露天矿山爆破效果与综合成本优化研究.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V d ．3 2N 0 6 D e e e m b e r2 0 1 2 露天矿山爆破效果与综合成本优化研究① 李超亮 鞍钢集团矿业公司，辽宁鞍山1 1 4 0 0 2 摘要借助3 G S M 三维岩体不接触测量系统以及点荷载强度试验，对某矿山进行了地质调查，对矿山的岩体进行可钻性、可爆性 和完整性分级，并在此基础上，通过现场爆破试验，统计爆破大块率，评价爆破效果，同时，以大块率为指标，确定大块率与穿孑L 成 本、爆破成本、铲装成本、运输成本和二次破碎成本之间的关系，利用线性回归分析，建立了综合成本模型。该研究可为矿山提高生 产效率和成本优化提供指导作用。 关键词3 G S M ；成本优化；爆破效果；大块率；数学模型 中图分类号T D 2 3 5 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 一0 0 2 6 0 3 S t u d yo fB l a s t i n gE f f e c t sa n dO p t i m i z a t i o no fC o m p r e h e n s i v eC o s t i nO p e nP i tM i n e L IC h a o l i a n g M i n i n gC o m p a n y ，A n s h a nI r o na n dS t e e lG r o u pC o r p o r a t i o n ，A n s h a n1 14 0 0 2 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h eh e l po fa3Dr o c km a s sn o n c o n t a c tm e a s u r i n gs y s t e m 3G S M a n dp o i n tl o a ds t r e n g t ht e s tf o rr o c k ， t h ed r i l l a b i l i t y ，b l a s t a b i l i t ya n di n t e g r i t yo ft h er o c ki nam i n ew e r eg r a d e db a s e do nt h eg e o l o g i c a ls u r v e yc o n d u c t e df o r i t ．O nt h i sb a s i s ，t h eb l a s t i n gb o u l d e ry i e l dw a sc a l c u l a t e dt h r o u g ha no n s i t eb l a s t i n gt e s tt oe v a l u a t et h eb l a s t i n ge f f e c t ． A l s ot a k i n gb o u l d e ry i e l da sa ni n d i c a t o r ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gb o u l d e ry i e l d ，d r i l l i n ga n db l a s t i n gc o s t ，l o a d i n ga n d t r a n s p o r t a t i o nc o s t ，a sw e l la ss e c o n d a r yc r u s h i n gc o s tw e r eo b t a i n e d ．A f t e rt h el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ，ac o m p r e h e n - s i v ec o s tm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a np r o v i d es o m eg u i d a n c ef o ri m p r o v i n go p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n do p t i m i z i n g p r o d u c t i o nc o s ti nt h em i n e ． K e yw o r d s 3G S M ；c o s to p t i m i z a t i o n ；b l a s t i n ge f f e c t ；b o u l d e ry i e l d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l 随着市场经济的不断深入发展，成本最小化、效益 最大化是企业追求的目标之一。在采矿领域，矿山企 业所获得的经济效益除了与产品的价格直接相关外， 还与矿山生产的成本密切相关。矿山行业是一个高投 入的行业，动辄上亿资金投入，因此，随着产品价格的 不断波动，稍不重视成本的预算，就可能导致企业的亏 损。因此，在全球市场竞争愈演愈烈的环境下，采矿工 业应向着最大限度降低生产总成本的目标迈进。1 一。 众所周知，露天采矿所涉及到的采矿工序主要包 括穿孔、爆破、铲装、运输以及破碎等，根据前人的研 究，各道工序中穿爆成本约占2 0 ％，铲装成本约占 1 5 ％，运输成本约占3 0 ％，破碎成本约占2 5 ％，其他成 本约占1 0 ％。2 1 。如果过分的重视爆破的成本，而没有 把它们当成一个整体来进行考虑，导致虽然爆破成本 降低了，但总成本依然很高。那么，如何对成本分布比 例进行重新分配，使采矿的综合成本最小化是众多矿 业学者研究的重要课题之一。 本文以某露天矿山为例，对露天开采过程中所涉 及的穿孔、爆破、铲装、运输及二次破碎等工序的成本 进行优化研究。 l 地质调查 借助先进的3 G S M 三维岩体不接触测量系统∞， 对某矿山台阶坡面岩体进行摄影测量，获取一系列真 实反映岩体宏观结构的数字图像，建立三维岩体结构 面空间分布模型，从中提取节理裂隙和结构面的空问 分布信息，从而实现了数字化测量岩体结构面几何参 数。通过分析和3 G S M 软件计算，输出了矿山各测点 岩体的三维壳及结构面分布图、赤平投影图以及各组 结构面的倾向和倾角，如图1 ～2 及表1 所示。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 - 1 3 作者简介李超亮 1 9 6 8 一 ，男，山东莱西人，高级工程师，硕上，主要研究方向为采矿工艺和爆破技术。 万方数据 第6 期李超亮露天矿山爆破效果与综合成本优化研究 2 7 图l台阶坡面摄影图 a 左视I 冬I ； b 右视I 刳 Y 庙 图2 台阶面三维结构面分布图 表1结构面数据调查结果汇总 在结构面调念结果的基础上，在对岩体进行分级 之前，在实验室对该矿山的岩石进行了点荷载强度试 验，测点l 一4 的点荷载强度，们。、分别为5 ．1 4 7 、4 ．6 9 、 4 ．5 ll 和4 ．4 7 4M P a 。岩石点荷载强度与岩石抗拉强 度尺。和抗压强度尺。之间有良好的相关性，国际岩石 力学学会 I S R M 给出下列关系‘“按“工程岩体分级 标准”有 R 。 1 5 ．8 1 2 ．2 7 1 觚o l 1 由岩体结构面参数可计算岩体完整性系数K ，，”’， 计算式如下 K 。 0 ．7 5 0 ．0 2 9 J 。一3 3 J 。≤1 0 2 式中，．为岩体体积节理数，条／m 3 。 岩体基本质量指标Q 值以1 0 3 个典型工程为抽 样总体，采用多元逐步同归和判别分析法建立了岩体 基本质量指标Q 表达式 Q 9 0 3 R 。 2 5 0 K 。 3 由表1 和式 1 ～ 3 可确定岩体基本质量指标 Q 4 1 4 ．9 ～4 4 1 ．4 ，通过查表 岩体基本质量分级标 准 H 1 可知矿山岩体稳定性属于Ⅲ级岩石较坚硬，岩 体较破碎。根据普洛托吉雅可诺夫岩石坚固性在各方 面的表现一致的原理，可推断出该矿山岩体的可钻性 和可爆性属于中等。 2 爆破效果分析 在地质调查的基础上，对矿山进行了爆破参数设 计。其中台阶高度1 5I n ；炮孑L 直径1 5 0m m ；孔网参 数为6mX 4m ；超深1 ．5m ；填塞高度3 ．5m ；炸药采 用多孔粒状铵油炸药；雷管采用高精度导爆管雷管；底 盘抵抗线4m ；起爆网络采用逐孔起爆法。以此爆破 参数，在现场进行爆破参数设计。 对爆破效果进行了定性分析与定量分析，其中定 性分析主要是评价爆破后的爆堆形态即包括爆堆的松 散度、爆堆的抛掷距离、爆堆的塌落宽度等怕J ，主要通 过摄影法来对爆堆的形态进行分析，如图3 所示。 图3 爆堆形态 a 爆堆高度低于台阶高度 b 爆堆高度高于台阶高度 由图3 可以看出，爆堆高度低于台阶高度时，爆堆 与新的台阶之间有一个约5m 左右的塌落线，爆堆的 塌落宽度约为2 ．5 倍的台阶高度，说明爆破的抵抗线 偏小。爆堆高度高于台阶高度时，爆堆的塌落宽度约 为2 倍的台阶高度，比较合适。 爆破效果的定量分析主要包括大块率、根底率和 平均块度等。本文主要通过统计爆破大块率来定量评 价爆破效果。 判断大块的标准，主要通过破碎机人料的尺寸大 小来决定，该矿山的大块标准为8 0 0m m 以上。测定 大块率的方法很多，有直接法和间接法。前者一般采 用一定目数的网格进行筛分，后者常用体积比法。两 者各有优缺点。本文采用体积比法，优点是统计结果 较准确，缺点是统计结果出来得较晚，需要等到整个爆 堆都铲装结束后才可以统计出大块率。 一次台阶爆破的总体积由单次爆破的布孔参数及 台阶高度决定’⋯ V C L W H 4 式中y 为单次台阶爆破的总体积，m 3 ；C 为单次实际爆 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 破的体积修正系数，与台阶初始形状及爆破质量有关， 当残留根底和悬吊大块计入该次爆破的大块数时， C 1 ．0 ～1 ．2 5 ；￡为钻机工作面的布孔长度，与孔间距 有关，m ；W 为最后一排台阶炮孑L 到坡面边际线的距 离，由排距和第一排孑L 孔口到坡面边际的距离确定， m ；H 为台阶高度，m 。 一次台阶爆破大块率由下式确定 r 学 5 式中丁为单次台阶爆破的大块率，％；N 为单次台阶爆 破的大块个数；V o 为单次爆破大块的平均体积，m 3 。 通过式 4 和式 5 的统计，可得该矿山的大块率 为0 ．9 8 ％～2 ．2 1 ％。 3 大块率与成本的关系 艾伦麦肯齐[ ．给出开采综合成本的定义是“给 出的大块率必须是穿孔、爆破、装载、运输和破碎的综 合作业的单位成本是最低的”。然而，现实中的矿山 企业更多的是把注意力放在了穿爆成本上，而没有把 它们当成一个统一的整体来考虑。尽管穿爆成本占采 矿总成本的很大一部分，但是如果只一味降低穿爆成 本，导致大块率过高，块度不均匀，从而影响后续的铲 装、运输和二次破碎的效率，从而影响了采矿总成本。 因此，如何在穿爆和铲运破之间找到一个平衡点，使采 矿总成本最低是众多矿业学者所要研究的课题，也是 本文的主要目的。 经过现场的统计，计算了穿孔、爆破、铲装、运输及 二次破碎的成本与大块率的关系，如图4 所示。 f 暑 l R v ＼ * 笛 慑破成本 铲装成本 运输成本 大块处理成本 图4 大块率与各道工序成本的关系 对图4 进行线性回归分析，建立了肤爆破至二次 破碎的综合成本与大块率之间的数学模型 C D 6 ．5 7 4 9 4 ．6 2 1 5 D n 1 5 ’ 0 ．9 3 0 7 D 2 一1 ．2 7 2 D 6 式中c 为综合成本；D 为大块率。由式 6 绘制曲线， 见图5 。 图5 大块率与综合成本的关系 从图5 可以看出，当大块率在1 ．1 ％一1 ．3 ％时综 合成本最低，以年产量2 0 0 万吨计算，较之优化之前的 大块率2 ．2 l ％相比，每年可为矿山节约生产成本约 1 0 0 万元，优化效果显著。 4 结论 以某矿山为背景，通过现场地质调查和点荷载实 验，对该矿山岩体的完整性、可钻性和可爆性进行了分 级，并在此基础上进行了爆破参数设计。基于实际爆 破效果，对矿山设备效率进行了跟踪标定，并依此对穿 孔、爆破、铲装运输及二次破碎综合成本进行了分析计 算和优化研究，得出以下主要结论 1 通过矿山的地质调查得到矿山岩体的普氏系 数，为6 ～8 ；完整性为Ⅲ级，属于较破碎级别，可钻性 和可爆性属于中等。 2 对爆破效果分析表明，大块率为0 ．9 8 ％一 2 ．2 l ％，通过现场实测和数据统计并应用回归分析的 方法，建立了穿孔、爆破、铲装、运输和大块二次破碎等 工艺环节的成本与大块率的数学模型。该成本模型和 相关研究工作可为类似矿山的成本优化研究起到借鉴 意义。 参考文献 [ 1 ]张瑞新，张幼蒂．露天采矿优化决策的新途径[ J ] ．中国矿业大 学学报，1 9 9 4 ，2 3 I 4 6 4 8 ． [ 2 ]万德林．露天矿爆破效果对铲装效率及生产成本的影响[ J ] ．世 界采矿快报，2 0 0 0 ，1 6 9 3 1 7 3 1 9 ． 【3 ] 杨天鸿，于庆磊，陈仕阔．等．范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别 及参数表征[ J ] ．岩石力学与工程学报．2 0 0 9 ，2 8 1 2 2 4 8 2 2 4 8 4 ． [ 4 ]林韵梅，费寿林，工明林，等．岩石分级的理论与实践[ M ] ．北京l 冶金工业出版社，1 9 9 6 ． [ 5 ] 宋建民，张娟英．贾沟矿区大块率的统计分析与应策[ J ] ．世界 采矿快报．2 0 0 0 ，1 6 3 ／4 9 5 9 6 ． [ 6 ]王德胜．露天矿台阶爆破效果的评价力．法[ J ] ．化工矿山技术． 1 9 8 8 6 4 6 ． [ 7 ] l , e xLU d y ，汪旭光．爆破的真实成本[ J ] ．国外金属矿采矿，1 9 8 0 2 9 1 8 ． 万方数据