基于灰色關聯理論深孔切割槽爆破塊度影響因素分析及參數優化①

林 杰， 劉少光， 李廣斌， 樓曉明， 韓啟民

（1.福州大學紫金地質與礦業學院，福建 福州 350108； 2.福州大學爆破技術研究所，福建 福州 350108； 3.寧德市公安局，福建 寧德 352100； 4.烏拉特后旗紫金礦業有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015500）

采用分段空場嗣后充填采礦法的深孔爆破地下礦回采中，切割槽為深孔側向爆破提供自由面[1］。 但由于切割槽爆破存在爆破自由面較少、爆破夾制力較大的問題，一般采用增大炮孔密度系數、增大炸藥單耗等方法來確保形成切割槽，這就極易導致切割槽爆破后粉礦率偏高和平均塊度偏小等問題。

針對以上問題，眾多學者從不同角度開展了爆破參數對爆破塊度優化的研究[2-9］。 本文在已有研究基礎上，以內蒙古三貴口鉛鋅礦為依托，利用理論分析、圖像識別和工程試驗等手段，運用灰色關聯理論分析并確定影響切割槽爆破塊度的主次因素，利用趨勢分析法并結合現場實際情況優化爆破參數，以期優化切割槽爆破塊度、降低粉礦率、提高平均塊度。

1 工程概況

內蒙古三貴口鉛鋅礦采用分段空場嗣后充填采礦法采礦、上向扇形深孔爆破，中段高50 m，分層高16.5 m，切割槽垂直礦塊布置，采用上向垂直深孔爆破，現場使用全液壓鉆機鉆孔，孔徑90 mm。 切割槽孔距1.2 m，排距1.0～1.5 m，切割槽炮孔布置見圖1。

圖1 90 mm 炮孔切割槽炮孔布置圖

礦山所用炸藥為多孔粒狀銨油炸藥，現場采用壓氣裝藥，連續耦合裝藥。 礦山原爆破方案采用導爆管雷管逐排起爆，雷管段別1、2、3、4、5 段，單次起爆3～5排。 裝藥結構示意圖見圖2。

圖2 裝藥結構示意圖

在礦山現場爆破中，爆破塊度不理想，出現粉礦率偏高、平均塊度偏小等問題。 為解決這些問題，運用灰色關聯理論對粉礦率和平均塊度的主要影響因素開展分析研究，進一步優化爆破參數。

2 灰色關聯分析方法原理及計算方法

2.1 系統特征變量和相關因素變量

巖石爆破過程中主要有兩類變量：一類是衡量爆破質量優劣的指標，如粉礦率、大塊率和平均塊度等；另一類是控制爆破質量的影響因素，如孔距、排距和延期時間等。 進行灰色關聯分析時，將前一類指標作為系統特征變量，記為Yi（i＝1，2，…，s），s為指標個數；將后一類因素作為相關因素變量，記為Xj（j＝1，2，…，m），m為因素個數。 若進行n次爆破試驗來確定控制爆破質量的主要因素，即可形成對應的系統特征變量序列和相關因素變量序列：

式中yi（k）、xj（k）分別表示在第k次試驗中所測得的第i個系統特征變量和第j個相關因素變量數據。

2.2 灰色絕對關聯度計算方法

采用灰色絕對關聯度為基礎對爆破質量主要影響因素進行灰色關聯分析。 由于數據序列樣本單位不統一，需對數據系列樣本進行無量綱化處理，保證關聯度分析的準確性[10］。 通過均值化算子D1可求得各變量序列的均值象，式（1）和式（2）可轉化為：

利用始點零化算子D0對式（3）和式（4）進行計算，可求得各變量序列的始點零化像：

灰色絕對關聯度εij表示第i系統特征變量與第j個相關因素變量的灰色絕對關聯度，灰色絕對關聯度εij計算公式為[11］：

利用式（7）可以進一步得到灰色絕對關聯度矩陣[9］：

當l，j∈｛1，2，…，m｝滿足εil≥εij（i＝1，2，…，m），則認為相關因素變量Xl優于相關因素變量Xj。 若對任意的j＝1，2，…，m，j≠l，Xl均優于Xj，稱Xl為最優因素。若不存在最優因素，必然存在l，j∈｛1，2，…，m｝滿足，則認為相關因素變量Xl準優于相關因素變量Xj[9］。

3 切割槽爆破塊度影響因素的灰色關聯分析

3.1 現場試驗

切割槽現場試驗設置在630 中段630、647 和664分層中，共進行了6 個方案爆破試驗，為減少單次試驗結果的偶然性，每個方案進行3 次試驗，共完成18 次現場試驗，試驗方案參數見表1。

表1 90 mm 炮孔切割槽爆破參數

3.2 塊度分析

爆破塊度圖像分析技術日益成熟，提高了爆破塊度分析的準確性。 本文采用Split-Desktop 4.0 軟件分析爆破塊度分布。 現場爆破試驗后，分別對未出礦和出礦過程中的爆堆進行多角度、多方位的拍攝工作，拍攝覆蓋面積超過爆堆表面積的15%，拍攝圖像數量為15～20 張。 同時測量并記錄拍攝區域特征巖石的實際尺寸。

利用Split-Desktop 4.0 軟件對圖像信息進行自動預處理后，對部分不清晰的輪廓進行修改，對不屬于爆堆的部分填充標注，標定巖塊真實尺寸，即可進行運算。 現場爆堆圖像及軟件處理過程如圖3 所示，塊度分布曲線如圖4 所示。

圖3 現場爆堆圖像及軟件處理過程

圖4 塊度分布曲線圖

3.3 爆破塊度灰色絕對關聯度計算及分析

針對三貴口鉛鋅礦爆破塊度不理想、粉礦率偏高、平均塊度偏小等現場問題，選取爆破后的平均塊度（Y1，m）、最大塊度（Y2，m）、粉礦率（Y3，塊度小于5 cm 的巖石占比，%）和大塊率（Y4，塊度大于55 cm 的巖石占比，%）作為系統特征變量；選取孔距（X1，m）、排距（X2，m）、孔深（X3，m）、排數（X4）、抵抗線（X5，m）、孔間延期時間（X6，ms）和排間延期時間（X7，ms）作為相關因素變量，其中，各試驗方案的系統特征變量取3 次試驗結果的平均值作為計算數據。 如表2 所示。

表2 相關因素變量和系統特征變量

對表2 中各變量進行灰色絕對關聯度計算，通過式（7）～（8）可得到灰色關聯矩陣，計算結果如表3 所示。

由表3 分析可知，7 個爆破參數對切割槽爆破的塊度分布影響主次順序為：排數＞排距＞排間延期時間＞孔距＞孔深＞抵抗線＞孔間延期時間。 上述數據說明，在對切割槽整體爆破塊度效果上，排數、排距、排間延期時間起主要影響作用。

分析系統特征變量可知，對平均塊度影響最大的是孔距，其次是排數和排距；對粉礦率影響最大的是排間延期時間，其次是孔距和排數；對最大塊度影響最大的是排距，其次是排數，對大塊率影響最大的是孔間延期時間，其次是抵抗線。 根據實際情況，孔距不變，以降低粉礦率和提高平均塊度為首要問題，綜合分析表2和表3 并繪制系統特征變量隨主要影響因素變化情況，如圖5 所示。

圖5 主要影響因素-評價指標趨勢圖

從圖5（a）可以看出，平均塊度隨排數增多而減小，符合爆破碰撞作用，排數增多，爆破后礦石碰撞作用增強，平均塊度減小，因此要采用少排數爆破弱化碰撞作用提高平均塊度，排數選用3 排時平均塊度效果較好。 從圖5（b）可知，隨著排距增大，平均塊度增大，其中排距1.2 m 采用導爆管雷管起爆平均塊度明顯減小，主要是多排數碰撞作用導致的，而采用數碼電子雷管爆破時，正相關效果更為明顯，排距選用1.5 m 時平均塊度效果更好。 從圖5（c）可以看出，粉礦率隨著排間延期時間增大而減小，粉礦率與排間延期時間呈現明顯的負相關，采用較大的排間延期時間有利于降低粉礦率，結合方案6 爆破效果，采用排間延期時間42 ms較為合適。 從圖5（d）可以看出，粉礦率隨著排距增加整體上呈現降低的趨勢，采用數碼電子雷管爆破負相關更為明顯，排距選用1.5 m 時降低粉礦率效果更好。大塊率最大影響因素為孔間延期時間，其次為抵抗線，由于要減少爆破振動對充填體的影響，確定優化采用逐孔起爆，因此大塊率采用抵抗線進行分析，從圖5（e）可以看出，大塊率隨著抵抗線增大呈現增大的趨勢，確定排距后可通過減小抵抗線來控制大塊率。方案6 中排距1.5 m、采用數碼電子雷管爆破時，最大塊度為75.5 cm，大塊率為0.57%，均符合礦山生產要求。 因此為最大限度降低粉礦率和提高平均塊度，結合方案6 爆破效果，排距選用1.5 m、抵抗線設置為0.8 m 較為合適。 最大塊度的最大影響因素為排距，從圖5（f）可以看出，隨著排距增大，最大塊度呈增大的趨勢。

4 爆破優化現場試驗

4.1 爆破參數優化方案確定

現場試驗區域為630 中段664 分層4406 采場9＃礦體切割槽。 現場采用全液壓鉆機鉆孔，孔徑90 mm。根據上述分析確定，優化后的爆破參數為：炮孔孔距1.2 m，排距1.5 m，爆破排數3 排，抵抗線0.8 m。 根據現場分層高度，孔深為11.7 m。 采用多孔粒狀銨油炸藥，炸藥密度0.9 g／cm3，裝藥結構為連續耦合裝藥，裝藥長度9 m，堵塞長度2～3 m，炸藥爆速2600 m／s，總藥量720 kg，起爆方式為數碼電子雷管，排間延期時間42 ms，4 孔孔間延期時間分別為13、0、9、18 ms，起爆網絡見圖6。

圖6 起爆網絡

4.2 試驗結果及分析

采用優化參數進行爆破，按照爆破塊度圖像識別分析要求，對本次爆破試驗的塊度進行分析處理得到塊度參數，并與礦山采用導爆管起爆的原爆破方案的爆破塊度參數平均值進行對比分析，結果見表4。

表4 優化前后爆破塊度參數對比

由表4 可以看出，礦山原爆破方案的粉礦率為34.31%，優化后粉礦率為24.98%，粉礦率降低了27.19%；優化后平均塊度為21.16 cm，與礦山原爆破方案的平均塊度12.99 cm 相比提高了62.89%；最大塊度為71.10 cm，大塊率為1.05%，均在合理的范圍內，未對現場鏟裝作用造成影響。 整體上，爆破參數優化后，巖石平均塊度明顯提高，粉礦率降低顯著，說明本次爆破參數優化合理，能夠有效控制大塊巖石在合理范圍內，對粉礦率起到很好的降低作用，平均塊度提高，進一步驗證了基于灰色關聯分析理論確定爆破塊度影響因素來優化爆破參數提高爆破效果的可行性。

5 結論

以內蒙古三貴口鉛鋅礦為研究對象，運用灰色關聯理論對深孔切割槽爆破塊度的主要影響因素進行分析研究；利用趨勢分析法對爆破參數進行優化，開展工程試驗驗證優化效果，得到如下結論：

1） 運用灰色關聯理論，對三貴口鉛鋅礦深孔切割槽爆破塊度效果影響因素進行分析，得到各影響參數的主次關系為：排數＞排距＞排間延期時間＞孔距＞孔深＞抵抗線＞孔間延期時間。

2） 利用趨勢分析法確定主要影響因素對粉礦率和平均塊度的作用趨勢，其中粉礦率隨著排間延期時間增大而減小，隨著排距增加整體上呈降低趨勢；平均塊度隨排數增多而減小，隨著排距增大整體上呈增大趨勢。

3） 基于分析結果并結合現場實際情況，優化后的爆破參數為：孔距1.2 m，排距1.5 m，采用數碼電子雷管逐孔起爆，4 孔孔間延期時間分別為13、0、9、18 ms，排間延期時間為42 ms，該參數下爆破，能夠明顯降低粉礦率、提高平均塊度，與礦山原爆破方案相比，粉礦率降低了27.19%，平均塊度提高了62.89%。