正交試驗(yàn)在拋擲爆破參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

鄭文虎

(酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中心， 甘肅 嘉峪關(guān)市 735100)

某礦山礦體如一層層連續(xù)的層狀衍生，平面來(lái)看就像一個(gè)放大的扁豆體狀。礦體厚度穩(wěn)定，一般0.5～0.7 m，平均厚度0.59 m。頂板和底板的圍巖以及礦脈的穩(wěn)定性情況都比較好，礦巖層間易于辨識(shí)，水文條件簡(jiǎn)單。礦山現(xiàn)采用全面法開(kāi)采，但存在采礦安全性差、采準(zhǔn)工程量大、生產(chǎn)效率低、貧化損失大以及綜合成本高等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，對(duì)采礦方法做出優(yōu)化。礦山擬采用削壁定向拋擲爆破充填采礦法，其要點(diǎn)是分條回采，長(zhǎng)壁式工作面分采分爆，先采用拋擲爆破方法將礦體底板的圍巖側(cè)向崩落到采空區(qū)中，然后用松動(dòng)爆破的手段將頂部的礦石崩下來(lái)，14 kW電耙運(yùn)搬出礦到溜井。采場(chǎng)由充填廢石、木立柱或點(diǎn)柱支撐。

1 削壁拋擲爆破參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

爆破后控制圍巖按照預(yù)想的特定方位跌落技術(shù)用在削壁回填空區(qū)方面是本次采礦方法試驗(yàn)的關(guān)鍵之一[1-4]。該法采用盤(pán)區(qū)開(kāi)采，淺眼落礦，回采工藝采用分采分爆兩步驟進(jìn)行。第一步驟削壁充填：采取控制爆破的方式，將礦體下盤(pán)的圍巖爆下來(lái)并拋到采空區(qū)中，以作填充；第二步驟回采落礦：在炮孔中裝少許的炸藥將礦石松動(dòng)壓頂爆下，電耙運(yùn)搬。為了能夠滿足單個(gè)采場(chǎng)既快速又安全的生產(chǎn)，對(duì)采場(chǎng)回采工藝中第一步的削壁充填分采分爆的廢石合適塊度級(jí)配、拋擲充填距離、爆破對(duì)礦體的影響、成本和第二步小藥量松動(dòng)爆破礦石壓頂落礦對(duì)采場(chǎng)頂板的破壞，提出了較高的要求[5-6]。既要求采用的爆破工藝和參數(shù)必須使削壁爆下的下盤(pán)廢石塊度均勻，大塊率低，拋擲距離達(dá)到充填采空區(qū)，對(duì)礦體破壞小，礦體保留較完整；同時(shí)又要求少許藥量松動(dòng)爆破礦石壓頂爆下時(shí)盡量不干擾頂板。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)采場(chǎng)的實(shí)際情況，礦體賦存及開(kāi)采技術(shù)條件，在調(diào)查研究了相關(guān)采礦爆破方案之后，確定拋擲爆破采用淺孔多段秒差順序爆破工藝，落礦爆破采用小藥量寬間距一段爆破工藝。為降低回采爆破部分的成本，獲取最佳的爆破參數(shù)，通過(guò)系列組合測(cè)試，得出其最佳的參數(shù)取值[7-8]。

1.1 多段秒差爆破參數(shù)優(yōu)化的基本原則

（1）安全、可靠、經(jīng)濟(jì)；

（2）拋擲充填效果好，爆堆塊度均勻；

（3）炸藥爆炸后釋放出的能量既能夠充分作用于礦巖，又不會(huì)破壞頂板。

1.2 多因素正交試驗(yàn)

對(duì)于淺眼定向拋擲充填爆破方法，在不同的參數(shù)取值情況下最后得到的結(jié)果都是不一樣的，其中比較突出的幾個(gè)要素是排距、炮孔角度、裝藥量所占炮孔容積的比例數(shù)值等。換而言之、要想在爆破后擁有比較理想的成效，則需要在施爆前分別選擇出3個(gè)要素相互匹配的最佳取值。由于巖層內(nèi)的情況是龐雜的，關(guān)于爆破參數(shù)的選取，當(dāng)下并沒(méi)有一種成熟可用的手段通過(guò)公式計(jì)算即可得到，參考前輩們的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值與實(shí)際情況相比還是有所偏差，因此最好的取值方式為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[9-10]。幾個(gè)參數(shù)組合起來(lái)的情況以?xún)绱畏降男问蒋B加，如果把每一種配對(duì)情況都加以試驗(yàn)，那么需要付出巨大的成本，反而事倍功半。為減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)依據(jù)正交試驗(yàn)法（3因素3水平），求得最適合的參數(shù)取值[11-12]。以便控制采幅，減少超挖圍巖的情況，貧損值得到很好控制，擁有比較理想的拋擲功效充填采空區(qū)。

設(shè)計(jì)正交表中包含的不同水平和因素?cái)?shù)目均為3個(gè)，選擇影響爆破作用的3個(gè)主要成分：排距、炮孔角度以及裝藥系數(shù)；三水平即對(duì)應(yīng)于每個(gè)要素，在數(shù)值符合正常試驗(yàn)的界限內(nèi)選3個(gè)有代表意義的數(shù)值，試驗(yàn)主要參數(shù)選擇見(jiàn)表1所示。

表1 秒差爆破主要試驗(yàn)參數(shù)取值表

采場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)照表格標(biāo)記每種不同試驗(yàn)的編號(hào)，根據(jù)這些編號(hào)的因素互相匹配，共有 27組不同的匹配參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這些匹配的參數(shù)一一展開(kāi)驗(yàn)證。

考察目標(biāo)為炮孔利用率、超挖系數(shù)和拋擲率，現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)在多個(gè)試驗(yàn)采場(chǎng)中同時(shí)進(jìn)行。選擇YT-27型氣腿子鉆機(jī)進(jìn)行打孔，孔徑為Φ40 mm，深度為1.6～1.8 m，2號(hào)巖石炸藥放炮，非電秒差導(dǎo)爆管起爆，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定炮孔利用率、超挖系數(shù)和拋擲率情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

炮孔利用率考核實(shí)施爆破后是否具有良好成效；超挖系數(shù)考核拋擲爆破接近礦體底板的上部炮孔爆破對(duì)礦體的影響，太近會(huì)使爆破帶下礦石和爆下的下盤(pán)巖石一起拋入采空區(qū)充填，增加采礦損失率；太遠(yuǎn)會(huì)使拋擲爆破后，留在礦體底部的下盤(pán)巖石過(guò)厚，這部分巖石會(huì)在落礦爆破后混入礦石中，增加采礦的貧化率；試驗(yàn)設(shè)計(jì)最上邊的拋擲炮孔與礦體底板的距離為 0.3 m。拋擲率考核拋擲充填效果，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算拋擲3 m以外的巖石量與爆下巖石量之比。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2開(kāi)展單個(gè)指標(biāo)的R值研究，即求出每一個(gè)指標(biāo)內(nèi)各個(gè)要素的不同水平的總數(shù)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ還有不同水平的平衡值Ⅰ/9、Ⅱ/9、Ⅲ/9和 R，從中找到相互匹配最合適的指標(biāo)，并依次羅列出各個(gè)要素的重要程度。

表2 秒差爆破正交試驗(yàn)結(jié)果

觀察表3中極差值R的大小能夠得知，各因素對(duì)炮孔利用率產(chǎn)生的作用大小為，R1＞R2＞R3，即排距的R值最大為7.55，影響最為顯著；炮孔角度的R值為4.09，占排距的54.17%，產(chǎn)生的影響次之，炮孔裝藥量系數(shù)的R值3.73，占排距的49.4%，產(chǎn)生的影響最小。對(duì)采幅超挖系數(shù)的影響而言，R3＞R2＞R1，即裝藥量系數(shù)的R值為0.12，影響最顯著；排距的R值為0.09，占最大R值的75%，產(chǎn)生的影響次之；炮孔角度的R值為0.08，占最大R值的66.7%，產(chǎn)生的影響最小。各因素對(duì)拋擲率產(chǎn)生的影響主次關(guān)系和炮孔利用率一致，但所占比例不同，這里數(shù)學(xué)計(jì)算方面的內(nèi)容不再贅述。綜上所示，3個(gè)因素A、B、C對(duì)爆破效果優(yōu)劣的作用主次關(guān)系為 RA＞RB＞RC，即排距最大，接著是角度，裝藥系數(shù)最小。由上述試驗(yàn)結(jié)果分析和根據(jù)因素?指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制圖能夠得到，以炮孔利用率，超挖系數(shù)、拋擲率為主要考察目標(biāo)，同時(shí)考慮炸藥單耗和成本，拋擲爆破最佳參數(shù)為排距0.8 m，炮孔角度45°，裝藥系數(shù)0.56。

表3 爆破效果分析

圖1 因素-指標(biāo)關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

（1）就各因素對(duì)某礦山的控制爆破效果優(yōu)劣產(chǎn)生影響的大小，通過(guò)正交試驗(yàn)的手段對(duì)其開(kāi)展定量分析，由結(jié)果可知：排距對(duì)爆破效果產(chǎn)生的影響最大，隨之炮孔角度和裝藥系數(shù)所產(chǎn)生的影響依次降低，且當(dāng)排距為0.8 m，炮孔角度為45°，裝藥系數(shù)為0.56時(shí)，爆破效果和初始目標(biāo)最接近。

（2）試驗(yàn)得出的參數(shù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，采用正交試驗(yàn)的手段可以將現(xiàn)場(chǎng)尋求最佳參數(shù)組合過(guò)程中試驗(yàn)的次數(shù)大大降低，即人員的付出、所有物資的消耗、經(jīng)濟(jì)成本各方面的成本都會(huì)減少。在今后類(lèi)似情況需要尋求爆破參數(shù)的最佳組合時(shí)，該方法不失為一個(gè)簡(jiǎn)便、快捷、高效的手段。

（3）優(yōu)化爆破參數(shù)需要系統(tǒng)且全面的綜合考慮，務(wù)必要跟現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況相結(jié)合，以便及時(shí)有效地調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，從而取得預(yù)期的效果。