巴润矿矿岩可爆性分区研究

刘占全，王德胜，郑建军

(1.包钢集团巴润矿业有限公司，内蒙古包头 014080；2.北京科技大学，北京 100083；3.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010)

1 问题的提出

传统的岩石分级，包括岩石爆破性分级都是以岩石为对象，即以岩石为抽样单元，根据实测的不同指标加以综合评判，确定某些指标作为划分等级的标准[1]。例如：前苏联的普氏分级和苏氏分级就是两个典型的代表。

Б.Б.雷科夫斯基[2]等提出了用现场岩体的节理、裂隙平均间距和岩石的抗压强度对岩体进行可爆性分级，按照此方法将古谢沃戈尔矿床的辉岩分成易爆、中等、难爆和极难爆四级。

1956年美国Livingston C.W.提出了以应变能因数表征岩石的爆破特性，以岩石弹性变形能系数进行爆破分级。1959年美国邦德以破碎功指数进行分级。1960年美国狄尔等人提出并(现已为美国伊利诺斯大学)发展了岩石质量指标(RQD)和岩体裂隙的分类。1976年美国肯尼特铜矿使用地震测量法确定岩石可爆性[3]。

东北工学院[4]于1984年提出了以爆破单位体积岩石所消耗的能量的平衡准则法，以标准条件下的岩石爆破漏斗体积、爆破岩石块度分布状况和弹性波速作为分级判据，按岩石爆破难易程度将岩石分为五类十级。较准确地揭示了岩石爆破性的本质，反映了影响岩石爆破性诸因素之间的内在规律，在国内首次了提出我国的岩石爆破性分级表。

长沙矿山研究院[5]于1987年提出了岩体可爆性分级法。认为岩体可爆性的本质在于强调岩体在爆破破坏过程中固有的属性，它是爆破破坏的依据，而炸药、爆破参数、工艺是爆破破坏的条件。同时强调岩体爆破难易程度的边界不分明性。在此基础上确定以岩石固有纵波、横波速度、岩石强度、岩体纵波速度四个因素为分级的基本依据。在分级指标计算上采用了岩石爆破性模糊综合评判分级法，建立了多元变差排序隶属函数确定法。该分级法在德兴铜矿获得应用，取得较好经济效益。

在上述众多的岩石爆破性分级中，大多数是以岩石单元为对象，选用一项或几项反映其特性的指标，根据已确定的分级准则和评判指标，将不同种类的岩石进行分级，以备使用时查对。难以适应矿山爆区范围内多种岩体共生，地质构造穿插、岩性变质共存的复杂现象，实用性欠缺，特别是成矿原因复杂、产状形态差异大的群矿体矿山。

2 露天矿岩体可爆性分区及必要性

2.1 巴润矿矿岩体分布特征

巴润矿是新建的超大型现代化露天矿，设计原矿生产能力1500万t/a，剥岩总量为9750万t/a，采剥总量11250万t/a。

矿区铁、稀土、铌矿带等多种金属共生，矿体分布在东西长10 km，南北宽1 km左右的范围内，空间形态极其复杂，其中铁矿体有数十个主矿体，一百多个附属矿体；铌矿有数百个独立矿体；稀土矿有几十个矿体，矿体由西向东呈现由小变大、由分支到复合、南部矿体逐渐尖灭消失的趋势。如此众多群矿体，空间上彼此穿插，交联，呈现在露天台阶上矿体、岩体交错显现，复杂异常。

2.2 巴润矿矿岩体分区的必要性

露天矿爆破破岩是以爆区为单元进行的，生产运行以穿孔、爆破为中心组织实施。为了准确地确定不同爆区的孔网参数、材料消耗和进行爆破效果优化就必须以区域为中心对矿、岩体的爆破性进行划分；另外，为了保持爆破性分区在一定时间内的稳定性，对已知生产台阶爆破分区的同时，还希望预测下一台阶爆破的难易程度，这些实际需求在传统以岩石为单元的爆破性分级中就无法实现。

一种合理的爆破性分级，其判据不仅要揭示矿、岩本身的爆破特性，而且要能反映爆破区域内地质构造情况，实现爆前对效果的预判。由于矿体赋存条件、地质构造的复杂性，即使同一种矿岩因处于矿体的不同部位，其性能差异往往很大，甚至在有限的爆破范围内又有多种岩矿共生。因此，在确定岩石可爆性分级指标中，必须充分考虑原生岩体的特性，同时必须考虑节理、裂隙等地质构造的影响。爆破破岩是动载破坏问题，特别是破岩压力在5GPa～6GPa以下、应变率<104/s的动载特性，用现场的纵波传播速度是难以表征的。

基于以上分析，北京科技大学[1]于20世纪90年代提出了岩体的爆破分区概念、准则、技术指标和数学模型，并先后在水厂铁矿、南芬铁矿、歪头山铁矿、弓长岭铁矿，峨口铁矿等大型露天矿实施，取得了良好效果。

岩石爆破性分区是岩石爆破性分级(岩体可爆性分级)的发展和进一步完善，更便于在生产上应用，是爆破优化的基础工作。其特点在于：①在分区对象上，是以爆区为采样单元(样本)；②在分区准则上，除岩石固有静载强度特性外，更强调节理、裂隙的影响和高应变率下岩石动、载特性的影响；③在评判指标的数学分析上，采用灰色系统理论更易于处理像爆破性分区这类一有些信息明确，有些信息不明确的复杂问题。

3 影响巴润矿爆破效果的主要因素及爆破分区指标的确定

岩体对爆破作用的抵抗能力主要取决于岩石性质、地质构造、炸药作用于岩石的方式以及岩石和炸药性能的匹配。实践证明，岩石性质对爆破效果的影响大于炸药特性对爆破效果的影响。

岩石性质对爆破效果的影响因素主要指：岩石的动抗压强度和动抗拉强度；岩石结构特征；泊松比；弹性模量；密度和含水量等。

3.1 岩石的物理力学特性

爆破时对孔壁加载时间一般不超过0.5ms，在如此短暂时间内岩石强度、变形、破坏特性都要发生很大变化，与静载条件的岩性有很大的差异。

研究结果表明：动载条件下所得数据均比静载条件下的大，即岩石承受动载而不变形的能力比静载强。岩石动载强度在爆破破碎中占有重要地位，动抗压、拉强度是爆破设计中的重要参数。在爆破工程中，弹性模量E和泊松比μ通常用于计算破坏和膨胀的结果。

用Hopkinson实验装置对岩石的动、静态强度进行的对比实验表明，板岩、灰岩的动抗压、拉强度要比静态强度高30%左右〔1〕，相比岩体中炸药爆炸近区形成的数千兆帕的高应力状态，这一量级的差异似乎可以忽略，因此尽管采用岩石的动态强度更合理，但用测试更便捷的静态强度替代所产生的误差应在可以接受的范围内，故选择岩石的静态特性来表征其爆破分区的力学指标。

3.2 岩体的结构特征(节理、裂隙等地质构造)

岩体内部结构特征，特别是宏观裂隙往往要超过岩石本身物理力学性质对爆破效果的影响。前苏联学者A.H.哈努卡耶夫指出：“岩石的破碎，基本上是沿着裂隙、微裂隙和弱面发生的。因此，被爆破岩体的地质构造，在相当大的程度上决定了破碎的特征。凿岩爆破参数的变化只在一定程度上可能提高破碎程度。在有5～6个侧面的岩块中，带有新鲜开裂面的不合格大块经常不超过其总数的3%～5%[6]”，并根据岩体裂隙的间距将岩石分为三级，即易破碎的、中等难破碎的和难破碎的。

对巴润铁矿百余块大块统计表明：线长度≥1000mm的大块中，在有5～6个侧面时，新鲜开裂面有1～2个，线长度≥800mm的块度中，新鲜开裂面为2～3个。因此本研究采用衡量岩石微观裂隙的声波速度和节理、裂隙间距等作为表征结构特征的技术指标。

3.3 爆破分区指标的确定

分区技术指标除了能准确反映岩体可爆性的固有属性外，彼此之间应互不关联，既要避免重复，又要避免缺失，尽可能全面。另外，诸多岩性、构造指标，彼此的关系，有些已被广为认识，还有一些关系没有搞清楚，属于介于已知和未知之间的灰色系统，故本研究采用自相关分析法来研究这些技术参数之间的关系，以便选择相互独立的参数指标，避免重复。

4 巴润矿矿岩体可爆性分区性的准则

4.1 技术指标

矿、岩石抗压强度，抗拉强度；矿、岩体的结构特征，即宏观节理、裂隙的平均间距，表征微观裂隙的岩石声波速度。

4.2 分区原则

根据矿、岩石的力学特性和结构、构造特征，结合巴润矿的实际情况，划分成不同的类别或区域，相近或类似的矿、岩体划归成一类(区域)，形成便于穿孔、爆破生产作业组织的“面”，替代传统以岩石为单元分级的“点”。

4.3 指标的测试方法

岩石的力学特性。采用MTS-286实验系统测试，它是研究岩石物理力学特性的理想装置，既可以测量出岩石试件的应力、应变、应变率关系，又可研究不同加载条件下产生的破坏效果。

岩石的结构特征。在台阶坡面的腰线拉一条中线，测量坡面上裂隙的间距和裂隙产状，通过赤平投影法确定该区域内的裂隙的优势产状和平均间距来表征宏观结构构造的特征；微观裂隙则采用取样制成的标准试件，在由PANAMETRICS公司生产的5077PR方波脉冲发生接收器和超声换能器(纵波1MHz、横波0.81 MHz)及泰克TDS210数字存储示波器组成的岩石声学特性测试及分析处理系统上测定试样的纵波传播速度。

5 巴润矿的岩体可爆性分区

开采中的岩体是复杂的结构体，其可爆性是由多种因素决定的。这些因素的有机组合使岩体表现出极端复杂性，但实际上这些因素是客观存在的，而不是随机的，同样这些因素以及岩体本身都有明确的物理含义，并非是亦此亦彼的模糊现象，只是有些现象尚未搞清楚而已，故选择灰色系统理论建立爆破分区的数学模型。

5.1 功效函数的建立

设K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…为典型分区类别；i=1，2，3，…为分区的样本；j=l#，2#，3#，…为分区指标；dij系第i个样本关于第j个指标的实际观测值。将分区指标j(j=l，2，3，4)按“效益”针对典型分区K(K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)规定功率函数。

第一区对于第j个指标的功效函数(白化函数)如式1所示：

(1)

第二区对应第j个指标的功效函数为式2所示：

(2)

第三区对应第j个指标的功效函数如式3示：

(3)

5.2 求标准权

从上述功效函数看，对应Ykj(s)有特定的λks(2)，为此进行下列变换：

T： {Ykj(s)}→{λks(2)}

(4)

式(4)中{Ykj(s)}为Ykj(s)的全体，{λks(2)}为λks(2)的全体。设ηkj为标准权，则：

(5)

5.3 确定实际权

先求出分区系数σik：

(6)

然后求分区向量σi：

σi={σi1,σi2,σi3,…,σik}

(7)

5.4 确定爆破分区数

(8)

按照上述方法，对巴润矿按爆区进行了全面的抽样观测和测试，获取了大量原始资料，数据处理后分区结果如表1所示。将各个样本按坐标位置标注在采掘综合平面图上，划出了各个分区的范围，便于产生应用。

表1 巴润矿矿岩体可爆性分区表

在爆破性分区的基础上，根据爆区地质条件、爆破效果、爆破成本、爆破安全、爆破施工五统一的原则确定合理的爆破参数。爆破设计和施工标准化，对爆破性分区的应用起了保证作用。

在爆破性分区的基础上，结合孔网参数优化，使爆破效率提高了28%，根底大块率降低了10.2%，具有明显的经济效益。

6 结论

1)矿山开采面对的是复杂的各种岩体复合体，采用爆破性分区，将可爆性相近的矿、岩体划分成具有生产可操作的区域，既用分区的区域“面积”代替传统岩石可爆性分级的“点”，便于露天矿山爆破作业的组织管理、优化和标准化。

2)采用矿、岩石的强度、声波速度和节理、裂隙平均间距作为爆破分区指标，综合反映了岩性和地质构造对爆破效果影响的固有属性，既客观又便于技术指标的获取。

3)采用自相关分析，保证了从众多分区指标中选择的技术指标的独立性；用灰色聚类分析理论适合揭示影响因素众多，且相互影响关系又不完全清楚的露天矿山爆破等复杂问题。

[1] 于亚伦，王德胜，璩世杰. 水厂铁矿的岩石爆破性分区[J]. 岩石力学与工程学报，1990，9(3)：197-201.

[2] Б.Б.雷科夫斯基，М.А.巴图耶夫，С.В.胡多夫，等. 古谢沃戈尔矿床的辉岩的可钻性和可爆性[J].E&MJ，1990(12)：26-28.

[3] 采矿手册编辑委员会. 采矿手册(2) [M]. 北京：冶金工业出版社,1990.

[4] 徐小荷，费寿林，杨德荣. 关于岩石分级的究方法[J]. 东北工学院学报，1980(3)：86.

[5] 黄萍萍. 岩体可爆性的模糊综合评判分级法[J].长沙矿山研究院季刊，1989(4)：63-72.

[6] A.H.哈努卡耶夫. 矿岩爆破物理过程[M]. 刘殿中，译.北京：冶金工业出版社, 1980.