1、矿山爆破优化设计研究及应用摘要矿山爆破中，大块率一直是一个重要的问题。本文针对大块率高的问题,进行了“降低采场大块率,实施爆破优化设计”的研究。通过建立爆破优化数学模型,并进行模型试脸和工业性试验,得出了爆破优化参数。实验结果证明了采用举破优化不但切实可行,而且经济合理。关键词 爆破优化 经济数学模型 模拟试验 工业试脸爆破作业是矿山生产的主要环节,提高爆破质量不仅是技术上的要求,而且对提高矿山经济效益也至关重要,针对不同的条件和环境作出最优的爆破设计并有效的实施是决定爆破质量的关键。很多矿山企业长期以来一直坚持对爆破技术的改进,如推行小抵抗线内封闭微差爆破技术、宽孔距技术等,对改善爆破效果起
2、到了积极的作用。但由于各矿山的地质结构比较复杂、节理裂隙尤为发育,通过一种方式很难达到爆破的预期效果,爆破大块率仍然很高(依各矿山的破碎机入口尺寸而定),爆堆极不规则,爆破质量不佳,影响了矿山生产过程中铲装、运输、破碎等后续工艺的效率和总成本的降低。为此,对矿山爆破进行优化显得尤为重要。矿山爆破优化旨在推广应用矿山爆破先进技术,合理确定爆破参数,以期达到预期的爆破效果,降低采矿作业总成本。1 爆破优化设计的主要方法爆破效果(指大块率、块度组成、爆堆的形态等)不仅反映了爆破设计参数和爆破方法的准确性、合理性,同时也直接影响着铲装、运输、破碎等后续工序和采矿总成本。一般情况下,穿孔爆破成本随着爆破
3、质量的降低而增加,而后续工序的作业成本则随着爆破作业质量的提高而降低,在理论上则存在着使采矿总成本为最低的“最佳爆破效果”,其关系如图 1 所示。爆破优化设计就是寻求“最佳爆破效果,以实现采矿作业总成本为最低”的爆破参数,主要包括两项基本内容:一是爆破效果的准确评价,二是爆破优化。其中 ,爆破优化是以建立准确的爆破效果评价体系为前提的,在它的基础上建立符合实际的优化模型并应用于生产。评价爆破效果的优劣就是要确定评价爆破质量的指标体系。目前,在评价爆破质量的诸多指标中,比较重要又被国内外爆破界研究人员认可的是大块率和平均块度两个指标,其分别描述的是不合格块度的比例和块度组成的均值,如果用C 代表
4、采矿总成本， 和 分别代表大块率和平均块度,其关系式 DYX )(,XYCD那么,“爆破优化”这一过程则可表示为: )(,XYCD对爆破优化的研究工作,国内外学者均做了大量的探索和研究,研究方法和手段主要有两种:(l)从爆破机理入手,用岩石破碎的极限强度准则和能量准则判断,根据爆炸应力波理论,在岩石被节理裂隙分割的基础上,通过一些必要的简化和假设,得到岩石被破碎后形成的块度。在这方面研究较早并具代表性的是澳大利亚的哈里斯模型和加拿大的布拉斯模型,但这两种模型过于理想化,结果与实际差异较大。(2)从现场资料统计着手,根据矿山现场测试的实际数据,经过数理统计分析,探讨爆破参数、爆破块度与矿山各主要
5、工序成本之间的统计规律,建立一系列的经验公式,形成经验模型。在此方面尤以 R 一 R 分布、G 一 G 一 S 分布、G一 M 分布较为实用。由于这些分布形式是通过统计数据适当处理而得到的,在实际应用中具有一定可靠性,然而由于研究条件和范围的限制,这些模型并不是通用的,在具体应用中,应根据矿山实际情况加以修正。通过爆破质量评估模型的确立,就可根据该模型对矿山爆破效果的预测,建立爆破优化的数学经济模型,确立合理的爆破参数和爆破方法。2 爆破优化经济数学模型的建立目前很多矿山均属地质条件比较复杂的矿体,受结构面弱控制,裂隙比较发育,爆破效果不佳,大块率产出较高,采矿成本居高不下,因此,必须进行矿山
6、爆破优化,建立优化经济数学模型,确定合理的爆破参数。下面以石灰石矿为例,阐述矿山爆破优化。2.1 块度方程爆破块度分布是影响采矿作业成本的主要因素,因此,爆破优化数学经济模型的建立应以爆破效果评价为基础,首先建立爆破优化的块度方程。爆破优化块度方程是根据矿山实际,从现场资料统计分析入手,通过采用 R 一 R 分布方程式,并结合南非 Cunningham 所提出的块度均匀性指数 n 的计算表达式而建立的。即2.2 爆破优化经济数学模型根据各种试验研究和矿山爆破经验,对爆破块度分布起主导作用的爆破参数是炮孔间距、排距、炸药单耗、密集系数等。因此,在建立矿山爆破优化经济数学模型时,决定以采矿总成本为
7、因变量,以炮孔间距、排距、炸药单耗、密集系数为自变量。即采矿总成本为:从采场到破碎站的运输费用。综合(5)(6)(8)(9)(10)式,代入(4)式,可得出矿山爆破优化经济数学模型:2.3 数模计算及结果计算约束最优化的解法很多,如随机试验法、随机方向探索法、复合形法、可行方向法、可容变差法等等,其中复合形法因为简捷和易于编程而被广泛应用。复合形法的基本思路来源于无约束优化算法中的单纯形法,其迭代过程是:在设计变量的可行域内,随机选取 K 个顶点作为初始复合形的顶点 ,比较这些顶点所对应的目标函数值,去掉其中目标函数值最大所对应的最坏点,而代之以最坏点的反射点构成新的复合形,不断重复上述过程,
8、使复合形的位置越来越靠近最优点,迭代到达收敛精度时,则取最后一个复合形中目标函数最小的点作为近似值最优点。运用复合形法对建立的矿山爆破优化数学模型进行计算,得出优化结果:(1)爆破优化参数。抵抗线 W 为 4.33m;孔间距 a 为 554m;炸药单耗 q为 0.25kg/t;单孔药量 Q 为 1593kg。(2)优化参数所对应的块度分布:0 一 20cm 为 18.45%;2140cm 为42.37%;41 一 60cm 为 29.01%;6180cm 为 8.82%;)81cm 为 1.35%;大块率(60cm)为 10.17%;平均块度为 3488cm。(3)优化参数所对应的各工序成本:
9、穿孔成本为 0.24 元/t 爆破成本为 0.65元/t采装成本为 1.89 元/t;运输成本为 3.7 元/t;破碎成本为 0.43 元/t 总成本为 6.91 元/t。3 台阶模型试验通过对矿山现场爆破结果的调查分析,发现矿山爆破产生的大块主要来自于台阶上部及坡面。因此,结合上述爆破优化参数和现代爆破技术,提出改善矿山爆破效果的 3 个爆破优化方案。(1)空气间隙方案。方案采用矩形布孔,前排孔朝向台阶自由面,后排孔朝向前排爆破自由面,采用空气间隔装药,梯形微差爆破,每孔两发雷管,同段雷管同时起爆。(2)预破碎方案 (MSB 方案)。针对矿山地质条件复杂,难爆地段多的特点,提出了该方案,该方
10、案全称为岩石预弱化爆破方案。其主要原理是先在岩石内部布置一些孔,采用底部集中装药预先爆破,达到岩石内部预先弱化,然后再进行穿孔爆破。具体设计:采用矩形布孔,各排孔均平行台阶 ,中间一排孔采用底部集中装药,先行起爆,然后再钻孔,采用柱状连续装药,多排微差爆破。(3)综合爆破方案。为了充分利用空气柱和预破碎的优点,特设计该方案,故称为综合爆破方案。以上 3 个方案在进行工业性试验之前,采用了小型台阶模型试验加以验证,以确定矿山的最优化爆破方案。台阶模型爆破试验的目的,是在模型律的指导下,使小型台阶模型与生产条件下的台阶爆破条件、参数相似,其结果是爆破效果相似,从而将在现场条件下难以达到的破碎度定量
11、分析通过台阶模型爆破来实现。模型试验不仅有定性作用,还可提供不同方案间定量的结果。模型试验所具有的定性、定量作用的程度与试验材料、参数的相似性程度有关。国内外学者研究认为水泥砂浆与混凝土台阶模型最适合于从事岩石爆破研究。台阶模型试验所选择的模拟材料与方案是在调研矿山具体地质情况的基础上进行的,设计从矿体结构相似、爆炸动力相似以及台阶几何尺寸相似出发,进行具体确定。经过台阶模型试验效果分析,并通过采用层次分析法对各方案的模型爆破进行评估,认为方案 1 为最优方案,方案 2 为次优方案,方案 3 虽然综合了方案1 和方案 2,但并不表明该方案最好或不适合矿山的地质条件,同时也说明了爆破方案的确立必
12、须结合矿山的具体地质特征。4 工业性试验通过对矿山多次爆破所取得的各项数据进行收集和整理分析,建立了矿山爆破优化经济数学模型,并进行编程计算,得出了爆破优化参数,进而通过小型台阶模型试验进行了验证,结合现代爆破技术,确定了矿山的最优爆方案。为了进一步检验优化爆破方案的正确性,有必要进行工业性试验。在工业试验之前,对矿山以前的爆破进行了统计,原来的爆破参数为:孔距a 为 5m,抵抗线 w 为 4m,炸药单耗 q 为 0.3kg/t;爆破效果:电铲效率为 420t/台班,延米爆破量为 41.5t/m,大块率为 28%。工业性试验方案采用最优爆破方案,并结合了空气间隔技术、宽孔距技术和梯形微差起爆技
13、术,具体爆破参数和结果见附表。通过对工业性试验爆破效果与原爆破方案的爆破效果对比分析,优化方案较原方案大块率降低了 46%,电铲平均台班生产能力提高了 57.7%,延米爆破量提高了 22.5%,炸药单耗下降了 28.3%。同时,对工业性试验前后的采矿作业成本进行了对比分析。试验前 3 个月直接费用为 759721 元,产量为 47630t,单位成本为15.95 元/t。试验后 3 个月直接费用为 338905 元,产量为 25550t,单位成本为 13.26元八;即单位成本下降了 2.69 元八,下降率为 16.8%。5 结语在广泛收集矿山各种与爆破有关的技术经济指标的基础上,建立了矿山爆破优化数学模型,得出了爆破优化参数,提出了三种爆破方案。通过小型台阶模型试验,确立了最优化爆破方案,并在工业试验中得到验证,试验结果表明优化结果的可靠性和准确性,说明了矿山爆破优化是切实可行的。
