山概況

某礦山 11線以西礦體具有厚度大、傾角陡、分布集中、礦巖穩(wěn)固性相對較好等特點。礦體一般走向 N50°～70°W，走向長約 220 m，傾角 75°～90°，主礦體走向長630 m，厚0.81～169.79 m，平均厚52.67 m，平均品位Pb0.75%、Zn9.82%，礦體上盤處于礦區(qū)“地塹”式斷塊構(gòu)造中心，圍巖強烈破碎，穩(wěn)固性差；礦體下盤主要由塊狀結(jié)構(gòu)的白云巖組成，穩(wěn)固性較好，目前使用無底柱分段崩落法開采西部礦體，中深孔排距1.4 m，孔底距1.7～1.9 m，此參數(shù)與礦巖實際情況不匹配，導(dǎo)致每排炮孔數(shù)量較多，炸藥單耗高，爆破振動大，爆破效果差。

2 中深孔回采正交試驗

正交試驗法在多因素分析、方法確定、參數(shù)優(yōu)化中應(yīng)用廣泛。其能夠保證研究因素的各個位級出現(xiàn)的次數(shù)相同，從而有效地克服影響因素間的相互干擾，通過所指定的最具影響性的相關(guān)條件，利用少量試驗，得出最優(yōu)的試驗方案[8-10]。

巖石介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的無規(guī)律性導(dǎo)致理論推導(dǎo)過程中存在大量的簡化或理想化情況，因此在復(fù)雜巖體條件下難以準(zhǔn)確計算出爆破參數(shù)。通過在現(xiàn)場進行相應(yīng)的爆破試驗，可得出最佳的爆破參數(shù)。但由于爆破效果受眾多因素影響，采用控制變量法進行試驗，周期長、成本高，對礦山的正常生產(chǎn)影響較大。而現(xiàn)場正交試驗法能夠根據(jù)現(xiàn)場爆破參數(shù)快速地確定最佳參數(shù)，極大程度地提高了試驗效率。

將正交試驗應(yīng)用到爆破領(lǐng)域中，可以起到以下作用：

（1）排列出不同因素對于每次施爆之后效果好壞的影響占比；

（2）分析應(yīng)用不同爆破參數(shù)的爆破效果優(yōu)劣；

（3）為礦山找出與之相適應(yīng)的爆破參數(shù)，或是明確下一步的研究方向。

2.1 確定試驗指標(biāo)

根據(jù)某礦山西部含礦白云巖內(nèi)之前爆破漏斗試驗得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以及國內(nèi)外經(jīng)驗類比，初步確定含礦白云巖內(nèi)炮孔直徑為Φ65 mm時，排距為1.4～1.6 m，孔底距為2.0～2.4 m（在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)進行了放大），孔口交錯式堵塞長度分別為1.5 m和2.5 m。一次崩礦規(guī)模依據(jù)礦山前期“采二出一”的生產(chǎn)出礦原則，初步設(shè)置為1，2，3排。

在選擇使用 BQF-100型裝藥器連續(xù)耦合裝藥時，一旦確定了炮孔裝藥結(jié)構(gòu)、孔底距和排距等自變量，則炸藥單耗會隨之變化，可以理解為因變量。故本次試驗設(shè)計因素不考慮裝藥結(jié)構(gòu)和炸藥單耗，把影響爆破震動、降低炸藥單耗和控制采場大塊率的主要因素歸納為：炮孔孔底距（A因素）、炮孔排間距即最小抵抗線（B因素）、一次爆破規(guī)模即崩礦步距（C因素）。為了有充分的代表性，在各因素取值范圍內(nèi)，取小、大、中間3個數(shù)據(jù)（3個試驗水平），進行搭配綜合試驗。因素水平取值范圍見表1。

表1 因素水平取值范圍

2.2 正交試驗表

首先根據(jù)因素的水平數(shù)，來確定選用幾個水平的正交表。本試驗中，3個因素都是3水平因素，因此正交表選用3水平。然后再根據(jù)因素的個數(shù)，來選擇表的規(guī)格。一般來說，表的列數(shù)大于或等于因素個數(shù)，且試驗次數(shù)盡可能少。因此本次試驗選擇L9（34）的正交試驗表，在現(xiàn)場對這些匹配的情況一一展開驗證，見表2。

表2 正交試驗表

2.3 現(xiàn)場試驗結(jié)果

爆破效果用爆破直接成本P、大塊產(chǎn)出率Δ塊、每米炮孔崩礦量M進行考核，結(jié)果統(tǒng)計見表3。

表3 現(xiàn)場爆破結(jié)果統(tǒng)計

3 試驗結(jié)果分析

3.1 極差分析

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，針對各單一指標(biāo)，進行極差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 爆破效果極差分析

從表4中的極差R值可以看出，爆破成本的影響程度為RA＞RB＞RC，即孔底距對爆破成本影響最顯著，排距極差為最大極差的70%左右，表明其影響也較大，一次崩礦規(guī)模極差約為最大極差的5.5%，影響有限，幾乎可以忽略；對大塊產(chǎn)出率而言，RA＞RB＞RC，即孔底距影響最顯著，其余排距和一次崩礦規(guī)模極差相對較小，影響有限；對于每米炮孔崩礦量的影響而言，RB＞RA＞RC，即排距對每米炮孔崩礦量影響最顯著，孔底距極差為最大極差的50%左右，表明其影響也較大，一次崩礦規(guī)模極差約為最大極差的3.6%，影響有限，幾乎可以忽略。

綜合分析，可以確定爆破效果的綜合影響因素排序是，RA＞RB＞RC，即孔底距影響最顯著，排距次之，一次崩礦規(guī)模最小。

設(shè)每個因素的均值指標(biāo)為縱坐標(biāo)，因素水平為橫坐標(biāo)，根據(jù)表4作因素-指標(biāo)圖，見圖1。

圖1 試驗因素-指標(biāo)圖

企業(yè)以經(jīng)濟效益為中心，同時考慮到礦山采用中深孔爆破的實際情況，由此認為，在分析試驗結(jié)果時，首選考核爆破直接成本，其次考核礦石塊度組成，最后兼顧每米炮孔崩礦量。在3個考核指標(biāo)中，每米炮孔崩礦量越高越好，其余2個指標(biāo)越低越好。根據(jù)這些原則綜合分析圖 1，可以認為較佳的孔網(wǎng)參數(shù)是：炮孔孔底距A=2.2 m；排距（最小抵抗線）B=1.5 m；一次崩礦規(guī)模C=2排。

3.2 回歸及規(guī)劃分析

實際上，現(xiàn)場試驗時各因素水平值的實際值與正交試驗方案設(shè)計值不可能完全一樣，存在一定的誤差。本次試驗為模擬現(xiàn)場生產(chǎn)實際，采用YGZ-90鑿巖機進行中深孔鑿巖，試驗過程中會存在一定的誤差，如試驗采場內(nèi)礦體中存在小斷層裂隙等因素。

這些誤差將影響分析結(jié)果精度，同時極差分析只能在試驗水平上優(yōu)選水平組合，不能進行更準(zhǔn)確的優(yōu)選，為進一步優(yōu)選爆破參數(shù)，本文引入多元二次非線性回歸和非線性規(guī)劃的原理對正交試驗結(jié)果進行研究分析。

3.2.1 試驗結(jié)果回歸

爆破參數(shù)問題是非線性多因素問題，據(jù)此參考了適用于多元線性和非線性二次回歸的回歸模型：

根據(jù)式（1），對于3個自變量，則待求的回歸系數(shù)就多達 10個，而且求回歸系數(shù)的過程和應(yīng)用回歸式求y的計算過程都很長，舍入誤差較大。實際上，在按公式（1）進行回歸分析時有些項在 F檢驗中會不顯著。若只讓F檢驗顯著的項進入和保留在回歸式中，則所得的回歸式會比式（1）簡化許多。在本次爆破參數(shù)優(yōu)化試驗回歸過程中，發(fā)現(xiàn)一次崩礦規(guī)模與炮孔孔底距、排距相關(guān)程度較低，于是剔除了一次崩礦規(guī)模的交互項，通過回歸得到的回歸式如下。

式中，P為爆破直接成本，元/t；Δ塊為爆破大塊產(chǎn)出率，%；M為每米炮孔崩礦量，t/m；A為孔底距，m；B為排距或抵抗線，m；C為一次崩礦規(guī)模，排；R為多元二次回歸的復(fù)相關(guān)系數(shù)。

從回歸結(jié)果中可以看出，爆破直接成本、大塊產(chǎn)出率以及一次崩礦規(guī)模的復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明回歸式與試驗值的相似程度均比較高。

各回歸式中，A、B項的系數(shù)相對較大，說明在試驗條件下最小抵抗線B和孔底距A的交互作用較明顯，應(yīng)該予以考慮。同時也表明：盡管現(xiàn)場正交試驗時未安排A、B交互項的試驗，但回歸分析可以將客觀存在著的交互作用找出來，因此采用回歸分析的正交試驗，試驗方案可以不考慮因素間的交互作用而選擇較小的正交表，從而降低試驗工作量，降低試驗對現(xiàn)場生產(chǎn)的干擾。

3.2.2 非線性規(guī)劃求解

在合理的爆破參數(shù)A、B、C約束條件下，采用非線性規(guī)劃方法，分別求解公式（2）～公式（4）的極值，獲得各考核參數(shù)的極值解。即在A=2.0～2.2 m，B=1.4～1.6 m，C=1～3排的約束條件下，分別規(guī)劃求解 max（M（A,B,C））、min（P（A,B,C））和 min（Δ塊（A,B,C）），得到各條件下A、B、C的極值解，求解的結(jié)果見表5。

表5 非線性規(guī)劃求解結(jié)果

根據(jù)表 5，綜合分析認為，最優(yōu)的爆破參數(shù)組合是：A=2.2 m，B=1.5 m，C=2排。

4 結(jié)論

由此可見，正交試驗常規(guī)分析和數(shù)據(jù)回歸分析方法所得結(jié)論基本相符，但常規(guī)分析方法只能在試驗因素所選擇的水平上進行研究，得出結(jié)論；數(shù)據(jù)回歸可以更準(zhǔn)確地找到各因素的最佳水平，指導(dǎo)生產(chǎn)實際，又可降低試驗研究難度。

綜合兩種分析方法的分析結(jié)果，推薦該礦西部礦體無底柱分段崩落法開采的優(yōu)化爆破參數(shù)為：炮孔底距A=2.2 m，排距即最小抵抗線B=1.5 m，一次爆破規(guī)模C=2排。

回采試驗和采場生產(chǎn)實踐中，各具體礦塊巖性存在一定差別，因此實際應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整該優(yōu)化參數(shù)，以適應(yīng)回采采場的實際情況。