基于可靠度分析的平巷掘進爆破參數優化研究

童建華，史秀志，陳佳耀，熊木輝，劉桂鵬，方志龍

(1.大冶有色集團控股有限公司，湖北黃石市 435005；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

基于可靠度分析的平巷掘進爆破參數優化研究

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.大冶有色集團控股有限公司，湖北黃石市 435005；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙 410083)

針對銅山口銅礦巷道掘進過程中巖石特性復雜、爆破振動難預測、單循環進尺低等問題，運用可靠度原理與安全系數相關關系，對影響巷道爆破的炮眼直徑、炮眼數目、炮眼深度、炮眼角度、裝藥卷數、炮眼間距等6個主要參數進行組合試驗，并結合爆破振動峰值合速度及主振頻率等數據的監測，對銅山口巷道爆破掘進的過程中的數據進行綜合分析。研究表明：6個因素對巷道掘進過程的振動影響較大，其中最大段藥量是直接影響振動峰值合速度的直接因素，同時振動頻率主要集中在100～150 Hz范圍內；各參數下的可靠度指標與安全系數非線性正相關，且可靠度收斂于和影響作用大小相關的特定值。同時，安全系數為1.5時可以保證較大的可靠度和掘進的效率；通過適當調整掘進過程中的爆破參數，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周邊孔的個數以及孔間距等，取得了較好的現場試驗結果。

巷道掘進；可靠度指標；安全系數；爆破振動

為解決銅山口礦巷道掘進過程中巖石特性復雜、爆破振動難控制、單循環進尺低等問題，本文借鑒試驗數組和可靠度分析原理，結合銅山口礦地下巖體物理力學參數進行爆破參數研究，并根據可靠度指標進行對應參數的井下巷道掘進試驗。針對掘進效率指標來定義掘進參數的可行性，為綜合研究多參數問題的系統提供一種有利的預測和分析方案。

1 巷道掘進爆破參數

銅山口銅礦位于大冶市南西18 km處，隸屬大冶市陳貴鎮銅山口管理區。礦區為低山垅崗地形，一般海拔高程為100 m左右，最大相對高差159 m。礦山的地質復雜程度屬中等類型，礦體圍巖巖性較復雜，頂底板大理巖、巖漿巖、矽卡巖兼有，大理巖中含裂隙較多。巖石硬度系數一般在8～12，地質構造發育，巖溶作用程度中至強，巖石蝕變較強烈。礦體圍巖巖石力學強度變化大，深部井巷圍巖穩定較好而淺部較差。隨著礦山的不斷發展，2010年礦山由露天開始轉入地面和井下聯合開采階段，同年10月井下工程開工，大量的工程掘進需要施工。在工程施工期間遇到了不少的問題，為加快工程進度，就提高掘進爆破效率開展了攻關工作。

1.1 巷道掘進爆破參數確定

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

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

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

(3)炮眼深度。炮眼的深度受到多個因素的影響，主要包括巖石本身性質、炸藥性質、巷道尺寸、鑿巖設備等。根據銅山口設備選型的實際，炮眼深度以2～3 m為基準。合理的炮眼深度應以高效低成本以及便于滿足正規循環作業為基準，掏槽眼深度

應略大于周邊眼深度。

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

(5)裝藥卷數。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，炸藥的卷數會改變爆破的最大抵抗線，從而影響掘進過程中的爆破效果。藥卷數和炮孔深度直接相關，故可以通過深度和最大抵抗線確定藥卷數目。

(6)炮眼間距。掘進斷面大小對于炮孔的總體規劃影響較大，炮孔間距直接影響到周邊孔的布置，銅山口礦研究的掘進巷道斷面尺寸為3.9 m×3.2 m，故對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爆破參數有如下規定：周邊眼間距控制在400～600 mm；最小抵抗線控制在500～700 mm；周邊眼單位長度裝藥量控制在150～200 g/m。同時，掘進質量要求滿足：超挖不大于200 mm，欠挖不大于50 mm；井幫巖面無明顯的炮震裂隙；圍巖眼痕率不少于50%。

1.2 安全系數與可靠度原理分析

為了系統的分析巷道掘進過程中多參數優化問題，采用可靠度及回歸分析研究爆破掘進問題，通過測量巷道爆破開挖過程中的爆破振動情況及松動圈的監測反映掘進的可靠度指標。該指標是通過具體數值進行衡量，可靠度指標研究方法很多，本文利用非正態分布變量的一次二階矩法驗算點法(AFORM)，結合迭代運算法進行驗算點的綜合求解，而該驗算點是可靠分析中的測試點，即在巷道掘進過程中布置監測的關鍵點，如圖1所示，圖(a)為振動傳感器位置，圖(b)為松動圈測點布置，其中，測孔深度為2.5 m，距巷道底板1.5 m，各孔距3 m。通過將相關的非正態隨機變量變為獨立標準正態分布類型進行可靠度與安全系數的換算，主要計算步驟如下。

令影響爆破掘進的參數為變量x，則該因子下的驗算點為x′，結合分布函數、概率密度函數等價變換的原則確定當量正態量xi′，求得其標準差μxi和方差為σxi，根據驗算點分布原則得：

得：

結合密度函數對應的驗算點值相等條件：

得：

式中，Φ(·)、Φ-1(·)分別是標準正態分布函數及其反函數，且φ(·)為Φ(·)的概率密度函數。根據相關關系得出當量化后的對數正態隨機變量的均值、標準差、可靠度β分別為：

對上式的可靠指標在驗算點法原理的基礎上迭代求解，得出極限方程g(X1，X2，X3，...，Xn)＝0。為分析安全系數與可靠性的相關關系，進一步進行計算，而安全系數F為：

通過上述轉換關系得出F、β滿足式(9)，其中Xi、Xi′均服從正態分布：

通過上述研究方法建立可靠度、安全系數之間的關系，可進一步研究爆破參數優化問題，在不同參

數的試驗過程中，通過檢測爆破振動和安全系數等參數，最終確定各參數條件下的可靠度指標。

圖1 測點布置

2 巷道掘進試驗結果與分析

通過調整上述炮眼直徑、炮眼數目、炮眼深度、炮眼角度、裝藥卷數、炮眼間距等參數值，得到多組可行試驗數組，根據試驗方案進行多組巷道掘進爆破試驗。另外，監測相應爆破振動和松動圈情況進行掘進爆破綜合分析研究，得出相應的安全系數和可靠度指標。

2.1 巷道掘進爆破試驗

銅山口銅礦通過對同一巷道設計12組試驗，分別對6個參數下的多個參數值進行規律研究，通過布置的監測點進行振動數據的收集，主要包括峰值合速度和主振頻率，統計結果見表1。可見，爆破過程中的峰值合速度同炮孔直徑、數目、深度、角度等沒有直接關系，在一定程度上同裝藥總量正相關，主振頻率同峰值合速度的相關關系不明顯。根據巷道掘進過程中的另一重要指標顯示，峰值合速度同最大段藥量成正相關，最大段藥量越大，則引起的周邊振動越明顯。同時，通過測得的主振頻率可得，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條件下的主振頻率在某范圍趨于上下波動。

表1 爆破掘進的振動測試及統計

為進一步驗證爆破參數的影響特點，在前面研究基礎上進行拉槽孔、周邊孔的重新布置，根據巷道斷面的尺寸適當在周邊布置斜眼，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，同時在拉槽眼周邊布置多圈周邊眼，該區域是以拉槽眼的空間為自由面側向崩礦。起爆順序為：拉槽眼、輔助掏槽眼、由內及外的周邊眼，靠近巷道邊壁位置采用光面爆破，以保護邊幫，尤其是針對周邊巖性較為復雜區域。

根據圖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，炸藥利用率高等優點。

2.2 可靠度分析

由上文得到的關于安全系數和可靠度的相關關系公式(9)，對文中分析的影響巷道掘進的6個因素進行響應面研究，根據研究函數繪制函數關系見圖3，其中F代表安全系數，β代表掘進安全可靠度。6個參數對應的曲線不同，但有多個相同特征：

(1)安全系數與可靠度的相關關系為非線性正相關；

圖2 巷道斷面炮孔布置

圖3 不同參數條件下安全系數F和可靠度指標的相關關系

(2)6個因素對應的可靠度始終隨著安全系數的增大而增大，但不會無限增大，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)不同安全系數對應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，安全系數大于1.5后可靠度的指標增速明顯減小，故在巷道掘進過程中，安全系數保持在1.5對于回采安全的可信性更大，此時可靠度和掘進效益綜合水平較高。

3 結 論

(1)通過對影響銅山口巷道掘進的6個主要因素進行分組試驗研究，采用振動數據的監測和主振頻率的記錄，得出6個因素對巷道掘進過程的振動影響較大，其中最大段藥量是直接影響振動峰值合速度的直接因素。對于該礦山的巖性，振動頻率主要集中在某一個范圍內，且超出該范圍的數據較少，可采用相應的支護措施以減小在復雜圍巖條件下的過度振動情況。

(2)結合安全系數和可靠度的相關關系原理，對6個主要的影響因素進行函數圖形的繪制，結果顯示，可靠度指標與安全系數非線性正相關，且趨于某一特定值，該值的大小和影響作用大小相關。同時安全系數1.5可以保證較大的可靠度和掘進的效率。

(3)通過適當調整掘進過程中的爆破參數，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周邊孔的個數以及孔間距等，取得了較好的現場試驗結果。

[1] 王創業，張飛天，韓萬東.基于神經網絡的露天礦爆破參數優化研究[J].金屬礦山，2011(03)：57-59.

[2] 閆大洋.露天礦臺階預裂爆破參數優化的研究與應用[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[3] 潘 東.深孔爆破參數智能優化及爆破效應控制研究[D].長沙：中南大學，2010.

[4] 范金國.露天臺階爆破參數優化及反饋式設計軟件開發[D].湘潭：湖南科技大學，2011.

[5] 李廷春，劉洪強.煤礦下山巷道爆破掘進技術試驗研究[J].巖土力學，2012(01)：35-40，47.[6] 汪海波，宗 琦.煤礦軟巖巷道掘進爆破振動特性研究[J].巖石力學與工程學報，2012(S2)：3876-3881.

[7] 高文樂，周奧博，張 強.堅硬巖石巷道爆破掘進參數優化[J].爆破，2015(02)：64-67，105.

[8] 李 家.人工神經網絡在露天礦爆破參數優化中的應用研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2013.

[9] 常東升，李延林，成光武.優化爆破參數對提高巖石巷道掘進效率的探討與實踐[J].煤炭技術，2007(02)：135-137.

[10] 胡勇輝.沉積巖礦井下采場深孔爆破參數優化與數值模擬研究[D].贛州：江西理工大學，2014.

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及管理工作，Email：913619493＠qq.com。