基于物元模型的露天爆破效果评价.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 027 基于物元模型的露天爆破效果评价* 江文武， 廖明萍， 郭 云， 黎 强 （江西理工大学 矿业工程重点实验室， 赣州 341000） 摘 要 为了综合考虑采矿生产成本及周围环境安全等因素， 有必要对露天爆破效果做出评价。以物元理 论为基础， 选取矿岩破碎质量、 技术经济效益和对环境产生的影响三个方面， 建立露天爆破效果评价模型。 确定了大块率、 松散系数、 爆堆形态、 延米爆破量、 后冲、 爆破成本、 炸药单耗、 炮孔利用率、 跟底率、 爆破振动、 爆破飞石、 爆破冲击波、 有毒气体、 盲炮、 噪声等指标及对实际爆破工程收集的数据进行分析， 对某一爆破实 例的爆破效果进行评价， 得出该爆破效果， 并对照该矿山实际爆破效果， 结果表明 建立物元模型方法对评价 露天爆破效果是有效的。 关键词 生产成本；环境安全；经济效益；爆破效果评价；物元模型 中图分类号 TD235 1 4 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0137 -05 uation of Open-pit Blasting Effect based on Matter-element Model Research JIANG Wen-wu， LIAO Ming-Ping， GUO Yun， LI Qiang （Key Lab of Mining Engineering， jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China） Abstract The Matter-element model was used to uate the open blasting effect so as to considering the min- ing cost and surrounding environmental safety The rock-mass crush quality， technical and economic benefits and im- paction on surroundings were taken into consideration as the uation factors Then the open-pit blasting uation model was built to make a brief uation on open-pit blasting quality Some factors were applied for a certain blas- ting effect uation， including boulder yield， coefficient of volumetric expansion， blasting muck pile ， blasting output per meter hole， backlash， blasting costs， specific charge， and blast hole utilizing factor， base rate， blasting vi- bration， blasting fly-rocks， blasting shock wave， poisonous gas， misfire and noise A clear uation result was given based on those inds Result from the matter-element model fits the field blasting well Key words production cost；environmental safety；technical and economic benefits；blasting effect uation； matter-element model 收稿日期 2016 -01 -29 作者简介 江文武 （1975 - ） ， 男， 副教授， 主要从事地压监测与控制 技术方面的研究，（E-mail）wenwujiang163 com。 通讯作者 廖明萍 （1988 - ） ， 男， 福建三明人， 硕士研究生， 从事爆破 工程方向研究，（E-mail） 1013419929 qq com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （41462016） 爆破是一个矿山生产的重要环节， 而其效果好 坏直接影响采矿成本及后续铲装效率， 同时也对周 围环境安全起着重要的影响。而涉及露天爆破效果 评价的因素较多， 根据具体爆破环境的不同， 这些因 素的变化具有随意性， 且难以量化， 从而不能很好的 对爆破效果进行评价。运用物元理论， 结合 15 个方 面的影响因素， 建立了评价露天爆破效果的物元 模型 ［1］。 1 评价指标体系的建立 根据现有的研究成果， 并结合实际爆破工程的 情况， 归纳总结出评价爆破效果的三个方面 矿岩破 碎质量、 爆破的技术经济效益和爆破对环境产生的 影响 （爆破工程作业本身的安全和环境安全） 。矿 石破碎质量包括大块率、 松散系数、 爆堆形态； 爆破 的技术经济效益包括延米爆破量、 后冲、 爆破成本、 炸药单耗、 炮孔利用率、 跟底率； 爆破对环境的影响 包括爆破振动、 爆破飞石 ［2-4］、 爆破冲击波、 有毒气 体、 盲炮、 噪声。 （1） 大块率 大块率又叫爆破生产的大块石头产出率 ［5］， 是 指不标准块度占总爆破岩石总量的百分比， 它作为 爆破矿体质量指标的主要因素。经常采用单位雷管 消耗量统计单位大块率产出的方法。其计算方法为 k N Vn （1） 式中 N 为破大块所用雷管总数， 个； n 为爆破每产 生 1 单位大块率所需雷管数， 个/ m3； V 为爆破岩石 总体积， m3。 （2） 松散系数 松散系数是指爆破土石料后松动的体积与未爆 破土石料时的自然体积的比值。松散系数的计算公 式是 （爆破土石料后松动的体积） / （未爆破土石 料时的自然体积） ； k V2/ V1。就是选择可以代表该 的岩矿特性的采点， 爆破后， 测得其原矿体体积和爆 破后体积来进行计算。 （3） 爆堆形态 爆堆形态是评价爆破效果的一个重要指标 ［5］， 根据爆堆的形态， 其不仅反映了爆破参数的合理性， 同时也显示了装药结构的可行性， 而且直接影响铲 装效率。 （4） 延米爆破量 延米爆破量就是每延 1 m 炮孔所崩落的岩石 量， 经常性的计算方法是计算单个炮孔担负面积就 是这个炮孔的延米爆破量。a 为炮孔间距， b 为排间 距， H 为设计爆破台阶高度， L 为爆破钻孔深度。则 有延米爆破量 V abH/ L。 （5） 后冲 露天台阶爆破施工中， 后冲就是爆破时前排爆 破对后面未爆破台阶坡面所产生的岩体裂隙的影 响， 这样会对下次爆破带来较大的困难。 （6） 爆破成本 爆破成本指在爆破过程中所需的一切费用， 其 主要由炸药费用和人工费用， 其中人工费包含钻孔 人工费和爆破作业人工费。 （7） 炸药单耗 爆破每立方米矿岩所需要的炸药量， 它是衡量 爆破效果好坏的重要指标， 同时与矿山生产的经济 指标密切相关。 （8） 炮孔利用率 一次爆破循环的工作面进尺 Lb与炮孔平均深 度 L 的比值 ［6］。 （9） 根底率 爆破时由于岩石底部夹制作用等影响， 没有达 到爆破设计高度， 底部有部分岩石没有破碎， 这部分 没有破碎的岩石就称为根底 ［7］， 用 v 2 表示， 则根底 率 v2 v （10） 爆破振动 分别选取三个爆心距为 60 m、 120 m、 180 m 的 测点进行爆破振动值进行测试， 并根据萨道夫斯基 公式 v K Q1/3 R a 计算出参考振值 ［8］， 依据爆破 采场的具体环境， 给出这三个爆心距下爆破振动值 的权重， 然后根据式 （2） 对爆破振动打分， 见表1。 则 爆破振动分值 ∑得分权重。 gi 9 10 ， 0 ≤ fi≤ ei 2 8 9， ei 2 ≤ f i≤ ei 6 8， ei ≤ f i≤ 3ei 2 3 6， 3ei 2 ≤ f i≤ 2ei 0 3，fi＞ 2e              i （2） 表 1 爆破振动评价表 Table 1 Blasting vibration uation 爆心距/ m60120180 参考振速 e/ （ms -1） 303020 实测振速 f/ （ms -1） f1f2f3 权重 （u）0 20 30 2 得分 （g）g1g2g3 （11） 爆破飞石 露天采场进行爆破时， 尤其是进行裸露药包或 者进行抛掷爆破时， 岩块有可能飞得很远， 经常会使 人员、 牲畜等的死亡或者造成建筑物的损坏。瑞典 德汤尼克研究基金会提出了下面的经验公式来估算 露天采场的爆破飞石距离 RF 40 2 54d （3） 式中 RF为飞石的飞散距离， m； d 为深孔直径， cm。 （12） 爆破冲击波 爆破冲击波是炸药爆炸后产生的一种在空气中 831爆 破 2016 年 3 月 传播的压缩波。产生这种冲击波是由于炸药包暴露 在空气中爆炸后所产生的高压气体冲击周围的空气 而形成的， 它产生的破坏可大可小， 有可能造成建筑 物的破坏， 也有可能造成人员的伤亡。 （13） 有毒气体 有时炸药爆炸不良就会化学反应生成一定量的 碳氧化物和氮氧化物。此外， 在含有硫化矿矿床中 或者煤矿进行爆破时， 还可能出现硫化氢和二氧化 硫等产物。如果处理不当或者未进行空气彻底流 通， 就会使人中毒， 严重时死亡。 （14） 盲炮 盲炮是指炸药经点火或通电后， 只爆雷管而炸 药未爆、 只爆炸药而雷管未爆、 或者雷管与炸药全部 末爆的现象， 会给后续工作存在安全隐患， 影响工作 进度。 （15） 噪声 指爆破时所产生的爆炸声音。 通过专家调查法， 对各个因素评价指标权重， 并 根据以上分析建立爆破效果评价指标体系， 见表 2。 表 2 爆破效果评价指标框架 Table 2 Framework of blasting effect uation index 目标层准则层因素层权重 wi 大块率 C10 125 矿岩的破碎 质量 B1 松散系数 C20 137 爆堆形态 C30 056 延米爆破量 C40 081 后冲 C50 063 爆破技术 经济效益 B2 爆破成本 C60 124 炸药单耗 C70 039 爆 破 效 果 A 炮孔利用率 C80 025 根底率 C90 066 爆破震动 C100 211 爆破飞石 C110 134 爆破对环境 的影响 B3 爆破冲击波 C120 026 有毒气体 C130 056 盲炮 C140 021 噪声 C150 023 2 评价模型的构建 2 1 确定物元矩阵 设有某一事物 N 有 n 个特征 C1， C2， ， Cn， C 所对应的量值为 V， 则称 N 为物元， C 为事元， V 为 关系元 ［9］， 且可以建立 n 维物元矩阵 R （N， C， V） ， 将爆破效果作为待评价目标事物， 因素层指标作为 事元， 可以建立爆破效果物元矩阵 R （N， C， V） NC1V1 C2V2  C10V             10 2 2 确定经典域和节域 将每一评价指标分为若干等级， 并确定其取值 范围， 属于同一等级的取值范围就是经典域， 各个指 标取值范围的集合， 即经典域的集合就是节域。 在爆破效果评价中， 根据所选取的评价指标， 并 结合以往的研究成果， 把爆破效果分为四个等级， 即 很好、 好、 一般、 差 ［10］。结合物元模型理论， 可以确 定爆破效果的经典域和节域， 见表 3。 2 3 确定关联度 用关联函数计算评价指标关于评价等级的关联 度， 公式如下 ［11］ Kj（Vi） - Vi- aji bji 2 - bji- aji 2 bji- aji ， Vi∈ Vji Vi- aji bji 2 - bji- aji 2 Vi- aui bui 2 - bui- aui 2 - Vi- aji bji 2 - bji- aji 2 ， Vi∉ V            ji （4） 式中 KjVj为评价指标 Ci关于其等级 j 的关联度； Vi 为评价指标 Ci的值； aji， bji为评价指标 Ci在等级 j 时经典域的下限、 上限； aui， bui为评价指标 Ci节域的 下限、 上限。 2 4 确定评价效果 计算综合关联度 ［11］ Kj（R）∑ i 1 wiKj（Vi）（5） 式中 wi为各评价指标的权重， 且∑ i 1 wi 1 。 根据关联度最大的原则确定爆破效果， 即若 Kj（R） maxKj（R） j∈ ｛很好， 好， 一般， 差｝ （6） 则爆破效果属于等级 j。 3 模型应用 3 1 工程背景 鞍山铁矿是我国重要的铁矿石储区之一， 地理 位置在鞍钢附近， 是鞍钢主要的铁矿石供应者， 铁矿 石资源丰富， 现在已经探明的铁矿储量超过 90 亿 t， 其中 40 多亿 t 的工业储量， 居全国首位。各矿区间 931第 33 卷 第 1 期 江文武， 廖明萍， 郭 云， 等 基于物元模型的露天爆破效果评价 有铁路专线相接。所谓 “鞍山式铁矿” 是指外生矿 床中沉积变质的铁矿， 鞍山铁矿的特点是铁矿石品 位低， 但分布广， 储量大， 总面积约50 km2。采场至上 而下分台阶开采， 台阶开采高度为 15 m， 工作最小平 台宽30 50 m， 台阶坡面角70， 开段沟底宽50 m。 表 3 爆破效果的经典域和节域 Table 3 The classical domain and joint region of blasting effect 很好 经典域 好一般差 节域 大块率/ ［1， 2）［2， 4）［4， 6）［6， 7］［1， 7］ 松散系数［1 7， 2）［1 5， 1 7） ［1 3， 1 5）［1， 1 3］［1， 2］ 爆堆形态分值［9， 10］［8， 9）［7， 8）［0， 7）［0， 10］ 延米爆破量/ m3［8， 10］［7， 8）［5 5， 7）［4， 5）［4， 10］ 后冲分值［0， 2）［2， 5）［5， 7）［7， 10）［0， 10］ 爆破成本/ （元t -1） ［0 3， 0 5） ［0 5， 0 7） ［0 7， 0 9） ［0 9， 1 2］ ［0 3， 1 2］ 炸药单耗/ （kgt -1） ［0 3， 0 5） ［0 5， 0 75）［0 75， 0 8） ［0 8， 1 2］ ［0 3， 1 2］ 炮孔利用率/ ［80， 100］［70， 80）［50， 70）［30， 50）［30， 100］ 根底率/ ［0， 0 1］［0 1， 0 3） ［0 3， 0 5） ［0 5， 1 0）［0， 1］ 爆破震动分值［9， 10］［8， 9）［7， 8）［0， 7）［0， 10］ 爆破飞石/ m［0， 50）［50， 100）［100， 150） ［150， 200］［0， 200］ 爆破冲击波分值［0， 2）［2， 5）［5， 7）［7， 10］［0， 10］ 有毒气体分值［0， 1）［1， 4）［4， 7）［7， 10］［0， 10］ 盲炮分值［0）［1， 0）［3， 1）［5， 3］［0， 5］ 噪声分值［0， 2）［2， 4）［4， 8）［8， 10］［0， 10］ 露天台阶爆破是工作面以台阶形式推进的爆破 方法， 广泛应用在矿山、 公路、 铁路及水利水电等实 用工程， 是应用非常广阔的一项爆破技术。所以， 如 何提高爆破技术， 如何改善台阶爆破的质量， 对爆破 有重要的意义。 3 2 建立模型及效果评价 根据以上模型， 对鞍山铁矿露天爆破进行定量 分析及综合评价。首先测量各因素层的实际指标 值， 见表 4。 表 4 鞍山铁矿露天爆破各指标值 Table 4 Blasting parameter values of Anshan iron open-pit 因素层指标值 Vi因素层指标值 Vi 大块率3 6根底率0 28 松散系数1 25爆破振动5 0 块度分布分值8 5爆破飞石65 延米爆破量6 0爆破冲击波3 0 后冲2 5有毒气体2 0 爆破成本0 80盲炮1 5 炸药单耗0 42噪声3 炮孔利用率85 根据式 （4） 、 式 （5） 进行编程， 并运用 Matlab 分 别计算出各指标的关联度、 综合关联度， 各指标关联 度结果见表 5， 综合关联度结果见表 6。 表 5 鞍山铁矿露天爆破各指标关联度 Table 5 Blasting index correlation of Anshan iron open-pit 很好 关联度 好一般差 权重 wi 大块率-0 3080 2-0 08-0 40 125 松散系数-0 45-0 357-0 10 1670 137 爆堆形态-0 1670 5-0 167-0 150 056 延米爆破量-0 333-0 250 5-0 250 081 后冲-0 10 167-0 357-0 450 063 爆破成本-0 333-0 1430 5-0 1250 124 炸药单耗0 4-0 178-0 66-0 4220 039 炮孔利用率0 25-0 167-0 3-0 50 025 根底率-0 3210 1-0 04-0 220 066 爆破震动-0 4-0 333-0 250 2860 211 爆破飞石-0 1150 3-0 233-0 4250 134 爆破冲击波-0 1670 333-0 286-0 40 026 有毒气体-0 250 333-0 286-0 50 056 盲炮-0 1670 5-0 167-1 1670 021 噪声-0 1670 5-0 125-0 50 023 041爆 破 2016 年 3 月 表 6 鞍山铁矿露天爆破效果综合关联度 Table 6 Comprehensive correlation degree of blasting effect of Anshan iron open-pit 效果等级很好好一般差 综合关联度-0308903-0008644-0102729 -0214110 根 据 式 （6） ， Kj（ R） maxKj（R） j∈ ｛很好， 好， 一般， 差｝ -0 008644， 则该爆破效果为好。 4 结论 （1） 从石破碎质量、 技术经济效益和破坏对环 境的影响三个方面对爆破效果进行评价， 并对具体 的影响因素进行识别， 主要有大块率、 松散系数、 爆 堆形态、 延米爆破量、 后冲、 爆破成本、 炸药单耗、 炮 孔利用率、 跟底率、 爆破振动、 爆破飞石、 爆破冲击 波、 有毒气体、 盲炮和噪声 15 个因素， 由此建立爆破 效果评价指标体系。 （2） 建立了露天爆破效果评价物元模型， 并根 据具体爆破实例进行应用， 得出该爆破效果评价为 好， 且对照矿山实际爆破效果也为好， 说明建立物元 模型方法对评价爆破效果是有效的。 参考文献 （References） ［1］ 李楠楠 准预裂爆破技术研究与应用 ［D］ 阜新市 辽 宁工程技术学院， 2010 8-10， 14 ［1］ LI Nan-nan Pre-splitting blasting technology research and application ［D］ Fuxin Liaoning Institute of Engineering Technology， 2010 8-10， 14（in Chinese） ［2］ 沈兴玉， 崔光峰， 任昌胜， 等 露天矿爆破大块率高及 根底产生的原因及降低措施 ［j］ 现代矿业， 2013， 12 （7） 160-163 ［2］ SHEN Xing-yu， CUI Guang-feng， REN Chang-sheng， et al High rate of large open-pit mine blasting， and root cau- ses and measures to reduce ［j］ Modern Mining， 2013， 12 （7） 160-163 （in Chinese） ［3］ 谢承煜， 罗周全 露天爆破震动对邻近建筑的动力响 应及降振措施研究 ［j］ 振动与冲击， 2013， 8 （13） 121- 124 ［3］ XIE Cheng-yu， LUO Zhou-quan Dynamic response of blasting vibration on nearby buildings in the open air and vibration reduction measures research ［j］ Vibration and Shock， 2013， 8 （13） 121-124 （in Chinese） ［4］ 曾新枝 矿岩爆破效果综合评价体系研究与实现 ［D］ 武汉 武汉理工大学硕士毕业论文， 2012 ［4］ ZENG Xin-zhi Research and implementation of ore-bear- 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