急倾斜厚大矿体中深孔爆破参数优化研究

梁彦波

(西部矿业股份有限公司，青海 西宁 810000)

由于矿岩硬度等物理特性的限制，目前某矿山仍采用钻爆法开采生产，而爆破效果的好坏，对于矿山生产具有重大的影响。爆破效果一般主要由炸药自身特性及各项爆破参数决定[1-3]。由于炸药的安全管控问题，矿山企业难以选择、调整所使用的炸药，仅能通过改变爆破参数以实现所需的爆破效果。确定爆破参数的常用方法有经验公式法、相似试验法、数值模拟法及现场试验法等。这些方法能较为完整地提供爆破使用的相关参数，但多为一个初始范围值或理论推荐值，对比实际仍有欠缺，难以快速应用到现场生产[4-7]。而用正交法确定爆破参数能够根据矿山代表性数据进行试验，在效率、成本上具有一定的优势。

1 矿山概况

某矿山 11线以西矿体具有厚度大、倾角陡、分布集中、矿岩稳固性相对较好等特点。矿体一般走向 N50°～70°W，走向长约 220 m，倾角 75°～90°，主矿体走向长630 m，厚0.81～169.79 m，平均厚52.67 m，平均品位Pb0.75%、Zn9.82%，矿体上盘处于矿区“地堑”式断块构造中心，围岩强烈破碎，稳固性差；矿体下盘主要由块状结构的白云岩组成，稳固性较好，目前使用无底柱分段崩落法开采西部矿体，中深孔排距1.4 m，孔底距1.7～1.9 m，此参数与矿岩实际情况不匹配，导致每排炮孔数量较多，炸药单耗高，爆破振动大，爆破效果差。

2 中深孔回采正交试验

正交试验法在多因素分析、方法确定、参数优化中应用广泛。其能够保证研究因素的各个位级出现的次数相同，从而有效地克服影响因素间的相互干扰，通过所指定的最具影响性的相关条件，利用少量试验，得出最优的试验方案[8-10]。

岩石介质内部构造的无规律性导致理论推导过程中存在大量的简化或理想化情况，因此在复杂岩体条件下难以准确计算出爆破参数。通过在现场进行相应的爆破试验，可得出最佳的爆破参数。但由于爆破效果受众多因素影响，采用控制变量法进行试验，周期长、成本高，对矿山的正常生产影响较大。而现场正交试验法能够根据现场爆破参数快速地确定最佳参数，极大程度地提高了试验效率。

将正交试验应用到爆破领域中，可以起到以下作用：

（1）排列出不同因素对于每次施爆之后效果好坏的影响占比；

（2）分析应用不同爆破参数的爆破效果优劣；

（3）为矿山找出与之相适应的爆破参数，或是明确下一步的研究方向。

2.1 确定试验指标

根据某矿山西部含矿白云岩内之前爆破漏斗试验得到的数据分析结果，以及国内外经验类比，初步确定含矿白云岩内炮孔直径为Φ65 mm时，排距为1.4～1.6 m，孔底距为2.0～2.4 m（在试验结果的基础上适当进行了放大），孔口交错式堵塞长度分别为1.5 m和2.5 m。一次崩矿规模依据矿山前期“采二出一”的生产出矿原则，初步设置为1，2，3排。

在选择使用 BQF-100型装药器连续耦合装药时，一旦确定了炮孔装药结构、孔底距和排距等自变量，则炸药单耗会随之变化，可以理解为因变量。故本次试验设计因素不考虑装药结构和炸药单耗，把影响爆破震动、降低炸药单耗和控制采场大块率的主要因素归纳为：炮孔孔底距（A因素）、炮孔排间距即最小抵抗线（B因素）、一次爆破规模即崩矿步距（C因素）。为了有充分的代表性，在各因素取值范围内，取小、大、中间3个数据（3个试验水平），进行搭配综合试验。因素水平取值范围见表1。

表1 因素水平取值范围

2.2 正交试验表

首先根据因素的水平数，来确定选用几个水平的正交表。本试验中，3个因素都是3水平因素，因此正交表选用3水平。然后再根据因素的个数，来选择表的规格。一般来说，表的列数大于或等于因素个数，且试验次数尽可能少。因此本次试验选择L9（34）的正交试验表，在现场对这些匹配的情况一一展开验证，见表2。

表2 正交试验表

2.3 现场试验结果

爆破效果用爆破直接成本P、大块产出率Δ块、每米炮孔崩矿量M进行考核，结果统计见表3。

表3 现场爆破结果统计

3 试验结果分析

3.1 极差分析

根据表3中的试验结果数据，针对各单一指标，进行极差分析，分析结果见表4。

表4 爆破效果极差分析

从表4中的极差R值可以看出，爆破成本的影响程度为RA＞RB＞RC，即孔底距对爆破成本影响最显著，排距极差为最大极差的70%左右，表明其影响也较大，一次崩矿规模极差约为最大极差的5.5%，影响有限，几乎可以忽略；对大块产出率而言，RA＞RB＞RC，即孔底距影响最显著，其余排距和一次崩矿规模极差相对较小，影响有限；对于每米炮孔崩矿量的影响而言，RB＞RA＞RC，即排距对每米炮孔崩矿量影响最显著，孔底距极差为最大极差的50%左右，表明其影响也较大，一次崩矿规模极差约为最大极差的3.6%，影响有限，几乎可以忽略。

综合分析，可以确定爆破效果的综合影响因素排序是，RA＞RB＞RC，即孔底距影响最显著，排距次之，一次崩矿规模最小。

设每个因素的均值指标为纵坐标，因素水平为横坐标，根据表4作因素-指标图，见图1。

图1 试验因素-指标图

企业以经济效益为中心，同时考虑到矿山采用中深孔爆破的实际情况，由此认为，在分析试验结果时，首选考核爆破直接成本，其次考核矿石块度组成，最后兼顾每米炮孔崩矿量。在3个考核指标中，每米炮孔崩矿量越高越好，其余2个指标越低越好。根据这些原则综合分析图 1，可以认为较佳的孔网参数是：炮孔孔底距A=2.2 m；排距（最小抵抗线）B=1.5 m；一次崩矿规模C=2排。

3.2 回归及规划分析

实际上，现场试验时各因素水平值的实际值与正交试验方案设计值不可能完全一样，存在一定的误差。本次试验为模拟现场生产实际，采用YGZ-90凿岩机进行中深孔凿岩，试验过程中会存在一定的误差，如试验采场内矿体中存在小断层裂隙等因素。

这些误差将影响分析结果精度，同时极差分析只能在试验水平上优选水平组合，不能进行更准确的优选，为进一步优选爆破参数，本文引入多元二次非线性回归和非线性规划的原理对正交试验结果进行研究分析。

3.2.1 试验结果回归

爆破参数问题是非线性多因素问题，据此参考了适用于多元线性和非线性二次回归的回归模型：

根据式（1），对于3个自变量，则待求的回归系数就多达 10个，而且求回归系数的过程和应用回归式求y的计算过程都很长，舍入误差较大。实际上，在按公式（1）进行回归分析时有些项在 F检验中会不显著。若只让F检验显著的项进入和保留在回归式中，则所得的回归式会比式（1）简化许多。在本次爆破参数优化试验回归过程中，发现一次崩矿规模与炮孔孔底距、排距相关程度较低，于是剔除了一次崩矿规模的交互项，通过回归得到的回归式如下。

式中，P为爆破直接成本，元/t；Δ块为爆破大块产出率，%；M为每米炮孔崩矿量，t/m；A为孔底距，m；B为排距或抵抗线，m；C为一次崩矿规模，排；R为多元二次回归的复相关系数。

从回归结果中可以看出，爆破直接成本、大块产出率以及一次崩矿规模的复相关系数均大于0.9，表明回归式与试验值的相似程度均比较高。

各回归式中，A、B项的系数相对较大，说明在试验条件下最小抵抗线B和孔底距A的交互作用较明显，应该予以考虑。同时也表明：尽管现场正交试验时未安排A、B交互项的试验，但回归分析可以将客观存在着的交互作用找出来，因此采用回归分析的正交试验，试验方案可以不考虑因素间的交互作用而选择较小的正交表，从而降低试验工作量，降低试验对现场生产的干扰。

3.2.2 非线性规划求解

在合理的爆破参数A、B、C约束条件下，采用非线性规划方法，分别求解公式（2）～公式（4）的极值，获得各考核参数的极值解。即在A=2.0～2.2 m，B=1.4～1.6 m，C=1～3排的约束条件下，分别规划求解 max（M（A,B,C））、min（P（A,B,C））和 min（Δ块（A,B,C）），得到各条件下A、B、C的极值解，求解的结果见表5。

表5 非线性规划求解结果

根据表 5，综合分析认为，最优的爆破参数组合是：A=2.2 m，B=1.5 m，C=2排。

4 结论

由此可见，正交试验常规分析和数据回归分析方法所得结论基本相符，但常规分析方法只能在试验因素所选择的水平上进行研究，得出结论；数据回归可以更准确地找到各因素的最佳水平，指导生产实际，又可降低试验研究难度。

综合两种分析方法的分析结果，推荐该矿西部矿体无底柱分段崩落法开采的优化爆破参数为：炮孔底距A=2.2 m，排距即最小抵抗线B=1.5 m，一次爆破规模C=2排。

回采试验和采场生产实践中，各具体矿块岩性存在一定差别，因此实际应用中，应适当调整该优化参数，以适应回采采场的实际情况。