中小型露天礦山爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離預(yù)測(cè)研究

賈達(dá) 陳星明 莫超 劉小平 龍林健

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

0 引言

我國(guó)中小型露天礦山企業(yè)約占95%，大型非煤露天礦山企業(yè)約占到5%，安全生產(chǎn)事故主要集中在中小型露天礦山。爆破事故是僅次于邊坡失穩(wěn)的安全生產(chǎn)事故，爆破飛石作為礦山爆破開采的六大危害之一，對(duì)周邊人、機(jī)、環(huán)境造成破壞，容易導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備破壞等安全生產(chǎn)事故，給中小型露天礦山企業(yè)安全生產(chǎn)帶來了極大的困擾。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆破飛石飛散距離進(jìn)行了大量的研究，有學(xué)者根據(jù)爆破經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了爆破飛石飛散距離的計(jì)算公式，也有學(xué)者根據(jù)量綱法對(duì)爆破飛石進(jìn)行了研究，還有一些學(xué)者通過物理相似試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等對(duì)爆破飛石最大飛散距離進(jìn)行研究[1]，但沒有公認(rèn)的爆破飛石飛散距離理論公式，畢竟影響爆破飛石的因素是多方面的，礦山現(xiàn)場(chǎng)爆破的參數(shù)、礦山的規(guī)模、邊坡高度等都是影響爆破飛石飛散距離的因素。

露天礦山開采爆破是一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化過程，結(jié)合著礦山開采條件的復(fù)雜性，我國(guó)現(xiàn)在的爆破飛石理論跟不上生產(chǎn)實(shí)踐，爆破飛石飛散距離只能憑借經(jīng)驗(yàn)估摸，容易引發(fā)安全生產(chǎn)事故，對(duì)礦山生產(chǎn)有極大的困擾。四川省某縣盛產(chǎn)石灰石，境內(nèi)中小型露天石灰石礦山星羅棋布，且多為山坡露天礦。筆者以該縣中小型露天石灰石礦山為背景，對(duì)該縣石灰石礦山爆破飛石問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)相關(guān)影響因素，為爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離的研究積累了經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)中小型露天礦山爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離深入研究，得出科學(xué)合理的爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離預(yù)測(cè)公式，為四川省某縣中小型露天石灰石礦山劃定合理的安全警戒范圍提供指導(dǎo)性建議，減少安全生產(chǎn)事故，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。

1 爆破飛石飛散距離的影響因素

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)地考察，得出影響中小型露天礦山爆破飛石飛散距離的因素主要有巖石性質(zhì)、炸藥單耗、最小抵抗線和邊坡高度，其中炸藥單耗、最小抵抗線決定著飛石的初始速度，邊坡高度決定著飛石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，4種因素共同決定著爆破飛石飛散距離。

(1)巖石性質(zhì)。爆破巖石種類不同物理性質(zhì)也不同，脆性大、硬度大的爆破巖石在相同抵抗線和爆炸單耗的情況下飛石飛散距離更遠(yuǎn)，爆破巖石種類對(duì)飛石飛散距離有極大的影響。而四川省某縣以開采石灰石為主，石灰石礦山占90%，爆破飛石安全生產(chǎn)事故主要集中在石灰石礦山，非常容易產(chǎn)生爆破飛石。

(2)礦山炸藥單耗選擇。炸藥單耗指對(duì)1 m3巖石爆破所需用的炸藥量，中小型露天礦山臺(tái)階爆破單位炸藥的消耗量與巖石堅(jiān)固系數(shù)有關(guān)，不同的巖石炸藥單耗不同，四川省某縣主要是石灰石礦，單位炸藥消耗量在0.35～0.5 kg/m3。在中小型露天礦山生產(chǎn)開采爆破中，炸藥單耗是臺(tái)階爆破的一個(gè)重要參數(shù)，臺(tái)階爆破主要為了松動(dòng)巖石，爆破能量用于礦體破碎，而不是引發(fā)不必要飛石、振速和沖擊波[2]。在礦山邊坡開采爆破過程中，如果采用較大的炸藥單耗，單孔裝藥量就會(huì)超標(biāo)，從而引發(fā)能量超標(biāo)，臺(tái)階爆炸中多余的能量將加大爆破飛石的飛散距離，造成更加強(qiáng)烈的拋擲和更多的飛散物，從而增大了人員傷亡、設(shè)備破壞的事故概率。

(3)最小抵抗線。中小型露天礦山臺(tái)階爆破底盤抵抗線的選擇非常重要，臺(tái)階爆破后，爆破能量引發(fā)巖體內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力變化，同時(shí)能量向巖體中最小抵抗線方向快速傳播，到自由面并使巖石產(chǎn)生破碎，最小抵抗線處是能量釋放的區(qū)域，因?yàn)榕_(tái)階巖石抵抗力最小，此處的巖石初速度最大，導(dǎo)致爆破飛石飛行距離最遠(yuǎn)[3]。四川省某縣主要是石灰石礦，且多為山坡露天礦，礦權(quán)范圍內(nèi)開采標(biāo)高差小于180 m，臺(tái)階高度為10～15 m，最小抵抗線在6～12 m之間。如果露天礦山臺(tái)階爆破選擇科學(xué)、合理的底盤抵抗線，可以合理利用爆破能量，滿足巖石破碎且避免臺(tái)階爆破過程中出現(xiàn)大量飛石，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離的控制。

(4)邊坡高度不同。飛散距離最遠(yuǎn)的爆破飛石在空中做拋物線運(yùn)動(dòng)，邊坡高度越高，需要下落的時(shí)間越久，飛石飛散距離越遠(yuǎn)。中小型露天礦山邊坡高度一般在40～180 m之間，不同的邊坡高度導(dǎo)致飛石的飛散距離也不盡相同。

2 正交試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)方案研究

正交試驗(yàn)利用正交表的特性，將多因素、多水平進(jìn)行組合，將典型的、有科學(xué)意義的點(diǎn)從全面試驗(yàn)中挑選出來進(jìn)行試驗(yàn)[4]，實(shí)現(xiàn)以最少、最佳的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與全面試驗(yàn)等效的結(jié)果，是一種科學(xué)、省時(shí)的多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[5]。

本文以中小型露天石灰石礦山為背景進(jìn)行研究，以礦山炸藥單耗、最小抵抗線和邊坡高度為主要因素，建立正交試驗(yàn)。該縣中小型露天礦山生產(chǎn)規(guī)模多為30萬(wàn)t/a(11.5萬(wàn)m3/a)，一年生產(chǎn)時(shí)間為300 d，則礦山每次爆破的礦石量為5 770 m3。本試驗(yàn)選用炸藥單耗(A)、最小抵抗線(B)和邊坡高度(C)作為影響因素，爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離(D)作為試驗(yàn)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)，列出每組試驗(yàn)的具體條件，將各因素各水平值填入正交表中，正交試驗(yàn)各因素及水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

根據(jù)各因素水平設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)為3因素4水平的正交試驗(yàn)，不考慮因素間交互作用，選用正交表L16(43)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M方案如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

2.2 模擬爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離

模擬軟件能夠分析危巖、高陡邊坡、爆破飛石等的滾落石的速度、能量和反彈高度，通過研究落石的速度、能量和反彈高度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和提出安全措施。

應(yīng)用飛石模擬軟件對(duì)不同條件組合下的飛石最遠(yuǎn)飛散距離進(jìn)行模擬，了解爆破飛石飛散距離，并得出模擬分析結(jié)果。部分爆破飛石飛散距離模擬圖如下，其中4號(hào)、7號(hào)、10號(hào)和13號(hào)試驗(yàn)飛散距離最遠(yuǎn)，模擬結(jié)果見圖1—圖4。

圖1 4號(hào)試驗(yàn)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離

圖2 7號(hào)試驗(yàn)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離

圖3 10號(hào)試驗(yàn)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離

圖4 13號(hào)試驗(yàn)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離

根據(jù)表3正交試驗(yàn)結(jié)果可知：13號(hào)試驗(yàn)飛石飛散距離最遠(yuǎn)，快要達(dá)到礦山周邊安全距離300 m；16號(hào)試驗(yàn)飛石飛散距離最近，應(yīng)做好防止爆破飛石在邊坡滾落傷人的措施；整體上該正交試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離較吻合。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

基于正交試驗(yàn)理論，對(duì)模擬試驗(yàn)得到爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離進(jìn)行方差分析[6]，可以確定可控因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響力的大小；進(jìn)行極差分析，則可以較為簡(jiǎn)潔地看出試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢(shì)。

根據(jù)對(duì)各因素的方差分析，可知各因素對(duì)于爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離的顯著性強(qiáng)弱：邊坡高度顯著性強(qiáng)；最小抵抗線顯著性較強(qiáng)；炸藥單耗顯著性較弱。

根據(jù)對(duì)各因素極差分析，影響爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離主要因素敏感性由強(qiáng)到弱依次是邊坡高度、炸藥單耗、最小抵抗線。

3 SPSS線性回歸分析

線性回歸是系統(tǒng)工程中的一種數(shù)據(jù)分析方法，是確定多種變量間的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法，近些年來在數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)領(lǐng)域運(yùn)用十分廣泛[7]?；谏衔恼辉囼?yàn)可知，邊坡高度、炸藥單耗、最小抵抗線對(duì)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離有著明顯影響。根據(jù)正交試驗(yàn)分析和結(jié)果利用線性回歸的方法，建立一個(gè)合理的中小型露天礦山爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離預(yù)測(cè)模型[8]。

3.1 模型建立

基于上述模擬試驗(yàn)可知，邊坡高度、炸藥單耗、最小抵抗線對(duì)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離有著明顯影響，本文利用回歸分析的方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，利用SPSS軟件，采用線性回歸方法，建立一個(gè)合理的中小型露天礦山爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離預(yù)測(cè)模型，建立的預(yù)測(cè)模型如下：

F=C+a0A+a1B+a2C

(1)

式中，F(xiàn)為爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離；C為回歸方程中常數(shù)項(xiàng)；a0、a1、a2為回歸系數(shù)。

3.2 回歸計(jì)算結(jié)果

回歸計(jì)算可通過計(jì)算機(jī)由SPSS運(yùn)算解得，運(yùn)算程序可以求得回歸系數(shù)和統(tǒng)計(jì)系數(shù)，并通過了回歸顯著性檢驗(yàn)，模擬和線性分析所得到的回歸計(jì)算結(jié)果較為可靠，具體為

F=181.25+56A-16.7B+1.103C

(2)

4 實(shí)例應(yīng)用

某中小型露天礦山最低開采臺(tái)階平臺(tái)標(biāo)高確定為+610 m，最高開采臺(tái)階平臺(tái)標(biāo)高為+790 m(見圖5)，開采礦種為石灰?guī)r，生產(chǎn)規(guī)模30萬(wàn)t/a，開采方式為露天開采。爆破參數(shù)如下：采用乳化炸藥、垂直孔、最小抵抗線8 m、穿孔孔深11 m、孔距4 m、排距3.5 m、炸藥單耗0.4 kg/m3。

該礦山標(biāo)高為+790 m、+780 m臺(tái)階爆破飛石飛散距離最遠(yuǎn)，通過對(duì)標(biāo)高為+790 m、+780 m臺(tái)階爆破飛石現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該礦山臺(tái)階爆破飛石飛散最遠(yuǎn)距離為294 m，預(yù)測(cè)公式爆破飛石飛散最遠(yuǎn)距離為302 m，相差8 m，在可允許的誤差范圍之內(nèi)，由此得出爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離的預(yù)測(cè)公式較為可靠。

圖5 礦山刨面

5 結(jié)論

應(yīng)用正交試驗(yàn)+數(shù)值模擬+回歸分析預(yù)測(cè)中小型露天礦山各種條件下的爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離，并得出科學(xué)、合理的爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離預(yù)測(cè)公式，能夠滿足中小型露天礦山臺(tái)階爆破劃定合理的安全警戒范圍的需要。

影響爆破飛石飛散距離影響因素非常復(fù)雜，通過正交試驗(yàn)+數(shù)值模擬+回歸分析預(yù)測(cè)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離，借助正交試驗(yàn)可以很好地解決這一難題，充分顯示了該方法的優(yōu)越性。如果能夠在中小型露天礦山的臺(tái)階爆破過程中獲得更多對(duì)爆破飛石最遠(yuǎn)飛散距離有影響的參數(shù)，作為影響因素帶入正交試驗(yàn)中，可以進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度[9]。