张阳光,李 强,林 飞,赵 彭,杨 文

(1.煤炭科学研究总院,北京100013 ;2.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北235000)

0 引言

目前,在国内外露天矿山开采工程中,台阶深孔爆破是开挖矿岩使用最广泛的方法[1-2]。 良好的爆破效果可提高工作效率,降低工序作业时间,从而降低矿山开采的生产成本。 评价爆破效果的指标有很多,比如爆破块度、爆破振动、有无根底等。 对矿山生产影响较大,研究人员关注较多的是爆破块度。 自20 世纪60 年代以来,国内外的科研工作者在研究爆破块度方面做出了突出的贡献,科研人员在理论结合试验的基础上,提出了多种可以预测爆破块度的经典模型,填充了爆破块度预测这一区域的空白。 比较有代表性的有澳大利亚学者哈里斯建立的Harries 模型及国内学者邹定祥等人建立的BMMC 模型[3]。 这些模型将复杂的、瞬间的动态爆破过程简化为简单的、静态的爆破过程,将连续多变的岩体结构简化为均质的岩体结构,显然这样的模型简化太过理想化。 故其对岩石块度的预测结果与实际情况存在较大的出入。

近年来,随着科学技术的迅速发展,计算机技术得到了长足的进步,基于计算机对爆堆图片的处理分析,衍生出许多预测爆破块度的软件,这逐渐引起了广大学者的重视[4]。 比较有代表性的软件有WipFrag 和Split-Desktop,这些软件具有计算结果准确性高、操作简单、适应性好等优点,而被广泛用于计算爆破后的岩石块度尺寸。 因此,笔者借助块度分析软件Split-Desktop 4.0 对爆堆图片进行分析,计算爆破后爆堆岩石的块度分布,得出岩石的大块率和平均块度,作为评价爆破效果的指标。结合紫金山金铜矿露天开采爆破工程项目,运用灰色关联分析法分析炸药单耗、孔间距、排间距和堵塞长度对爆破效果的影响主次关系,确定影响爆破效果的主要因素,为优化爆破参数,提高爆破质量提供理论依据。

1 灰色关联分析法

1.1 特征变量和相关因素变量

岩体爆破中存在两类参量。 一类是衡量爆破质量优劣的指标量,如块度分布函数中的均匀性指数、特征块度、最大块度及大块率、平均块度等指标。 另一类是对爆破质量起控制作用的因素量,即炸药波阻抗、炸药单耗、孔径、孔距、排距、炮孔密集系数、抵抗线、微差时间、节理裂隙间距、岩体强度和岩体波阻抗等参量[5]。 进行灰色关联分析时,将反映爆破质量优劣的指标量定义为系统特征变量,记为yi(i=1,2,3…s),s表示指标量个数;相应地,将各种因素量定义为相关因素变量,记为xj(j=1,2,3…m),m表示因素量个数。 若利用n次试验结果来确定影响岩体爆破质量的主要因素,那么,每一个系统特征变量和相关因素变量在各次试验中所测得的数据就形成相应的系统特征变量数据序列和相关因素变量数据序列,即:

1.2 灰色关联度及其计算方法

灰色关联分析法的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。 曲线越接近,相应序列之间的灰色关联度就越大,反之就越小[6-7]。 灰色关联分析方法是通过计算系统特征变量数据序列之间的灰色关联度,建立灰色关联度矩阵,利用优势分析原则,得出各影响因素的顺序,最终确定出主要影响因素。 采用灰色关联分析影响岩体爆破质量的主要因素时,不需要考虑变量序列中各次测量数据相对始点的变化率,以避免关联度计算中因分辨系数的选取而出现计算问题。 以灰色绝对关联度为基础的灰色关联分析方法在试验研究时,各相关因素变量和特征变量的单位不统一,为确保关联度的准确性,需要对各相关因素变量和特征变量进行均值化处理,从而得到均值象,以达到各相关因素变量和特征变量单位统一的目的[8]。 为此,通过均值化算子D1的作用求得各变量序列的均值象,则式(1)、式(2)可转化为:

对式(3)、式(4)式分别经过始点零象化算子D0作用得到其相应的始点零象:

1.3 优势分析原则

利用式(7)计算出灰色绝对关联度,得到灰色绝对关联矩阵:

2 工程应用与分析

目前,爆破参数等因素对爆破效果的影响研究还处在结果论的阶段,即以爆破质量的好坏来衡量爆破参数等相关因素的合理性。 对爆破参数等因素的研究,主要以实验室模拟试验和现场爆破试验为主,以理论分析和数值模拟分析为辅,以达到优化爆破参数,提高爆破质量的目的。 笔者通过具体的现场试验,运用灰色关联分析方法探索对爆破效果产生影响的爆破因素的主次关系。

福建省龙岩市上杭县紫金山发现黄金和铜的共生矿床,共生矿床的上部是金矿,下部是铜矿,黄金和铜的储备量极其丰富,使之一跃成为国内最大的金铜矿之一。 紫金山金铜矿采用爆破的方式进行大规模开采。 但在爆破开采的过程中遇到了大块率偏高、平均块度较大、爆破振动大等问题,这些问题使得爆破效果偏差,为铲装运输、机械破碎等工序增加了困难,耗费财力、人力,增加了开采成本。 为了降低开采成本,需要对影响爆破效果的主要因素进行调整优化,故采用灰色关联分析法分析影响爆破效果的主要因素,进而准确地优化、提高爆破效果[9]。

为分析爆破过程中各相关因素变量对爆破效果的影响,在紫金山金铜矿露天采矿场不同作业平台共进行了5 次试验,运用灰色关联分析技术确定各因素变量对爆破效果的敏感性,进而得出各因素变量的主次关系,为紫金山金铜矿优化爆破参数提供理论支撑。 灰色关联理论分析过程中,选择孔间距、排间距、炸药单耗和堵塞长度为控制爆破效果的相关因素变量,分别用x1、x2、x3、x4来表示,各相关因素变量具体的取值见表1。

表1 相关因素变量值

上述5 组相关因素变量对应的爆破试验完成后,在爆堆的表面放置两个直径为24.6 cm 的篮球作为比例尺,然后利用像素值较高的照相机进行拍照,把获取的图片导入计算机,利用块度评价软件Split-Desktop4.0 处理爆堆图片,以获得岩石块度的尺寸分布及岩石的平均块度[10]。

选择大块率和平均块度2 项指标作为评价爆破效果的特征变量,分别用Y1、Y2表示,各组试验过后,经过对爆堆图片的处理得到对应的特征变量取值见表2。

表2 特征变量值

灰色关联分析时,各相关因素变量和特征变量的单位不统一,为确保关联度的准确性,对各相关因素变量和特征变量进行均值化处理,得到均值象,以达到统一单位的目的。 各相关因素变量和特征变量通过均值化处理后得到的均值象见表3。

为方便计算,对均值象进行始点零象化处理,得到始点零象。 对各相关因素变量和特征变量的均值象进行始点零象化处理得到始点零象,见表4。

表3 各相关因素变量和特征变量的均值象

表4 各相关因素变量和特征变量的始点零象

根据以上5 组试验相关因素变量和特征变量的均值象和始点零象及灰色绝对关联度的计算公式,可以计算得到灰色绝对关联矩阵。 使用数据处理软件Matlab 按照灰色关联度计算方法编制程序,对相关因素变量和特征变量的均值象和始点零象进行计算得到灰色绝对关联矩阵,见表5。

表5 灰色绝对关联矩阵

由表5 可知,孔间距的灰色绝对关联度为1.881 7,排间距的灰色绝对关联度为1.787 2,炸药单耗的灰色绝对关联度为1.942 5,堵塞长度的灰色绝对关联度为1.856 1。 灰色绝对关联度从大到小排列依次是炸药单耗、孔间距、堵塞长度、排间距。其中炸药单耗的灰色绝对关联度最大为1.942 5,故为主要影响因素;孔间距、堵塞长度及排间距的灰色绝对关联度均小于炸药单耗的灰色绝对关联度,故它们为次要影响因素。 因此,爆破效果的好坏主要由炸药单耗决定,要想改善爆破效果,首先要调整炸药单耗这一主要影响因素,其次再调整孔间距、堵塞长度及排间距等次要影响因素。

根据上述分析,对紫金山金铜矿露天开采工程的爆破参数进行优化,增大炸药单耗,并在采矿场进行了爆破试验。 试验结果表明:增大炸药单耗可以降低爆破后的岩石大块率和平均块度,改善爆破效果,提高爆破质量。 但当炸药单耗增至一定值后,岩石遭到过度粉碎,爆破后的岩石块度过小,不但浪费炸药能量、增加开采成本,而且降低了爆破质量。 因此,增加炸药单耗可改善爆破效果、提高爆破质量,但不宜无限制增加,应在合理范围内进行取值。

3 结语

通过运用灰色关联分析方法,对紫金山金铜矿露天开采爆破工程实例的分析,得出以下结论:

1)灰色关联分析方法可以确定出各相关因素变量对爆破效果产生影响的主次关系,通过优化主要影响因素来改善爆破效果,从而实现高效、准确、有针对性地提高爆破质量。

2)紫金山金铜矿露天开采爆破工程中,选取的影响爆破效果的主要因素关联度大小关系为炸药单耗＞孔间距＞堵塞长度＞排间距。 可根据因素的敏感性对其合理调整。

3)分析结果只针对提高紫金山金铜矿露天开采爆破工程的爆破效果,分析时选取的影响因素较少,分析具有局限性,在地质复杂的工程中需进一步研究。