巴潤(rùn)礦礦巖可爆性分區(qū)研究

劉占全，王德勝，鄭建軍

(1.包鋼集團(tuán)巴潤(rùn)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014080；2.北京科技大學(xué)，北京 100083；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010)

1 問題的提出

傳統(tǒng)的巖石分級(jí)，包括巖石爆破性分級(jí)都是以巖石為對(duì)象，即以巖石為抽樣單元，根據(jù)實(shí)測(cè)的不同指標(biāo)加以綜合評(píng)判，確定某些指標(biāo)作為劃分等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。例如：前蘇聯(lián)的普氏分級(jí)和蘇氏分級(jí)就是兩個(gè)典型的代表。

Б.Б.雷科夫斯基[2]等提出了用現(xiàn)場(chǎng)巖體的節(jié)理、裂隙平均間距和巖石的抗壓強(qiáng)度對(duì)巖體進(jìn)行可爆性分級(jí)，按照此方法將古謝沃戈?duì)柕V床的輝巖分成易爆、中等、難爆和極難爆四級(jí)。

1956年美國Livingston C.W.提出了以應(yīng)變能因數(shù)表征巖石的爆破特性，以巖石彈性變形能系數(shù)進(jìn)行爆破分級(jí)。1959年美國邦德以破碎功指數(shù)進(jìn)行分級(jí)。1960年美國狄爾等人提出并(現(xiàn)已為美國伊利諾斯大學(xué))發(fā)展了巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和巖體裂隙的分類。1976年美國肯尼特銅礦使用地震測(cè)量法確定巖石可爆性[3]。

東北工學(xué)院[4]于1984年提出了以爆破單位體積巖石所消耗的能量的平衡準(zhǔn)則法，以標(biāo)準(zhǔn)條件下的巖石爆破漏斗體積、爆破巖石塊度分布狀況和彈性波速作為分級(jí)判據(jù)，按巖石爆破難易程度將巖石分為五類十級(jí)。較準(zhǔn)確地揭示了巖石爆破性的本質(zhì)，反映了影響巖石爆破性諸因素之間的內(nèi)在規(guī)律，在國內(nèi)首次了提出我國的巖石爆破性分級(jí)表。

長(zhǎng)沙礦山研究院[5]于1987年提出了巖體可爆性分級(jí)法。認(rèn)為巖體可爆性的本質(zhì)在于強(qiáng)調(diào)巖體在爆破破壞過程中固有的屬性，它是爆破破壞的依據(jù)，而炸藥、爆破參數(shù)、工藝是爆破破壞的條件。同時(shí)強(qiáng)調(diào)巖體爆破難易程度的邊界不分明性。在此基礎(chǔ)上確定以巖石固有縱波、橫波速度、巖石強(qiáng)度、巖體縱波速度四個(gè)因素為分級(jí)的基本依據(jù)。在分級(jí)指標(biāo)計(jì)算上采用了巖石爆破性模糊綜合評(píng)判分級(jí)法，建立了多元變差排序隸屬函數(shù)確定法。該分級(jí)法在德興銅礦獲得應(yīng)用，取得較好經(jīng)濟(jì)效益。

在上述眾多的巖石爆破性分級(jí)中，大多數(shù)是以巖石單元為對(duì)象，選用一項(xiàng)或幾項(xiàng)反映其特性的指標(biāo)，根據(jù)已確定的分級(jí)準(zhǔn)則和評(píng)判指標(biāo)，將不同種類的巖石進(jìn)行分級(jí)，以備使用時(shí)查對(duì)。難以適應(yīng)礦山爆區(qū)范圍內(nèi)多種巖體共生，地質(zhì)構(gòu)造穿插、巖性變質(zhì)共存的復(fù)雜現(xiàn)象，實(shí)用性欠缺，特別是成礦原因復(fù)雜、產(chǎn)狀形態(tài)差異大的群礦體礦山。

2 露天礦巖體可爆性分區(qū)及必要性

2.1 巴潤(rùn)礦礦巖體分布特征

巴潤(rùn)礦是新建的超大型現(xiàn)代化露天礦，設(shè)計(jì)原礦生產(chǎn)能力1500萬t/a，剝巖總量為9750萬t/a，采剝總量11250萬t/a。

礦區(qū)鐵、稀土、鈮礦帶等多種金屬共生，礦體分布在東西長(zhǎng)10 km，南北寬1 km左右的范圍內(nèi)，空間形態(tài)極其復(fù)雜，其中鐵礦體有數(shù)十個(gè)主礦體，一百多個(gè)附屬礦體；鈮礦有數(shù)百個(gè)獨(dú)立礦體；稀土礦有幾十個(gè)礦體，礦體由西向東呈現(xiàn)由小變大、由分支到復(fù)合、南部礦體逐漸尖滅消失的趨勢(shì)。如此眾多群礦體，空間上彼此穿插，交聯(lián)，呈現(xiàn)在露天臺(tái)階上礦體、巖體交錯(cuò)顯現(xiàn)，復(fù)雜異常。

2.2 巴潤(rùn)礦礦巖體分區(qū)的必要性

露天礦爆破破巖是以爆區(qū)為單元進(jìn)行的，生產(chǎn)運(yùn)行以穿孔、爆破為中心組織實(shí)施。為了準(zhǔn)確地確定不同爆區(qū)的孔網(wǎng)參數(shù)、材料消耗和進(jìn)行爆破效果優(yōu)化就必須以區(qū)域?yàn)橹行膶?duì)礦、巖體的爆破性進(jìn)行劃分；另外，為了保持爆破性分區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性，對(duì)已知生產(chǎn)臺(tái)階爆破分區(qū)的同時(shí)，還希望預(yù)測(cè)下一臺(tái)階爆破的難易程度，這些實(shí)際需求在傳統(tǒng)以巖石為單元的爆破性分級(jí)中就無法實(shí)現(xiàn)。

一種合理的爆破性分級(jí)，其判據(jù)不僅要揭示礦、巖本身的爆破特性，而且要能反映爆破區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況，實(shí)現(xiàn)爆前對(duì)效果的預(yù)判。由于礦體賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，即使同一種礦巖因處于礦體的不同部位，其性能差異往往很大，甚至在有限的爆破范圍內(nèi)又有多種巖礦共生。因此，在確定巖石可爆性分級(jí)指標(biāo)中，必須充分考慮原生巖體的特性，同時(shí)必須考慮節(jié)理、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造的影響。爆破破巖是動(dòng)載破壞問題，特別是破巖壓力在5GPa～6GPa以下、應(yīng)變率<104/s的動(dòng)載特性，用現(xiàn)場(chǎng)的縱波傳播速度是難以表征的。

基于以上分析，北京科技大學(xué)[1]于20世紀(jì)90年代提出了巖體的爆破分區(qū)概念、準(zhǔn)則、技術(shù)指標(biāo)和數(shù)學(xué)模型，并先后在水廠鐵礦、南芬鐵礦、歪頭山鐵礦、弓長(zhǎng)嶺鐵礦，峨口鐵礦等大型露天礦實(shí)施，取得了良好效果。

巖石爆破性分區(qū)是巖石爆破性分級(jí)(巖體可爆性分級(jí))的發(fā)展和進(jìn)一步完善，更便于在生產(chǎn)上應(yīng)用，是爆破優(yōu)化的基礎(chǔ)工作。其特點(diǎn)在于：①在分區(qū)對(duì)象上，是以爆區(qū)為采樣單元(樣本)；②在分區(qū)準(zhǔn)則上，除巖石固有靜載強(qiáng)度特性外，更強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙的影響和高應(yīng)變率下巖石動(dòng)、載特性的影響；③在評(píng)判指標(biāo)的數(shù)學(xué)分析上，采用灰色系統(tǒng)理論更易于處理像爆破性分區(qū)這類一有些信息明確，有些信息不明確的復(fù)雜問題。

3 影響巴潤(rùn)礦爆破效果的主要因素及爆破分區(qū)指標(biāo)的確定

巖體對(duì)爆破作用的抵抗能力主要取決于巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、炸藥作用于巖石的方式以及巖石和炸藥性能的匹配。實(shí)踐證明，巖石性質(zhì)對(duì)爆破效果的影響大于炸藥特性對(duì)爆破效果的影響。

巖石性質(zhì)對(duì)爆破效果的影響因素主要指：巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度和動(dòng)抗拉強(qiáng)度；巖石結(jié)構(gòu)特征；泊松比；彈性模量；密度和含水量等。

3.1 巖石的物理力學(xué)特性

爆破時(shí)對(duì)孔壁加載時(shí)間一般不超過0.5ms，在如此短暫時(shí)間內(nèi)巖石強(qiáng)度、變形、破壞特性都要發(fā)生很大變化，與靜載條件的巖性有很大的差異。

研究結(jié)果表明：動(dòng)載條件下所得數(shù)據(jù)均比靜載條件下的大，即巖石承受動(dòng)載而不變形的能力比靜載強(qiáng)。巖石動(dòng)載強(qiáng)度在爆破破碎中占有重要地位，動(dòng)抗壓、拉強(qiáng)度是爆破設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。在爆破工程中，彈性模量E和泊松比μ通常用于計(jì)算破壞和膨脹的結(jié)果。

用Hopkinson實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)巖石的動(dòng)、靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，板巖、灰?guī)r的動(dòng)抗壓、拉強(qiáng)度要比靜態(tài)強(qiáng)度高30%左右〔1〕，相比巖體中炸藥爆炸近區(qū)形成的數(shù)千兆帕的高應(yīng)力狀態(tài)，這一量級(jí)的差異似乎可以忽略，因此盡管采用巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度更合理，但用測(cè)試更便捷的靜態(tài)強(qiáng)度替代所產(chǎn)生的誤差應(yīng)在可以接受的范圍內(nèi)，故選擇巖石的靜態(tài)特性來表征其爆破分區(qū)的力學(xué)指標(biāo)。

3.2 巖體的結(jié)構(gòu)特征(節(jié)理、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造)

巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，特別是宏觀裂隙往往要超過巖石本身物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)爆破效果的影響。前蘇聯(lián)學(xué)者A.H.哈努卡耶夫指出：“巖石的破碎，基本上是沿著裂隙、微裂隙和弱面發(fā)生的。因此，被爆破巖體的地質(zhì)構(gòu)造，在相當(dāng)大的程度上決定了破碎的特征。鑿巖爆破參數(shù)的變化只在一定程度上可能提高破碎程度。在有5～6個(gè)側(cè)面的巖塊中，帶有新鮮開裂面的不合格大塊經(jīng)常不超過其總數(shù)的3%～5%[6]”，并根據(jù)巖體裂隙的間距將巖石分為三級(jí)，即易破碎的、中等難破碎的和難破碎的。

對(duì)巴潤(rùn)鐵礦百余塊大塊統(tǒng)計(jì)表明：線長(zhǎng)度≥1000mm的大塊中，在有5～6個(gè)側(cè)面時(shí)，新鮮開裂面有1～2個(gè)，線長(zhǎng)度≥800mm的塊度中，新鮮開裂面為2～3個(gè)。因此本研究采用衡量巖石微觀裂隙的聲波速度和節(jié)理、裂隙間距等作為表征結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)指標(biāo)。

3.3 爆破分區(qū)指標(biāo)的確定

分區(qū)技術(shù)指標(biāo)除了能準(zhǔn)確反映巖體可爆性的固有屬性外，彼此之間應(yīng)互不關(guān)聯(lián)，既要避免重復(fù)，又要避免缺失，盡可能全面。另外，諸多巖性、構(gòu)造指標(biāo)，彼此的關(guān)系，有些已被廣為認(rèn)識(shí)，還有一些關(guān)系沒有搞清楚，屬于介于已知和未知之間的灰色系統(tǒng)，故本研究采用自相關(guān)分析法來研究這些技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，以便選擇相互獨(dú)立的參數(shù)指標(biāo)，避免重復(fù)。

4 巴潤(rùn)礦礦巖體可爆性分區(qū)性的準(zhǔn)則

4.1 技術(shù)指標(biāo)

礦、巖石抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度；礦、巖體的結(jié)構(gòu)特征，即宏觀節(jié)理、裂隙的平均間距，表征微觀裂隙的巖石聲波速度。

4.2 分區(qū)原則

根據(jù)礦、巖石的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征，結(jié)合巴潤(rùn)礦的實(shí)際情況，劃分成不同的類別或區(qū)域，相近或類似的礦、巖體劃歸成一類(區(qū)域)，形成便于穿孔、爆破生產(chǎn)作業(yè)組織的“面”，替代傳統(tǒng)以巖石為單元分級(jí)的“點(diǎn)”。

4.3 指標(biāo)的測(cè)試方法

巖石的力學(xué)特性。采用MTS-286實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試，它是研究巖石物理力學(xué)特性的理想裝置，既可以測(cè)量出巖石試件的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率關(guān)系，又可研究不同加載條件下產(chǎn)生的破壞效果。

巖石的結(jié)構(gòu)特征。在臺(tái)階坡面的腰線拉一條中線，測(cè)量坡面上裂隙的間距和裂隙產(chǎn)狀，通過赤平投影法確定該區(qū)域內(nèi)的裂隙的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀和平均間距來表征宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特征；微觀裂隙則采用取樣制成的標(biāo)準(zhǔn)試件，在由PANAMETRICS公司生產(chǎn)的5077PR方波脈沖發(fā)生接收器和超聲換能器(縱波1MHz、橫波0.81 MHz)及泰克TDS210數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成的巖石聲學(xué)特性測(cè)試及分析處理系統(tǒng)上測(cè)定試樣的縱波傳播速度。

5 巴潤(rùn)礦的巖體可爆性分區(qū)

開采中的巖體是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，其可爆性是由多種因素決定的。這些因素的有機(jī)組合使巖體表現(xiàn)出極端復(fù)雜性，但實(shí)際上這些因素是客觀存在的，而不是隨機(jī)的，同樣這些因素以及巖體本身都有明確的物理含義，并非是亦此亦彼的模糊現(xiàn)象，只是有些現(xiàn)象尚未搞清楚而已，故選擇灰色系統(tǒng)理論建立爆破分區(qū)的數(shù)學(xué)模型。

5.1 功效函數(shù)的建立

設(shè)K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…為典型分區(qū)類別；i=1，2，3，…為分區(qū)的樣本；j=l#，2#，3#，…為分區(qū)指標(biāo)；dij系第i個(gè)樣本關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)際觀測(cè)值。將分區(qū)指標(biāo)j(j=l，2，3，4)按“效益”針對(duì)典型分區(qū)K(K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)規(guī)定功率函數(shù)。

第一區(qū)對(duì)于第j個(gè)指標(biāo)的功效函數(shù)(白化函數(shù))如式1所示：

(1)

第二區(qū)對(duì)應(yīng)第j個(gè)指標(biāo)的功效函數(shù)為式2所示：

(2)

第三區(qū)對(duì)應(yīng)第j個(gè)指標(biāo)的功效函數(shù)如式3示：

(3)

5.2 求標(biāo)準(zhǔn)權(quán)

從上述功效函數(shù)看，對(duì)應(yīng)Ykj(s)有特定的λks(2)，為此進(jìn)行下列變換：

T： {Ykj(s)}→{λks(2)}

(4)

式(4)中{Ykj(s)}為Ykj(s)的全體，{λks(2)}為λks(2)的全體。設(shè)ηkj為標(biāo)準(zhǔn)權(quán)，則：

(5)

5.3 確定實(shí)際權(quán)

先求出分區(qū)系數(shù)σik：

(6)

然后求分區(qū)向量σi：

σi={σi1,σi2,σi3,…,σik}

(7)

5.4 確定爆破分區(qū)數(shù)

(8)

按照上述方法，對(duì)巴潤(rùn)礦按爆區(qū)進(jìn)行了全面的抽樣觀測(cè)和測(cè)試，獲取了大量原始資料，數(shù)據(jù)處理后分區(qū)結(jié)果如表1所示。將各個(gè)樣本按坐標(biāo)位置標(biāo)注在采掘綜合平面圖上，劃出了各個(gè)分區(qū)的范圍，便于產(chǎn)生應(yīng)用。

表1 巴潤(rùn)礦礦巖體可爆性分區(qū)表

在爆破性分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)爆區(qū)地質(zhì)條件、爆破效果、爆破成本、爆破安全、爆破施工五統(tǒng)一的原則確定合理的爆破參數(shù)。爆破設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)爆破性分區(qū)的應(yīng)用起了保證作用。

在爆破性分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化，使爆破效率提高了28%，根底大塊率降低了10.2%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

1)礦山開采面對(duì)的是復(fù)雜的各種巖體復(fù)合體，采用爆破性分區(qū)，將可爆性相近的礦、巖體劃分成具有生產(chǎn)可操作的區(qū)域，既用分區(qū)的區(qū)域“面積”代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石可爆性分級(jí)的“點(diǎn)”，便于露天礦山爆破作業(yè)的組織管理、優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2)采用礦、巖石的強(qiáng)度、聲波速度和節(jié)理、裂隙平均間距作為爆破分區(qū)指標(biāo)，綜合反映了巖性和地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破效果影響的固有屬性，既客觀又便于技術(shù)指標(biāo)的獲取。

3)采用自相關(guān)分析，保證了從眾多分區(qū)指標(biāo)中選擇的技術(shù)指標(biāo)的獨(dú)立性；用灰色聚類分析理論適合揭示影響因素眾多，且相互影響關(guān)系又不完全清楚的露天礦山爆破等復(fù)雜問題。

[1] 于亞倫，王德勝，璩世杰. 水廠鐵礦的巖石爆破性分區(qū)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1990，9(3)：197-201.

[2] Б.Б.雷科夫斯基，М.А.巴圖耶夫，С.В.胡多夫，等. 古謝沃戈?duì)柕V床的輝巖的可鉆性和可爆性[J].E&MJ，1990(12)：26-28.

[3] 采礦手冊(cè)編輯委員會(huì). 采礦手冊(cè)(2) [M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,1990.

[4] 徐小荷，費(fèi)壽林，楊德榮. 關(guān)于巖石分級(jí)的究方法[J]. 東北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1980(3)：86.

[5] 黃萍萍. 巖體可爆性的模糊綜合評(píng)判分級(jí)法[J].長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1989(4)：63-72.

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