礦巖爆破塊度研究的現(xiàn)狀與分析?

楊明財(cái)，盛建龍，劉艷章，翟明洋，董 舒

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430081)

礦巖爆破塊度研究的現(xiàn)狀與分析?

楊明財(cái)，盛建龍，劉艷章，翟明洋，董 舒

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430081)

采礦過程中，礦巖的破碎塊度是評(píng)價(jià)爆破效果的重要指標(biāo)，它直接影響礦山的技術(shù)方案、設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)效果等問題，甚至?xí)?yán)重威脅礦山連續(xù)安全生產(chǎn)。首先分析了礦巖爆破塊度對(duì)礦山的影響，然后重點(diǎn)歸納總結(jié)了現(xiàn)階段礦巖爆破塊度的影響因素、描述方法、基本理論、預(yù)測(cè)方法，最后根據(jù)礦巖爆破塊度研究的現(xiàn)狀，通過分析得出了一些結(jié)果，為礦山爆破工程提供參考。

礦巖；爆破塊度；大塊率

0 引 言

爆破塊度如果過大則需要二次破碎，從而降低礦石運(yùn)搬的生產(chǎn)能力，產(chǎn)生粉塵和有毒氣體，污染工作環(huán)境，在處理大塊擠壓堵塞溜井或漏斗時(shí)，存在嚴(yán)重的安全問題，并且在漏口閘門處破碎大塊，往往會(huì)導(dǎo)致閘門崩壞、電纜破壞等事故[1]。塊度過小則浪費(fèi)炸藥，容易產(chǎn)生飛石，增加通風(fēng)成本，同時(shí)容易導(dǎo)致溜井和漏斗等放礦設(shè)施發(fā)生壓密結(jié)拱堵塞事故，從而引發(fā)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全問題。因此，控制礦巖爆破塊度是落礦和放礦工藝的重要研究課題。

爆破塊度的定義是：礦石、巖石經(jīng)爆破后形成碎塊的大小程度。一般采用以下幾種方法描述礦巖爆破的破碎程度：塊度分布函數(shù)；平均塊度；合格塊度和大塊率[2]，進(jìn)而從定量的角度去研究塊度問題。礦巖爆破塊度問題研究范圍廣泛，包括對(duì)礦山的影響、影響因素、塊度描述方法、經(jīng)典理論、試驗(yàn)研究方法、預(yù)測(cè)算法和控制方法等方面[3]。

1 礦巖爆破塊度對(duì)礦山的影響

礦巖爆破塊度的質(zhì)量直接關(guān)系著礦山的安全生產(chǎn)，破碎塊度適中，避免產(chǎn)生大塊和過粉這是礦巖爆破的基本要求，為達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果起了保障作用。通過參考國內(nèi)外研究文獻(xiàn)和專家經(jīng)驗(yàn)，下面綜合分析礦巖爆破塊度對(duì)礦山的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 礦巖爆破塊度對(duì)礦山的影響

從圖1可以看出，爆破塊度影響著礦山的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全，這3方面也決定著礦山的未來發(fā)展，因此研究與分析礦巖爆破塊度對(duì)礦山可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

2 礦巖爆破塊度的現(xiàn)狀研究

2.1 礦巖爆破塊度的影響因素

由于爆炸過程的復(fù)雜性及爆破巖體的復(fù)雜物理力學(xué)性質(zhì)，在爆炸力作用下巖體破碎塊度的大小和分布狀況相當(dāng)復(fù)雜，塊度效果的影響因素有很多，概括起來主要包括3個(gè)方面：礦巖爆破條件；爆破方法；爆破參數(shù)[1]。下面采用魚骨圖法分析爆破塊度的影響因素，具體見圖2。

圖2 礦巖爆破塊度的影響因素分析

2.1.1 礦巖爆破條件

(1)礦巖物理力學(xué)性質(zhì)。礦巖物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)爆破破碎效果有直接影響。鐘冬望等人(1992)[4]建立了以能量平衡為主、巖石聲阻抗為輔的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了一種科學(xué)、可靠、方便的巖石爆破性分級(jí)方法，即穩(wěn)健模糊態(tài)分級(jí)。葛樹高(1995)[5]對(duì)前蘇聯(lián)的哈氏分級(jí)方法加以改進(jìn)，結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)踐，以巖體天然裂隙平均間距、聲波阻抗、礦巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度及容重來評(píng)價(jià)巖體可爆性。張愈祖和陳壽如(2003年)[6]通過巖石力學(xué)試驗(yàn)研究認(rèn)為礦巖的波阻抗、彈性模量和抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)均會(huì)影響可爆性，其中抗拉強(qiáng)度影響作用最強(qiáng)。

(2)礦巖結(jié)構(gòu)面。礦巖結(jié)構(gòu)面主要包括節(jié)理、裂隙、層理、斷裂和褶皺等，當(dāng)作用方向一致時(shí)，爆生氣體侵入結(jié)構(gòu)面使裂面張開，導(dǎo)致炮孔內(nèi)壓力降低，從而影響巖石的破碎；當(dāng)它們與爆破作用方向垂直時(shí)，有利爆炸應(yīng)力波傳播及反射。另外，結(jié)構(gòu)面還會(huì)影響爆炸應(yīng)力波的傳播，從而影響爆破效果。

(3)礦巖賦存的地質(zhì)條件。礦巖賦存環(huán)境的地應(yīng)力、圍巖條件和斷層等地質(zhì)條件都會(huì)影響礦巖爆破破碎效果。因此，在爆破前了解礦巖的賦存狀況，有利于爆破塊度的控制。

2.1.2 爆破方法

工程爆破根據(jù)礦巖爆破裝藥載體(炮孔或裝藥硐室)的不同，分為淺孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破等。

(1)淺孔爆破。淺孔爆破是指巖礦等開挖、二次破碎大塊時(shí)采用的炮孔直徑小于或等于50 mm、深度小于或等于5 m的爆破作業(yè)[7]。它是工程爆破中的主要方法之一，應(yīng)用范圍廣泛。由于淺孔爆破孔深較小，裝藥系數(shù)較大，且炮孔布置方向一般與礦體層理或者裂隙面垂直，礦巖的破碎效果通常很好，大塊率較低。

(2)中深孔爆破。目前中深孔爆破應(yīng)用最廣的是上向扇形爆破法，其主要特點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以鑿巖中心為起點(diǎn)，向外布孔，然后按照最大孔間距布置其余炮孔。近年來為了解決中深孔爆破容易產(chǎn)生大塊的問題，出現(xiàn)了一種小抵抗線爆破技術(shù)。它的實(shí)質(zhì)是在保持孔網(wǎng)面積和單位炸藥消耗量基本不變的情況下，減小抵抗線，增大孔間距，使炮孔的密集系數(shù)控制在3～6內(nèi)。

(3)深孔爆破。根據(jù)補(bǔ)償空間的不同，深孔爆破可以分為普通深孔爆破和深孔擠壓爆破，前者的補(bǔ)償空間一般為20%～30%，而后者僅為12%～0%。因此深孔爆破在充分利用爆炸能量的基礎(chǔ)上，有效的控制了大塊率。同中深孔一樣，深孔爆破容易在孔底部位產(chǎn)生大塊，而在孔口位置則常常發(fā)生過粉現(xiàn)象。

2.1.3 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)是指具體體現(xiàn)和確切說明不同爆破方法和方案，采用對(duì)應(yīng)鉆爆技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)的參量，主要爆破參數(shù)，如裝藥長(zhǎng)度、藥包直徑和密度、間隔裝藥、炸藥單號(hào)等，用以說明裝藥的具體形式；爆炸參數(shù)，有起爆段數(shù)、各段時(shí)差、傳爆長(zhǎng)度及爆破范圍，這些直接影響著爆炸能量、能量利用率和巖石破碎機(jī)理等重要指標(biāo)，從而決定礦巖破碎效果。由此可知，不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的爆破方法，在施工前，要保證爆破方法和爆破參數(shù)的一致性，以取得良好的爆破

效果。

2.2 塊度描述方法

2.2.1 塊度分布函數(shù)

理論研究和工程實(shí)踐中，主要用以下3種塊度分布函數(shù)描述礦巖爆破塊度特征。

(1)Rosin-Rammler分布

式中，y為篩下累積率；x為巖塊尺寸或篩網(wǎng)孔徑；x0為分布參數(shù)，又稱尺寸模數(shù)，其數(shù)值等于當(dāng)篩下量為63.21%時(shí)的篩網(wǎng)孔徑；n為分布參數(shù)。

(2)Gaudin-Meloy分布

式中，x0為最大塊度尺寸，其余參數(shù)同 Rosin-Rammler分布。

(3)Gates-Gaudin-Scuhmann分布

通過上式可以看出，描述爆破塊度分布關(guān)系時(shí)沒有考慮爆破前的幾何參數(shù)、礦巖地質(zhì)條件的影響。

2.2.2 平均塊度

平均塊度是指礦巖爆破后，礦堆中不同塊度的加權(quán)平均值。計(jì)算平均塊度需要統(tǒng)計(jì)爆破礦堆中每一種塊度礦巖的尺寸和其占有比例，由于其可操作性不強(qiáng)，在工程上基本不使用，僅用于理論研究。

2.3 礦巖爆破塊度控制理論

2.3.1 能量學(xué)說

礦巖破碎能量學(xué)說主要有三大學(xué)派：Rittinger新表面學(xué)說、Kick相似學(xué)說和Bond裂紋學(xué)說[1]。

(1)Rittinger新表面學(xué)說。Rittinger認(rèn)為巖石破碎前后物理和力學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生變化，巖石破碎后只是增加了新表面，新表面的大小與利用的爆破能量成正比。單位體積的礦巖爆破后，尺寸從D減小到d，單位體積表面變化同(1/d–1/D)成正比，因此單位體積礦巖破碎需要的能量為：

式中，KR是與爆破對(duì)象材料性質(zhì)、破碎方法有關(guān)的常數(shù)。

(2)Kick相似學(xué)說。Kick認(rèn)為不論破碎塊度如何，礦巖破碎時(shí)的壓力分布和破碎方式都相似，從而破碎后塊度分布也相似。有下列理論公式：

式中，w0為礦巖試件單位體積輸入的能量；i為破碎比；D為原始尺寸；d為破碎后的尺寸。

2.3.2 巖石斷裂破碎理論

自然狀態(tài)下的巖石在未受到外部能量作用之前內(nèi)部就已存在大小不一、相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)面體系，它們?cè)谕廨d作用下擴(kuò)展開來，破碎成具有一定塊度特征的碎塊。下面從動(dòng)能和斷裂損傷的角度介紹巖石動(dòng)態(tài)斷裂的塊度特征[1]。

(1)動(dòng)能理論。在巖石動(dòng)態(tài)斷裂過程中，弱面控制著斷裂過程和方向。在沖擊和爆破等突變性的動(dòng)態(tài)斷裂過程中，動(dòng)能起決定性的作用。動(dòng)能理論認(rèn)為巖石動(dòng)態(tài)斷裂時(shí)的塊度直徑滿足下面公式：

式中，c為聲波在巖石中傳播速度；ρ為密度；KIC和ε為與材料參數(shù)和破碎方式有關(guān)的常數(shù)。

(2)斷裂損傷理論。巖石斷裂損傷理論認(rèn)為在動(dòng)態(tài)斷裂過程中，巖塊尺度的大小取決于內(nèi)部的缺陷，也就是損傷的程度，一般缺陷的分布與應(yīng)力水平有關(guān)。

式中，B、m為Weibull分布的兩個(gè)參數(shù)，利用動(dòng)態(tài)斷裂時(shí)的應(yīng)力可得平均巖塊尺度與應(yīng)變率之間的關(guān)系：

2.4 礦巖爆破塊度預(yù)測(cè)方法

2.4.1 基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的預(yù)測(cè)方法

基于圖像處理技術(shù)的爆破塊度預(yù)測(cè)方法基本過程如圖3所示。Bapoh(1960)最先通過照片取樣和線段法相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)爆破塊度。傅洪賢和張幼蒂(2000)[8]采用傾斜攝影技術(shù)，對(duì)爆堆進(jìn)行拍照，然后對(duì)圖像進(jìn)行縮放處理，使圖像在長(zhǎng)和寬方向上縮放比例一致；對(duì)爆堆圖像進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)礦巖的面積、周長(zhǎng)，最后運(yùn)用最佳匹配橢圓體模型[9-10]推測(cè)礦巖塊度組成。宋克英和刑占利等(2006)[11]在弓長(zhǎng)

嶺露天鐵礦生產(chǎn)爆破中，對(duì)7個(gè)爆區(qū)的每一爆堆進(jìn)行了拍照，并運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)爆破塊度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算得到礦巖塊度為R-R分布，同工程實(shí)際情況一致。璩世杰和劉際飛等(2013)[12]改進(jìn)了預(yù)測(cè)方法，引入“雙閾值亮點(diǎn)膨脹遞減循環(huán)處理”技術(shù)進(jìn)行圖像二值化處理，并對(duì)爆破圖像進(jìn)行平滑去噪，運(yùn)用laplace算子邊緣檢測(cè)法提取礦巖邊界。改進(jìn)后的預(yù)測(cè)系統(tǒng)具有較高的精度，誤差一般小于10%。

圖3 基于圖像處理技術(shù)的爆破塊度預(yù)測(cè)流程

2.4.2 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的預(yù)測(cè)方法

馬柏令(1982)[13]在觀山銅礦進(jìn)行了露天小臺(tái)階爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)中嚴(yán)格控制各類影響因素，每次爆破后將崩落的礦巖全部收集回來，并就地手工分級(jí)量測(cè)，然后采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)其他爆破的礦巖塊度。劉軍和赫建明等(2001)[14]利用統(tǒng)計(jì)方法，揭示破碎梯度n、平均塊度K50與不同性質(zhì)巖石的爆破參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并在宣化鋼鐵公司近北莊鐵礦露天采場(chǎng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)。周傳波(2003)[15]結(jié)合某露天礦實(shí)際，在現(xiàn)場(chǎng)小臺(tái)階模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用回歸分析和顯著性檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，研究建立了礦巖爆破塊度分布與巖體特征、炸藥類型、爆破參數(shù)的7種變量因子預(yù)測(cè)模型；同時(shí)通過對(duì)所建模型的分析研究，得到了大塊率、平均塊度、P80和K50等爆破單一指標(biāo)的計(jì)算式。經(jīng)生產(chǎn)爆破試驗(yàn)的檢驗(yàn)，模型與實(shí)際吻合較好。

2.4.3 基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)算法的預(yù)測(cè)方法

運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)算法預(yù)測(cè)礦巖爆破塊度是目前的一大研究熱點(diǎn)，預(yù)測(cè)算法主要有基因表達(dá)式編程算法(GEP)、庫茲列佐夫法(Kuznetsov)、多重回歸分析法(MVRA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、支持向量機(jī)方法(SVMA)和模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)等。

P.H.S.W.Kulatilakea和 WuQiong等(2010)[16]采用多變量分析過程(MAP)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)預(yù)測(cè)巖石爆破破碎產(chǎn)生的平均塊度。首先在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)、炸藥參數(shù)、彈性模量和原位塊大小等參數(shù)，然后通過ANN算法建立塊度關(guān)于這些參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，研究結(jié)論在礦山中取得了良好效果。

SHI Xiu-zhi和ZHOU Jian等[17](2012)針對(duì)臺(tái)階爆破傳統(tǒng)塊度分布理論存在的問題，采用支持向量機(jī)(SVM)回歸方法預(yù)測(cè)爆破平均塊度。數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了臺(tái)階高度同炮孔抵抗線的比值(H/B)、間距比(S/B)、抵抗線同炮孔的比值(B/D)、堵塞長(zhǎng)度同抵抗線的比值(T/B)、炸藥單耗(Pf)、彈性模量(E)和現(xiàn)場(chǎng)塊大小(XB)7個(gè)參數(shù)，用于支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型。并在礦山使用了90組數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)預(yù)測(cè)效果，結(jié)果顯示支持向量機(jī)模型的預(yù)測(cè)精度是可以接受的。

Karami Alireza和 Afiuni-Zadeh Somaieh[18](2013)基于模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)和徑向基函數(shù)(RBF)，建立了露天臺(tái)階爆破礦巖塊度K80指標(biāo)的預(yù)測(cè)方法，并在伊朗Golgohar鐵礦中成功應(yīng)用。

聶軍和史秀志等[19](2015)針對(duì)爆破塊度難以預(yù)測(cè)問題，選用基因表達(dá)式編程(GEP)算法，以My Eclipse為開發(fā)工具，建立基于 GEP的爆破塊度預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)比其他方法，得到GEP模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)最高，平均絕對(duì)誤差、平方根誤差最低。

3 分 析

(1)爆破塊度控制技術(shù)的理論研究是現(xiàn)階段的重要任務(wù)之一。巖石爆破破碎理論、爆破工藝和巖石物理力學(xué)性質(zhì)等研究領(lǐng)域是礦巖爆破破碎塊度的基本理論，在研究塊度問題時(shí)應(yīng)該對(duì)這些理論進(jìn)行綜合研究，而不能僅僅研究某單一理論。

(2)計(jì)算機(jī)智能化的爆破塊度預(yù)測(cè)系統(tǒng)是爆破塊度控制技術(shù)的發(fā)展方向，開發(fā)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)將顯著提高爆破效果。

(3)研究深部礦巖爆破下的破碎塊度問題。由于近地表礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，采礦開始轉(zhuǎn)向深部。

深部條件下，地質(zhì)和地應(yīng)力條件更加復(fù)雜，由此引起傳統(tǒng)的爆破理論不再適用，因此研究深部條件下礦巖爆破碎問題具有重要意義。

(4)由于礦巖塊度不適中引起的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全問題的比較嚴(yán)重，急需解決。在實(shí)際生產(chǎn)中，除了考慮控制礦巖塊度之外，還可以考慮通過改善工藝或者提高設(shè)備性能等方法來適應(yīng)不同的塊度要求。

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2016-06-27)

楊明財(cái)(1993-)，男，青海互助人，碩士研究生，主要從事地下礦山開采工藝、巖石力學(xué)等方面的研究，Email：2514132363＠qq.com。

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51074115，51574183)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA142).