露天礦山巖石可爆性分區(qū)的探討

露天礦山巖石可爆性分區(qū)的探討

1爆破特性及分級(jí)傳統(tǒng)的巖石分類，包括巖石樣品分類，是巖石作為抽樣單元，根據(jù)不同的測(cè)量單號(hào)進(jìn)行綜合評(píng)估，并確定某些指標(biāo)作為分類的參考。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(guó)LivingstonC.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(guó)邦德以破碎功指數(shù)進(jìn)行分級(jí)。1960年美國(guó)狄爾等人提出并(現(xiàn)已為美國(guó)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(guó)肯尼特銅礦使用地震測(cè)量法確定巖石可爆性。東北工學(xué)院于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(guó)內(nèi)首次了提出我國(guó)的巖石爆破性分級(jí)表。長(zhǎng)沙礦山研究院于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露天礦巖體的爆炸性區(qū)域和需求2.1鐵、稀土、鈮礦帶巴潤(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)10km,南北寬1km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爆破性分區(qū)的提出、發(fā)展及應(yīng)用概況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?；谝陨戏治?北京科技大學(xué)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爆破方式的確定巖體對(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爆破過程中的下抗壓、拉強(qiáng)度爆破時(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,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爆破參數(shù)變化對(duì)破碎程度的影響巖體內(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%”,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重復(fù)與排除分區(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)礦巖體爆炸區(qū)可分為兩種類型4.1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巖相特征區(qū)域或巖單元根據(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宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造巖石的力學(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0.81MHz)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爆破分區(qū)的數(shù)學(xué)模型開采中的巖體是復(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)介紹設(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:Yij={αijx,x∈[0,λij(2)]Yij(s),x∈[λij(2),∞](1)Yij={αijx,x∈[0,λij(2)]Yij(s),x∈[λij(2),∞](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:Yij={αijx,x∈[λij(1),λij(2)]Yij(s)-αij[x-λij(2)],x∈[λij(2),λij(3)](2)Yij={αijx,x∈[λij(1),λij(2)]Yij(s)?αij[x?λij(2)],x∈[λij(2),λij(3)](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:Yij={Yij(s),x∈[λij(1),λij(2)]Yij(s)-αij[x-λij(2)],x∈[λij(2),λij(3)](3)Yij={Yij(s),x∈[λij(1),λij(2)]Yij(s)?αij[x?λij(2)],x∈[λij(2),λij(3)](3)5.2t[ykjs#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:Τ∶{Ykj(s)}→{λks(2)}(4)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:ηkj=λkj(2)4∑j=1λkj(2),{k=Ι,ΙΙ,ΙΙΙj=1,2,3,4}(5)ηkj=λkj(2)∑j=14λkj(2),{k=I,II,IIIj=1,2,3,4}(5)5.3求分區(qū)向量先求出分區(qū)系數(shù)σik:σik=4∑j=1Ykj(dij)?ηkj,{k=Ι,ΙΙ,ΙΙΙi=1,2,?,68}(6)σik=∑j=14Ykj(dij)?ηkj,{k=I,II,IIIi=1,2,?,68}(6)然后求分區(qū)向量σi:σi={σi1,σi2,σi3,?,σik}(7)σi={σi1,σi2,σi3,?,σik}(7)5.4爆破設(shè)計(jì)分區(qū)在分區(qū)向量中求出最大元素σ#ik#ik:σ#ik=max{σik}(8)從最大元素σ#ik即可判斷樣本i屬于k區(qū)。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。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特征指標(biāo)的選擇1)礦山開