基于爆破塊度的地下金礦鉆爆及鏟裝成本優(yōu)化

官旭暉，項江波，曾令峰，郭文康，樓曉明

(1.福州大學 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學院，福州 350116；2.福州大學 爆炸技術研究所，福州 350116；3.紫金礦業(yè)建設有限公司，福建 廈門 361026)

某地下金礦目前已經(jīng)進入開采階段，通過一段時間的生產(chǎn)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)存在塊度級配不均、爆破參數(shù)不合理的問題，進而導致生產(chǎn)效率不高，生產(chǎn)成本增加。同時，在地下礦回采爆破中，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難和條件復雜等原因，對于爆破塊度及與之對應的爆破參數(shù)與工藝的相關研究成果還相對缺乏。因此，迫切需要進行相關研究，調(diào)整爆破參數(shù)，優(yōu)化爆破塊度，最終達到降低生產(chǎn)成本的目的，也為相關研究補充理論依據(jù)并提供新思路。

關于爆破塊度與生產(chǎn)成本，部分學者從不同角度進行了一些研究，但其中大多是針對露天礦山的，適用于地下礦山的成果還比較少。孫光華等[1]對王官營石灰石礦統(tǒng)計塊度與鏟裝成本關系進行了綜合研究，其中的塊度數(shù)據(jù)以每次爆破后進行現(xiàn)場統(tǒng)計得到，數(shù)據(jù)存在一定的偶然性和隨機性；張強等[2]對程潮地下采場電動鏟運機鏟裝情況進行現(xiàn)場統(tǒng)計時，應用KUZ-RAM模型研究塊度分布特征，簡便快捷，但針對不同采區(qū)的情況，可能出現(xiàn)偏差；朱子晗[3]和武仁杰等[4]利用改進后的塊度預測模型進行爆破指導，取得了一定成果，但也存在數(shù)據(jù)利用率不足、預測精度存在浮動的問題；薛文彬等[5]重點研究了爆破塊度與鏟裝二者間的關系，對其中的各個影響因素進行了分析和量化，得出了經(jīng)濟合理的參數(shù)，但缺乏鉆爆成本與爆破塊度的關系；張金璽等[6]將統(tǒng)計學中的分布函數(shù)引入對爆破塊度的分析中，討論了提升開采效率的措施，但未給出較優(yōu)的爆破塊度區(qū)間?？梢园l(fā)現(xiàn)，目前大都通過現(xiàn)場統(tǒng)計爆破塊度，或者利用現(xiàn)有塊度預測模型預測爆破塊度分布狀況，比較費時，且得到的塊度數(shù)據(jù)可能準確性也不高。另外，胡磊[7]、張征成[8]、張迎吉[9]、周后友[10]、謝博等[11]運用Split-Desktop等塊度分析軟件對一些工程爆破效果或爆破試驗進行了分析，得到許多提高爆破效果的研究成果，但利用爆破塊度分析軟件對相關成本進行分析的成果目前還較缺乏。

本研究將對采場回采爆破后的爆堆通過鏟裝時的拍照得到，并收集相應采場爆破參數(shù)下的鉆孔、炸藥量、鏟裝等現(xiàn)場可靠數(shù)據(jù)，再利用Split-Desktop塊度軟件進行塊度級配分析獲得平均塊度，建立塊度與成本之間的數(shù)學模型，獲得經(jīng)濟合理的塊度，從而為扇形深孔爆破的爆破參數(shù)優(yōu)化打下基礎。

1 現(xiàn)場工況

某地下金礦采場采用上向扇形深孔爆破，鑿巖機在鑿巖巷道內(nèi)鉆鑿炮孔，孔徑60 mm，孔深為5～15 m，孔底距約1.8～2.2 m，排距約1.4～1.6 m；現(xiàn)場采用壓氣裝藥，導爆索起爆，采用CSJ10型測孔儀進行測孔，確保炮孔精確，炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)具體見圖1和2所示。

1-切割拉底巷；2-鑿巖巷道；3-上向扇形深孔；4-出礦進路；5-出礦橫巷圖1 上向扇形深孔布孔及出礦方式圖Fig.1 Hole layout and ore drawing mode of upward fan-shaped deep hole

1-孔內(nèi)導爆索；2-起爆雷管；3-導爆管；4-孔口堵塞；5-粉狀乳化炸藥圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of charge structure

該地下采場出礦方式為集中出礦，無軌鏟運機鏟運，之后裝入礦車組由電機車拉至卸載點，在指定標高放礦進礦車組，再由主井提升至地面。扇形中深孔布孔及出礦方式見圖1所示。顯然，爆破參數(shù)與工藝影響下的爆破塊度的大小，不僅影響鉆孔和炸藥、鏟裝成本，而且對采場回采進度具有影響。采用科學方法得到經(jīng)濟合理的爆破塊度，對于礦山生產(chǎn)成本控制和提高生產(chǎn)效率有重要意義。

2 爆破塊度分析

照片處理技術和爆破塊度分析技術的日漸成熟，為爆破塊度的分析方法提供了更多的選擇。Split-Desktop4.0是一款爆破塊度分析軟件，可以提高爆破塊度分布的可量化性和準確性，也為評價其影響提供技術支持。先在采場爆破后鏟裝時對可見爆堆進行拍照，拍照量達到軟件分析要求，即照片覆蓋面積大于爆堆表面積的15%。攝影時，根據(jù)現(xiàn)場條件采用正攝影或側(cè)攝影法，多角度拍攝，使分析結(jié)果更加準確，具體如圖3所示。將拍攝的照片導入Split-Desktop4.0軟件中，軟件將對照片信息進行自動處理，勾勒輪廓，然后只需要對部分不清晰的輪廓進行修改(圖4)，并確定參照物尺寸，即可進行運算，塊度分析流程見圖5所示，其結(jié)果如爆堆的塊度分布直方圖如圖6所示。

圖3 現(xiàn)場拍攝照片示意圖 Fig.3 Schematic diagram of on-site photos

圖4 井下原始爆堆實拍圖及其處理過程Fig.4 Real photos of underground original blasted ore pile and its processing process

圖5 塊度分析流程圖Fig.5 lumpiness analysis flow chart

圖6 爆堆的塊度分布直方圖(單位：英寸)Fig.6 Distribution histogram of lumpiness in blasted ore pile(unit：inch)

3 鉆爆環(huán)節(jié)成本分析

在生產(chǎn)實際中，地下鉆爆成本可能受到爆破塊度分布、爆堆形態(tài)、爆破方量、設備性能、礦體形態(tài)、井下地形甚至損失貧化[12]等因素影響，但綜合考量后會發(fā)現(xiàn)，很多影響因素存在量化困難的情況，同時，也有一些影響因素對成本的影響并不顯著，甚至可以忽略，而爆堆中的礦巖尺寸分析由于具有可以直接而真實地反映爆破效果的特點[13]，由此認為爆破塊度分布情況對整體成本的影響最具有代表性和顯著性。

3.1 鉆爆環(huán)節(jié)成本影響因素

鉆爆環(huán)節(jié)的成本，由鉆孔成本與爆破成本組成。一般鉆孔成本主要產(chǎn)生在鉆機的能耗、折舊費、操作工的人工費用等方面，在生產(chǎn)實際中，鉆孔成本也受到巖性(密度、硬度等)、現(xiàn)場環(huán)境、工人熟練度等因素的影響。爆破環(huán)節(jié)中的成本，其因素也比較復雜，受到裝藥結(jié)構(gòu)、器材的選擇與損耗、現(xiàn)場地質(zhì)條件等的影響，其費用主要包括各種器材的費用、炸藥費用、操作人員的人工費等。查閱現(xiàn)有理論會發(fā)現(xiàn)，基于爆破塊度的地下礦鉆爆成本分析研究成果還比較少，所以本研究從塊度分析數(shù)據(jù)入手是有一定必要性的。

3.2 成本函數(shù)的確定

在現(xiàn)場生產(chǎn)實際中，難以將鉆孔與爆破二者價格細分計算，故此處針對兩者之和與平均爆破塊度的關系進行統(tǒng)計和擬合。對處理完畢的圖像進行分析，就可以得到此工作面下爆堆的塊度參數(shù)，從而得到平均塊度情況，具體如表1所示。

表1 軟件分析及現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表Table 1 Software analysis and field statistical data

對列表中的數(shù)據(jù)進行擬合，可繪制出平均塊度與鉆爆環(huán)節(jié)的成本關系圖，見圖7。

圖7 平均塊度與鉆爆環(huán)節(jié)成本關系擬合曲線Fig.7 Fitting curve of relationship between average lumpiness and borehole blasting cost

由圖7可知，平均塊度與鉆爆環(huán)節(jié)成本的關系規(guī)律，隨著平均塊度的升高，鉆爆環(huán)節(jié)成本不斷降低，擬合后的函數(shù)模型為公式(1)。

(1)

式中，x為采區(qū)爆破平均塊度，cm。

4 鏟裝環(huán)節(jié)成本分析

4.1 鏟裝環(huán)節(jié)成本影響因素

鏟裝環(huán)節(jié)是井下運輸?shù)牡谝坏拦ば?，由于此時，爆堆呈現(xiàn)出的是最原始的形態(tài)，還未經(jīng)過任何篩選和分類過程，此工序成本受到爆堆形態(tài)、塊度分布、場地平整度、設備型號、甚至人工操作熟練度等因素影響[14-15]，所以，鏟裝環(huán)節(jié)是受客觀條件影響最為密切的運輸工序。一般鏟裝成本包括設備購買成本、油料消耗成本(動力成本)、折舊費、操作工的人工費等。由于鏟運機種類型號多，且作業(yè)狀況對成本影響較大，目前基本沒有理論公式。

4.2 成本函數(shù)的確定

基于以上分析，井下鏟運成本是一個多因素共同作用的結(jié)果，且部分參量難以量化，想要得到其中的函數(shù)關系模型，比較可行的方式是通過現(xiàn)場統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結(jié)合爆破塊度分析結(jié)果進行擬合，以得到成本函數(shù)模型。根據(jù)軟件，可求得不同工作面下爆堆的平均塊度，類似地，結(jié)合成本結(jié)算資料，得到表2數(shù)據(jù)。

表2 軟件分析及現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表Table 2 Software analysis and field statistical data

對列表中的數(shù)據(jù)進行擬合，可繪制出平均塊度與鏟運環(huán)節(jié)的成本關系圖，見圖8。

圖8 平均塊度與鏟裝環(huán)節(jié)成本關系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of the relationship between average lumpiness and Scooping cost

由圖8可知，平均塊度與鏟運環(huán)節(jié)成本的關系規(guī)律，隨著平均塊度的升高，鏟運環(huán)節(jié)成本也不斷升高，得到函數(shù)模型見式(2)：

Cs=0.1531x0.2869+0.0008x

(2)

式中，x為采區(qū)爆破平均塊度，cm。

由公式(1)和(2)可得到本礦區(qū)爆破塊度與鉆爆及鏟裝成本的函數(shù)關系模型，見式(3)：

0.1531x0.2869

(3)

式中，x為采區(qū)爆破平均塊度，cm。

對公式(3)函數(shù)模型進行分析，得到圖9所示曲線。對該曲線分析可知，對于某地下金礦地下采場，爆破塊度為21～24 cm時，鉆爆和鏟裝的生產(chǎn)成本較低而生產(chǎn)效率較高。

圖9 平均塊度與鉆爆及鏟裝成本關系優(yōu)化曲線Fig.9 Optimization curve of relationship between average lumpiness and borehole blasting and Scooping cost

結(jié)合得到的最優(yōu)爆破塊度范圍，表1中第5組、第7組、第11組數(shù)據(jù)符合要求，對應的主要爆破參數(shù)為：孔底距約1.9 m，排距約1.5 m，孔深5～14 m，并根據(jù)函數(shù)模型計算，得到此時的鉆爆及鏟裝綜合成本約為2.002 95元/t，與最優(yōu)成本接近，此時的爆破質(zhì)量和成本是比較合理的。

5 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場鏟裝拍照并利用Split-Desktop4.0塊度分析軟件，對不同爆破參數(shù)下的采場爆堆塊度進行了分析，并結(jié)合其量化成本，分別擬合出了塊度與鉆爆、鏟裝成本之間的數(shù)學函數(shù)模型，較精確地反映了某地下金礦塊度與鉆爆、鏟裝之間的成本關系。

2)根據(jù)成本函數(shù)，得到了適用于某地下金礦的經(jīng)濟合理爆破塊度區(qū)間為21～24 cm，同時確定了相應的爆破參數(shù)。