中小型露天矿山爆破飞石最远飞散距离预测研究

贾达 陈星明 莫超 刘小平 龙林健

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

0 引言

我国中小型露天矿山企业约占95%，大型非煤露天矿山企业约占到5%，安全生产事故主要集中在中小型露天矿山。爆破事故是仅次于边坡失稳的安全生产事故，爆破飞石作为矿山爆破开采的六大危害之一，对周边人、机、环境造成破坏，容易导致人员伤亡、设备破坏等安全生产事故，给中小型露天矿山企业安全生产带来了极大的困扰。目前，国内外学者对爆破飞石飞散距离进行了大量的研究，有学者根据爆破经验总结了爆破飞石飞散距离的计算公式，也有学者根据量纲法对爆破飞石进行了研究，还有一些学者通过物理相似试验、现场实验等对爆破飞石最大飞散距离进行研究[1]，但没有公认的爆破飞石飞散距离理论公式，毕竟影响爆破飞石的因素是多方面的，矿山现场爆破的参数、矿山的规模、边坡高度等都是影响爆破飞石飞散距离的因素。

露天矿山开采爆破是一个复杂的能量转化过程，结合着矿山开采条件的复杂性，我国现在的爆破飞石理论跟不上生产实践，爆破飞石飞散距离只能凭借经验估摸，容易引发安全生产事故，对矿山生产有极大的困扰。四川省某县盛产石灰石，境内中小型露天石灰石矿山星罗棋布，且多为山坡露天矿。笔者以该县中小型露天石灰石矿山为背景，对该县石灰石矿山爆破飞石问题进行现场调研，总结相关影响因素，为爆破飞石最远飞散距离的研究积累了经验。本文对中小型露天矿山爆破飞石最远飞散距离深入研究，得出科学合理的爆破飞石最远飞散距离预测公式，为四川省某县中小型露天石灰石矿山划定合理的安全警戒范围提供指导性建议，减少安全生产事故，实现安全作业。

1 爆破飞石飞散距离的影响因素

根据现场调研、实地考察，得出影响中小型露天矿山爆破飞石飞散距离的因素主要有岩石性质、炸药单耗、最小抵抗线和边坡高度，其中炸药单耗、最小抵抗线决定着飞石的初始速度，边坡高度决定着飞石的运动状态，4种因素共同决定着爆破飞石飞散距离。

(1)岩石性质。爆破岩石种类不同物理性质也不同，脆性大、硬度大的爆破岩石在相同抵抗线和爆炸单耗的情况下飞石飞散距离更远，爆破岩石种类对飞石飞散距离有极大的影响。而四川省某县以开采石灰石为主，石灰石矿山占90%，爆破飞石安全生产事故主要集中在石灰石矿山，非常容易产生爆破飞石。

(2)矿山炸药单耗选择。炸药单耗指对1 m3岩石爆破所需用的炸药量，中小型露天矿山台阶爆破单位炸药的消耗量与岩石坚固系数有关，不同的岩石炸药单耗不同，四川省某县主要是石灰石矿，单位炸药消耗量在0.35～0.5 kg/m3。在中小型露天矿山生产开采爆破中，炸药单耗是台阶爆破的一个重要参数，台阶爆破主要为了松动岩石，爆破能量用于矿体破碎，而不是引发不必要飞石、振速和冲击波[2]。在矿山边坡开采爆破过程中，如果采用较大的炸药单耗，单孔装药量就会超标，从而引发能量超标，台阶爆炸中多余的能量将加大爆破飞石的飞散距离，造成更加强烈的抛掷和更多的飞散物，从而增大了人员伤亡、设备破坏的事故概率。

(3)最小抵抗线。中小型露天矿山台阶爆破底盘抵抗线的选择非常重要，台阶爆破后，爆破能量引发岩体内部发生应力变化，同时能量向岩体中最小抵抗线方向快速传播，到自由面并使岩石产生破碎，最小抵抗线处是能量释放的区域，因为台阶岩石抵抗力最小，此处的岩石初速度最大，导致爆破飞石飞行距离最远[3]。四川省某县主要是石灰石矿，且多为山坡露天矿，矿权范围内开采标高差小于180 m，台阶高度为10～15 m，最小抵抗线在6～12 m之间。如果露天矿山台阶爆破选择科学、合理的底盘抵抗线，可以合理利用爆破能量，满足岩石破碎且避免台阶爆破过程中出现大量飞石，同时实现对爆破飞石最远飞散距离的控制。

(4)边坡高度不同。飞散距离最远的爆破飞石在空中做抛物线运动，边坡高度越高，需要下落的时间越久，飞石飞散距离越远。中小型露天矿山边坡高度一般在40～180 m之间，不同的边坡高度导致飞石的飞散距离也不尽相同。

2 正交试验

2.1 正交试验方案研究

正交试验利用正交表的特性，将多因素、多水平进行组合，将典型的、有科学意义的点从全面试验中挑选出来进行试验[4]，实现以最少、最佳的试验次数达到与全面试验等效的结果，是一种科学、省时的多因素试验设计方法[5]。

本文以中小型露天石灰石矿山为背景进行研究，以矿山炸药单耗、最小抵抗线和边坡高度为主要因素，建立正交试验。该县中小型露天矿山生产规模多为30万t/a(11.5万m3/a)，一年生产时间为300 d，则矿山每次爆破的矿石量为5 770 m3。本试验选用炸药单耗(A)、最小抵抗线(B)和边坡高度(C)作为影响因素，爆破飞石最远飞散距离(D)作为试验指标，采用正交试验，列出每组试验的具体条件，将各因素各水平值填入正交表中，正交试验各因素及水平见表1。

表1 正交试验因素及水平

根据各因素水平设计，本试验为3因素4水平的正交试验，不考虑因素间交互作用，选用正交表L16(43)进行试验，试验模拟方案如表2所示。

表2 正交试验方案

2.2 模拟爆破飞石最远飞散距离

模拟软件能够分析危岩、高陡边坡、爆破飞石等的滚落石的速度、能量和反弹高度，通过研究落石的速度、能量和反弹高度进行风险分析和提出安全措施。

应用飞石模拟软件对不同条件组合下的飞石最远飞散距离进行模拟，了解爆破飞石飞散距离，并得出模拟分析结果。部分爆破飞石飞散距离模拟图如下，其中4号、7号、10号和13号试验飞散距离最远，模拟结果见图1—图4。

图1 4号试验爆破飞石最远飞散距离

图2 7号试验爆破飞石最远飞散距离

图3 10号试验爆破飞石最远飞散距离

图4 13号试验爆破飞石最远飞散距离

根据表3正交试验结果可知：13号试验飞石飞散距离最远，快要达到矿山周边安全距离300 m；16号试验飞石飞散距离最近，应做好防止爆破飞石在边坡滚落伤人的措施；整体上该正交试验结果与实际爆破飞石最远飞散距离较吻合。

表3 正交试验结果

2.3 正交试验结果分析

基于正交试验理论，对模拟试验得到爆破飞石最远飞散距离进行方差分析[6]，可以确定可控因素对试验结果影响力的大小；进行极差分析，则可以较为简洁地看出试验因素对试验结果的影响趋势。

根据对各因素的方差分析，可知各因素对于爆破飞石最远飞散距离的显著性强弱：边坡高度显著性强；最小抵抗线显著性较强；炸药单耗显著性较弱。

根据对各因素极差分析，影响爆破飞石最远飞散距离主要因素敏感性由强到弱依次是边坡高度、炸药单耗、最小抵抗线。

3 SPSS线性回归分析

线性回归是系统工程中的一种数据分析方法，是确定多种变量间的定量关系的一种统计方法，近些年来在数据分析、统计和预测领域运用十分广泛[7]。基于上文正交试验可知，边坡高度、炸药单耗、最小抵抗线对爆破飞石最远飞散距离有着明显影响。根据正交试验分析和结果利用线性回归的方法，建立一个合理的中小型露天矿山爆破飞石最远飞散距离预测模型[8]。

3.1 模型建立

基于上述模拟试验可知，边坡高度、炸药单耗、最小抵抗线对爆破飞石最远飞散距离有着明显影响，本文利用回归分析的方法对试验结果进行分析，利用SPSS软件，采用线性回归方法，建立一个合理的中小型露天矿山爆破飞石最远飞散距离预测模型，建立的预测模型如下：

F=C+a0A+a1B+a2C

(1)

式中，F为爆破飞石最远飞散距离；C为回归方程中常数项；a0、a1、a2为回归系数。

3.2 回归计算结果

回归计算可通过计算机由SPSS运算解得，运算程序可以求得回归系数和统计系数，并通过了回归显著性检验，模拟和线性分析所得到的回归计算结果较为可靠，具体为

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

(2)

4 实例应用

某中小型露天矿山最低开采台阶平台标高确定为+610 m，最高开采台阶平台标高为+790 m(见图5)，开采矿种为石灰岩，生产规模30万t/a，开采方式为露天开采。爆破参数如下：采用乳化炸药、垂直孔、最小抵抗线8 m、穿孔孔深11 m、孔距4 m、排距3.5 m、炸药单耗0.4 kg/m3。

该矿山标高为+790 m、+780 m台阶爆破飞石飞散距离最远，通过对标高为+790 m、+780 m台阶爆破飞石现场调研，该矿山台阶爆破飞石飞散最远距离为294 m，预测公式爆破飞石飞散最远距离为302 m，相差8 m，在可允许的误差范围之内，由此得出爆破飞石最远飞散距离的预测公式较为可靠。

图5 矿山刨面

5 结论

应用正交试验+数值模拟+回归分析预测中小型露天矿山各种条件下的爆破飞石最远飞散距离，并得出科学、合理的爆破飞石最远飞散距离预测公式，能够满足中小型露天矿山台阶爆破划定合理的安全警戒范围的需要。

影响爆破飞石飞散距离影响因素非常复杂，通过正交试验+数值模拟+回归分析预测爆破飞石最远飞散距离，借助正交试验可以很好地解决这一难题，充分显示了该方法的优越性。如果能够在中小型露天矿山的台阶爆破过程中获得更多对爆破飞石最远飞散距离有影响的参数，作为影响因素带入正交试验中，可以进一步提高预测精度[9]。