呂文偉，史晨飛，張 禹

（1.國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.內(nèi)蒙古安邦安全科技有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010090）

爆破是露天礦開采的首要環(huán)節(jié)，國內(nèi)大多數(shù)露天礦采用松動(dòng)爆破方式，爆破質(zhì)量已經(jīng)成為制約采掘效率的重要影響因素，進(jìn)而影響露天礦整體的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此，逐步優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)提升爆破質(zhì)量對露天礦提高生產(chǎn)效率就顯得尤為重要，每次爆破的效果評價(jià)是爆破質(zhì)量優(yōu)化提升的前提[1]。目前，國內(nèi)專家學(xué)者對爆破效果評價(jià)進(jìn)行了大量研究，其中，王小涵等[2]以趙固二礦煤層深孔預(yù)裂爆破為工程背景，以爆破安全、技術(shù)裝備、經(jīng)濟(jì)效益為評價(jià)指標(biāo)，考慮了地應(yīng)力和煤塊硬度等對爆破效果的影響，提出了AHP-模糊綜合評價(jià)法用來評價(jià)爆破效果，對于深孔預(yù)裂爆破評價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義；趙紅澤等[3]通過對拋擲爆破研究，構(gòu)建了以炸藥單耗、有效拋擲率、最遠(yuǎn)拋擲距離等7 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)-層次分析法的集成評價(jià)體系，對優(yōu)化拋擲爆破效果有顯著作用；朱必勇[4]結(jié)合工程實(shí)際，從安全、經(jīng)濟(jì)、爆破質(zhì)量3 個(gè)方面綜合評價(jià)露天礦深孔爆破效果，并進(jìn)行了定量分析，為露天礦爆破方案決策提供了技術(shù)依據(jù)；張兆亮等[5]人以云模型為基礎(chǔ)，建立了綜合評價(jià)模型，對黑岱溝露天煤礦拋擲爆破效果進(jìn)行了現(xiàn)場分析，對后序作業(yè)環(huán)節(jié)效率提升提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些研究成果對于大型露天煤礦爆破效果分析參數(shù)優(yōu)化取得了一定的成果，但在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中存在過程繁瑣、操作不便等缺點(diǎn)。為此，采用模糊綜合評價(jià)方法，對哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場爆破效果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，選取合理的爆破效果評價(jià)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際爆破效果，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確的優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而提升爆破質(zhì)量。

1 模糊綜合評價(jià)方法

1.1 評價(jià)矩陣構(gòu)造

模糊綜合評價(jià)法是源于模糊數(shù)學(xué)，通過對受到多種因素影響制約的事物或?qū)ο笞鞒龆吭u價(jià)，進(jìn)而反饋優(yōu)化之前的方案改良事物或?qū)ο螽a(chǎn)生的結(jié)果，該方法具有結(jié)果表現(xiàn)清晰明了、過程系統(tǒng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于解決模糊、難以量化的問題[6-7]。

模糊綜合評價(jià)主要由因素集、評價(jià)集、單指標(biāo)評價(jià)矩陣3 個(gè)要素組成。設(shè)U=｛u1，u2，…，un｝為衡量爆破質(zhì)量的n 種因素構(gòu)成的集合（ui為質(zhì)量因子），稱之為因素集。設(shè)V=（v1，v2，…，vm）為m 種通過分析得出的評價(jià)構(gòu)成的集合（vi為質(zhì)量等級），稱之為評價(jià)集[5]。通過對單個(gè)ui（i=1，2，3，…，n）進(jìn)行評價(jià)，得到R=｛ri1，ri2，…，rim｝，實(shí)質(zhì)上是從U 到V 的一個(gè)模糊映射，即為單指標(biāo)評價(jià)矩陣。

以上即為ui（i=1，2，3，…，n）隸屬評價(jià)等級Vj（j=1，2，3，…，m）程度的rij表示形式，根據(jù)其對應(yīng)的隸屬函數(shù)分布確定[8]。

各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)通過梯形分布計(jì)算得出，各因素在相應(yīng)等級間的隸屬度函數(shù)表示如下：

1）對v1符合降半梯形分布：

2）對v4符合升半梯形分布：

（3）對vj（j=2，3）符合中間型梯形分布：

上式中對于各因素在評價(jià)等級上的重要程度相互關(guān)聯(lián)不同，需對各因素進(jìn)行加權(quán)處理。各因素ui對應(yīng)的權(quán)重記為W=（w1，w2，…，wn），通常各權(quán)重值滿足。

1.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

各因素對應(yīng)的權(quán)重值反應(yīng)了各因素在綜合決策過程中反應(yīng)作用的重要程度，直接影響到綜合決策的結(jié)果分析[9]。選用集值迭代法確定各因素權(quán)重，集值統(tǒng)計(jì)過程如下：

設(shè)X=｛ x1，x2，…，xq｝為有限論域，P=｛ p1，p2，…，pq｝，首先選定1 個(gè)初始值k，1≤k≤q，隨后pj（j=1，2，…，n）按下列步驟完成試驗(yàn)。

在X 中選pj認(rèn)為優(yōu)先屬于A 的r1=k 個(gè)元素，得X 的子集：

在X 中選取pj認(rèn)為優(yōu)先屬于A 的rt=tk個(gè)元素，得X 的子集：

若自然數(shù)t 滿足q=tk+c，1≤c≤k，則迭代過程終止于第t+1 步。

計(jì)算xj的覆蓋頻率m（xi）：

式中：λ（xs（j））為集合Xsj的特征函數(shù)，將m（xi）歸一化既得隸屬度。

權(quán)重集W 和評價(jià)矩陣R 的合成，即得對各個(gè)因素的綜合評價(jià)順序模型：

式中：B 為評價(jià)對象的綜合模糊評價(jià)，是V 上的模糊子集。

式中：bj為第j 種評價(jià)在總評價(jià)集V 中所占。

根據(jù)隸屬度函數(shù)，確定因素集U＝｛u1，u2，…，un｝在評價(jià)等級V＝｛v1，v2，v3，v4｝上的隸屬度，可得單指標(biāo)評價(jià)矩陣R，（U，V，R）構(gòu)成一個(gè)模糊（Fuzzy）評判空間。

選用不同的模糊（Fuzzy）函數(shù)可能會(huì)得到不同的評判結(jié)果，如單指標(biāo)決定型M（∨，∧）、主因素突出型M（∨，·）的決策結(jié)果都是由最大數(shù)值決定，而幾何平均型M（∨，∏）和加權(quán)平均型M（∨，∑）能夠綜合所有因素和權(quán)重的作用。根據(jù)最大隸屬度原則確定評價(jià)等級，為使評判結(jié)果準(zhǔn)確、合理，采用加權(quán)平均型[10-11]。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 爆破效果評價(jià)指標(biāo)

選取哈爾烏素露天煤礦（簡稱哈礦）為研究對象，該礦屬于特大型露天煤礦，年均爆破量約1.2 億m3，由鉆探工程得知區(qū)內(nèi)地層分布主要有石炭系、二疊系、第三系、第四系，巖土體分類有粉土、粉質(zhì)黏土、泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等，爆破工程時(shí)常會(huì)產(chǎn)生不同程度的根底和大塊。鑒于哈礦松動(dòng)爆破采用逐孔起爆法，可實(shí)現(xiàn)控制各孔起爆時(shí)間，爆破動(dòng)載的影響程度較小。因此，綜合考慮本礦目前松動(dòng)爆破過程中存在的大塊和根底的主要問題，以大塊率、根底率作為技術(shù)效果指標(biāo)，以炸藥單耗為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，構(gòu)成爆破效果綜合評價(jià)指標(biāo)。具體為：①大塊率：爆破后每萬立方米出現(xiàn)的大塊數(shù)量的比例；②根底率：每次爆破后根底出現(xiàn)的面積與炮區(qū)面積的比值；③炸藥單耗：每立方米巖土體爆破效果良好所消耗的炸藥。

2.2 評價(jià)指標(biāo)分級區(qū)間與權(quán)重

依據(jù)選取的爆破效果評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合哈礦多年來生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將爆破質(zhì)量分為4 個(gè)等級，分別為v1、v2、v3、v4，由于大塊和根底對露天礦生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益均有重大影響，以同等權(quán)重計(jì)分，根據(jù)相應(yīng)的隸屬度函數(shù)確定各因素隸屬度的大小，即為絕對指標(biāo)。哈礦爆破效果評價(jià)分級區(qū)間與權(quán)重見表1。

表1 哈礦爆破效果評價(jià)分級區(qū)間與權(quán)重

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSSAU 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，該軟件包括通用研究算法、數(shù)據(jù)處理功能板塊、問卷研究算法、進(jìn)階算法板塊、可視化研究算法和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究板塊等，算法包括常規(guī)統(tǒng)計(jì)功能、回歸分析及預(yù)測、方差分析功能、非參數(shù)功能、多元統(tǒng)計(jì)功能等算法。使用該軟件進(jìn)行模糊綜合評價(jià)分為以下3 個(gè)步驟[12]：①確定評價(jià)指標(biāo)和評語集，將其輸入；②確定權(quán)重向量矩陣和構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣，選擇模糊算子為加權(quán)平均型；③計(jì)算權(quán)重輸出結(jié)果，操作完成即可進(jìn)行決策評價(jià)。

在哈礦1055、1025 m 水平選取4 個(gè)炮區(qū)，全程記錄爆破參數(shù)，并進(jìn)行爆破效果數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)輸入SPSSAU 軟件中，進(jìn)行計(jì)算分析。松動(dòng)爆破的實(shí)測指標(biāo)見表2。

表2 松動(dòng)爆破的實(shí)測指標(biāo)

運(yùn)用模糊綜合評價(jià)方法中爆破效果評價(jià)模型，給出爆破評價(jià)數(shù)值，計(jì)算各測得爆破方案對應(yīng)綜合評判結(jié)果。B1＝（0.44，0.49，0.07，0），B2＝（0.42，0.47，0.11，0），B3＝（0.54，0.44，0.02，0），B4＝（0.30，0.42，0.2，0），按照最大隸屬度原則，各次爆破方案綜合評價(jià)分別為：II 級、II級、I 級、II 級，由此可以判定此次進(jìn)行爆破的4 個(gè)炮區(qū)爆破效果良好。

3 提升爆破質(zhì)量的措施

通過構(gòu)建爆破質(zhì)量綜合評價(jià)模型，結(jié)合爆破設(shè)計(jì)及實(shí)施后統(tǒng)計(jì)的爆破效果數(shù)據(jù)，可以有效的評判爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[1]。采取以下合適的措施可降低大塊和根底等不良爆破情況的出現(xiàn)。

1）調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)?，F(xiàn)階段露天礦爆破使用參數(shù)主要基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，巖層正常發(fā)育效果良好。對于容易出現(xiàn)大塊的地質(zhì)條件實(shí)施深孔套淺孔加密孔設(shè)計(jì)，破除堅(jiān)硬巖石層減少大塊形成。在易出現(xiàn)根底區(qū)域適當(dāng)減少排距和底盤抵抗線，可一定程度上減小根底產(chǎn)生的面積。

2）改變裝藥結(jié)構(gòu)。大塊和根底形成主要受所處巖性控制，針對該層巖石采用間隔裝藥方式，保證爆破能量充分作用，消除不良爆破效果。

3）提高炮孔充填質(zhì)量。炮孔含水情況下，水浮力會(huì)降低充填密實(shí)度，炮孔充填效果差會(huì)導(dǎo)致部分爆破能量從孔口泄露。提高炮孔充填質(zhì)量可使爆破能量有效作用于圍巖。

4 結(jié)語

露天煤礦是礦產(chǎn)資源開采的重要形式，同時(shí)開采技術(shù)一直在優(yōu)化升級。爆破作為露天煤礦重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過運(yùn)用模糊綜合評價(jià)方法對爆破參數(shù)的分析計(jì)算，利用分析結(jié)果不斷優(yōu)化爆破參數(shù)和作業(yè)方式，總結(jié)得出適用于露天煤礦的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及效果評價(jià)體系，同時(shí)，也為提高爆破質(zhì)量反饋優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)提供了重要方法和基礎(chǔ)保障。