马家塔露天矿爆破参数优化及效果分析.pdf

马家塔露天矿爆破参数优化及效果分析 韩万东， 曹华， 李亮盼， 马建兴 内蒙古科技大学 资源与安全工程学院， 内蒙古 包头 014010 摘要应用爆破优化理论， 对马家塔露天矿爆破参数进行了研究， 通过现场试验研究， 验证了 优化参数的合理性， 其结果对该矿及类似矿山爆破生产有指导意义。 关键词 爆破参数; 爆破效果; 爆破优化; 深孔爆破; BP 神经网络 中图分类号 TD824． 2文献标识码 B 文章编号 1003 －496X 2010 11 －0105 －03 在大中型露天矿的回采、 剥离以及土石方开挖 过程中， 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。露 天矿爆破作业主要采用深孔松动爆破方法， 爆后的 爆破质量、 爆破效果应满足铲装、 运输等后续工作的 要求， 包括合理的爆堆形状、 合适的爆堆宽度和高 度， 不埋道， 不留“根底” 和“伞檐” ; 爆破块度均匀， 平均粒径小， 大块率低， 最大限度减少二次破碎量， 爆破地震效应低， 无飞石， 确保最大限度减少对环境 的影响; 爆破材料消耗少， 爆破成本低。因此通过对 爆破理论的研究和现场实验数据的分析， 优化出合 适的爆破参数， 将对露天矿产生长远的经济效益。 1工程概况 马家塔露天矿位于内蒙古鄂尔多斯市境内。岩 性以中砂岩为主， 普氏硬度在 4． 5 ～7 之间。该矿在 岩石台阶爆破过程中， 由于爆破参数不合理， 存在着 大块率偏高和炸药单耗高的问题。同时地下水比较 丰富， 对水孔的处理也增加了爆破的工作强度， 同时 也影响着爆破效果。 2爆破参数优化 2． 1爆破优化设计的意义 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” 。 因此爆破优化设计不是一味追求穿爆成本的降低， 而是寻求“最佳爆破效果， 以实现采矿作业总成本 为最低” 的爆破参数。 2． 2爆破优化的原理 爆破优化技术是利用炸药爆轰理论和岩石爆破 破坏机理， 应用等能原理、 微分原理和缓冲原理， 根 据爆破对象、 条件和控爆要求， 优选爆破参数， 将爆 破参数进行分散、 微量化处理， 同时把收集到的理想 爆破效果的现场数据参数利用人工神经网络技术进 行模拟仿真， 通过建立起来的模型对爆破效果进行 预测。将预测到的良好爆破效果所对应的参数再应 用于现场， 从而达到以最少的钻孔进尺和炸药单耗 获得最多的爆破矿岩量， 以最优的破碎块度和边坡 质量来提高矿山的经济效益。 2． 3BP 神经网络系统的建立 优化爆破参数的主要工具是 BP 神经网络， 利 用其映射非线性关系的能力来实现对数据的仿真模 拟。研究表明， 只要隐层单元数足够多， 则 3 层 BP 神经网络能够实现任意复杂的非线性映射。即能以 任意精度逼近函数， 实现非常精确的曲线拟合。 根据本矿山的具体实践， 确定 BP 神经网络输 入的参量有炮孔孔距、 最小抵抗线、 炸药单耗、 岩石 抗压强度、 岩石抗拉强度、 节理频数， 输出变量为块 度尺寸 ≤20 cm，≤40 cm，≤60 cm，≤80 cm 的 累计百分比和大块率。采用 3 层 BP 神经网络， 输 入层有 6 个神经单元， 分别对应于输入的 6 个参数 变量， 一个隐含层， 隐含层设 13 个神经单元。输出 层有 5 个神经单元， 分别对应输出的 5 个反映爆破 后爆堆组成信息的参数。输入层到隐含层的传递函 数选 “tsnsig” ， 即正切 S 型函数。隐含层至输出层的 传递函数选“purelin” 即线性函数。训练函数选 “traingdx” 。 501 问题探讨煤 矿 安 全 2010 －11 按上述步骤及方法， 利用 MATLAB 编制程序对 爆破实验样本进行训练。为计算方便及防止部分神 经元达到过饱和状态， 在研究中对样本的输入进行 归一化处理。将训练样本经过归一化处理后输入 BP 神经网络进行训练。训练后， 利用仿真函数来测 试网络， 得出网络测试值与真实值之间的误差， 再利 用 MATLAB 绘制网络测试值与真实值之间的误差 曲线图。 考虑到生产现场测试条件的变化性， 将神经网 络的输入模式维数 n 和输出模式维数 m 设置为可 变动的， 无论何种条件和何种状态， 只要有合适的样 本， 即可由给出的爆破实例预测出爆破效果。 通过上述计算机仿真和计算， 网络仿真值与试 验实际结果误差很小。用其预测爆破效果， 块率分 布比和大块率的预测精度比较高， 完全符合现场要 求。并将样本中的爆破参数与目前的大孔距、 小抵 抗线爆破技术结合， 应用于现场实际， 取得了令人满 意的爆破效果。 2． 4优化控制爆破参数 1 炸药单耗的确定。炸药单耗是指爆破每单 位体积矿岩所需的炸药量。对于不同的爆破工程和 岩矿， 其数值是不同的， 确定炸药单耗时， 可采用参 考国家定额并用矿山实际的爆破漏斗实验加以修 正， 这样确定的数值为平均消耗量。在多排深孔爆 破时， 由于后排炮孔爆破的矿岩没有自由面， 故其单 耗要适当提高， 经验数值为平均单耗的 1． 1 ～ 1． 2 倍。结合马家塔矿的岩性， 经过 BP 神经网络预测 值反复现场试验调整炸药单耗为 0． 35 kg/m3。 2 炮孔装药量的确定。在布孔设计时， 采用 散装药可先按单孔装药容积计算， 然后结合炮孔所 能爆破的矿岩量来调整。 Q π 4 d2Lc△ 式中， Q 为单孔装药量， kg; d 为炮孔直径 装药 直径 ， dm; Lc为装药长度 孔深减去填塞长度 ， dm; △为孔内装药密度， kg/dm3。 装药量调整 Q qHWa 式中， q 为炸药单耗， kg/m3; H 为台阶高度， m; W 为抵抗线， 前排用 Wp， 后排用 b， m。马家塔矿炮 孔直径为170 mm， 根据以上公式， 经过 BP 神经网络 预测值计算， 研究决定单孔装药量为 140 kg。 3 底盘抵抗线 Wp。确定底盘抵抗线 Wp常考 虑以下 3 个因素 ①保证台阶钻孔作业安全; ②满足 炮孔装药条件; ③考虑一定直径药量所能克服的最 大抵抗线。结合 BP 神经网络预测值和该矿的实际 条件， 将底盘抵抗线 Wp确定为 6． 5 m。 4 排距。指平行台阶坡顶线布置的相邻两排 炮孔间的距离， 在按排顺序起爆时， 后排的抵抗线即 为排距。由于后排孔起爆都处于受夹制状态， 为改 善破碎条件， 一般后排孔的单位耗药量要比最前排 孔增加 10 ～ 20， 如保持装药量不变， 则排距要 比最前排孔的底盘抵抗线减少 10 ～20， 即排距 b 为 b 0． 8 ～0． 9 Wp 根据上式和该矿的具体情况确定 b 5 m。 5 炮孔间距离 a 和药包抵抗线 Wp有密切关 系。两者之比为邻近系数 m 在露天矿台阶爆破中， 该值的大小， 对提高爆破效果及经济效益均有重要 的作用， 根据研究可按下式计算 a Wpm 式中， m 为炮孔密集系数， 在微差爆破时， m 0． 6 ～1． 4。为获得良好的爆破效果， 可取 m 0． 7 ～ 0． 85， 结合该矿的具体情况， 在优化后可得出 a 6 m。按照现代爆破理论， 对于台阶爆破， m 的取值对 破碎矿岩块度有明显的影响。在正常布孔条件下， 采用斜线起爆顺序就能提高 a 值和 m 值， 从而达到 改善爆破质量， 提高经济效益的目的。 6 填塞长度 Ls。指药柱顶面至孔口这段不装 药的长度。在该段填塞惰性材料， 防止爆炸产生物 过早溢出， 保证炸药反应完全。填塞长度 Ls过大会 降低炮孔装药量， 限制孔网参数扩大， 还会恶化台阶 上部岩石的破碎质量， 故填塞长度要合适。常用的 经验公式 Ls 20 ～25 d Ls≥0． 7Wp 式中， d 为炮孔直径， m; Wp为底盘抵抗线， m。 为了炸药能量能充分利用于爆破岩体， 而且不产生 冲炮， 确定填塞长度 Ls3． 5 ～4 m。 7 超深 h。指孔深超过台阶底盘水平的长度。 其作用在于降低装药中心， 以克服底盘抵抗， 在多排 孔爆破时， 后排孔的超深要大于第一排孔的超深， 超 深 h 可参照下列经验公式确定并在实践中调整修 正。 h 0． 15 ～0． 5 Wp h 0． 05 ～0． 25 H 式中， Wp为底盘抵抗线， m; H 为台阶高度， m; 根据仿真计算和现场多次实验， 在超深 h 1． 5 m 601 煤 矿 安 全 Total 433问题探讨 时， 爆破效果为最佳。 8 时间参数。时间参数是多排孔微差爆破中 的重要参数， 可由朗基福斯经验公式给出。 T KWp 式中， K 为系数， 2 ～7 ms/m; Wp为底盘抵抗线， m 。 在该矿实行的是孔内一段， 孔外三段的非电导 爆管微差起爆方法， 连线方式为斜线连接。经过和 以往爆破效果比较， 取得了明显的效果。 3水耦合装药的应用 在一般压力下， 水是难以压缩的流体， 传压效果 良好， 能量损失小， 因此， 采用水耦合爆破石方的工 程实例也越来越多， 实践证明水耦合爆破能改善爆 破效果。当炸药爆炸时， 水介质的耦合作用使爆炸 压力沿孔深方向向孔壁四周扩散， 因水的密度远大 于空气， 使得爆生气体膨胀速度慢的多， 作用于介质 的压力变的均匀， 作用时间长， 当压力上升到一定数 值时， 介质形成裂缝， 水渗透到裂缝中， 在爆生气体 膨胀与水压力共同作用下， 形成“水楔” ， 使得裂缝 更易于扩展延伸， 有利于炮孔底部岩体均匀破碎， 留 根少， 克服了孔底易出现大漏斗的缺点， 炮孔周围及 孔口部位岩石大块亦明显减少， 水封作用使爆生气 体不会沿岩石裂缝过早泄露， 有利于安全。由于水 耦合爆破比常规爆破用药少， 能节省炸药 20 ～ 40， 同时也节省水孔排水费用。 该矿孔内平均水深为 1． 5 m， 而且所用炸药为 防水型水胶炸药， 所以具备水耦合装药的条件。经 过现场实验， 取得良好的爆破效果。 4效果分析 在2007 年1 月 －2007 年2 月， 主要进行了计算 机模拟工作和爆破参数优化的最后现场试验工作。 在此期间， 建立了基于 MATLAB 的 BP 神经网络爆 破预测模型， 该模型能准确的对爆破效果进行预测， 完全满足要求。根据预测模型爆破效果所对应的爆 破参数， 认为加以适当调整。将优化后的爆破参数 应用于实践， 经过现场数据统计表明， 炸药单耗由原 来的 0． 38 ～0． 40 kg/m3降低到 0． 35 kg/m3左右， 大 块率由原来的 6 ～8， 降低到 2 ～ 3， 而且不 产生根底， 爆破效果明显提高， 后序工作进展十分顺 利。另外， 采用了水耦合装药， 减去了原来排水的费 用， 而且还达到了满意的爆破效果。 5结语 通过对该矿爆破参数的优化研究， 建立了适合 马家塔露天矿的 BP 神经网络爆破效果预测模型， 提出了适合马家塔露天矿的各种爆破参数计算方 法， 经现场试验研究表明， 其计算方法是合理的， 对 指导该矿爆破生产有实际意义。同时是采矿总成本 降到了最低， 给该矿带来了显著的经济效益。 参考文献 〔1〕 张世雄． 固体矿物资源开发工程 〔M〕 ． 武汉 武汉理工 大学出版社， 2005． 〔2〕 刘殿中． 工程爆破实用手册 〔M〕 ． 北京 冶金工业出版 社， 1999． 〔3〕 林从谋， 赵锦桥． 工程爆破实用技术〔M〕 ． 北京 煤炭 工业出版社， 1998． 〔4〕 林德余． 矿山爆破工程〔M〕 ． 北京 冶金工业出版社， 1993． 〔5〕 陶松霖． 凿岩爆破 〔M〕 ． 北京 冶金工业出版社， 1994． 作者简介 韩万东 1962 － ， 男， 吉林人， 教授， 1983 年 毕业于辽宁工程技术大学， 现任内蒙古科技大学资源与安全 工程学院副院长， 长期从事采矿教学与科研工作。 收稿日期 2010 －02 －25; 责任编辑 梁绍权 701 问题探讨煤 矿 安 全 2010 －11