趙 華

（中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，北京100029）

爆破參數(shù)不僅直接影響爆破成本和爆破質(zhì)量，而且間接影響鉆孔成本、鏟運(yùn)成本、運(yùn)輸成本[1-3]。傳統(tǒng)的地下礦山爆破參數(shù)優(yōu)化的方法大多數(shù)是僅從爆破質(zhì)量和爆破成本的角度出發(fā)，忽視了爆破質(zhì)量對(duì)于其它采場(chǎng)生產(chǎn)成本的影響，使得生產(chǎn)成本大大提高[4]。對(duì)于礦山企業(yè)而言，必須綜合考慮采場(chǎng)生產(chǎn)成本，尋求最優(yōu)的爆破參數(shù)，既保證爆破質(zhì)量，又使得采場(chǎng)生產(chǎn)成本最低，達(dá)到優(yōu)化爆破參數(shù)的目的[5]。

梅嶺露天礦井工開(kāi)采部分一直采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，采場(chǎng)的階段高度是70 m，分段高度是17.5 m，進(jìn)路間距15 m，目前西區(qū)主要采取單排11 孔進(jìn)行爆破，采用的落礦方法是中深孔孔底爆破落礦，中深孔鑿巖設(shè)備主要是SimbaH252 鑿巖臺(tái)車，炮孔孔徑80 mm，邊孔角為60°，單排扇形炮孔布置，采用微差起爆法，因采用扇形布孔，炸藥分布不均，爆破后容易產(chǎn)生大塊，大塊率高達(dá)10%，局部甚至超過(guò)了20%，大塊率過(guò)高導(dǎo)致二次改炮頻繁，炸藥消耗增多，影響出礦效率，同時(shí)影響電鏟的滿斗系數(shù)和礦車的滿載系數(shù)，增加生產(chǎn)成本，甚至增加現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增大采礦作業(yè)的危險(xiǎn)性，因此大塊率與生產(chǎn)成本過(guò)高成為了制約礦井安全、效率及經(jīng)濟(jì)效益的“瓶頸”。隨著生產(chǎn)任務(wù)的加重，大塊率的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此有必要對(duì)梅嶺礦上向扇形中深孔爆破參數(shù)從成本角度進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化，以降低大塊率，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 KUZ-RAM 模型及等效交換

1.1 KUZ-RAM 模型

KUZ -RAM 模 型 是 C.Cunningham 綜 合Kuznetsov 分布函數(shù)和Rosin-Rammler 分布函數(shù)的研究成果，Kuznetsov 分布函數(shù)主要研究對(duì)象是平均塊度，Rosin-Rammler 分布函數(shù)主要研究對(duì)象是爆破塊度的分布特征[5]。

式中：R 為小于篩網(wǎng)直徑的塊度質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X 為篩網(wǎng)孔徑；X0為特征粒徑值；N 為夾度均勻性系數(shù)。

式中：A 為巖石系數(shù)；q 為孔炸藥單耗，kg/m3；Q為單孔裝藥量，kg；E 為排藥威力；D 為炮孔孔徑，m；L 為裝藥長(zhǎng)度，m；ρ 為孔內(nèi)裝藥密度，kg/m3。

C.Cunningham 結(jié)合Harries 模型，在計(jì)算機(jī)的配合下得到了不均勻系數(shù)n 的計(jì)算公式：

式中：w 為最小抵抗線，m；e 為鉆孔誤差；m 為炮孔臨近系數(shù)；L 為裝藥長(zhǎng)度，m；H 為臺(tái)階高度，m；d 為炮孔直徑，mm。

式中：Y 為大塊率。

1．2 KUZ-RAM 模型的等效變換與修正

KUZ-RAM 模型的適用條件之一就是炮孔的布置形式為下向平行布置。要在采用上向扇形孔爆破的地下礦山使用KUZ-RAM 模型必須對(duì)該模型進(jìn)行等效變換與修正[6]。

露天礦山下向平行孔爆破的范圍是1 個(gè)臺(tái)階高度的礦石，地下礦山上向扇形孔爆破的范圍是1 個(gè)分段高度的礦石。由于下向平行孔和上向扇形孔均是爆破一定高度范圍內(nèi)的巖石，因此可以將露天礦山的臺(tái)階高度等效為地下礦山的分段高度，同時(shí)將臺(tái)階高度范圍內(nèi)下向布置的炮孔等效為分段高度范圍內(nèi)上向布置的炮孔。但該等效方法不會(huì)對(duì)KUZ-RAM的適用條件產(chǎn)生大的影響，該等效方法是有效可行的[7]。研究重點(diǎn)是如何將某礦區(qū)實(shí)際采用的扇形炮孔等效變換為彼此平行的平行炮孔。

美國(guó)雷德帕斯對(duì)利文斯頓爆破理論進(jìn)行了深入的研究，并提出了利用量綱分析和幾何相似原理可尋求點(diǎn)、線、面藥包形式之間的藥量等效關(guān)系，如式（5）和式（6）[8]。

式中:q1為扇形炮孔布置時(shí)的等效炸藥單耗修正值，kg/m3；q 為礦區(qū)選定的井下炸藥單耗，kg/m3；k1為爆破自由面系數(shù)；k2為能量利用系數(shù)；q2為等效的平行炮孔布置時(shí)的炸藥單耗，kg/m3。

當(dāng)扇形布孔方式向平行布孔方式進(jìn)行等效藥量轉(zhuǎn)換時(shí)，等效的平行炮孔內(nèi)炸藥的間距、單個(gè)炮孔爆破時(shí)負(fù)擔(dān)的體積是互不相同的，因此采用加權(quán)平均取爆破塊度的平均值。

由于KUZ-RAM 模型不適用于扇形布孔方式，將扇形布孔方式進(jìn)行了等效變換與替代，需要對(duì)KUZ-RAM 模型式（2）、式（4）引入系數(shù)α、β 進(jìn)行修正，如式（9）、式（10）。

結(jié)合礦山的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，將生產(chǎn)參數(shù)的值代入到式（9）和式（10）即可求得α、β 的值，從而對(duì)KUZ-RAM 模型進(jìn)行修正。

2 KUZ-RAM 模型在梅嶺露天礦的應(yīng)用

結(jié)合梅嶺露天礦實(shí)際情況，取爆破自由面系數(shù)k1=2，能量利用系數(shù)k2=78 %，炸藥單耗q=1.63 kg/m3。據(jù)式（6）、式（7）對(duì)礦區(qū)的炸藥單耗進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：q1= 0.7 kg/m3，q2= 0.84 kg/m3。因此等效后系列平行炮孔的線密度為0.84 kg/m。

根據(jù)式（9）、式（10）引入系數(shù)α、β 對(duì)KUZ-RAM模模型進(jìn)行修正，該數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的數(shù)值根據(jù)梅嶺礦區(qū)實(shí)際情況取值，分別為：實(shí)際裝藥長(zhǎng)度L=17 m，扇形炮孔直徑d=80 mm，巖石系數(shù)A=10，2#巖石炸藥威力E=100，抵抗線w=2 m，鉆孔誤差e=0.1，如式（11）、式（12）。

根據(jù)梅嶺礦區(qū)工作面的爆破實(shí)際，統(tǒng)計(jì)若干次爆破后的平均塊度為67.5 cm，塊度均勻性系數(shù)為2.2，將平均塊度與塊度均勻性系數(shù)代入式（11）、式（12）即可得到系數(shù)α、β 的值，故α =0.8，β =0.85。經(jīng)過(guò)修正后的KUZ-RAM 模型如下。

3 采場(chǎng)生產(chǎn)成本優(yōu)化模型

將各成本和平均塊度的數(shù)學(xué)關(guān)系式代入C=C1+C2+C3+C4，便得到礦山采場(chǎng)生產(chǎn)成本C 表達(dá)式，如式（17）、式（18）。

式中：S 為孔網(wǎng)負(fù)擔(dān)面積，m2；w 為排距，m；a 為孔間距，m。

采用MATLAB 計(jì)算機(jī)軟件，編寫(xiě)MATLAB 程序和文件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，編寫(xiě)的MATLAB 程序如下：

這里x（1）代表最小抵抗線w，x（2）代表孔底距a，x（3）代表炸藥單耗q，將上述程序保存為cb_ fun（x）．m 文件。

在MATLAB 程序輸入欄中輸入psearchtool 命令彈出Optimization Tool 窗口，在Objectivefunction 一欄中輸入@ch_fun。根據(jù)前面研究?jī)?nèi)容可知，炸藥單耗的合理取值范圍為［1.4,2.0］，最小抵抗線的合理取值范圍為［2.0,2.4］，孔底距的合理取值范圍為［2.0,2.88］，在Startpoint 一欄中輸入3 個(gè)參數(shù)的最小值即［2.0,2.0,1.4］，同理在Botmds，Lower 一欄中輸入［2.0,2.0,1.4］，在Upper 一欄中輸入［2.4,2.88,2.0］，完成對(duì)求解范圍的輸入。

單擊Optimization Tool 窗口中的Start 按鈕，開(kāi)始進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算輸出的最優(yōu)結(jié)果記錄在Final point 窗口中。可以得出在a=2.26 m，w=2.32 m，q=1.53 kg/m3時(shí)，采場(chǎng)生產(chǎn)成本C 最小，最小采場(chǎng)生產(chǎn)成本為9.48 元/t，此時(shí)的平均塊度為41.4 cm，大塊率為2.8%，滿足爆破塊度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

將KUZ-RAM 模型引入到梅嶺露天礦，在使用時(shí)需要對(duì)該模型進(jìn)行等效變換和修正，得到了適用于自身生產(chǎn)的KUZ-RAM 模型，由此建立了梅嶺礦區(qū)采場(chǎng)生產(chǎn)成本優(yōu)化模型，采用遺傳算法，利用MATLAB 軟件進(jìn)行編程計(jì)算，求解最優(yōu)采場(chǎng)生產(chǎn)成本模型，據(jù)此便得到了礦山采場(chǎng)生產(chǎn)成本的最優(yōu)爆破參數(shù)值。最優(yōu)的爆破參數(shù)值為a=2.26 m，w=2.32 m，q=1.53 kg/m3，此時(shí)采場(chǎng)生產(chǎn)成本C 最小，最小采場(chǎng)生產(chǎn)成本為9.48 元/t，此時(shí)的平均塊度為41.4 cm，大塊率為2.8 %，滿足了爆破塊度要求。