基于AHP及主成分分析法評價大黑山鉬礦逐孔起爆效果

樊攀峰，冀相宇，張良勇，王　浩，黃　濤

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.吉林大黑山鉬業有限公司，吉林 吉林 132200； 3.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

基于AHP及主成分分析法評價大黑山鉬礦逐孔起爆效果

樊攀峰1，冀相宇2，張良勇2，王浩3，黃濤1

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.吉林大黑山鉬業有限公司，吉林 吉林 132200； 3.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

摘要：逐孔起爆是露天礦臺階爆破的發展趨勢，但露天礦生產中參數選擇多是依據生產經驗。為優化選擇大黑山鉬礦逐孔起爆參數，通過孔網結構等參數之間的不同組合試驗，選取平均塊度，大塊率，炸藥單耗等8項評價因子并借助split-desktop方法對因子進行量化。采用AHP法建立目標層，控制層，因子層結構模型，使用幾何平均法獲得因子權重，并進行排序，前三項為：平均塊度>炸藥單耗>大塊率；利用線性插值法對評價因子進行單因子評分，得到各組試驗的綜合評分。選擇主成分分析法，使8項評價因子降維，對影響顯著的單因子評分及綜合評分與各爆破參數的關系進行擬合，得到影響規律。試驗驗證了優選參數的合理性，爆破效果綜合得分92.6分，取得了滿意的效果。

關鍵詞：逐孔起爆；孔網結構；層次分析法；平均塊度；評價因子；主成分分析

逐孔起爆技術具有爆堆松散系數高、塊度均勻、根底少、炸藥利用率高，以及有利于邊坡穩定的優點。它的關鍵是計算合理孔間與排間延時及起爆網孔結構設計。該技術在永平，齊大山，霍林河等礦山應用獲得了很好的效益[1-2]。

在毫秒微差爆破振動參數預測方面，楊年華等[3]提出了完整振動波形及爆破速度峰值的較可靠計算方法，并且可以得到振動延續時間及主頻頻率分布；羅學東等[4]運用BP神經網絡模型，預測精度較薩道夫斯基公式有提高；馬曉明、徐振洋等研究了地震波能量分布特征[5-6]；李順波等[7-8]用數值模擬研究了孔間延時對爆破效果的影響，并給出了計算公式，延時為12ms有利于降低振動；劉倩等[9]梳理了在露天礦毫秒延時計算方面的理論與應用現狀；在爆破效果評價方面，張建華等[10]使用模糊綜合評價方法驗證了主孔起爆技術的優勢。

前人研究多集中于減振效果或質量效果，安全效果單一目標的評價，針對大黑山逐孔起爆參數優化的問題，本文使用模糊評分，AHP層次分析及主成分分析法，綜合評價爆破效果，對改變目前鉬礦的經驗設計法有重要意義。

1工程地質背景

1.1大黑山鉬礦概況

大黑山鉬礦位于松嫩地塊，屬海西運動及燕山早期。下古生代地層主要為頭道溝組熱液變質砂巖、千枚狀板巖及中酸性火山巖。礦體大多以石英網脈形式賦存于圍巖花崗閃長巖中及花崗閃長斑巖中。礦體分布范圍廣，呈橢圓形，厚度在500m左右，長寬約1.7km，面積2.3km2。礦體儲量約109萬t。根據礦物組合，礦區內礦化可分為四種類型:浸染型，石英網脈型，石英大脈型，角礫巖型。

1.2逐孔起爆參數選擇

影響逐孔起爆爆破效果的參數很多，包括藥包位置，裝藥結構(孔底間隔裝藥，分段裝藥，連續裝藥等)，露天臺階高度，孔網結構，最小抵抗線的位置以及延時時間等。我國有些學者認為延時應該在15～25ms/m，或25～50ms/m有利于自由面的形成以提高炸藥利用率。

根據大黑山鉬礦的實際生產情況，采用孔底起爆方式及連續裝藥，以提高炸藥利用率，增強爆破效果，簡化試驗工藝。考慮施工及生產要求，采用爆破各參數之間的不同組合，進行試驗。各因素參數設置值見表1。

2逐孔起爆效果評價因子

2.1評價因子選擇與量化

根據《爆破安全規程》的要求，露天礦爆破的評價因子要包含爆破質量效果，安全效果以及成本效果。質量效果主要包含塊度大小，爆堆形態，爆堆松散度等因子；安全效果包括飛石，沖擊波等；成本效果主要有單位方量鉆孔量，炸藥單耗，單位方量雷管消耗等。

大塊率及平均塊度是衡量質量效果的重要因子，而且可以采用多點采樣方法進行量化；爆破質量還要求堆存形態有利于裝巖運輸，所以考慮爆破前沖后沖距離作為評價因子；而堆存高度又同時反映堆存形態及松散度，高度也易于測量。關于爆破成本效果，則以規程中鉆孔量及雷管，炸藥單耗作為評價因子。考慮到后沖距離與爆堆高度的易于量化，試將底盤抵抗線參數與量化均值的關系通過圖1(c)表現。

采用split-desktop量取大塊率及平均塊度。取塊體直徑大于60cm的作為量取大塊率的標準，每次爆破后從個角度多次拍照，取平均值以保證測量值完全反映實際塊度。有關爆堆形態的因子的測量，應選取代表性測點，多次量取，減小誤差。大塊率與平均塊度量化值見圖1。

表1　爆破參數設置表

圖1　爆破效果評價因子量化值

2.2評價因子單因子評分

利用線性插值法，對爆破效果評價因子進行評分，力求使評分與量化值之間符合線性相關關系。

1)大塊率q1與評分p1之間呈線性關系，評分范圍在60～90分之間，見式(1)。

(1)

2)平均塊度q2實測值在20～40之間，考慮到裝巖效率與成本，q2與p2之間不是單調關系，有極大極小值。依據賦分原則，極小值與極大值賦分區間為70～80分。對于爆破前沖距離q3與q2相似，只不過以前沖距離12.5m評為百分，在上限5m，下限20m分別賦80分、70分。見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

3)與式(1)相似，爆破后沖距離q4，隆起高度q5與p4和p5呈單調關系。評分范圍在60～90之間。見式(4)、式(5)。

p4=-20q4+100

(4)

p5=30q5+45

(5)

3綜合評價

3.1AHP建模及權重分析

3.1.1構造結構模型

目標層P：爆破效果；控制層C：C1爆破質量，C2爆破成本；因子層F：F1大塊率，F2平均塊度，F3爆破前沖距離，F4爆破后沖距離，F5隆起高度，F6單方鉆孔量，F7炸藥單耗，F8雷管消耗。爆堆高度與后沖距離R2=0.752，單方鉆孔量與炸藥單耗有很高的相關系數R2=0.983。

3.1.2權重分析

根據判斷矩陣標度條件構造判斷矩陣A，，使用一致性檢驗指標CR(式(6))進行檢驗，其中RI為平均隨機一致性指標，λmax為最大特征值。根據幾何平均法計算各層權重，計算方法見式(7)。評價因子權重分析從表2可以看出，權重排序為：平均塊度>炸藥單耗>大塊率=前沖距離>單方鉆孔量>堆高。

(6)

(7)

3.1.3綜合評價

根據各評價因子的權值與單因子評分計算各組試驗綜合得分。綜合評分值見圖2，綜合評價結果見表3。圖2綜合評分直方圖中80～86分之間頻次最高，說明參數選擇合理。

3.2主成分分析

相關系數矩陣的相伴概率小于顯著性水平0.05，原始變量之間存在相關性，認為適合主成分分析；而且KMO=0.782，KMO標準值>0.7，即適合主成分分析，KMO標準值>0.8即為很適合主成分分析。

表4為Kaiser標準化旋轉法得到的旋轉成分矩陣。第一個因子特征值為5.681，方差貢獻率71.018%，反映了前沖距，單方鉆孔量，炸藥消耗及雷管消耗等，稱為綜合因子；第二個因子特征值為1.301，方差貢獻率16.268%，反映了后沖距及塊度問題，稱為質量因子；第三個提取因子特征值和方差貢獻率分別為0.524，與6.545%，反映了堆高這一因素，稱為次要因子。

表3　AHP綜合評價前5組參數組合

圖2　綜合評分直方圖

表4　成分旋轉矩陣表

4參數優選及試驗驗證

4.1爆破效果影響因素分析

根據AHP方法對逐孔起爆效果進行直觀量化(圖3)。表3中的前5名優選組合說明孔徑90mm爆破效果綜合評分高120mm，所以將90mm作為優選孔徑。為分析具體參數對爆破效果的影響，需要將綜合評分和表1中其他的7項參數進行擬合。二次多項式擬合結果見表5。A為常數項，B為一次項系數，C為二次項系數。

表5　綜合評分與影響參數擬合結果

從主成分分析結果中挑選影響顯著的評價因子，如塊度，前沖距，單孔方量，及后沖距與爆破參數進行擬合分析。平均塊度，前沖距受填塞長度和超深影響不大，而隨著排距，孔距等參數的增加先升后降存在明顯極值點；單孔方量隨著孔距排距增加而增長，隨超深并無明顯變化；后沖距隨著底盤抵抗線，超深，孔排距增加而下降，隨著排距米延時與孔距米延時增加而增長，但受底盤抵抗線與超深影響不顯著。

根據F值判斷，綜合評分與超深和填塞長度的關系極不顯著，受孔距，排距，孔距米延時的影響極顯著，這與主成分分析中顯著單因子評分受爆破參數影響的結果是一致的。隨著底盤抵抗線，超深，填塞長度，和孔排距的增加，擬合曲線為開口向下的拋物線，存在明顯極值點。

4.2爆破效果試驗驗證

由于綜合爆破效果最優是生產最終目標，為檢驗優化參數的有效性，需要對其進行現場試驗。為保證生產正常進行，臺階高度及坡面角仍按原生產參數。結合實際生產情況，對孔距，排距等爆破參數進行調整優化。通過擬合極值點判斷，存在適宜的參數值使爆破的綜合效果最優化。

因此，底盤抵抗線宜取3.8m左右，超深宜取0.5m，填塞長度宜取3.1m左右，孔距和排距應取4.2m與4.0m左右。隨著孔距米延時與排距米延時增加，綜合評分在很小范圍內(孔距米延時(11～12ms/m，排距米延時<28ms/m)排距平緩增長，曲率很小；超過界限值后曲率增大，近似于線性急速減小，因此分別取值11和28。

對于孔距和排距米延時，因為生產中使用的是非電導爆管雷管無法實現精確調整，試驗將其更換為在0～60000ms內可任意調節的數碼電子雷管。驗證試驗作業區共4排52孔，爆破方量約7000m3。

試驗結果表明優選參數取得了非常理想的爆破效果。爆區后出現明顯沉降槽，爆堆后沖基本被消除；大塊率大大降低，量化值為1.5%，單因子評分值97.4；平均塊度適中，平均為30cm左右，單因子評分值為98.7；爆堆很松散而且隆起高度平均在1.7m左右，評分值為99；前沖距離合適，平均在10.5m左右，評分值98分，使裝巖機鏟裝效率明顯提高。單位方量鉆孔量為0.073m/m3，炸藥單耗0.29kg/ m3，雷管消耗量139發/萬m3，評分值都為80分左右。爆破綜合效果評分92.6分。因此，所優選的爆破參數合理有效，實現了孔網參數與延時時間的互補優化，具有良好推廣價值，能為類似工程爆破參數的優化提供參考。

5結論

1)選擇兩大類評價指標：質量效果及成本效果綜合評價，得到評價因子的權值，評價因子的重要程度排序：平均塊度>炸藥單耗>大塊率=前沖距離>單方鉆孔量>堆高。

2)采用模糊數學及線性插值法對評價因子量化值打分；進一步構造AHP評價模型，得到綜合評分，得到前五組排名的爆破參數組合。

3)將影響顯著的單因子評分及綜合評分與爆破參數進行非線性擬合，得到7項爆破參數對綜合爆破效果的具體影響程度及規律：超深和填塞長度的影響不顯著，孔距，排距，孔距米延時，排距米延時，底盤抵抗線的影響顯著且影響依次降低。

4)根據爆破參數的影響規律，底盤抵抗線宜取3.8m，超深宜取0.5m，填塞長度宜取3.1m，孔距和排距應取4.2m與4.0m，孔距米延時與排距米延時分別取11ms/m、28ms/m。證明優選參數與前五組排名的參數高度切合。通過試驗驗證，優化參數取得了非常理想的爆破效果，降低大塊率，消除了后沖距，各單因子評分在98分左右，綜合評分92.6分，說明參數合理有效，具有良好推廣價值。

參考文獻

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A comprehensive evaluation of hole by hole initiation in Daheishan molybdenum mine based on AHP and principal component analysis

FAN Pan-feng1，JI Xiang-yu2，ZHANG Liang-yong2，WANG Hao3，HUANG Tao1

(1.Faculty of Resource & Safety Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Molybdenum Co.，Ltd.，Jilin Daheishan，Jilin 132200，China；3.School of Chemical & Environmental Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:Hole by hole initiation is the trend of bench blasting in the open pit，but parameters in open-pit mine production depend mainly on operation experience.To optimize hole by hole priming parameters of Daheishan molybdenum mine，experiments on parameters such as pore structure was performed，average degree of fragments，block rate，explosive consumption and other 5 factors were considered as evaluation index and the split-desktop method was used to quantify those factors.AHP method was used to establish structure model of target layer，control layer and factor layer.Geometric mean was used to get weight value and the first three factors were average degree of fragments>block rate>explosive consumption.Then linear interpolation was used to give score to evaluation index and comprehensive scores for each group were obtained finally.Principal Component Analysis was chosen to achieve dimensionality reduction for those eight evaluation factors.The relationship between significant single-factor and composite score with the blasting parameters were fitted to obtain influence law.Reasonableness of the parameters were verified and composite score is 92.6.

Key words：hole by hole initiation；pore structure；analytic hierarchy process；average degree of fragments；evaluation index；Principal component analysis

收稿日期：2015-05-14

作者簡介：樊攀峰(1990-)，男，碩士研究生，采礦工程專業。E-mail:sjas901118@qq.com。

中圖分類號：TD235.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0088-05