梁彥波

(西部礦業(yè)股份有限公司，青海 西寧 810000)

由于礦巖硬度等物理特性的限制，目前某礦山仍采用鉆爆法開采生產(chǎn)，而爆破效果的好壞，對(duì)于礦山生產(chǎn)具有重大的影響。爆破效果一般主要由炸藥自身特性及各項(xiàng)爆破參數(shù)決定[1-3]。由于炸藥的安全管控問題，礦山企業(yè)難以選擇、調(diào)整所使用的炸藥，僅能通過改變爆破參數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的爆破效果。確定爆破參數(shù)的常用方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、相似試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法等。這些方法能較為完整地提供爆破使用的相關(guān)參數(shù)，但多為一個(gè)初始范圍值或理論推薦值，對(duì)比實(shí)際仍有欠缺，難以快速應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)[4-7]。而用正交法確定爆破參數(shù)能夠根據(jù)礦山代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，在效率、成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

1 礦山概況

某礦山 11線以西礦體具有厚度大、傾角陡、分布集中、礦巖穩(wěn)固性相對(duì)較好等特點(diǎn)。礦體一般走向 N50°～70°W，走向長(zhǎng)約 220 m，傾角 75°～90°，主礦體走向長(zhǎng)630 m，厚0.81～169.79 m，平均厚52.67 m，平均品位Pb0.75%、Zn9.82%，礦體上盤處于礦區(qū)“地塹”式斷塊構(gòu)造中心，圍巖強(qiáng)烈破碎，穩(wěn)固性差；礦體下盤主要由塊狀結(jié)構(gòu)的白云巖組成，穩(wěn)固性較好，目前使用無底柱分段崩落法開采西部礦體，中深孔排距1.4 m，孔底距1.7～1.9 m，此參數(shù)與礦巖實(shí)際情況不匹配，導(dǎo)致每排炮孔數(shù)量較多，炸藥單耗高，爆破振動(dòng)大，爆破效果差。

2 中深孔回采正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)法在多因素分析、方法確定、參數(shù)優(yōu)化中應(yīng)用廣泛。其能夠保證研究因素的各個(gè)位級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)相同，從而有效地克服影響因素間的相互干擾，通過所指定的最具影響性的相關(guān)條件，利用少量試驗(yàn)，得出最優(yōu)的試驗(yàn)方案[8-10]。

巖石介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的無規(guī)律性導(dǎo)致理論推導(dǎo)過程中存在大量的簡(jiǎn)化或理想化情況，因此在復(fù)雜巖體條件下難以準(zhǔn)確計(jì)算出爆破參數(shù)。通過在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的爆破試驗(yàn)，可得出最佳的爆破參數(shù)。但由于爆破效果受眾多因素影響，采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，周期長(zhǎng)、成本高，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)影響較大。而現(xiàn)場(chǎng)正交試驗(yàn)法能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)快速地確定最佳參數(shù)，極大程度地提高了試驗(yàn)效率。

將正交試驗(yàn)應(yīng)用到爆破領(lǐng)域中，可以起到以下作用：

（1）排列出不同因素對(duì)于每次施爆之后效果好壞的影響占比；

（2）分析應(yīng)用不同爆破參數(shù)的爆破效果優(yōu)劣；

（3）為礦山找出與之相適應(yīng)的爆破參數(shù)，或是明確下一步的研究方向。

2.1 確定試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)某礦山西部含礦白云巖內(nèi)之前爆破漏斗試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以及國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)類比，初步確定含礦白云巖內(nèi)炮孔直徑為Φ65 mm時(shí)，排距為1.4～1.6 m，孔底距為2.0～2.4 m（在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行了放大），孔口交錯(cuò)式堵塞長(zhǎng)度分別為1.5 m和2.5 m。一次崩礦規(guī)模依據(jù)礦山前期“采二出一”的生產(chǎn)出礦原則，初步設(shè)置為1，2，3排。

在選擇使用 BQF-100型裝藥器連續(xù)耦合裝藥時(shí)，一旦確定了炮孔裝藥結(jié)構(gòu)、孔底距和排距等自變量，則炸藥單耗會(huì)隨之變化，可以理解為因變量。故本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素不考慮裝藥結(jié)構(gòu)和炸藥單耗，把影響爆破震動(dòng)、降低炸藥單耗和控制采場(chǎng)大塊率的主要因素歸納為：炮孔孔底距（A因素）、炮孔排間距即最小抵抗線（B因素）、一次爆破規(guī)模即崩礦步距（C因素）。為了有充分的代表性，在各因素取值范圍內(nèi)，取小、大、中間3個(gè)數(shù)據(jù)（3個(gè)試驗(yàn)水平），進(jìn)行搭配綜合試驗(yàn)。因素水平取值范圍見表1。

表1 因素水平取值范圍

2.2 正交試驗(yàn)表

首先根據(jù)因素的水平數(shù)，來確定選用幾個(gè)水平的正交表。本試驗(yàn)中，3個(gè)因素都是3水平因素，因此正交表選用3水平。然后再根據(jù)因素的個(gè)數(shù)，來選擇表的規(guī)格。一般來說，表的列數(shù)大于或等于因素個(gè)數(shù)，且試驗(yàn)次數(shù)盡可能少。因此本次試驗(yàn)選擇L9（34）的正交試驗(yàn)表，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這些匹配的情況一一展開驗(yàn)證，見表2。

表2 正交試驗(yàn)表

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

爆破效果用爆破直接成本P、大塊產(chǎn)出率Δ塊、每米炮孔崩礦量M進(jìn)行考核，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)爆破結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極差分析

根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，針對(duì)各單一指標(biāo)，進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 爆破效果極差分析

從表4中的極差R值可以看出，爆破成本的影響程度為RA＞RB＞RC，即孔底距對(duì)爆破成本影響最顯著，排距極差為最大極差的70%左右，表明其影響也較大，一次崩礦規(guī)模極差約為最大極差的5.5%，影響有限，幾乎可以忽略；對(duì)大塊產(chǎn)出率而言，RA＞RB＞RC，即孔底距影響最顯著，其余排距和一次崩礦規(guī)模極差相對(duì)較小，影響有限；對(duì)于每米炮孔崩礦量的影響而言，RB＞RA＞RC，即排距對(duì)每米炮孔崩礦量影響最顯著，孔底距極差為最大極差的50%左右，表明其影響也較大，一次崩礦規(guī)模極差約為最大極差的3.6%，影響有限，幾乎可以忽略。

綜合分析，可以確定爆破效果的綜合影響因素排序是，RA＞RB＞RC，即孔底距影響最顯著，排距次之，一次崩礦規(guī)模最小。

設(shè)每個(gè)因素的均值指標(biāo)為縱坐標(biāo)，因素水平為橫坐標(biāo)，根據(jù)表4作因素-指標(biāo)圖，見圖1。

圖1 試驗(yàn)因素-指標(biāo)圖

企業(yè)以經(jīng)濟(jì)效益為中心，同時(shí)考慮到礦山采用中深孔爆破的實(shí)際情況，由此認(rèn)為，在分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，首選考核爆破直接成本，其次考核礦石塊度組成，最后兼顧每米炮孔崩礦量。在3個(gè)考核指標(biāo)中，每米炮孔崩礦量越高越好，其余2個(gè)指標(biāo)越低越好。根據(jù)這些原則綜合分析圖 1，可以認(rèn)為較佳的孔網(wǎng)參數(shù)是：炮孔孔底距A=2.2 m；排距（最小抵抗線）B=1.5 m；一次崩礦規(guī)模C=2排。

3.2 回歸及規(guī)劃分析

實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)各因素水平值的實(shí)際值與正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)值不可能完全一樣，存在一定的誤差。本次試驗(yàn)為模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，采用YGZ-90鑿巖機(jī)進(jìn)行中深孔鑿巖，試驗(yàn)過程中會(huì)存在一定的誤差，如試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)礦體中存在小斷層裂隙等因素。

這些誤差將影響分析結(jié)果精度，同時(shí)極差分析只能在試驗(yàn)水平上優(yōu)選水平組合，不能進(jìn)行更準(zhǔn)確的優(yōu)選，為進(jìn)一步優(yōu)選爆破參數(shù)，本文引入多元二次非線性回歸和非線性規(guī)劃的原理對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析。

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果回歸

爆破參數(shù)問題是非線性多因素問題，據(jù)此參考了適用于多元線性和非線性二次回歸的回歸模型：

根據(jù)式（1），對(duì)于3個(gè)自變量，則待求的回歸系數(shù)就多達(dá) 10個(gè)，而且求回歸系數(shù)的過程和應(yīng)用回歸式求y的計(jì)算過程都很長(zhǎng)，舍入誤差較大。實(shí)際上，在按公式（1）進(jìn)行回歸分析時(shí)有些項(xiàng)在 F檢驗(yàn)中會(huì)不顯著。若只讓F檢驗(yàn)顯著的項(xiàng)進(jìn)入和保留在回歸式中，則所得的回歸式會(huì)比式（1）簡(jiǎn)化許多。在本次爆破參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)回歸過程中，發(fā)現(xiàn)一次崩礦規(guī)模與炮孔孔底距、排距相關(guān)程度較低，于是剔除了一次崩礦規(guī)模的交互項(xiàng)，通過回歸得到的回歸式如下。

式中，P為爆破直接成本，元/t；Δ塊為爆破大塊產(chǎn)出率，%；M為每米炮孔崩礦量，t/m；A為孔底距，m；B為排距或抵抗線，m；C為一次崩礦規(guī)模，排；R為多元二次回歸的復(fù)相關(guān)系數(shù)。

從回歸結(jié)果中可以看出，爆破直接成本、大塊產(chǎn)出率以及一次崩礦規(guī)模的復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明回歸式與試驗(yàn)值的相似程度均比較高。

各回歸式中，A、B項(xiàng)的系數(shù)相對(duì)較大，說明在試驗(yàn)條件下最小抵抗線B和孔底距A的交互作用較明顯，應(yīng)該予以考慮。同時(shí)也表明：盡管現(xiàn)場(chǎng)正交試驗(yàn)時(shí)未安排A、B交互項(xiàng)的試驗(yàn)，但回歸分析可以將客觀存在著的交互作用找出來，因此采用回歸分析的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案可以不考慮因素間的交互作用而選擇較小的正交表，從而降低試驗(yàn)工作量，降低試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的干擾。

3.2.2 非線性規(guī)劃求解

在合理的爆破參數(shù)A、B、C約束條件下，采用非線性規(guī)劃方法，分別求解公式（2）～公式（4）的極值，獲得各考核參數(shù)的極值解。即在A=2.0～2.2 m，B=1.4～1.6 m，C=1～3排的約束條件下，分別規(guī)劃求解 max（M（A,B,C））、min（P（A,B,C））和 min（Δ塊（A,B,C）），得到各條件下A、B、C的極值解，求解的結(jié)果見表5。

表5 非線性規(guī)劃求解結(jié)果

根據(jù)表 5，綜合分析認(rèn)為，最優(yōu)的爆破參數(shù)組合是：A=2.2 m，B=1.5 m，C=2排。

4 結(jié)論

由此可見，正交試驗(yàn)常規(guī)分析和數(shù)據(jù)回歸分析方法所得結(jié)論基本相符，但常規(guī)分析方法只能在試驗(yàn)因素所選擇的水平上進(jìn)行研究，得出結(jié)論；數(shù)據(jù)回歸可以更準(zhǔn)確地找到各因素的最佳水平，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，又可降低試驗(yàn)研究難度。

綜合兩種分析方法的分析結(jié)果，推薦該礦西部礦體無底柱分段崩落法開采的優(yōu)化爆破參數(shù)為：炮孔底距A=2.2 m，排距即最小抵抗線B=1.5 m，一次爆破規(guī)模C=2排。

回采試驗(yàn)和采場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐中，各具體礦塊巖性存在一定差別，因此實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整該優(yōu)化參數(shù)，以適應(yīng)回采采場(chǎng)的實(shí)際情況。