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矿山爆破优化设计研究及应用
摘要
矿山爆破中，大块率一直是一个重要的问题。本文针对大块率高的问题,进行了“降低采场大块率,实施爆破优化设计”的研究。通过建立爆破优化数学模型,并进行模型试脸和工业性试验,得出了爆破优化参数。实验结果证明了采用举破优化不但切实可行,而且经济合理。

关键词爆破优化经济数学模型模拟试验工业试脸

爆破作业是矿山生产的主要环节,提高爆破质量不仅是技术上的要求,而且对提高矿山经济效益也至关重要,针对不同的条件和环境作出最优的爆破设计并有效的实施是决定爆破质量的关键。很多矿山企业长期以来一直坚持对爆破技术的改进,如推行小抵抗线内封闭微差爆破技术、宽孔距技术等,对改善爆破效果起到了积极的作用。但由于各矿山的地质结构比较复杂、节理裂隙尤为发育,通过一种方式很难达到爆破的预期效果,爆破大块率仍然很高(依各矿山的破碎机入口尺寸而定),爆堆极不规则,爆破质量不佳,影响了矿山生产过程中铲装、运输、破碎等后续工艺的效率和总成本的降低。为此,对矿山爆破进行优化显得尤为重要。矿山爆破优化旨在推广应用矿山爆破先进技术,合理确定爆破参数,以期达到预期的爆破效果,降低采矿作业总成本。
1爆破优化设计的主要方法
爆破效果(指大块率、块度组成、爆堆的形态等)不仅反映了爆破设计参数和爆破方法的准确性、合理性,同时也直接影响着铲装、运输、破碎等后续工序和采矿总成本。一般情况下,穿孔爆破成本随着爆破质量的降低而增加,而后续工序的作业成本则随着爆破作业质量的提高而降低,在理论上则存在着使采矿总成本为最低的“最佳爆破效果”,其关系如图1所示。爆破优化设计就是寻求“最佳爆破效果,以实现采矿作业总成本为最低”的爆破参数,主要包括两项基本内容:一是爆破效果的准确评价,二是爆破优化。其中,爆破优化是以建立准确的爆破效果评价体系为前提的,在它的基础上建立符合实际的优化模型并应用于生产。

评价爆破效果的优劣就是要确定评价爆破质量的指标体系。目前,在评价爆破质量的诸多指标中,比较重要又被国内外爆破界研究人员认可的是大块率和平均块度两个指标,其分别描述的是不合格块度的比例和块度组成的均值,如果用C代表采矿总成本，和分别代表大块率和平均块度,其关系式那么,“爆破优化”这一过程则可表示为:
对爆破优化的研究工作,国内外学者均做了大量的探索和研究,研究方法和手段主要有两种:
(l)从爆破机理入手,用岩石破碎的极限强度准则和能量准则判断,根据爆炸应力波理论,在岩石被节理裂隙分割的基础上,通过一些必要的简化和假设,得到岩石被破碎后形成的块度。在这方面研究较早并具代表性的是澳大利亚的哈里斯模型和加拿大的布拉斯模型,但这两种模型过于理想化,结果与实际差异较大。
(2)从现场资料统计着手,根据矿山现场测试的实际数据,经过数理统计分析,探讨爆破参数、爆破块度与矿山各主要工序成本之间的统计规律,建立一系列的经验公式,形成经验模型。在此方面尤以R一R分布、G一G一S分布、G一M分布较为实用。由于这些分布形式是通过统计数据适当处理而得到的,在实际应用中具有一定可靠性,然而由于研究条件和范围的限制,这些模型并不是通用的,在具体应用中,应根据矿山实际情况加以修正。通过爆破质量评估模型的确立,就可根据该模型对矿山爆破效果的预测,建立爆破优化的数学经济模型,确立合理的爆破参数和爆破方法。
2爆破优化经济数学模型的建立
目前很多矿山均属地质条件比较复杂的矿体,受结构面弱控制,裂隙比较发育,爆破效果不佳,大块率产出较高,采矿成本居高不下,因此,必须进行矿山爆破优化,建立优化经济数学模型,确定合理的爆破参数。下面以石灰石矿为例,阐述矿山爆破优化。
2.1块度方程
爆破块度分布是影响采矿作业成本的主要因素,因此,爆破优化数学经济模型的建立应以爆破效果评价为基础,首先建立爆破优化的块度方程。爆破优化块度方程是根据矿山实际,从现场资料统计分析入手,通过采用R一R分布方程式,并结合南非Cunningham所提出的块度均匀性指数n的计算表达式而建立的。即

2.2爆破优化经济数学模型
根据各种试验研究和矿山爆破经验,对爆破块度分布起主导作用的爆破参数是炮孔间距、排距、炸药单耗、密集系数等。因此,在建立矿山爆破优化经济数学模型时,决定以采矿总成本为因变量,以炮孔间距、排距、炸药单耗、密集系数为自变量。即采矿总成本为:

从采场到破碎站的运输费用。
综合(5)(6)(8)(9)(10)式,代入(4)式,可得出矿山爆破优化经济数学模型:

2.3数模计算及结果
计算约束最优化的解法很多,如随机试验法、随机方向探索法、复合形法、可行方向法、可容变差法等等,其中复合形法因为简捷和易于编程而被广泛应用。
复合形法的基本思路来源于无约束优化算法中的单纯形法,其迭代过程是:在设计变量的可行域内,随机选取K个顶