中小型露天礦山爆破飛石最遠飛散距離預測研究

賈達 陳星明 莫超 劉小平 龍林健

(西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010)

0 引言

我國中小型露天礦山企業約占95%，大型非煤露天礦山企業約占到5%，安全生產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的安全生產事故，爆破飛石作為礦山爆破開采的六大危害之一，對周邊人、機、環境造成破壞，容易導致人員傷亡、設備破壞等安全生產事故，給中小型露天礦山企業安全生產帶來了極大的困擾。目前，國內外學者對爆破飛石飛散距離進行了大量的研究，有學者根據爆破經驗總結了爆破飛石飛散距離的計算公式，也有學者根據量綱法對爆破飛石進行了研究，還有一些學者通過物理相似試驗、現場實驗等對爆破飛石最大飛散距離進行研究[1]，但沒有公認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，礦山現場爆破的參數、礦山的規模、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復雜的能量轉化過程，結合著礦山開采條件的復雜性，我國現在的爆破飛石理論跟不上生產實踐，爆破飛石飛散距離只能憑借經驗估摸，容易引發安全生產事故，對礦山生產有極大的困擾。四川省某縣盛產石灰石，境內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，對該縣石灰石礦山爆破飛石問題進行現場調研，總結相關影響因素，為爆破飛石最遠飛散距離的研究積累了經驗。本文對中小型露天礦山爆破飛石最遠飛散距離深入研究，得出科學合理的爆破飛石最遠飛散距離預測公式，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性建議，減少安全生產事故，實現安全作業。

1 爆破飛石飛散距離的影響因素

根據現場調研、實地考察，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、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動狀態，4種因素共同決定著爆破飛石飛散距離。

(1)巖石性質。爆破巖石種類不同物理性質也不同，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，爆破巖石種類對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%，爆破飛石安全生產事故主要集中在石灰石礦山，非常容易產生爆破飛石。

(2)礦山炸藥單耗選擇。炸藥單耗指對1 m3巖石爆破所需用的炸藥量，中小型露天礦山臺階爆破單位炸藥的消耗量與巖石堅固系數有關，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開采爆破中，炸藥單耗是臺階爆破的一個重要參數，臺階爆破主要為了松動巖石，爆破能量用于礦體破碎，而不是引發不必要飛石、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，單孔裝藥量就會超標，從而引發能量超標，臺階爆炸中多余的能量將加大爆破飛石的飛散距離，造成更加強烈的拋擲和更多的飛散物，從而增大了人員傷亡、設備破壞的事故概率。

(3)最小抵抗線。中小型露天礦山臺階爆破底盤抵抗線的選擇非常重要，臺階爆破后，爆破能量引發巖體內部發生應力變化，同時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生破碎，最小抵抗線處是能量釋放的區域，因為臺階巖石抵抗力最小，此處的巖石初速度最大，導致爆破飛石飛行距離最遠[3]。四川省某縣主要是石灰石礦，且多為山坡露天礦，礦權范圍內開采標高差小于180 m，臺階高度為10～15 m，最小抵抗線在6～12 m之間。如果露天礦山臺階爆破選擇科學、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階爆破過程中出現大量飛石，同時實現對爆破飛石最遠飛散距離的控制。

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

2 正交試驗

2.1 正交試驗方案研究

正交試驗利用正交表的特性，將多因素、多水平進行組合，將典型的、有科學意義的點從全面試驗中挑選出來進行試驗[4]，實現以最少、最佳的試驗次數達到與全面試驗等效的結果，是一種科學、省時的多因素試驗設計方法[5]。

本文以中小型露天石灰石礦山為背景進行研究，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。該縣中小型露天礦山生產規模多為30萬t/a(11.5萬m3/a)，一年生產時間為300 d，則礦山每次爆破的礦石量為5 770 m3。本試驗選用炸藥單耗(A)、最小抵抗線(B)和邊坡高度(C)作為影響因素，爆破飛石最遠飛散距離(D)作為試驗指標，采用正交試驗，列出每組試驗的具體條件，將各因素各水平值填入正交表中，正交試驗各因素及水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平

根據各因素水平設計，本試驗為3因素4水平的正交試驗，不考慮因素間交互作用，選用正交表L16(43)進行試驗，試驗模擬方案如表2所示。

表2 正交試驗方案

2.2 模擬爆破飛石最遠飛散距離

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、能量和反彈高度進行風險分析和提出安全措施。

應用飛石模擬軟件對不同條件組合下的飛石最遠飛散距離進行模擬，了解爆破飛石飛散距離，并得出模擬分析結果。部分爆破飛石飛散距離模擬圖如下，其中4號、7號、10號和13號試驗飛散距離最遠，模擬結果見圖1—圖4。

圖1 4號試驗爆破飛石最遠飛散距離

圖2 7號試驗爆破飛石最遠飛散距離

圖3 10號試驗爆破飛石最遠飛散距離

圖4 13號試驗爆破飛石最遠飛散距離

根據表3正交試驗結果可知：13號試驗飛石飛散距離最遠，快要達到礦山周邊安全距離300 m；16號試驗飛石飛散距離最近，應做好防止爆破飛石在邊坡滾落傷人的措施；整體上該正交試驗結果與實際爆破飛石最遠飛散距離較吻合。

表3 正交試驗結果

2.3 正交試驗結果分析

基于正交試驗理論，對模擬試驗得到爆破飛石最遠飛散距離進行方差分析[6]，可以確定可控因素對試驗結果影響力的大小；進行極差分析，則可以較為簡潔地看出試驗因素對試驗結果的影響趨勢。

根據對各因素的方差分析，可知各因素對于爆破飛石最遠飛散距離的顯著性強弱：邊坡高度顯著性強；最小抵抗線顯著性較強；炸藥單耗顯著性較弱。

根據對各因素極差分析，影響爆破飛石最遠飛散距離主要因素敏感性由強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

線性回歸是系統工程中的一種數據分析方法，是確定多種變量間的定量關系的一種統計方法，近些年來在數據分析、統計和預測領域運用十分廣泛[7]。基于上文正交試驗可知，邊坡高度、炸藥單耗、最小抵抗線對爆破飛石最遠飛散距離有著明顯影響。根據正交試驗分析和結果利用線性回歸的方法，建立一個合理的中小型露天礦山爆破飛石最遠飛散距離預測模型[8]。

3.1 模型建立

基于上述模擬試驗可知，邊坡高度、炸藥單耗、最小抵抗線對爆破飛石最遠飛散距離有著明顯影響，本文利用回歸分析的方法對試驗結果進行分析，利用SPSS軟件，采用線性回歸方法，建立一個合理的中小型露天礦山爆破飛石最遠飛散距離預測模型，建立的預測模型如下：

F=C+a0A+a1B+a2C

(1)

式中，F為爆破飛石最遠飛散距離；C為回歸方程中常數項；a0、a1、a2為回歸系數。

3.2 回歸計算結果

回歸計算可通過計算機由SPSS運算解得，運算程序可以求得回歸系數和統計系數，并通過了回歸顯著性檢驗，模擬和線性分析所得到的回歸計算結果較為可靠，具體為

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

(2)

4 實例應用

某中小型露天礦山最低開采臺階平臺標高確定為+610 m，最高開采臺階平臺標高為+790 m(見圖5)，開采礦種為石灰巖，生產規模30萬t/a，開采方式為露天開采。爆破參數如下：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。

該礦山標高為+790 m、+780 m臺階爆破飛石飛散距離最遠，通過對標高為+790 m、+780 m臺階爆破飛石現場調研，該礦山臺階爆破飛石飛散最遠距離為294 m，預測公式爆破飛石飛散最遠距離為302 m，相差8 m，在可允許的誤差范圍之內，由此得出爆破飛石最遠飛散距離的預測公式較為可靠。

圖5 礦山刨面

5 結論

應用正交試驗+數值模擬+回歸分析預測中小型露天礦山各種條件下的爆破飛石最遠飛散距離，并得出科學、合理的爆破飛石最遠飛散距離預測公式，能夠滿足中小型露天礦山臺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雜，通過正交試驗+數值模擬+回歸分析預測爆破飛石最遠飛散距離，借助正交試驗可以很好地解決這一難題，充分顯示了該方法的優越性。如果能夠在中小型露天礦山的臺階爆破過程中獲得更多對爆破飛石最遠飛散距離有影響的參數，作為影響因素帶入正交試驗中，可以進一步提高預測精度[9]。