胡勇輝，劉連生

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

新疆某鉛鋅礦是國(guó)內(nèi)罕見的一座大型沉積型鉛鋅礦，礦床工業(yè)類型為砂（礫）巖型層控礦床。經(jīng)相關(guān)工程地質(zhì)調(diào)查，確定該礦的礦巖屬于工程地質(zhì)較差的軟巖，在國(guó)內(nèi)幾乎沒有與該礦開采條件相類似的礦山。由于各地層礦巖性質(zhì)不均，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，接近地表的巖層風(fēng)化較為嚴(yán)重，層間泥夾層分布廣，初步開采設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)與實(shí)際情況存在諸多問題，導(dǎo)致采礦成本的增加和生產(chǎn)效率的降低，采場(chǎng)礦石貧化率、損失率增加，安全問題突出。為獲得最優(yōu)爆破參數(shù)，分別在該礦的2280、2265分層的19、21、23、25、27、31勘探線的回采進(jìn)路中進(jìn)行了單位炸藥消耗量、排間距、孔底距、崩礦步距等爆破參數(shù)的試驗(yàn)。利用獲得的爆破參數(shù)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行爆破開采成本預(yù)測(cè)與控制，最終提出合理的爆破參數(shù)。

1 工程概況和爆破器材

該礦采用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采，中段高為60m，回采分段高為15m，沿礦體走向布置主運(yùn)輸巷道，運(yùn)輸巷道斷面設(shè)計(jì)為4.5m×4.5m的三心拱，斷面面積約為20m2。礦塊沿走向布置，長(zhǎng)50～60m，寬為礦體厚度。當(dāng)?shù)V體垂厚度大于15m，回采巷道垂直礦體走向布置；礦體垂厚小于15m時(shí)，回采巷道沿礦體走向布置，出礦進(jìn)路垂直礦體走向布置，間距15～22m，斷面為15.9m2，溜井間距100m，出礦選用CY－3柴油鏟運(yùn)機(jī)，載重6t，斗容3.1m3，出礦距離50～150m。

穿孔設(shè)備為YGZ－90型鑿巖機(jī)，孔徑60mm，采用垂直上向扇形布孔，優(yōu)化前排距為1.5m，孔底距為1.9m，為深孔爆破。采用粉狀銨油炸藥，炸藥密度大約980kg／m3，其爆速不小于3000m／s，用裝藥器裝藥，裝藥直徑為60mm，裝藥量為2.77kg／m。采用孔口起爆方式，雷管選用導(dǎo)爆管雷管，全孔敷設(shè)導(dǎo)爆索。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化和控制采礦成本與預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

采礦成本的控制與預(yù)測(cè)是采礦生產(chǎn)的重要工作之一，通過較為準(zhǔn)確的采礦成本預(yù)測(cè)與控制，可以經(jīng)濟(jì)合理地調(diào)整礦塊參數(shù)和爆破參數(shù)，安排勞工，降低成本，提高效益。采礦成本的大小與整個(gè)采礦系統(tǒng)之間有密切的聯(lián)系，它同時(shí)受通風(fēng)費(fèi)用、排水費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、采礦工藝的影響。影響采礦成本的各因子之間存在復(fù)雜的相互作用。由于系統(tǒng)的復(fù)雜，利用傳統(tǒng)方法很難建立起一個(gè)精確和完善的預(yù)測(cè)與控制模型。而BP神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的非線性映射能力同時(shí)具有對(duì)非線性復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)測(cè)的良好特性，可以有效地描述其本身具有的不確定、多輸入等復(fù)雜的非線性特性。

由于影響采礦成本的因子眾多，本文僅從開采時(shí)爆破器材消耗量和采礦爆破工藝兩個(gè)方面的影響因子作為建立控制采礦成本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入因子。

模型的輸出節(jié)點(diǎn)與輸入因子要有密切關(guān)系，且要充分反映開采過程中的爆破開采成本與生產(chǎn)效率之間的情況。本文將爆破開采效率P（m3／h）與爆破器材消耗D（元／m3）的比值P／D（性價(jià)比）作為衡量模型性能的指標(biāo)。P／D不但能夠很好地反映爆破參數(shù)的變化所引起爆破成本與生產(chǎn)效率的變化，而且爆破開采效率P與爆破器材消耗D的統(tǒng)計(jì)較為簡(jiǎn)單，以P／D作為模型性能的指標(biāo)具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 爆破器材

該礦爆破所用的爆破器材包括：粉狀硝銨炸藥、柴油、導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管及雷管，其價(jià)格如表1所示。

表1 爆破器材價(jià)格

2.2 爆破工藝

爆破開采時(shí)，采礦爆破工藝參數(shù)主要有炸藥單耗、排距、孔底距和崩礦步距等參數(shù)。根據(jù)金屬礦礦巖可爆性評(píng)價(jià)及井下采場(chǎng)深孔爆破參數(shù)優(yōu)化的理論與試驗(yàn)研究［1］，這些參數(shù)在生產(chǎn)優(yōu)選控制與預(yù)測(cè)模型中需加以重點(diǎn)考慮。

2.2.1 炸藥單耗的初步確定

炸藥單耗是工程爆破重要的爆破參數(shù)之一，也是指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)。合理的炸藥單耗能夠達(dá)到最佳爆破效果，過高和過低的炸藥單耗對(duì)爆破效果都產(chǎn)生不利影響。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，炸藥單耗可以通過標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗(yàn)求算。

爆破漏斗試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇要與實(shí)際生產(chǎn)地點(diǎn)巖性相同或接近的地段［2－3］，巖體無明顯的弱結(jié)構(gòu)面，即無斷層、宏觀裂隙、節(jié)理、層理與爆震裂隙等。試驗(yàn)地點(diǎn)選在2280分層19線的拉底巷道的幫壁上，炮孔直徑為60mm，試驗(yàn)炮孔一共6個(gè)，要求鉆孔位置選在比較平整的幫壁上，且嚴(yán)格垂直幫壁，不得超深。

所有試驗(yàn)炮孔均采用人工進(jìn)行耦合裝藥，根據(jù)相關(guān)資料的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［4－8］爆破漏斗試驗(yàn)炸藥單耗q值取3.23kg／m3，用導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行孔底起爆。裝藥完后用炮泥進(jìn)行嚴(yán)格的堵塞，炮孔爆破后，扣除漏斗口周圍巖石片落部分，圈定漏斗口的邊界。以炮孔為中心，相隔45°直接量取8個(gè)不同方向的漏斗半徑r，取其平均值作為爆破漏斗半徑r，測(cè)出實(shí)際最小抵抗線w，計(jì)算出爆破作用指數(shù)n。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中求得爆破漏斗平均半徑r為0.86m，平均最小抵抗線為0.63m，實(shí)際爆破作用指數(shù)n＝r／w＝1.37。根據(jù)鮑列斯闊夫公式反算出實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)單位炸藥消耗量q值為1.66kg／m3。

炸藥單耗與自由面?zhèn)€數(shù)和巖石物理力學(xué)性質(zhì)具有密切關(guān)系。自由面多，爆破應(yīng)力波通過界面產(chǎn)生反射拉伸波越多，這些波返回時(shí)又互相干擾，產(chǎn)生綜合復(fù)雜的破壞作用［9］，能夠以低單耗獲得較好的爆破效果。根據(jù)該礦區(qū)的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，且深孔爆破屬于具有兩個(gè)自由面的爆破，在進(jìn)行深孔爆破試驗(yàn)時(shí)，初始試驗(yàn)采用的炸藥單耗為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗炸藥單耗的52%，即0.86kg／m3。

以標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗試驗(yàn)確定的炸藥單耗為依據(jù)，在控制排距為1.5m，孔底距為1.9m的情況下，進(jìn)行不同炸藥單耗的爆破試驗(yàn)。在2280分層31線－27線回采進(jìn)路中分別進(jìn)行炸藥單耗為0.95kg／m3、0.93kg／m3、0.91kg／m3、0.90kg／m3、0.89kg／m3的試驗(yàn).；在25線－23線回采進(jìn)路進(jìn)行炸藥單耗為0.89kg／m3、0.88kg／m3、0.87kg／m3、0.86kg／m3、0.85kg／m3的試驗(yàn)；在21線－19線回采進(jìn)路進(jìn)行炸藥單 耗 為 0.84kg／m3、0.82kg／m3、0.80kg／m3、0.78kg／m3、0.76kg／m3的試驗(yàn)。每個(gè)單耗值實(shí)驗(yàn)的排數(shù)都為10排，試驗(yàn)次數(shù)為4次，每次起爆對(duì)應(yīng)的排數(shù)為2排、2排、3排、3排，排間采用毫秒延期起爆，時(shí)間間隔不小于50ms。不同炸藥單耗情況下的爆破試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 爆破漏斗試驗(yàn)參數(shù)

表3 不同炸藥單耗的爆破試驗(yàn)結(jié)果

綜合多次試驗(yàn)爆破效果分析和總結(jié)，礦區(qū)合理的單耗范圍為0.82～0.87kg／m3，爆破設(shè)計(jì)采用單耗值為0.85kg／m3。實(shí)際單耗控制在0.82～0.87kg／m3范圍內(nèi)，爆破后效果較為理想，大塊率較低（3%～20%），對(duì)后續(xù)施工影響小。

2.2.2 扇形深孔排間距與孔底距的選取

在采場(chǎng)把崩礦中，扇形深孔的排間距就是最小抵抗線，通常根據(jù)鉆孔直徑、礦巖特性、炸藥威力以及對(duì)巖石破碎程度要求而定［10］，而孔底距是指較淺炮孔的孔底與較深炮孔間的垂直距離。炮孔密集系數(shù)是孔底距與最小抵抗線的比值，即

式中：m為炮孔密集系數(shù)；a為孔底距，m；w為最小抵抗線吧，m。

m、a、w三個(gè)參數(shù)直接決定了炮孔的孔網(wǎng)密度，其中，最小抵抗線反應(yīng)了排與排之間的孔網(wǎng)密度，孔底距反應(yīng)了排內(nèi)的深孔的孔網(wǎng)密度，而炮孔密集系數(shù)則反應(yīng)了它們之間的相互關(guān)系。這三個(gè)參數(shù)選擇是否正確，直接影響著采礦過程中各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

結(jié)合各冶金礦山的經(jīng)驗(yàn)，炮孔密集系數(shù)可為m＝1.0～2.0。最小抵抗線w可根據(jù)與炮孔直徑d的關(guān)系，從相關(guān)礦山的實(shí)際資料中參考選取。目前礦山采用的最小抵抗線數(shù)值大致如表4所列［11］。

表4 最小抵抗線與炮孔直徑的關(guān)系對(duì)應(yīng)表

經(jīng)上述分析，我們進(jìn)行設(shè)計(jì)單耗為0.85kg／m3，實(shí)際單耗控制在0.82～0.87kg／m3范圍內(nèi)不同孔底距和排間距的爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)將孔底距分成五組，取值分別為1.9m、2m、2.1m、2.2m、2.3m；每組對(duì)應(yīng)七種不同的排間距，取值分別為1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2m。試驗(yàn)地點(diǎn)布置在2280分層23～25勘探線、19勘探線回采進(jìn)路中；部分布置在2265分層19勘探線回采進(jìn)路中。

爆破后，對(duì)五組不同孔底距對(duì)應(yīng)七種不同排間距的爆破效果記錄和分析，發(fā)現(xiàn)隨著孔底距和排間距的不斷增大，前排爆破對(duì)后排炮孔影響越來越嚴(yán)重，后排炮孔堵塞和錯(cuò)位越來越多；眉線破壞逐漸明顯；頂板和兩幫掉塊也增多；明顯減緩了下一次爆破施工的進(jìn)度。在孔底距一定的情況下，隨著炮孔密集系數(shù)的增大，爆破后大塊率逐漸減小，當(dāng)炮孔密集系數(shù)增大到一定的范圍時(shí)，大塊率保持的較為平穩(wěn)，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 炮孔密集系數(shù)與大塊產(chǎn)出率關(guān)系圖

綜合爆破效果和施工進(jìn)度等方面因素的考慮，合理的排距為1.6～1.8m，合理的孔底距為2～2.2m。

2.2.3 崩礦步距的確定

多次爆破試驗(yàn)結(jié)果和放礦貧化損失檢測(cè)表明，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)路同時(shí)進(jìn)行崩礦時(shí)，崩礦步距以每個(gè)進(jìn)路三排為宜，即崩礦步距為5.3m左右；單個(gè)進(jìn)路落礦時(shí)，崩礦步距以每個(gè)進(jìn)路四排為宜，即崩礦步距為7m左右。

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，爆破參數(shù)可從表5中選取。

表5 爆破參數(shù)

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、訓(xùn)練與預(yù)測(cè)

爆破參數(shù)的優(yōu)化不僅要考慮參數(shù)的適用性，同時(shí)還應(yīng)該考慮到爆破生產(chǎn)成本，所以，在爆破參數(shù)優(yōu)選時(shí)，應(yīng)該將爆破開采的價(jià)格比作為衡量指標(biāo)。可以用來評(píng)價(jià)爆破效果的指標(biāo)很多，如單耗、排拒、孔底距、放礦步距等，如果采用單一的爆破參數(shù)作為衡量指標(biāo)存在一定的片面性。所以，將一次爆破下的礦石方量與爆破1m3消耗爆破器材成本的比值（性價(jià)比）作為衡量指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，以性價(jià)比作為模型的輸出點(diǎn)，這樣以開采單位體積礦石所需的爆破器材成本和爆破參數(shù)一起作為系統(tǒng)的影響因素，那么這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有9個(gè)影響因子作為輸入節(jié)點(diǎn)，即模型有9個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)。以性價(jià)比作為模型的輸出，因此模型只有一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。

我們一共收集了20個(gè)學(xué)習(xí)樣本，見表6。

表6 中的前9項(xiàng)為學(xué)習(xí)樣本中的輸入因子，最后一項(xiàng)為輸出量。利用表6中的樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練前，應(yīng)對(duì)不在［0，1］區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

表6 學(xué)習(xí)樣本

模型采用單隱層的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采礦成本預(yù)測(cè)。因?yàn)檩斎雽佑?個(gè)神經(jīng)元，網(wǎng)絡(luò)只有1個(gè)輸出數(shù)據(jù)，所以中間層可以取12個(gè)神經(jīng)元。因此，網(wǎng)絡(luò)為9×12×1的結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)都進(jìn)行了歸一化處理，網(wǎng)絡(luò)中間層的神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用S型正切函數(shù)tansing，輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用S型對(duì)數(shù)函數(shù)logsig。

對(duì)模型的訓(xùn)練、預(yù)測(cè)和優(yōu)選進(jìn)行了相應(yīng)的編程計(jì)算，訓(xùn)練時(shí)模型精度取0.001，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)選0.05。經(jīng)過17次迭代后，精度達(dá)到要求，訓(xùn)練完畢，圖2給出了模型訓(xùn)練時(shí)的誤差變化曲線。此時(shí)，模型各節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值已確定，可以隨時(shí)進(jìn)行同類型樣本的預(yù)測(cè)。

根據(jù)爆破器材和爆破工藝參數(shù)的取值范圍，對(duì)模型各因素利用逐項(xiàng)區(qū)間密集掃描技術(shù)采值，作為模型的預(yù)測(cè)樣本。由于輸入因素和預(yù)測(cè)樣本的數(shù)量很多，為保證預(yù)測(cè)樣本的全面性，利用計(jì)算機(jī)對(duì)9個(gè)因素依次取值，并自動(dòng)剔除不合要求的數(shù)據(jù)。將選取的預(yù)測(cè)樣本直接輸入模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，可得到所有預(yù)測(cè)樣本的性能價(jià)格比。表7列出了模型七組預(yù)測(cè)樣本預(yù)測(cè)后反歸一化的結(jié)果。

圖2 訓(xùn)練誤差曲線

表7 模型預(yù)測(cè)結(jié)果

從表7的預(yù)測(cè)結(jié)果來看，預(yù)測(cè)和實(shí)際偏差很小，第3組和第7組預(yù)測(cè)和實(shí)際的性能比都較高。結(jié)合多次生產(chǎn)實(shí)踐和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采礦成本的預(yù)測(cè)與控制，該鉛鋅礦采用無底柱分段崩落法的最佳爆破參數(shù)值為：炸藥單耗為0.85kg／m3、排距為1.75m、孔底距為2.1m、崩礦步距為5.25m，此時(shí)爆破開采實(shí)際性價(jià)比達(dá)33.73m3／元，符合生產(chǎn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采礦成本的預(yù)測(cè)與控制并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)該砂（礫）巖型層控礦床特殊的工程地質(zhì)條件下的爆破參數(shù)優(yōu)化得出如下結(jié)論。

1）通過不斷的爆破試驗(yàn)分析和總結(jié)，該鉛鋅礦采用無底柱分段崩落采礦法的合理爆破參數(shù)取值范圍為：炸藥單耗為0.82～0.87kg／m3；排距為1.5～1.8m；孔底距為1.9～2.2m；崩礦步距為3～7.2m。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采礦成本的預(yù)測(cè)與控制模型，爆破參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后的爆破參數(shù)值為：炸藥單耗為0.85kg／m3、排距為1.75m、孔底距為2.1m、崩礦步距為5.25m，此時(shí)爆破開采實(shí)際性價(jià)比可達(dá)到33.73m3／元，符合生產(chǎn)要求。

2）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采礦成本的預(yù)測(cè)與控制模型的方法，可準(zhǔn)確地對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為爆破開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路；同時(shí)為開采條件類似的礦山進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化提供借鑒。

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