正交试验在抛掷爆破参数优化中的应用

郑文虎

(酒泉钢铁(集团)有限责任公司矿产资源开发中心， 甘肃 嘉峪关市 735100)

某矿山矿体如一层层连续的层状衍生，平面来看就像一个放大的扁豆体状。矿体厚度稳定，一般0.5～0.7 m，平均厚度0.59 m。顶板和底板的围岩以及矿脉的稳定性情况都比较好，矿岩层间易于辨识，水文条件简单。矿山现采用全面法开采，但存在采矿安全性差、采准工程量大、生产效率低、贫化损失大以及综合成本高等问题。为解决这些问题，对采矿方法做出优化。矿山拟采用削壁定向抛掷爆破充填采矿法，其要点是分条回采，长壁式工作面分采分爆，先采用抛掷爆破方法将矿体底板的围岩侧向崩落到采空区中，然后用松动爆破的手段将顶部的矿石崩下来，14 kW电耙运搬出矿到溜井。采场由充填废石、木立柱或点柱支撑。

1 削壁抛掷爆破参数优化试验

爆破后控制围岩按照预想的特定方位跌落技术用在削壁回填空区方面是本次采矿方法试验的关键之一[1-4]。该法采用盘区开采，浅眼落矿，回采工艺采用分采分爆两步骤进行。第一步骤削壁充填：采取控制爆破的方式，将矿体下盘的围岩爆下来并抛到采空区中，以作填充；第二步骤回采落矿：在炮孔中装少许的炸药将矿石松动压顶爆下，电耙运搬。为了能够满足单个采场既快速又安全的生产，对采场回采工艺中第一步的削壁充填分采分爆的废石合适块度级配、抛掷充填距离、爆破对矿体的影响、成本和第二步小药量松动爆破矿石压顶落矿对采场顶板的破坏，提出了较高的要求[5-6]。既要求采用的爆破工艺和参数必须使削壁爆下的下盘废石块度均匀，大块率低，抛掷距离达到充填采空区，对矿体破坏小，矿体保留较完整；同时又要求少许药量松动爆破矿石压顶爆下时尽量不干扰顶板。试验时根据采场的实际情况，矿体赋存及开采技术条件，在调查研究了相关采矿爆破方案之后，确定抛掷爆破采用浅孔多段秒差顺序爆破工艺，落矿爆破采用小药量宽间距一段爆破工艺。为降低回采爆破部分的成本，获取最佳的爆破参数，通过系列组合测试，得出其最佳的参数取值[7-8]。

1.1 多段秒差爆破参数优化的基本原则

（1）安全、可靠、经济；

（2）抛掷充填效果好，爆堆块度均匀；

（3）炸药爆炸后释放出的能量既能够充分作用于矿岩，又不会破坏顶板。

1.2 多因素正交试验

对于浅眼定向抛掷充填爆破方法，在不同的参数取值情况下最后得到的结果都是不一样的，其中比较突出的几个要素是排距、炮孔角度、装药量所占炮孔容积的比例数值等。换而言之、要想在爆破后拥有比较理想的成效，则需要在施爆前分别选择出3个要素相互匹配的最佳取值。由于岩层内的情况是庞杂的，关于爆破参数的选取，当下并没有一种成熟可用的手段通过公式计算即可得到，参考前辈们的经验参数取值与实际情况相比还是有所偏差，因此最好的取值方式为现场试验[9-10]。几个参数组合起来的情况以幂次方的形式叠加，如果把每一种配对情况都加以试验，那么需要付出巨大的成本，反而事倍功半。为减少不必要的试验次数，在进行试验时依据正交试验法（3因素3水平），求得最适合的参数取值[11-12]。以便控制采幅，减少超挖围岩的情况，贫损值得到很好控制，拥有比较理想的抛掷功效充填采空区。

设计正交表中包含的不同水平和因素数目均为3个，选择影响爆破作用的3个主要成分：排距、炮孔角度以及装药系数；三水平即对应于每个要素，在数值符合正常试验的界限内选3个有代表意义的数值，试验主要参数选择见表1所示。

表1 秒差爆破主要试验参数取值表

采场试验对照表格标记每种不同试验的编号，根据这些编号的因素互相匹配，共有 27组不同的匹配参数，在现场对这些匹配的参数一一展开验证。

考察目标为炮孔利用率、超挖系数和抛掷率，现场爆破试验在多个试验采场中同时进行。选择YT-27型气腿子钻机进行打孔，孔径为Φ40 mm，深度为1.6～1.8 m，2号岩石炸药放炮，非电秒差导爆管起爆，并现场测定炮孔利用率、超挖系数和抛掷率情况，统计结果见表2。

炮孔利用率考核实施爆破后是否具有良好成效；超挖系数考核抛掷爆破接近矿体底板的上部炮孔爆破对矿体的影响，太近会使爆破带下矿石和爆下的下盘岩石一起抛入采空区充填，增加采矿损失率；太远会使抛掷爆破后，留在矿体底部的下盘岩石过厚，这部分岩石会在落矿爆破后混入矿石中，增加采矿的贫化率；试验设计最上边的抛掷炮孔与矿体底板的距离为 0.3 m。抛掷率考核抛掷充填效果，现场测算抛掷3 m以外的岩石量与爆下岩石量之比。

2 试验结果分析

根据表2开展单个指标的R值研究，即求出每一个指标内各个要素的不同水平的总数：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ还有不同水平的平衡值Ⅰ/9、Ⅱ/9、Ⅲ/9和 R，从中找到相互匹配最合适的指标，并依次罗列出各个要素的重要程度。

表2 秒差爆破正交试验结果

观察表3中极差值R的大小能够得知，各因素对炮孔利用率产生的作用大小为，R1＞R2＞R3，即排距的R值最大为7.55，影响最为显著；炮孔角度的R值为4.09，占排距的54.17%，产生的影响次之，炮孔装药量系数的R值3.73，占排距的49.4%，产生的影响最小。对采幅超挖系数的影响而言，R3＞R2＞R1，即装药量系数的R值为0.12，影响最显著；排距的R值为0.09，占最大R值的75%，产生的影响次之；炮孔角度的R值为0.08，占最大R值的66.7%，产生的影响最小。各因素对抛掷率产生的影响主次关系和炮孔利用率一致，但所占比例不同，这里数学计算方面的内容不再赘述。综上所示，3个因素A、B、C对爆破效果优劣的作用主次关系为 RA＞RB＞RC，即排距最大，接着是角度，装药系数最小。由上述试验结果分析和根据因素−指标数据绘制图能够得到，以炮孔利用率，超挖系数、抛掷率为主要考察目标，同时考虑炸药单耗和成本，抛掷爆破最佳参数为排距0.8 m，炮孔角度45°，装药系数0.56。

表3 爆破效果分析

图1 因素-指标关系曲线

3 结 论

（1）就各因素对某矿山的控制爆破效果优劣产生影响的大小，通过正交试验的手段对其开展定量分析，由结果可知：排距对爆破效果产生的影响最大，随之炮孔角度和装药系数所产生的影响依次降低，且当排距为0.8 m，炮孔角度为45°，装药系数为0.56时，爆破效果和初始目标最接近。

（2）试验得出的参数经过现场实践证明，采用正交试验的手段可以将现场寻求最佳参数组合过程中试验的次数大大降低，即人员的付出、所有物资的消耗、经济成本各方面的成本都会减少。在今后类似情况需要寻求爆破参数的最佳组合时，该方法不失为一个简便、快捷、高效的手段。

（3）优化爆破参数需要系统且全面的综合考虑，务必要跟现场的实际状况相结合，以便及时有效地调整各项参数，从而取得预期的效果。