張京濤，聶守虎，丁小華，黃月軍，邢博康，秦 浩

（1.國(guó)能北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026015；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

可爆性是煤巖體固有的基礎(chǔ)性質(zhì)，反映了煤巖體能抵抗爆破作用破壞的能力；可爆性越好，則爆破時(shí)煤巖體越容易破碎；反之，越不易破碎，容易出現(xiàn)大塊。當(dāng)前，露天煤礦多使用爆破開采，但礦山企業(yè)并沒有適用的可爆性分析方法，往往通過參考相似經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)決定裝藥量，爆破效果差強(qiáng)人意。

煤巖體的可爆性至今仍然是一個(gè)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模糊概念，隨著不斷研究與實(shí)踐，在不同層次，使用不同原理分析煤巖體可爆性的方法越來(lái)越多。常見的分析煤巖體可爆性的方法有幾十種之多，按照分析方法的不同，可以將這些方法分為基于單一指標(biāo)的可爆性分級(jí)法和基于綜合指標(biāo)的可爆性分級(jí)法2 種[1]。

基于單一指標(biāo)的可爆性分級(jí)法只選用某一種來(lái)進(jìn)行分析，分析過程較簡(jiǎn)單；這種方法優(yōu)點(diǎn)是靈活方便，可以在工程中快速使用，但其精度較低，效果較差。單一指標(biāo)分級(jí)法有基于抗壓強(qiáng)度的普氏分級(jí)法[2]、基于節(jié)理裂隙的勒科謝達(dá)洛夫分級(jí)法和基于爆破試驗(yàn)的利文斯頓爆破漏斗分析法[3]等。

基于多重指標(biāo)的可爆性分級(jí)法通常會(huì)選取較多的因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選取的因素越多，分析過程越復(fù)雜；這種方法考慮的因素較多，精度較高，可降低偶然誤差，適合在做工程計(jì)劃時(shí)進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行精細(xì)化施工管理；但是這種方法往往需要的大量不同類型的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，更需要相關(guān)專家進(jìn)行數(shù)據(jù)權(quán)重分析，評(píng)價(jià)時(shí)間較長(zhǎng)，難度較大。多重指標(biāo)綜合分級(jí)法有基于脆性指數(shù)和熵權(quán)理論的可爆性分級(jí)法[4]、基于CRITIC－Vague 模型的可爆性分級(jí)法[5]、基于模糊多元線性回歸模型的可爆性分級(jí)法[6]和基于綜合賦權(quán)云模型的可爆性分級(jí)法[7]等。

現(xiàn)有的可爆性，多數(shù)是基于堅(jiān)硬巖石與金屬礦石，很少有專門針對(duì)煤層的可爆性分析，而煤層爆破相較巖層爆破和金屬礦爆破有很大不同。巖層爆破只需要考慮減少爆破大塊，利于運(yùn)輸；煤層爆破也要考慮減少末煤，提高效益[8-9]。即煤層爆破的威力不能太小，太小會(huì)產(chǎn)生過多大塊，不利于裝運(yùn)，需要二次破碎，妨礙生產(chǎn)的連續(xù)性；也不能太大，太大會(huì)產(chǎn)生過多末煤與粉塵，不僅會(huì)降低企業(yè)效益，產(chǎn)生的粉塵也會(huì)污染環(huán)境，不符合國(guó)家保護(hù)環(huán)境、建設(shè)綠色生產(chǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略。

針對(duì)勝利露天煤礦的作業(yè)條件，采用基于單一抗壓強(qiáng)度因素的普氏分級(jí)法和基于多因素的綜合賦權(quán)云模型分析法進(jìn)行煤層可爆性分析；找出一種合理的煤層可爆性分級(jí)法，在礦山生產(chǎn)中指導(dǎo)爆破裝藥工作，可以提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境。

1 可爆性分級(jí)方法

表1 抗壓強(qiáng)度可爆性分級(jí)表

2）綜合賦權(quán)云模型分析法。云模型是由李德毅院士結(jié)合概率論與模糊數(shù)學(xué)理論提出的處理定量數(shù)值與定性概念不確定轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，能夠有效解決模糊概念定量化問題?；诰C合賦權(quán)云模型的可爆性分級(jí)法需要先選取煤的特征指標(biāo)，測(cè)量相應(yīng)指標(biāo)值，再生成特征云模型并計(jì)算特征指標(biāo)的確定度，然后對(duì)特征指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán)以得到特征指標(biāo)的綜合確定度，最后得到煤的可爆性分析結(jié)果。

2 可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與分級(jí)特征

2.1 可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

參考相關(guān)巖石可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)煤的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、密度、波阻抗和煤層的完整性系數(shù)將煤層的可爆性劃分為極易爆、易爆、中等、難爆和極難爆5 個(gè)等級(jí)[7]，根據(jù)以上煤的5 個(gè)性質(zhì)的值的范圍確定的煤的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。煤的可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 煤的可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 分級(jí)特征參數(shù)

為了能夠精準(zhǔn)、全面地評(píng)價(jià)煤層的可爆性，在分析過程中選取的分級(jí)特征參數(shù)要盡量全面概括煤層爆破效果的影響因素。影響煤層可爆性的因素可以歸納為2 個(gè)大類：①煤層的物理力學(xué)性質(zhì)；②煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度。因此，綜合選取勝利露天煤礦內(nèi)煤的抗拉強(qiáng)度、煤的抗壓強(qiáng)度、煤的密度、煤的波阻抗以及煤層完整性系數(shù)5 個(gè)指標(biāo)作為勝利煤層可爆性分級(jí)的特征參數(shù)。

1）煤的強(qiáng)度。煤的強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。煤的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是煤最基本的力學(xué)特征。在爆破過程中，煤層內(nèi)部靠近炮孔的煤體會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞；邊界上的煤體會(huì)因擴(kuò)張產(chǎn)生拉破壞。煤的2 種強(qiáng)度直接決定了煤在受到爆破作用時(shí)破壞的程度，可以最直觀地反映煤的可爆性。

2）煤的密度。煤的密度是煤最基本的物理參數(shù)，是煤各種物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。

3）煤的波阻抗。波阻抗是煤層內(nèi)部應(yīng)力波傳遞需要克服的阻力。波阻抗越大，應(yīng)力波越難傳遞，達(dá)成理想爆破效果需要的爆破威力也越大；反之，達(dá)成理想爆破效果需要的爆破威力越小。

腹腔鏡輸尿管切開取石手術(shù)在操作中，也存在一定的局限性[6]。如較為常見的結(jié)石移位，尤其開展初期，由于術(shù)前對(duì)輸尿管結(jié)石位置判斷不準(zhǔn)確，在游離輸尿管的過程中反復(fù)牽扯，擠壓，導(dǎo)致結(jié)石從嵌頓處松動(dòng)逃脫，進(jìn)入到擴(kuò)張的輸尿管甚至進(jìn)入腎盂、腎盞內(nèi)；此外，輸尿管結(jié)石合并腎盞結(jié)石，在腹腔鏡輸尿管切開取石后，對(duì)腎盞內(nèi)結(jié)石處理極為不便，往往難取凈結(jié)石，即使選擇PCNL也難于將各盞結(jié)石取出，且PCNL手術(shù)過程中對(duì)輸尿管嵌頓結(jié)石的碎石往往時(shí)間較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)輸尿管損傷，術(shù)后輸尿管狹窄發(fā)生率較高。

4）煤層完整性。煤層完整性是煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育程度的綜合評(píng)價(jià)，在很大程度上影響了煤層的可爆性。煤層越完整，代表內(nèi)部節(jié)理裂隙越少，爆破越困難；反之，則煤層內(nèi)部節(jié)理裂隙較發(fā)育，爆破容易，可爆性好。煤層的完整性可以使用煤層完整性系數(shù)進(jìn)行量化。

3 室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 煤的強(qiáng)度測(cè)量

3.1.1 煤的抗拉強(qiáng)度

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室使用大型單軸抗壓試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量煤的抗拉強(qiáng)度。選用直徑50 mm，高度25 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。將試樣裝入巴西劈裂轉(zhuǎn)換裝置，使用單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)施加軸向壓力，直至煤樣破壞。轉(zhuǎn)換裝置會(huì)改變煤樣的受力結(jié)構(gòu)，將煤樣受壓破壞改變?yōu)槭芾茐摹Ｍㄟ^試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的壓力傳感器測(cè)得10 組煤樣抗拉數(shù)據(jù)，煤樣的平均抗拉強(qiáng)度為0.83 MPa。煤樣抗拉數(shù)據(jù)見表3。

表3 煤樣抗拉數(shù)據(jù)

3.1.2 煤的抗壓強(qiáng)度

煤的抗壓強(qiáng)度測(cè)量采用單軸壓縮方法，利用室內(nèi)大型單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)向放置在試驗(yàn)機(jī)上的試樣施加軸向載荷，直至試樣破壞。試樣為直徑50 mm，高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，通過試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的壓力傳感器測(cè)得10 組煤樣的單軸抗壓數(shù)據(jù)，煤樣的平均抗壓強(qiáng)度為5.18 MPa。煤樣抗壓數(shù)據(jù)見表4。

表4 煤樣抗壓數(shù)據(jù)

3.2 煤的密度與波阻抗測(cè)量

3.2.1 煤的密度

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室使用電子天平測(cè)量6 組直徑50 mm，高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形煤樣，煤樣的平均密度為1.26 t/m3。煤樣密度數(shù)據(jù)見表5。

表5 煤樣密度數(shù)據(jù)

3.2.2 煤的縱波波速

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，采用TICO 超聲波檢測(cè)儀測(cè)量煤的縱波波速，煤樣為直徑50 mm，高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。利用聲源訊號(hào)發(fā)射器向壓電材料制成的發(fā)射換能器發(fā)射電脈沖。激勵(lì)晶片振動(dòng)，發(fā)射出聲波在測(cè)試材料中傳播，后經(jīng)接收器接收，把聲能轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)送至接收系統(tǒng)，經(jīng)信號(hào)放大后在屏幕上顯示出波形，從波形上讀出波幅和初至?xí)r間，由已知的測(cè)試材料距離，便可計(jì)算出超聲波在測(cè)試材料中傳播的縱波波速。測(cè)得10 組煤樣的縱波波速，煤樣的平均縱波波速為1 823 m/s。煤樣縱波波速見表6。

表6 煤樣縱波波速

計(jì)算得到煤的波阻抗：

式中：Z 為煤的波阻抗；ρ 為煤的密度；vpr為煤樣縱波波速。

由式（1）可計(jì)算得出勝利露天煤礦煤的平均波阻抗為2.30×106kg/（m2·s）。

3.3 煤層波速與完整性系數(shù)

3.3.1 煤層縱波波速

在露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破測(cè)試，使用CD－21 型振動(dòng)傳感器測(cè)量煤層的縱波波速。在爆破炮孔附近布置2 個(gè)拾振器，用石膏固定在煤巖上。由于場(chǎng)地限制，2 個(gè)拾振器之間的距離盡量大，并且與炮孔在1條直線上。藥包爆破后，在煤巖中產(chǎn)生體積波和表面波，體積波中又有橫波和縱波。在各種振動(dòng)波中，縱波傳播的速度最快，最先到達(dá)測(cè)點(diǎn)1，觸發(fā)測(cè)點(diǎn)1 處的拾振器并記錄縱波最先到達(dá)的時(shí)刻t1，然后又到達(dá)測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)2 處的拾振器并記錄縱波到達(dá)的時(shí)刻t2，這樣就可以計(jì)算縱波在測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 傳播的時(shí)間差，再根據(jù)這兩點(diǎn)間的距離，就可得到縱波在煤巖中的速度。如此通過爆破試驗(yàn)測(cè)得煤層的縱波波速為1 275 m/s。

3.3.2 煤層完整性系數(shù)

煤層完整性系數(shù)是1 個(gè)評(píng)價(jià)類的指標(biāo)，無(wú)法通過直接測(cè)量得到，需要使用已知的煤層和煤樣的縱波波速計(jì)算得到：

式中：Kv為煤層完整性系數(shù)；vpm為煤層縱波波速；vpr為煤樣縱波波速。

經(jīng)計(jì)算，煤層完整性系數(shù)為0.49。

4 爆性分級(jí)計(jì)算

通過以上試驗(yàn)，得到的可爆性分級(jí)指標(biāo)見表7。

表7 可爆性分級(jí)指標(biāo)

分別運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算這5 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，得到可爆性分級(jí)指標(biāo)綜合權(quán)重見表8。

表8 可爆性分級(jí)指標(biāo)綜合權(quán)重

按照一定的數(shù)字特征計(jì)算方法，結(jié)合以上的煤層可爆性分級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)，使用MATLAB 編寫的正向正態(tài)云發(fā)生器進(jìn)行運(yùn)算，生成云模型。

數(shù)字特征可以將定性的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量的表達(dá)，數(shù)字特征的選取是生成云模型的關(guān)鍵。數(shù)字特征包括期望Ex、熵En 與超熵He。期望為云空間的中間值，是最核心的定量表達(dá)；熵代表了指標(biāo)的定性程度，反映了定性概念的模糊程度與隨機(jī)程度；超熵則是對(duì)熵的不確定性的度量，超熵越大，定量評(píng)價(jià)的分布越發(fā)散。勝利煤層可爆性評(píng)價(jià)云模型的數(shù)字特征見表9。

表9 勝利煤層可爆性評(píng)價(jià)云模型的數(shù)字特征

通過云模型，可得計(jì)算指標(biāo)確信度，煤層可爆性各指標(biāo)分級(jí)確信度如圖1。從左至右5 條曲線依次為極易爆至極難爆的可爆性。

圖1 煤層可爆性各指標(biāo)分級(jí)確信度

將表7 中的可爆性分級(jí)指標(biāo)具體數(shù)據(jù)分別代入圖1 中各個(gè)分級(jí)指標(biāo)確信度曲線的橫坐標(biāo)，找到曲線上與橫坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值，該值即為可爆性分級(jí)指標(biāo)的單一確信度。將得到的各指標(biāo)單一確信度按表8 中的綜合權(quán)重進(jìn)行綜合計(jì)算，得到勝利露天煤層可爆性綜合分級(jí)在各等級(jí)的確信度，確信度最高的等級(jí)即為最終的煤層可爆性等級(jí)。勝利煤層可爆性在各等級(jí)的確信度見表10。

表10 勝利煤層可爆性在各等級(jí)的確信度

勝利煤層為極易爆等級(jí)的確信度最高，故可以判斷，使用綜合賦權(quán)云模型分析法得到的勝利露天煤礦煤層的可爆性等級(jí)為極易爆，爆破最容易。

使用工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，根據(jù)煤層的抗壓系數(shù)0.52，判斷煤層屬于極松軟的軟巖，爆破很容易。使用2 種結(jié)果所得的結(jié)論相似，互為佐證，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)勝利露天煤礦的實(shí)際條件，從基礎(chǔ)到直觀，從煤樣到煤層，選出了5 個(gè)可以充分表征煤層可爆性的特征參數(shù)。

2）通過現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)詳細(xì)測(cè)量了5 個(gè)特征參數(shù)的數(shù)值，并引入巖石可爆性分析中常用的普氏分級(jí)法與綜合賦權(quán)云模型分析法，對(duì)勝利露天煤礦的煤層進(jìn)行分析。

3）將勝利露天煤礦煤層的可爆性等級(jí)劃分為極易爆等級(jí)，應(yīng)盡量采用威力較小的爆破方式，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)開采工作。