高成宇

(中色盧安夏銅業(yè)有限公司，贊比亞)

1 引言

爆破是目前采礦工程中應(yīng)用最廣泛、最頻繁的一種破碎巖體的方法。在采礦工程實踐中，對巖體可爆性的準(zhǔn)確定量描述是合理選擇爆破參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化的基礎(chǔ)，對降低爆破成本、改善爆破效果具有重要的意義。巖體的可爆性是指用爆破的方法使巖石或巖體產(chǎn)生破壞的難易程度。由于爆破問題本身具有不確定性、復(fù)雜性和模糊性等特征，目前國內(nèi)外就巖體可爆性評估方法尚未達成共識，存在許多巖體可爆性計算與分級的方法，主要有以巖石強度、炸藥單耗、工程地質(zhì)參數(shù)、巖石彈性波速或巖石波阻抗、巖石爆破能量等為準(zhǔn)則的分級方法［1］。同時，許多數(shù)學(xué)計算方法也相繼引入到巖體可爆性分級的計算中，如聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳程序設(shè)計、物元分析模型、屬性識別模型等［2－5］。

本文基于加權(quán)聚類分析計算，對贊比亞盧安夏巴魯巴地下銅礦巖石的容重、抗拉強度、抗壓強度以及巖體的完整性系數(shù)這四個指標(biāo)進行考察以衡量巖體的可爆性，最后得出了巖石的可爆性指數(shù)，為確定不同種巖石的爆破技術(shù)參數(shù)提供了量化依據(jù)，對改善爆破效果、降低爆破成本、促進礦山的爆破技術(shù)的進步具有重要實際意義。

2 礦巖地質(zhì)特征

巴魯巴銅礦礦體位于一個軸部延深到地表向下600m水平的向斜的兩翼，控制的礦體長度3600m，其中1500m貫穿褶皺區(qū)，礦體厚度平均6.5m，次一級的背斜使向斜軸部的底部抬升了250m，礦體向南向深部傾伏到穆利亞希盆地。礦區(qū)巖層主要為淺變質(zhì)巖系組成的地層，表現(xiàn)為復(fù)雜的褶皺構(gòu)造。含礦層巖石為白云質(zhì)片巖及其底盤的過渡帶片巖，礦體上盤為泥質(zhì)板巖，礦體下盤依次為礫巖、泥質(zhì)石英巖，各巖石的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。整體來看，泥質(zhì)板巖和泥質(zhì)石英巖的抵抗外力變形的能力較大，巖石穩(wěn)固相對最好;過渡帶片巖的彈性模量最小，而泊松比最大，其在外部應(yīng)力作用下最易于發(fā)生變形破壞，白云質(zhì)片巖次之;礫巖的物理力學(xué)參數(shù)中等。各種巖石的單軸抗拉強度一般為抗壓強度的1/5～1/10，反映了巖石抗壓不抗拉的特性。

3 加權(quán)聚類分析原理與分級考察指標(biāo)

3.1 加權(quán)聚類分析基本原理

加權(quán)聚類分析是根據(jù)研究目標(biāo)事物的相關(guān)程度或相似性，將研究目標(biāo)分類組合，以研究其之間的相關(guān)程度和親屬關(guān)系。Q型聚類通過研究目標(biāo)樣本之間的相似性或遠(yuǎn)近距離，對目標(biāo)樣本進行分類。本文通過Q型聚類的樣本分類方法對巖石的可爆性進行分類分級。Q型聚類分析的對樣本進行分類是通過一下步驟實現(xiàn)［5］:

通過公式(2)對(1)中各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便消除各指標(biāo)的量綱差異以及數(shù)值量級的懸殊性，便于比較分析。

利用極差公式(3)把標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)壓縮在［0，1］區(qū)間

樣本的親疏關(guān)系可由(4)來計算，距離系數(shù)Dij為:

其中，1≤ i≤ m，1≤ j≤ m。Dij越小，i樣本與j樣本的距離越小，兩樣本越相似。

式中，j為樣本序號。

3.2 分級考察指標(biāo)的選取

(1)巖石密度。在爆破過程中，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量作用在巖石上，克服巖石阻力用以改變巖石慣性，而巖石的慣性與巖石的密度或容重有關(guān)，即爆破讓巖石產(chǎn)生位移時需考慮巖石的密度或容重。

(2)巖石的抗拉強度。拉伸破壞是爆破過程中巖石破壞的主要形式，所以巖石爆破產(chǎn)生破壞的難易程度與巖石的抗拉強度有關(guān)，因此，抗拉強度是考察巖石可爆性的重要指標(biāo)。

(3)巖石的抗壓強度。巖石的可爆性與巖石的沖擊動載強度有關(guān)，國內(nèi)外的一些研究者也嘗試了以巖石的動載特性參數(shù)來描述巖石的可爆性。但是研究表明［1］，沖擊動載強度與巖石容重、抗拉強度、單軸抗壓強度具有較高的相關(guān)性，可采用巖石的容重、抗拉強度、抗壓強度作為衡量巖體可爆性的指標(biāo)代替巖石的沖擊動載強度這一指標(biāo)。

(4)巖體的完整性系數(shù)。大量巖塊的集合構(gòu)成巖體，巖塊之間發(fā)育著各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，巖體的完整性就越差，巖體就越破碎，對其進行進一步的爆破破碎所需要的能量就越小，巖體的可爆性就越好。因此，巖體的完整性系數(shù)是反映巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育程度、巖體可爆性難易程度的一個重要指標(biāo)。巖體的完整性系數(shù)如式(6)所示［6］:

式中:η為巖體的完整性系數(shù);vm、vr分別為巖體、巖石的縱波傳播速度。

4 巴魯巴礦巖體可爆性分級與結(jié)果

4.1 可爆性分級準(zhǔn)則

由上文分析可知，巖石的密度(或容重)越大、抗拉強度越高、抗壓強度越高、巖體的完整性越好，則巖體的可爆性難度就越大。巴魯巴銅礦巖體的密度、抗拉強度、抗壓強度、巖體完整性系數(shù)這四種參數(shù)指標(biāo)的取值范圍分別在 2.58 ～2.90、2.00 ～15.00、15.00～80.00、0.40 ～0.85 之間，因此，建立巴魯巴銅礦巖體可爆性分級標(biāo)準(zhǔn)樣本庫［6］，如表2所示。

表2 巴魯巴巖體可爆性分級標(biāo)準(zhǔn)樣本庫

4.2 巴魯巴礦巖可爆性分級結(jié)果

巖體的可爆性分級根據(jù)巖體的各項指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)樣本庫的樣本距離系數(shù)Dij確定，距離系數(shù)越小，相關(guān)性越強，則可將此樣本的可爆性等級視為此巖體的可爆性。巴魯巴銅礦主要巖體的密度、抗拉強度、抗壓強度、巖體完整性系數(shù)列于表3。根據(jù)經(jīng)驗確定4個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，即巖體的密度、抗拉強度、抗壓強度、巖體完整性系數(shù)的分級權(quán)重系數(shù)ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，分別為 0.2、0.3、0.2、0.3［5］。將表 2 中所示的巖體的7個可爆性等級樣本經(jīng)歸一化處理后，得到分級指標(biāo)的典型實例矩陣，如下:

對于泥質(zhì)板巖，其密度、抗拉強度、抗壓強度、巖體完整性系數(shù)值分別為 2.86、8.53、69.58、0.79，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)樣本歸一化處理的指標(biāo)矩陣:

計算它與7個標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)，得距離系數(shù)矩陣:

距離系數(shù)矩陣中距離系數(shù)0.067為最小值，故可將此樣本巖體的可爆性視為屬于表2中的第Ⅴ類，屬于難爆巖體。同理，計算得出白云質(zhì)片巖、過渡帶片巖、礫巖、泥質(zhì)石英巖的距離系數(shù)矩陣。

經(jīng)計算白云質(zhì)片巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)，得距離系數(shù)矩陣:

經(jīng)計算過渡帶片巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)，得距離系數(shù)矩陣:

經(jīng)計算礫巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)，得距離系數(shù)矩陣:

經(jīng)計算泥質(zhì)石英巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)，得距離系數(shù)矩陣:

綜上結(jié)果如表3所示，白云質(zhì)片巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)最小值為0.064，故可將此樣本巖體的可爆性視為屬于表2中的第Ⅳ類，屬于中等可爆巖體;過渡帶片巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)最小值為0.043，故可將此樣本巖體的可爆性視為屬于表2中的第Ⅱ類，屬于易爆巖體;礫巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)最小值為0.156，故可將此樣本巖體的可爆性視為屬于表2中的第Ⅳ類，屬于中等可爆巖體;泥質(zhì)石英巖與標(biāo)準(zhǔn)樣本的距離系數(shù)最小值為0.149，故可將此樣本巖體的可爆性視為屬于表2中的第Ⅴ類，屬于難爆巖體。

表3 巴魯巴銅礦巖體可爆性分級

5 結(jié)論

(1)采用加權(quán)聚類分析方法對巖體進行可爆性分級可較為準(zhǔn)確地反映巖體爆破的難易程度。

(2)對巖體進行可爆性分級，以巖體的密度、抗拉強度、抗壓強度、巖體完整性系數(shù)這四個指標(biāo)作為綜合衡量巖體可爆性的四個指標(biāo)，這四個指標(biāo)的分級權(quán)重系數(shù)分別為 0.2、0.3、0.2、0.3。

(3)使用加權(quán)聚類分析原理計算得巴魯巴礦巖的可爆性分級為:泥質(zhì)板巖、泥質(zhì)石英巖可爆性等級為Ⅴ，為難爆巖體;白云質(zhì)片巖、礫巖可爆性等級為Ⅳ，為中等可爆巖體;過渡帶片巖可爆性等級為Ⅱ，為易爆巖體。

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