基于可靠度分析的平巷掘進(jìn)爆破參數(shù)優(yōu)化研究

童建華，史秀志，陳佳耀，熊木輝，劉桂鵬，方志龍

(1.大冶有色集團(tuán)控股有限公司，湖北黃石市 435005；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

基于可靠度分析的平巷掘進(jìn)爆破參數(shù)優(yōu)化研究

童建華1，史秀志2，陳佳耀2，熊木輝1，劉桂鵬1，方志龍1

(1.大冶有色集團(tuán)控股有限公司，湖北黃石市 435005；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

針對(duì)銅山口銅礦巷道掘進(jìn)過程中巖石特性復(fù)雜、爆破振動(dòng)難預(yù)測(cè)、單循環(huán)進(jìn)尺低等問題，運(yùn)用可靠度原理與安全系數(shù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)影響巷道爆破的炮眼直徑、炮眼數(shù)目、炮眼深度、炮眼角度、裝藥卷數(shù)、炮眼間距等6個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行組合試驗(yàn)，并結(jié)合爆破振動(dòng)峰值合速度及主振頻率等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)銅山口巷道爆破掘進(jìn)的過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。研究表明：6個(gè)因素對(duì)巷道掘進(jìn)過程的振動(dòng)影響較大，其中最大段藥量是直接影響振動(dòng)峰值合速度的直接因素，同時(shí)振動(dòng)頻率主要集中在100～150 Hz范圍內(nèi)；各參數(shù)下的可靠度指標(biāo)與安全系數(shù)非線性正相關(guān)，且可靠度收斂于和影響作用大小相關(guān)的特定值。同時(shí)，安全系數(shù)為1.5時(shí)可以保證較大的可靠度和掘進(jìn)的效率；通過適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)過程中的爆破參數(shù)，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周邊孔的個(gè)數(shù)以及孔間距等，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。

巷道掘進(jìn)；可靠度指標(biāo)；安全系數(shù)；爆破振動(dòng)

為解決銅山口礦巷道掘進(jìn)過程中巖石特性復(fù)雜、爆破振動(dòng)難控制、單循環(huán)進(jìn)尺低等問題，本文借鑒試驗(yàn)數(shù)組和可靠度分析原理，結(jié)合銅山口礦地下巖體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行爆破參數(shù)研究，并根據(jù)可靠度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)的井下巷道掘進(jìn)試驗(yàn)。針對(duì)掘進(jìn)效率指標(biāo)來(lái)定義掘進(jìn)參數(shù)的可行性，為綜合研究多參數(shù)問題的系統(tǒng)提供一種有利的預(yù)測(cè)和分析方案。

1 巷道掘進(jìn)爆破參數(shù)

銅山口銅礦位于大冶市南西18 km處，隸屬大冶市陳貴鎮(zhèn)銅山口管理區(qū)。礦區(qū)為低山垅崗地形，一般海拔高程為100 m左右，最大相對(duì)高差159 m。礦山的地質(zhì)復(fù)雜程度屬中等類型，礦體圍巖巖性較復(fù)雜，頂?shù)装宕罄韼r、巖漿巖、矽卡巖兼有，大理巖中含裂隙較多。巖石硬度系數(shù)一般在8～12，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖溶作用程度中至強(qiáng)，巖石蝕變較強(qiáng)烈。礦體圍巖巖石力學(xué)強(qiáng)度變化大，深部井巷圍巖穩(wěn)定較好而淺部較差。隨著礦山的不斷發(fā)展，2010年礦山由露天開始轉(zhuǎn)入地面和井下聯(lián)合開采階段，同年10月井下工程開工，大量的工程掘進(jìn)需要施工。在工程施工期間遇到了不少的問題，為加快工程進(jìn)度，就提高掘進(jìn)爆破效率開展了攻關(guān)工作。

1.1 巷道掘進(jìn)爆破參數(shù)確定

本文研究的巷道掘進(jìn)的主要影響因素包括：炮眼直徑、炮眼數(shù)目、炮眼深度、炮眼角度、裝藥卷數(shù)、炮眼間距。

(1)炮眼直徑。炮眼直徑是巷道掘進(jìn)中最基本的參數(shù)，主要由礦山掘進(jìn)設(shè)備和采用的爆破方案決定，同時(shí)，炮孔直徑也影響炮孔的間距、爆破塊度、炸藥單耗等，最終會(huì)影響掘進(jìn)的總效率。直徑的選擇最根本的取決于設(shè)備的選取，銅山口銅礦選用YT28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，配2.0～2.5 m長(zhǎng)、Φ25 mm中空六角鋼釬桿，帶Φ42 mm梅花型鉆頭進(jìn)行鑿巖作業(yè)。

(2)炮眼數(shù)目。炮眼的數(shù)目直接影響炮孔的裝藥量和炸藥單耗，炮孔的數(shù)量大，造成爆破過程中的大塊率小，從而引起不必要的炸藥損耗；炮孔數(shù)量小，大塊率偏高，爆破效果的實(shí)現(xiàn)較為困難。炮孔數(shù)量和巖石的破碎情況和巷道周邊巖石的完整性有直接關(guān)系，故對(duì)于炮孔數(shù)量的選擇需結(jié)合實(shí)際掘進(jìn)過程中的周邊條件。

(3)炮眼深度。炮眼的深度受到多個(gè)因素的影響，主要包括巖石本身性質(zhì)、炸藥性質(zhì)、巷道尺寸、鑿巖設(shè)備等。根據(jù)銅山口設(shè)備選型的實(shí)際，炮眼深度以2～3 m為基準(zhǔn)。合理的炮眼深度應(yīng)以高效低成本以及便于滿足正規(guī)循環(huán)作業(yè)為基準(zhǔn)，掏槽眼深度

應(yīng)略大于周邊眼深度。

(4)炮眼角度。巷道掘進(jìn)的過程中，掏槽方式可以分為直眼掏槽、斜眼掏槽和混合掏槽。各方式在掘進(jìn)的過程中發(fā)揮的作用不同。斜眼掏槽是在實(shí)際應(yīng)用中常用的方法，根據(jù)掘進(jìn)的施工情況，炮眼的角度一般為80°～90°，可調(diào)整性強(qiáng)。

(5)裝藥卷數(shù)。裝藥是爆破過程中非常重要的階段，炮孔的裝藥率直徑影響炸藥的使用總量、最大段藥量、炸藥單耗等。同時(shí)，炸藥的卷數(shù)會(huì)改變爆破的最大抵抗線，從而影響掘進(jìn)過程中的爆破效果。藥卷數(shù)和炮孔深度直接相關(guān)，故可以通過深度和最大抵抗線確定藥卷數(shù)目。

(6)炮眼間距。掘進(jìn)斷面大小對(duì)于炮孔的總體規(guī)劃影響較大，炮孔間距直接影響到周邊孔的布置，銅山口礦研究的掘進(jìn)巷道斷面尺寸為3.9 m×3.2 m，故對(duì)于炮眼的間距范圍可定義為400～600 mm。

銅山口礦在爆破過程中對(duì)爆破參數(shù)有如下規(guī)定：周邊眼間距控制在400～600 mm；最小抵抗線控制在500～700 mm；周邊眼單位長(zhǎng)度裝藥量控制在150～200 g/m。同時(shí)，掘進(jìn)質(zhì)量要求滿足：超挖不大于200 mm，欠挖不大于50 mm；井幫巖面無(wú)明顯的炮震裂隙；圍巖眼痕率不少于50%。

1.2 安全系數(shù)與可靠度原理分析

為了系統(tǒng)的分析巷道掘進(jìn)過程中多參數(shù)優(yōu)化問題，采用可靠度及回歸分析研究爆破掘進(jìn)問題，通過測(cè)量巷道爆破開挖過程中的爆破振動(dòng)情況及松動(dòng)圈的監(jiān)測(cè)反映掘進(jìn)的可靠度指標(biāo)。該指標(biāo)是通過具體數(shù)值進(jìn)行衡量，可靠度指標(biāo)研究方法很多，本文利用非正態(tài)分布變量的一次二階矩法驗(yàn)算點(diǎn)法(AFORM)，結(jié)合迭代運(yùn)算法進(jìn)行驗(yàn)算點(diǎn)的綜合求解，而該驗(yàn)算點(diǎn)是可靠分析中的測(cè)試點(diǎn)，即在巷道掘進(jìn)過程中布置監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖1所示，圖(a)為振動(dòng)傳感器位置，圖(b)為松動(dòng)圈測(cè)點(diǎn)布置，其中，測(cè)孔深度為2.5 m，距巷道底板1.5 m，各孔距3 m。通過將相關(guān)的非正態(tài)隨機(jī)變量變?yōu)楠?dú)立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布類型進(jìn)行可靠度與安全系數(shù)的換算，主要計(jì)算步驟如下。

令影響爆破掘進(jìn)的參數(shù)為變量x，則該因子下的驗(yàn)算點(diǎn)為x′，結(jié)合分布函數(shù)、概率密度函數(shù)等價(jià)變換的原則確定當(dāng)量正態(tài)量xi′，求得其標(biāo)準(zhǔn)差μxi和方差為σxi，根據(jù)驗(yàn)算點(diǎn)分布原則得：

得：

結(jié)合密度函數(shù)對(duì)應(yīng)的驗(yàn)算點(diǎn)值相等條件：

得：

式中，Φ(·)、Φ-1(·)分別是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)及其反函數(shù)，且φ(·)為Φ(·)的概率密度函數(shù)。根據(jù)相關(guān)關(guān)系得出當(dāng)量化后的對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、可靠度β分別為：

對(duì)上式的可靠指標(biāo)在驗(yàn)算點(diǎn)法原理的基礎(chǔ)上迭代求解，得出極限方程g(X1，X2，X3，...，Xn)＝0。為分析安全系數(shù)與可靠性的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，而安全系數(shù)F為：

通過上述轉(zhuǎn)換關(guān)系得出F、β滿足式(9)，其中Xi、Xi′均服從正態(tài)分布：

通過上述研究方法建立可靠度、安全系數(shù)之間的關(guān)系，可進(jìn)一步研究爆破參數(shù)優(yōu)化問題，在不同參

數(shù)的試驗(yàn)過程中，通過檢測(cè)爆破振動(dòng)和安全系數(shù)等參數(shù)，最終確定各參數(shù)條件下的可靠度指標(biāo)。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

2 巷道掘進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過調(diào)整上述炮眼直徑、炮眼數(shù)目、炮眼深度、炮眼角度、裝藥卷數(shù)、炮眼間距等參數(shù)值，得到多組可行試驗(yàn)數(shù)組，根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行多組巷道掘進(jìn)爆破試驗(yàn)。另外，監(jiān)測(cè)相應(yīng)爆破振動(dòng)和松動(dòng)圈情況進(jìn)行掘進(jìn)爆破綜合分析研究，得出相應(yīng)的安全系數(shù)和可靠度指標(biāo)。

2.1 巷道掘進(jìn)爆破試驗(yàn)

銅山口銅礦通過對(duì)同一巷道設(shè)計(jì)12組試驗(yàn)，分別對(duì)6個(gè)參數(shù)下的多個(gè)參數(shù)值進(jìn)行規(guī)律研究，通過布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的收集，主要包括峰值合速度和主振頻率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。可見，爆破過程中的峰值合速度同炮孔直徑、數(shù)目、深度、角度等沒有直接關(guān)系，在一定程度上同裝藥總量正相關(guān)，主振頻率同峰值合速度的相關(guān)關(guān)系不明顯。根據(jù)巷道掘進(jìn)過程中的另一重要指標(biāo)顯示，峰值合速度同最大段藥量成正相關(guān)，最大段藥量越大，則引起的周邊振動(dòng)越明顯。同時(shí)，通過測(cè)得的主振頻率可得，該頻率值均大于100 Hz，且主要集中在100～150 Hz，占比為73%，證明在該礦山巖石性質(zhì)條件下的主振頻率在某范圍趨于上下波動(dòng)。

表1 爆破掘進(jìn)的振動(dòng)測(cè)試及統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步驗(yàn)證爆破參數(shù)的影響特點(diǎn)，在前面研究基礎(chǔ)上進(jìn)行拉槽孔、周邊孔的重新布置，根據(jù)巷道斷面的尺寸適當(dāng)在周邊布置斜眼，如圖2所示，巷道中下部布置拉槽眼，拉槽眼間距為500 mm×500 mm，同時(shí)在拉槽眼周邊布置多圈周邊眼，該區(qū)域是以拉槽眼的空間為自由面?zhèn)认虮赖V。起爆順序?yàn)椋豪垩?、輔助掏槽眼、由內(nèi)及外的周邊眼，靠近巷道邊壁位置采用光面爆破，以保護(hù)邊幫，尤其是針對(duì)周邊巖性較為復(fù)雜區(qū)域。

根據(jù)圖2所示的炮孔布置具有爆破拋擲距離小，巷道成型狀況良好，邊幫光面控制效果好，炸藥利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 可靠度分析

由上文得到的關(guān)于安全系數(shù)和可靠度的相關(guān)關(guān)系公式(9)，對(duì)文中分析的影響巷道掘進(jìn)的6個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面研究，根據(jù)研究函數(shù)繪制函數(shù)關(guān)系見圖3，其中F代表安全系數(shù)，β代表掘進(jìn)安全可靠度。6個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的曲線不同，但有多個(gè)相同特征：

(1)安全系數(shù)與可靠度的相關(guān)關(guān)系為非線性正相關(guān)；

圖2 巷道斷面炮孔布置

圖3 不同參數(shù)條件下安全系數(shù)F和可靠度指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

(2)6個(gè)因素對(duì)應(yīng)的可靠度始終隨著安全系數(shù)的增大而增大，但不會(huì)無(wú)限增大，相反的，該值收斂于某一特定值，各因子的收斂值大小差別相差較大；

(3)不同安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度的增速不盡相同，每條曲線的前后增速為先大后小。

另外，安全系數(shù)大于1.5后可靠度的指標(biāo)增速明顯減小，故在巷道掘進(jìn)過程中，安全系數(shù)保持在1.5對(duì)于回采安全的可信性更大，此時(shí)可靠度和掘進(jìn)效益綜合水平較高。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)影響銅山口巷道掘進(jìn)的6個(gè)主要因素進(jìn)行分組試驗(yàn)研究，采用振動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和主振頻率的記錄，得出6個(gè)因素對(duì)巷道掘進(jìn)過程的振動(dòng)影響較大，其中最大段藥量是直接影響振動(dòng)峰值合速度的直接因素。對(duì)于該礦山的巖性，振動(dòng)頻率主要集中在某一個(gè)范圍內(nèi)，且超出該范圍的數(shù)據(jù)較少，可采用相應(yīng)的支護(hù)措施以減小在復(fù)雜圍巖條件下的過度振動(dòng)情況。

(2)結(jié)合安全系數(shù)和可靠度的相關(guān)關(guān)系原理，對(duì)6個(gè)主要的影響因素進(jìn)行函數(shù)圖形的繪制，結(jié)果顯示，可靠度指標(biāo)與安全系數(shù)非線性正相關(guān)，且趨于某一特定值，該值的大小和影響作用大小相關(guān)。同時(shí)安全系數(shù)1.5可以保證較大的可靠度和掘進(jìn)的效率。

(3)通過適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)過程中的爆破參數(shù)，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周邊孔的個(gè)數(shù)以及孔間距等，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。

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2016-06-17)

童建華(1970-)，男，湖北黃岡人，采礦工程師，爆破工程師，主要從事有色金屬礦山采礦技術(shù)及管理工作，Email：913619493＠qq.com。