呂文偉

（國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

爆破是露天煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率和效益，結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，爆破質(zhì)量主要以大塊和根底為評價指標(biāo)；因此，諸多專家學(xué)者對于改善爆破質(zhì)量等方面進(jìn)行了大量研究。于海闊等[1]采用AHP 進(jìn)行了爆破效果影響因素重要程度分析，提出了提高爆破質(zhì)量的建議措施；王曉等[2]給出了結(jié)構(gòu)面發(fā)育的臺階降低爆破大塊率技術(shù)措施；羅華軍[3]就滿足城門山銅礦3 號石英斑巖礦體爆破塊度的要求，運用數(shù)學(xué)模型為爆破質(zhì)量提升提供了決策依據(jù)。目前，學(xué)者主要對爆破效果的影響因素、大塊和根底處置措施等方面進(jìn)行了大量研究，但缺少對爆破大塊產(chǎn)生和影響的分析，以及對爆破大塊的控制因素和造成的影響進(jìn)行分析研究，為此，對露天煤礦爆破大塊成因及影響進(jìn)行研究。

1 大塊產(chǎn)生因素分析

結(jié)合理論分析和生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)，爆破塊度主要的控制因素分別為：巖石密度ρ、巖石堅固性系數(shù)f、炸藥單耗q、爆礦最小抵抗線Wd、巖體完整性系數(shù)Kv。運用科學(xué)的數(shù)學(xué)分析理論層次分析法計算各個影響因素的影響程度系數(shù)。

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。設(shè)置爆破塊度質(zhì)量為分析的決策項，將密度、普氏系數(shù)、炸藥單耗、最小抵抗線和巖體完整性系數(shù)設(shè)置為考慮項。

2）構(gòu)造判斷矩陣。采用由Stanty 等專家學(xué)者提出并進(jìn)行實踐檢驗的一致矩陣法，隨機選取其中2個因素進(jìn)行比對分析，對其在爆破塊度中的影響程度進(jìn)行等級分類[4-7]。其中，重要性等級分為9 個，并對其賦值。等級分類構(gòu)成的等級標(biāo)度見表1。影響因素實施相互比較分析之后得出的判斷矩陣P 見表2。

表1 等級標(biāo)度表

表2 判斷矩陣P

3）求最大特征根與特征向量。對于判斷矩陣P，求最大特征根λmax所對應(yīng)的特征向量W，即解方程PW＝λmaxW。求出的特征向量W 進(jìn)行歸一化處理后可得出各分級指標(biāo)所占的比重。通常，對于判斷矩陣P求解特征根和特征向量的復(fù)雜性，選擇方根法可以求解出合理的近似值。首先，計算斷矩陣P 的各行元素的乘積。然后計算Mi的n 次方根，利用式（1）對向量進(jìn)行歸一化即可得特征向量W=（w1，w2，…，wn）T則最大特征根可以利用下式求出[8-10]。通過計算可得特征向量W ＝（0.05，0.08，0.44，0.16，0.27）T，λmax＝5.13。

4）一致性檢驗。當(dāng)CR＜0.1 時，通過判斷矩陣P的一致性檢驗，當(dāng)CR＞0.1 時，則需要重新調(diào)整判斷矩陣。得CI＝0.0325＜0.1，滿足判斷矩陣一次性檢驗。

式中：CR 為一致性比例；CI 為一致性檢驗指標(biāo)，CI＝（λmax-n）/（n-1）；n 為判斷矩陣的階數(shù)。

5）確定權(quán)重。通過一致性檢驗之后特征向量W的各分量就是各分級指標(biāo)的權(quán)重。評價中，密度、巖石堅固性系數(shù)、炸藥單耗、最小抵抗線和巖體完整性系數(shù)對爆破塊度質(zhì)量貢獻(xiàn)大小為W＝（0.05，0.08，0.44，0.16，0.27）T。可以看出，這5 個因素中，炸藥單耗是爆破后大塊產(chǎn)生的最主要因素。

2 大塊對臺階穩(wěn)定的影響分析

根據(jù)極限平衡原理（Morgenstern－Price、Bishop），采用GEO－SLPOE/W 巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件對排土場大塊分布位置（坡頂、坡面、坡底）的單個臺階簡易邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。臺階高度為30 m，臺階坡面角35°。巖石力學(xué)參數(shù)見表3。

2.1 大塊位于坡頂

大塊位于臺階坡頂?shù)臉O限平衡法分析結(jié)果見表4。

表4 大塊位于臺階坡頂?shù)膯闻_階極限平衡法分析結(jié)果

由表4 可知：位于坡頂?shù)拇髩K能降低臺階的穩(wěn)定性；無大塊賦存的臺階穩(wěn)定性系數(shù)為1.261；大塊分布稀疏時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)隨著大塊尺寸的增加而降低；大塊尺寸達(dá)到4 m 時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.238，即最小值；一旦大塊尺寸超過5 m 時，穩(wěn)定性系數(shù)轉(zhuǎn)而提高；大塊密集程度較小時，1～4 m 尺寸范圍內(nèi)的大塊破壞了臺階坡頂?shù)耐暾?，從而降低臺階的穩(wěn)定性；當(dāng)大塊尺寸達(dá)到5 m 時，賦存在坡頂?shù)拇髩K增強坡頂?shù)牧W(xué)性質(zhì)，使得穩(wěn)定性有所提升；在密集程度較大時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)與大塊尺寸呈正相關(guān)；當(dāng)密集程度較大時，大塊尺寸增加，使得臺階坡頂處的重力不斷加大；與無大塊賦存的臺階相比較，相當(dāng)于在臺階頂部施加載荷，加速臺階變形破壞，從而降低臺階的穩(wěn)定性。在大塊相同尺寸模型中，臺階的穩(wěn)定性隨著密集程度的增加而降低。

2.2 大塊位于坡面

坡面賦存大塊的單臺階理想模型極限平衡法分析結(jié)果見表5。

表5 坡面賦存大塊的單臺階理想模型極限平衡法分析結(jié)果

由表5 可知：大塊處于坡面嚴(yán)重影響臺階穩(wěn)定性；無大塊賦存的臺階穩(wěn)定性系數(shù)為1.261；在密集程度較小時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)隨著大塊尺寸增加，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，最終增加到1.284，高于無大塊賦存的臺階穩(wěn)定性系數(shù)；大塊密集程度較小時，1～2 m 尺寸范圍內(nèi)的大塊破壞了臺階坡面的完整性，從而降低了臺階的穩(wěn)定性；當(dāng)大塊尺寸再增加后，賦存在坡面的大塊增強了坡面的力學(xué)性質(zhì)與整體性，使得穩(wěn)定性不斷上升；在密集程度較大時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)整體上隨著大塊尺寸增加而增大；當(dāng)密集程度較大時，大塊尺寸的增加，使得臺階坡面處的完整性與物理力學(xué)性質(zhì)不斷增強，導(dǎo)致臺階穩(wěn)定性系數(shù)呈上升趨勢；在大塊相同尺寸模型中，臺階的穩(wěn)定性大體趨勢隨著密集程度的增加而增大。

2.3 大塊位于坡底

坡底賦存大塊的單臺階理想模型極限平衡法分析結(jié)果見表6。

表6 坡底賦存大塊的單臺階理想模型極限平衡法分析結(jié)果

由表6 可知：大塊處于坡底在一定程度上會提高穩(wěn)定性；無大塊賦存的臺階穩(wěn)定性系數(shù)為1.261；當(dāng)大塊賦存在坡底時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)都大于無大塊賦存的臺階，其整體趨勢隨著大塊尺寸的增加而增大；當(dāng)大塊尺寸為4 m、密集程度較大時，臺階穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大，為1.346；當(dāng)大塊賦存在坡底時，賦存于坡底的大塊提到了臺階底部的完整性和物理力學(xué)性質(zhì)；與無大塊賦存的臺階相比較，相當(dāng)于壓坡腳，緩解臺階變形破壞，從而提高臺階的穩(wěn)定性；從密集程度來看，賦存1、2 m 大塊的臺階穩(wěn)定性系數(shù)隨著密集程度的增加而降低；在3～5 m 范圍內(nèi)，臺階穩(wěn)定性系數(shù)與密集程度呈正相關(guān)。

從坡頂、坡面與坡底3 個賦存位置分析結(jié)果看出，賦存于坡頂?shù)拇髩K會加速臺階變形破壞；賦存于坡面的大塊降低臺階穩(wěn)定性；賦存于坡底的大塊會緩解臺階變形破壞。

3 大塊預(yù)防措施

對于露天礦施工條件，預(yù)防大塊的主要措施包括優(yōu)化鉆孔形式、選擇合理的爆破方法、裝藥結(jié)構(gòu)等手段。

1）對于巖石強度較大區(qū)域，優(yōu)先使用傾斜孔，傾斜孔爆破后應(yīng)力波經(jīng)界面反射沿原路返回，并與入射波重合，波的能量大部分作用于巖體使巖體破碎。

2）采用寬孔距小抵抗線、壓渣爆破、深孔水—土復(fù)合封堵爆破、加鉆輔助孔等爆破方法，可有效破碎巖石。

3）改變裝藥結(jié)構(gòu)，利用間隔裝藥定向破碎強度較高巖層，不耦合裝藥可充分發(fā)揮沖擊波做功，不僅降低單耗，還最大限度的利用爆炸能。

4）加強施工管理，鉆孔、裝藥、填塞等工序作業(yè)過程中嚴(yán)格按照爆破設(shè)計執(zhí)行，若出現(xiàn)工程質(zhì)量偏差情況，應(yīng)立即實施補救措施。

4 結(jié)語

運用層次分析模型計算得出爆破大塊控制因素效力依次為炸藥單耗、巖體完整性系數(shù)、最小抵抗線、巖石堅固性系數(shù)、密度。通過計算大塊賦存于邊坡不同位置的邊坡穩(wěn)定性，揭示了賦存于坡頂和坡面的大塊會降低臺階穩(wěn)定性，賦存于坡底的大塊有助于臺階穩(wěn)定。大塊賦存在坡頂時臺階的穩(wěn)定性隨著密集程度的增加而降低；大塊賦存在坡面時穩(wěn)定性大體趨勢隨著密集程度的增加而增大；坡底賦存1～2 m 大塊的臺階穩(wěn)定性系數(shù)隨著密集程度的增加而降低，3～5 m 范圍內(nèi)則相反。采取優(yōu)化鉆孔方式、優(yōu)化爆破方法及調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)等預(yù)防措施可有效降低大塊產(chǎn)生，提高爆破質(zhì)量，同時為煤炭露天開采的效率和效益提升奠定基礎(chǔ)。