基于AHP及主成分分析法評價大黑山鉬礦逐孔起爆效果

樊攀峰，冀相宇，張良勇，王　浩，黃　濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.吉林大黑山鉬業(yè)有限公司，吉林 吉林 132200； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

基于AHP及主成分分析法評價大黑山鉬礦逐孔起爆效果

樊攀峰1，冀相宇2，張良勇2，王浩3，黃濤1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.吉林大黑山鉬業(yè)有限公司，吉林 吉林 132200； 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

摘要：逐孔起爆是露天礦臺階爆破的發(fā)展趨勢，但露天礦生產(chǎn)中參數(shù)選擇多是依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗。為優(yōu)化選擇大黑山鉬礦逐孔起爆參數(shù)，通過孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)等參數(shù)之間的不同組合試驗，選取平均塊度，大塊率，炸藥單耗等8項評價因子并借助split-desktop方法對因子進行量化。采用AHP法建立目標(biāo)層，控制層，因子層結(jié)構(gòu)模型，使用幾何平均法獲得因子權(quán)重，并進行排序，前三項為：平均塊度>炸藥單耗>大塊率；利用線性插值法對評價因子進行單因子評分，得到各組試驗的綜合評分。選擇主成分分析法，使8項評價因子降維，對影響顯著的單因子評分及綜合評分與各爆破參數(shù)的關(guān)系進行擬合，得到影響規(guī)律。試驗驗證了優(yōu)選參數(shù)的合理性，爆破效果綜合得分92.6分，取得了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：逐孔起爆；孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)；層次分析法；平均塊度；評價因子；主成分分析

逐孔起爆技術(shù)具有爆堆松散系數(shù)高、塊度均勻、根底少、炸藥利用率高，以及有利于邊坡穩(wěn)定的優(yōu)點。它的關(guān)鍵是計算合理孔間與排間延時及起爆網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。該技術(shù)在永平，齊大山，霍林河等礦山應(yīng)用獲得了很好的效益[1-2]。

在毫秒微差爆破振動參數(shù)預(yù)測方面，楊年華等[3]提出了完整振動波形及爆破速度峰值的較可靠計算方法，并且可以得到振動延續(xù)時間及主頻頻率分布；羅學(xué)東等[4]運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測精度較薩道夫斯基公式有提高；馬曉明、徐振洋等研究了地震波能量分布特征[5-6]；李順波等[7-8]用數(shù)值模擬研究了孔間延時對爆破效果的影響，并給出了計算公式，延時為12ms有利于降低振動；劉倩等[9]梳理了在露天礦毫秒延時計算方面的理論與應(yīng)用現(xiàn)狀；在爆破效果評價方面，張建華等[10]使用模糊綜合評價方法驗證了主孔起爆技術(shù)的優(yōu)勢。

前人研究多集中于減振效果或質(zhì)量效果，安全效果單一目標(biāo)的評價，針對大黑山逐孔起爆參數(shù)優(yōu)化的問題，本文使用模糊評分，AHP層次分析及主成分分析法，綜合評價爆破效果，對改變目前鉬礦的經(jīng)驗設(shè)計法有重要意義。

1工程地質(zhì)背景

1.1大黑山鉬礦概況

大黑山鉬礦位于松嫩地塊，屬海西運動及燕山早期。下古生代地層主要為頭道溝組熱液變質(zhì)砂巖、千枚狀板巖及中酸性火山巖。礦體大多以石英網(wǎng)脈形式賦存于圍巖花崗閃長巖中及花崗閃長斑巖中。礦體分布范圍廣，呈橢圓形，厚度在500m左右，長寬約1.7km，面積2.3km2。礦體儲量約109萬t。根據(jù)礦物組合，礦區(qū)內(nèi)礦化可分為四種類型:浸染型，石英網(wǎng)脈型，石英大脈型，角礫巖型。

1.2逐孔起爆參數(shù)選擇

影響逐孔起爆爆破效果的參數(shù)很多，包括藥包位置，裝藥結(jié)構(gòu)(孔底間隔裝藥，分段裝藥，連續(xù)裝藥等)，露天臺階高度，孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最小抵抗線的位置以及延時時間等。我國有些學(xué)者認(rèn)為延時應(yīng)該在15～25ms/m，或25～50ms/m有利于自由面的形成以提高炸藥利用率。

根據(jù)大黑山鉬礦的實際生產(chǎn)情況，采用孔底起爆方式及連續(xù)裝藥，以提高炸藥利用率，增強爆破效果，簡化試驗工藝。考慮施工及生產(chǎn)要求，采用爆破各參數(shù)之間的不同組合，進行試驗。各因素參數(shù)設(shè)置值見表1。

2逐孔起爆效果評價因子

2.1評價因子選擇與量化

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的要求，露天礦爆破的評價因子要包含爆破質(zhì)量效果，安全效果以及成本效果。質(zhì)量效果主要包含塊度大小，爆堆形態(tài)，爆堆松散度等因子；安全效果包括飛石，沖擊波等；成本效果主要有單位方量鉆孔量，炸藥單耗，單位方量雷管消耗等。

大塊率及平均塊度是衡量質(zhì)量效果的重要因子，而且可以采用多點采樣方法進行量化；爆破質(zhì)量還要求堆存形態(tài)有利于裝巖運輸，所以考慮爆破前沖后沖距離作為評價因子；而堆存高度又同時反映堆存形態(tài)及松散度，高度也易于測量。關(guān)于爆破成本效果，則以規(guī)程中鉆孔量及雷管，炸藥單耗作為評價因子。考慮到后沖距離與爆堆高度的易于量化，試將底盤抵抗線參數(shù)與量化均值的關(guān)系通過圖1(c)表現(xiàn)。

采用split-desktop量取大塊率及平均塊度。取塊體直徑大于60cm的作為量取大塊率的標(biāo)準(zhǔn)，每次爆破后從個角度多次拍照，取平均值以保證測量值完全反映實際塊度。有關(guān)爆堆形態(tài)的因子的測量，應(yīng)選取代表性測點，多次量取，減小誤差。大塊率與平均塊度量化值見圖1。

表1　爆破參數(shù)設(shè)置表

圖1　爆破效果評價因子量化值

2.2評價因子單因子評分

利用線性插值法，對爆破效果評價因子進行評分，力求使評分與量化值之間符合線性相關(guān)關(guān)系。

1)大塊率q1與評分p1之間呈線性關(guān)系，評分范圍在60～90分之間，見式(1)。

(1)

2)平均塊度q2實測值在20～40之間，考慮到裝巖效率與成本，q2與p2之間不是單調(diào)關(guān)系，有極大極小值。依據(jù)賦分原則，極小值與極大值賦分區(qū)間為70～80分。對于爆破前沖距離q3與q2相似，只不過以前沖距離12.5m評為百分，在上限5m，下限20m分別賦80分、70分。見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

3)與式(1)相似，爆破后沖距離q4，隆起高度q5與p4和p5呈單調(diào)關(guān)系。評分范圍在60～90之間。見式(4)、式(5)。

p4=-20q4+100

(4)

p5=30q5+45

(5)

3綜合評價

3.1AHP建模及權(quán)重分析

3.1.1構(gòu)造結(jié)構(gòu)模型

目標(biāo)層P：爆破效果；控制層C：C1爆破質(zhì)量，C2爆破成本；因子層F：F1大塊率，F(xiàn)2平均塊度，F(xiàn)3爆破前沖距離，F(xiàn)4爆破后沖距離，F(xiàn)5隆起高度，F(xiàn)6單方鉆孔量，F(xiàn)7炸藥單耗，F(xiàn)8雷管消耗。爆堆高度與后沖距離R2=0.752，單方鉆孔量與炸藥單耗有很高的相關(guān)系數(shù)R2=0.983。

3.1.2權(quán)重分析

根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度條件構(gòu)造判斷矩陣A，，使用一致性檢驗指標(biāo)CR(式(6))進行檢驗，其中RI為平均隨機一致性指標(biāo)，λmax為最大特征值。根據(jù)幾何平均法計算各層權(quán)重，計算方法見式(7)。評價因子權(quán)重分析從表2可以看出，權(quán)重排序為：平均塊度>炸藥單耗>大塊率=前沖距離>單方鉆孔量>堆高。

(6)

(7)

3.1.3綜合評價

根據(jù)各評價因子的權(quán)值與單因子評分計算各組試驗綜合得分。綜合評分值見圖2，綜合評價結(jié)果見表3。圖2綜合評分直方圖中80～86分之間頻次最高，說明參數(shù)選擇合理。

3.2主成分分析

相關(guān)系數(shù)矩陣的相伴概率小于顯著性水平0.05，原始變量之間存在相關(guān)性，認(rèn)為適合主成分分析；而且KMO=0.782，KMO標(biāo)準(zhǔn)值>0.7，即適合主成分分析，KMO標(biāo)準(zhǔn)值>0.8即為很適合主成分分析。

表4為Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化旋轉(zhuǎn)法得到的旋轉(zhuǎn)成分矩陣。第一個因子特征值為5.681，方差貢獻率71.018%，反映了前沖距，單方鉆孔量，炸藥消耗及雷管消耗等，稱為綜合因子；第二個因子特征值為1.301，方差貢獻率16.268%，反映了后沖距及塊度問題，稱為質(zhì)量因子；第三個提取因子特征值和方差貢獻率分別為0.524，與6.545%，反映了堆高這一因素，稱為次要因子。

表3　AHP綜合評價前5組參數(shù)組合

圖2　綜合評分直方圖

表4　成分旋轉(zhuǎn)矩陣表

4參數(shù)優(yōu)選及試驗驗證

4.1爆破效果影響因素分析

根據(jù)AHP方法對逐孔起爆效果進行直觀量化(圖3)。表3中的前5名優(yōu)選組合說明孔徑90mm爆破效果綜合評分高120mm，所以將90mm作為優(yōu)選孔徑。為分析具體參數(shù)對爆破效果的影響，需要將綜合評分和表1中其他的7項參數(shù)進行擬合。二次多項式擬合結(jié)果見表5。A為常數(shù)項，B為一次項系數(shù)，C為二次項系數(shù)。

表5　綜合評分與影響參數(shù)擬合結(jié)果

從主成分分析結(jié)果中挑選影響顯著的評價因子，如塊度，前沖距，單孔方量，及后沖距與爆破參數(shù)進行擬合分析。平均塊度，前沖距受填塞長度和超深影響不大，而隨著排距，孔距等參數(shù)的增加先升后降存在明顯極值點；單孔方量隨著孔距排距增加而增長，隨超深并無明顯變化；后沖距隨著底盤抵抗線，超深，孔排距增加而下降，隨著排距米延時與孔距米延時增加而增長，但受底盤抵抗線與超深影響不顯著。

根據(jù)F值判斷，綜合評分與超深和填塞長度的關(guān)系極不顯著，受孔距，排距，孔距米延時的影響極顯著，這與主成分分析中顯著單因子評分受爆破參數(shù)影響的結(jié)果是一致的。隨著底盤抵抗線，超深，填塞長度，和孔排距的增加，擬合曲線為開口向下的拋物線，存在明顯極值點。

4.2爆破效果試驗驗證

由于綜合爆破效果最優(yōu)是生產(chǎn)最終目標(biāo)，為檢驗優(yōu)化參數(shù)的有效性，需要對其進行現(xiàn)場試驗。為保證生產(chǎn)正常進行，臺階高度及坡面角仍按原生產(chǎn)參數(shù)。結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對孔距，排距等爆破參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化。通過擬合極值點判斷，存在適宜的參數(shù)值使爆破的綜合效果最優(yōu)化。

因此，底盤抵抗線宜取3.8m左右，超深宜取0.5m，填塞長度宜取3.1m左右，孔距和排距應(yīng)取4.2m與4.0m左右。隨著孔距米延時與排距米延時增加，綜合評分在很小范圍內(nèi)(孔距米延時(11～12ms/m，排距米延時<28ms/m)排距平緩增長，曲率很??；超過界限值后曲率增大，近似于線性急速減小，因此分別取值11和28。

對于孔距和排距米延時，因為生產(chǎn)中使用的是非電導(dǎo)爆管雷管無法實現(xiàn)精確調(diào)整，試驗將其更換為在0～60000ms內(nèi)可任意調(diào)節(jié)的數(shù)碼電子雷管。驗證試驗作業(yè)區(qū)共4排52孔，爆破方量約7000m3。

試驗結(jié)果表明優(yōu)選參數(shù)取得了非常理想的爆破效果。爆區(qū)后出現(xiàn)明顯沉降槽，爆堆后沖基本被消除；大塊率大大降低，量化值為1.5%，單因子評分值97.4；平均塊度適中，平均為30cm左右，單因子評分值為98.7；爆堆很松散而且隆起高度平均在1.7m左右，評分值為99；前沖距離合適，平均在10.5m左右，評分值98分，使裝巖機鏟裝效率明顯提高。單位方量鉆孔量為0.073m/m3，炸藥單耗0.29kg/ m3，雷管消耗量139發(fā)/萬m3，評分值都為80分左右。爆破綜合效果評分92.6分。因此，所優(yōu)選的爆破參數(shù)合理有效，實現(xiàn)了孔網(wǎng)參數(shù)與延時時間的互補優(yōu)化，具有良好推廣價值，能為類似工程爆破參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

5結(jié)論

1)選擇兩大類評價指標(biāo)：質(zhì)量效果及成本效果綜合評價，得到評價因子的權(quán)值，評價因子的重要程度排序：平均塊度>炸藥單耗>大塊率=前沖距離>單方鉆孔量>堆高。

2)采用模糊數(shù)學(xué)及線性插值法對評價因子量化值打分；進一步構(gòu)造AHP評價模型，得到綜合評分，得到前五組排名的爆破參數(shù)組合。

3)將影響顯著的單因子評分及綜合評分與爆破參數(shù)進行非線性擬合，得到7項爆破參數(shù)對綜合爆破效果的具體影響程度及規(guī)律：超深和填塞長度的影響不顯著，孔距，排距，孔距米延時，排距米延時，底盤抵抗線的影響顯著且影響依次降低。

4)根據(jù)爆破參數(shù)的影響規(guī)律，底盤抵抗線宜取3.8m，超深宜取0.5m，填塞長度宜取3.1m，孔距和排距應(yīng)取4.2m與4.0m，孔距米延時與排距米延時分別取11ms/m、28ms/m。證明優(yōu)選參數(shù)與前五組排名的參數(shù)高度切合。通過試驗驗證，優(yōu)化參數(shù)取得了非常理想的爆破效果，降低大塊率，消除了后沖距，各單因子評分在98分左右，綜合評分92.6分，說明參數(shù)合理有效，具有良好推廣價值。

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A comprehensive evaluation of hole by hole initiation in Daheishan molybdenum mine based on AHP and principal component analysis

FAN Pan-feng1，JI Xiang-yu2，ZHANG Liang-yong2，WANG Hao3，HUANG Tao1

(1.Faculty of Resource & Safety Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Molybdenum Co.，Ltd.，Jilin Daheishan，Jilin 132200，China；3.School of Chemical & Environmental Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:Hole by hole initiation is the trend of bench blasting in the open pit，but parameters in open-pit mine production depend mainly on operation experience.To optimize hole by hole priming parameters of Daheishan molybdenum mine，experiments on parameters such as pore structure was performed，average degree of fragments，block rate，explosive consumption and other 5 factors were considered as evaluation index and the split-desktop method was used to quantify those factors.AHP method was used to establish structure model of target layer，control layer and factor layer.Geometric mean was used to get weight value and the first three factors were average degree of fragments>block rate>explosive consumption.Then linear interpolation was used to give score to evaluation index and comprehensive scores for each group were obtained finally.Principal Component Analysis was chosen to achieve dimensionality reduction for those eight evaluation factors.The relationship between significant single-factor and composite score with the blasting parameters were fitted to obtain influence law.Reasonableness of the parameters were verified and composite score is 92.6.

Key words：hole by hole initiation；pore structure；analytic hierarchy process；average degree of fragments；evaluation index；Principal component analysis

收稿日期：2015-05-14

作者簡介：樊攀峰(1990-)，男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)。E-mail:sjas901118@qq.com。

中圖分類號：TD235.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)03-0088-05