林 杰， 劉少光， 李廣斌， 樓曉明， 韓啟民

（1.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福州大學(xué)爆破技術(shù)研究所，福建 福州 350108； 3.寧德市公安局，福建 寧德 352100； 4.烏拉特后旗紫金礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015500）

采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的深孔爆破地下礦回采中，切割槽為深孔側(cè)向爆破提供自由面[1］。 但由于切割槽爆破存在爆破自由面較少、爆破夾制力較大的問(wèn)題，一般采用增大炮孔密度系數(shù)、增大炸藥單耗等方法來(lái)確保形成切割槽，這就極易導(dǎo)致切割槽爆破后粉礦率偏高和平均塊度偏小等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，眾多學(xué)者從不同角度開(kāi)展了爆破參數(shù)對(duì)爆破塊度優(yōu)化的研究[2-9］。 本文在已有研究基礎(chǔ)上，以?xún)?nèi)蒙古三貴口鉛鋅礦為依托，利用理論分析、圖像識(shí)別和工程試驗(yàn)等手段，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論分析并確定影響切割槽爆破塊度的主次因素，利用趨勢(shì)分析法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況優(yōu)化爆破參數(shù)，以期優(yōu)化切割槽爆破塊度、降低粉礦率、提高平均塊度。

1 工程概況

內(nèi)蒙古三貴口鉛鋅礦采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采礦、上向扇形深孔爆破，中段高50 m，分層高16.5 m，切割槽垂直礦塊布置，采用上向垂直深孔爆破，現(xiàn)場(chǎng)使用全液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90 mm。 切割槽孔距1.2 m，排距1.0～1.5 m，切割槽炮孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 90 mm 炮孔切割槽炮孔布置圖

礦山所用炸藥為多孔粒狀銨油炸藥，現(xiàn)場(chǎng)采用壓氣裝藥，連續(xù)耦合裝藥。 礦山原爆破方案采用導(dǎo)爆管雷管逐排起爆，雷管段別1、2、3、4、5 段，單次起爆3～5排。 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

在礦山現(xiàn)場(chǎng)爆破中，爆破塊度不理想，出現(xiàn)粉礦率偏高、平均塊度偏小等問(wèn)題。 為解決這些問(wèn)題，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)粉礦率和平均塊度的主要影響因素開(kāi)展分析研究，進(jìn)一步優(yōu)化爆破參數(shù)。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析方法原理及計(jì)算方法

2.1 系統(tǒng)特征變量和相關(guān)因素變量

巖石爆破過(guò)程中主要有兩類(lèi)變量：一類(lèi)是衡量爆破質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)，如粉礦率、大塊率和平均塊度等；另一類(lèi)是控制爆破質(zhì)量的影響因素，如孔距、排距和延期時(shí)間等。 進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，將前一類(lèi)指標(biāo)作為系統(tǒng)特征變量，記為Yi（i＝1，2，…，s），s為指標(biāo)個(gè)數(shù)；將后一類(lèi)因素作為相關(guān)因素變量，記為Xj（j＝1，2，…，m），m為因素個(gè)數(shù)。 若進(jìn)行n次爆破試驗(yàn)來(lái)確定控制爆破質(zhì)量的主要因素，即可形成對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)特征變量序列和相關(guān)因素變量序列：

式中yi（k）、xj（k）分別表示在第k次試驗(yàn)中所測(cè)得的第i個(gè)系統(tǒng)特征變量和第j個(gè)相關(guān)因素變量數(shù)據(jù)。

2.2 灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法

采用灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為基礎(chǔ)對(duì)爆破質(zhì)量主要影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。 由于數(shù)據(jù)序列樣本單位不統(tǒng)一，需對(duì)數(shù)據(jù)系列樣本進(jìn)行無(wú)量綱化處理，保證關(guān)聯(lián)度分析的準(zhǔn)確性[10］。 通過(guò)均值化算子D1可求得各變量序列的均值象，式（1）和式（2）可轉(zhuǎn)化為：

利用始點(diǎn)零化算子D0對(duì)式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算，可求得各變量序列的始點(diǎn)零化像：

灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度εij表示第i系統(tǒng)特征變量與第j個(gè)相關(guān)因素變量的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度εij計(jì)算公式為[11］：

利用式（7）可以進(jìn)一步得到灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度矩陣[9］：

當(dāng)l，j∈｛1，2，…，m｝滿足εil≥εij（i＝1，2，…，m），則認(rèn)為相關(guān)因素變量Xl優(yōu)于相關(guān)因素變量Xj。 若對(duì)任意的j＝1，2，…，m，j≠l，Xl均優(yōu)于Xj，稱(chēng)Xl為最優(yōu)因素。若不存在最優(yōu)因素，必然存在l，j∈｛1，2，…，m｝滿足，則認(rèn)為相關(guān)因素變量Xl準(zhǔn)優(yōu)于相關(guān)因素變量Xj[9］。

3 切割槽爆破塊度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

切割槽現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)置在630 中段630、647 和664分層中，共進(jìn)行了6 個(gè)方案爆破試驗(yàn)，為減少單次試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，每個(gè)方案進(jìn)行3 次試驗(yàn)，共完成18 次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 90 mm 炮孔切割槽爆破參數(shù)

3.2 塊度分析

爆破塊度圖像分析技術(shù)日益成熟，提高了爆破塊度分析的準(zhǔn)確性。 本文采用Split-Desktop 4.0 軟件分析爆破塊度分布。 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)后，分別對(duì)未出礦和出礦過(guò)程中的爆堆進(jìn)行多角度、多方位的拍攝工作，拍攝覆蓋面積超過(guò)爆堆表面積的15%，拍攝圖像數(shù)量為15～20 張。 同時(shí)測(cè)量并記錄拍攝區(qū)域特征巖石的實(shí)際尺寸。

利用Split-Desktop 4.0 軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行自動(dòng)預(yù)處理后，對(duì)部分不清晰的輪廓進(jìn)行修改，對(duì)不屬于爆堆的部分填充標(biāo)注，標(biāo)定巖塊真實(shí)尺寸，即可進(jìn)行運(yùn)算。 現(xiàn)場(chǎng)爆堆圖像及軟件處理過(guò)程如圖3 所示，塊度分布曲線如圖4 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)爆堆圖像及軟件處理過(guò)程

圖4 塊度分布曲線圖

3.3 爆破塊度灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算及分析

針對(duì)三貴口鉛鋅礦爆破塊度不理想、粉礦率偏高、平均塊度偏小等現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，選取爆破后的平均塊度（Y1，m）、最大塊度（Y2，m）、粉礦率（Y3，塊度小于5 cm 的巖石占比，%）和大塊率（Y4，塊度大于55 cm 的巖石占比，%）作為系統(tǒng)特征變量；選取孔距（X1，m）、排距（X2，m）、孔深（X3，m）、排數(shù)（X4）、抵抗線（X5，m）、孔間延期時(shí)間（X6，ms）和排間延期時(shí)間（X7，ms）作為相關(guān)因素變量，其中，各試驗(yàn)方案的系統(tǒng)特征變量取3 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為計(jì)算數(shù)據(jù)。 如表2 所示。

表2 相關(guān)因素變量和系統(tǒng)特征變量

對(duì)表2 中各變量進(jìn)行灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算，通過(guò)式（7）～（8）可得到灰色關(guān)聯(lián)矩陣，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

由表3 分析可知，7 個(gè)爆破參數(shù)對(duì)切割槽爆破的塊度分布影響主次順序?yàn)椋号艛?shù)＞排距＞排間延期時(shí)間＞孔距＞孔深＞抵抗線＞孔間延期時(shí)間。 上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，在對(duì)切割槽整體爆破塊度效果上，排數(shù)、排距、排間延期時(shí)間起主要影響作用。

分析系統(tǒng)特征變量可知，對(duì)平均塊度影響最大的是孔距，其次是排數(shù)和排距；對(duì)粉礦率影響最大的是排間延期時(shí)間，其次是孔距和排數(shù)；對(duì)最大塊度影響最大的是排距，其次是排數(shù)，對(duì)大塊率影響最大的是孔間延期時(shí)間，其次是抵抗線。 根據(jù)實(shí)際情況，孔距不變，以降低粉礦率和提高平均塊度為首要問(wèn)題，綜合分析表2和表3 并繪制系統(tǒng)特征變量隨主要影響因素變化情況，如圖5 所示。

圖5 主要影響因素-評(píng)價(jià)指標(biāo)趨勢(shì)圖

從圖5（a）可以看出，平均塊度隨排數(shù)增多而減小，符合爆破碰撞作用，排數(shù)增多，爆破后礦石碰撞作用增強(qiáng)，平均塊度減小，因此要采用少排數(shù)爆破弱化碰撞作用提高平均塊度，排數(shù)選用3 排時(shí)平均塊度效果較好。 從圖5（b）可知，隨著排距增大，平均塊度增大，其中排距1.2 m 采用導(dǎo)爆管雷管起爆平均塊度明顯減小，主要是多排數(shù)碰撞作用導(dǎo)致的，而采用數(shù)碼電子雷管爆破時(shí)，正相關(guān)效果更為明顯，排距選用1.5 m 時(shí)平均塊度效果更好。 從圖5（c）可以看出，粉礦率隨著排間延期時(shí)間增大而減小，粉礦率與排間延期時(shí)間呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，采用較大的排間延期時(shí)間有利于降低粉礦率，結(jié)合方案6 爆破效果，采用排間延期時(shí)間42 ms較為合適。 從圖5（d）可以看出，粉礦率隨著排距增加整體上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，采用數(shù)碼電子雷管爆破負(fù)相關(guān)更為明顯，排距選用1.5 m 時(shí)降低粉礦率效果更好。大塊率最大影響因素為孔間延期時(shí)間，其次為抵抗線，由于要減少爆破振動(dòng)對(duì)充填體的影響，確定優(yōu)化采用逐孔起爆，因此大塊率采用抵抗線進(jìn)行分析，從圖5（e）可以看出，大塊率隨著抵抗線增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，確定排距后可通過(guò)減小抵抗線來(lái)控制大塊率。方案6 中排距1.5 m、采用數(shù)碼電子雷管爆破時(shí)，最大塊度為75.5 cm，大塊率為0.57%，均符合礦山生產(chǎn)要求。 因此為最大限度降低粉礦率和提高平均塊度，結(jié)合方案6 爆破效果，排距選用1.5 m、抵抗線設(shè)置為0.8 m 較為合適。 最大塊度的最大影響因素為排距，從圖5（f）可以看出，隨著排距增大，最大塊度呈增大的趨勢(shì)。

4 爆破優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 爆破參數(shù)優(yōu)化方案確定

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?30 中段664 分層4406 采場(chǎng)9＃礦體切割槽。 現(xiàn)場(chǎng)采用全液壓鉆機(jī)鉆孔，孔徑90 mm。根據(jù)上述分析確定，優(yōu)化后的爆破參數(shù)為：炮孔孔距1.2 m，排距1.5 m，爆破排數(shù)3 排，抵抗線0.8 m。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分層高度，孔深為11.7 m。 采用多孔粒狀銨油炸藥，炸藥密度0.9 g／cm3，裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)耦合裝藥，裝藥長(zhǎng)度9 m，堵塞長(zhǎng)度2～3 m，炸藥爆速2600 m／s，總藥量720 kg，起爆方式為數(shù)碼電子雷管，排間延期時(shí)間42 ms，4 孔孔間延期時(shí)間分別為13、0、9、18 ms，起爆網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖6。

圖6 起爆網(wǎng)絡(luò)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行爆破，按照爆破塊度圖像識(shí)別分析要求，對(duì)本次爆破試驗(yàn)的塊度進(jìn)行分析處理得到塊度參數(shù)，并與礦山采用導(dǎo)爆管起爆的原爆破方案的爆破塊度參數(shù)平均值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化前后爆破塊度參數(shù)對(duì)比

由表4 可以看出，礦山原爆破方案的粉礦率為34.31%，優(yōu)化后粉礦率為24.98%，粉礦率降低了27.19%；優(yōu)化后平均塊度為21.16 cm，與礦山原爆破方案的平均塊度12.99 cm 相比提高了62.89%；最大塊度為71.10 cm，大塊率為1.05%，均在合理的范圍內(nèi)，未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鏟裝作用造成影響。 整體上，爆破參數(shù)優(yōu)化后，巖石平均塊度明顯提高，粉礦率降低顯著，說(shuō)明本次爆破參數(shù)優(yōu)化合理，能夠有效控制大塊巖石在合理范圍內(nèi)，對(duì)粉礦率起到很好的降低作用，平均塊度提高，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于灰色關(guān)聯(lián)分析理論確定爆破塊度影響因素來(lái)優(yōu)化爆破參數(shù)提高爆破效果的可行性。

5 結(jié)論

以?xún)?nèi)蒙古三貴口鉛鋅礦為研究對(duì)象，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)深孔切割槽爆破塊度的主要影響因素進(jìn)行分析研究；利用趨勢(shì)分析法對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)展工程試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化效果，得到如下結(jié)論：

1） 運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論，對(duì)三貴口鉛鋅礦深孔切割槽爆破塊度效果影響因素進(jìn)行分析，得到各影響參數(shù)的主次關(guān)系為：排數(shù)＞排距＞排間延期時(shí)間＞孔距＞孔深＞抵抗線＞孔間延期時(shí)間。

2） 利用趨勢(shì)分析法確定主要影響因素對(duì)粉礦率和平均塊度的作用趨勢(shì)，其中粉礦率隨著排間延期時(shí)間增大而減小，隨著排距增加整體上呈降低趨勢(shì)；平均塊度隨排數(shù)增多而減小，隨著排距增大整體上呈增大趨勢(shì)。

3） 基于分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化后的爆破參數(shù)為：孔距1.2 m，排距1.5 m，采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆，4 孔孔間延期時(shí)間分別為13、0、9、18 ms，排間延期時(shí)間為42 ms，該參數(shù)下爆破，能夠明顯降低粉礦率、提高平均塊度，與礦山原爆破方案相比，粉礦率降低了27.19%，平均塊度提高了62.89%。