基于可靠度分析的平巷掘进爆破参数优化研究

童建华，史秀志，陈佳耀，熊木辉，刘桂鹏，方志龙

(1.大冶有色集团控股有限公司，湖北黄石市 435005；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

基于可靠度分析的平巷掘进爆破参数优化研究

童建华1，史秀志2，陈佳耀2，熊木辉1，刘桂鹏1，方志龙1

(1.大冶有色集团控股有限公司，湖北黄石市 435005；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

针对铜山口铜矿巷道掘进过程中岩石特性复杂、爆破振动难预测、单循环进尺低等问题，运用可靠度原理与安全系数相关关系，对影响巷道爆破的炮眼直径、炮眼数目、炮眼深度、炮眼角度、装药卷数、炮眼间距等6个主要参数进行组合试验，并结合爆破振动峰值合速度及主振频率等数据的监测，对铜山口巷道爆破掘进的过程中的数据进行综合分析。研究表明：6个因素对巷道掘进过程的振动影响较大，其中最大段药量是直接影响振动峰值合速度的直接因素，同时振动频率主要集中在100～150 Hz范围内；各参数下的可靠度指标与安全系数非线性正相关，且可靠度收敛于和影响作用大小相关的特定值。同时，安全系数为1.5时可以保证较大的可靠度和掘进的效率；通过适当调整掘进过程中的爆破参数，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周边孔的个数以及孔间距等，取得了较好的现场试验结果。

巷道掘进；可靠度指标；安全系数；爆破振动

为解决铜山口矿巷道掘进过程中岩石特性复杂、爆破振动难控制、单循环进尺低等问题，本文借鉴试验数组和可靠度分析原理，结合铜山口矿地下岩体物理力学参数进行爆破参数研究，并根据可靠度指标进行对应参数的井下巷道掘进试验。针对掘进效率指标来定义掘进参数的可行性，为综合研究多参数问题的系统提供一种有利的预测和分析方案。

1 巷道掘进爆破参数

铜山口铜矿位于大冶市南西18 km处，隶属大冶市陈贵镇铜山口管理区。矿区为低山垅岗地形，一般海拔高程为100 m左右，最大相对高差159 m。矿山的地质复杂程度属中等类型，矿体围岩岩性较复杂，顶底板大理岩、岩浆岩、矽卡岩兼有，大理岩中含裂隙较多。岩石硬度系数一般在8～12，地质构造发育，岩溶作用程度中至强，岩石蚀变较强烈。矿体围岩岩石力学强度变化大，深部井巷围岩稳定较好而浅部较差。随着矿山的不断发展，2010年矿山由露天开始转入地面和井下联合开采阶段，同年10月井下工程开工，大量的工程掘进需要施工。在工程施工期间遇到了不少的问题，为加快工程进度，就提高掘进爆破效率开展了攻关工作。

1.1 巷道掘进爆破参数确定

本文研究的巷道掘进的主要影响因素包括：炮眼直径、炮眼数目、炮眼深度、炮眼角度、装药卷数、炮眼间距。

(1)炮眼直径。炮眼直径是巷道掘进中最基本的参数，主要由矿山掘进设备和采用的爆破方案决定，同时，炮孔直径也影响炮孔的间距、爆破块度、炸药单耗等，最终会影响掘进的总效率。直径的选择最根本的取决于设备的选取，铜山口铜矿选用YT28风动凿岩机，配2.0～2.5 m长、Φ25 mm中空六角钢钎杆，带Φ42 mm梅花型钻头进行凿岩作业。

(2)炮眼数目。炮眼的数目直接影响炮孔的装药量和炸药单耗，炮孔的数量大，造成爆破过程中的大块率小，从而引起不必要的炸药损耗；炮孔数量小，大块率偏高，爆破效果的实现较为困难。炮孔数量和岩石的破碎情况和巷道周边岩石的完整性有直接关系，故对于炮孔数量的选择需结合实际掘进过程中的周边条件。

(3)炮眼深度。炮眼的深度受到多个因素的影响，主要包括岩石本身性质、炸药性质、巷道尺寸、凿岩设备等。根据铜山口设备选型的实际，炮眼深度以2～3 m为基准。合理的炮眼深度应以高效低成本以及便于满足正规循环作业为基准，掏槽眼深度

应略大于周边眼深度。

(4)炮眼角度。巷道掘进的过程中，掏槽方式可以分为直眼掏槽、斜眼掏槽和混合掏槽。各方式在掘进的过程中发挥的作用不同。斜眼掏槽是在实际应用中常用的方法，根据掘进的施工情况，炮眼的角度一般为80°～90°，可调整性强。

(5)装药卷数。装药是爆破过程中非常重要的阶段，炮孔的装药率直径影响炸药的使用总量、最大段药量、炸药单耗等。同时，炸药的卷数会改变爆破的最大抵抗线，从而影响掘进过程中的爆破效果。药卷数和炮孔深度直接相关，故可以通过深度和最大抵抗线确定药卷数目。

(6)炮眼间距。掘进断面大小对于炮孔的总体规划影响较大，炮孔间距直接影响到周边孔的布置，铜山口矿研究的掘进巷道断面尺寸为3.9 m×3.2 m，故对于炮眼的间距范围可定义为400～600 mm。

铜山口矿在爆破过程中对爆破参数有如下规定：周边眼间距控制在400～600 mm；最小抵抗线控制在500～700 mm；周边眼单位长度装药量控制在150～200 g/m。同时，掘进质量要求满足：超挖不大于200 mm，欠挖不大于50 mm；井帮岩面无明显的炮震裂隙；围岩眼痕率不少于50%。

1.2 安全系数与可靠度原理分析

为了系统的分析巷道掘进过程中多参数优化问题，采用可靠度及回归分析研究爆破掘进问题，通过测量巷道爆破开挖过程中的爆破振动情况及松动圈的监测反映掘进的可靠度指标。该指标是通过具体数值进行衡量，可靠度指标研究方法很多，本文利用非正态分布变量的一次二阶矩法验算点法(AFORM)，结合迭代运算法进行验算点的综合求解，而该验算点是可靠分析中的测试点，即在巷道掘进过程中布置监测的关键点，如图1所示，图(a)为振动传感器位置，图(b)为松动圈测点布置，其中，测孔深度为2.5 m，距巷道底板1.5 m，各孔距3 m。通过将相关的非正态随机变量变为独立标准正态分布类型进行可靠度与安全系数的换算，主要计算步骤如下。

令影响爆破掘进的参数为变量x，则该因子下的验算点为x′，结合分布函数、概率密度函数等价变换的原则确定当量正态量xi′，求得其标准差μxi和方差为σxi，根据验算点分布原则得：

得：

结合密度函数对应的验算点值相等条件：

得：

式中，Φ(·)、Φ-1(·)分别是标准正态分布函数及其反函数，且φ(·)为Φ(·)的概率密度函数。根据相关关系得出当量化后的对数正态随机变量的均值、标准差、可靠度β分别为：

对上式的可靠指标在验算点法原理的基础上迭代求解，得出极限方程g(X1，X2，X3，...，Xn)＝0。为分析安全系数与可靠性的相关关系，进一步进行计算，而安全系数F为：

通过上述转换关系得出F、β满足式(9)，其中Xi、Xi′均服从正态分布：

通过上述研究方法建立可靠度、安全系数之间的关系，可进一步研究爆破参数优化问题，在不同参

数的试验过程中，通过检测爆破振动和安全系数等参数，最终确定各参数条件下的可靠度指标。

图1 测点布置

2 巷道掘进试验结果与分析

通过调整上述炮眼直径、炮眼数目、炮眼深度、炮眼角度、装药卷数、炮眼间距等参数值，得到多组可行试验数组，根据试验方案进行多组巷道掘进爆破试验。另外，监测相应爆破振动和松动圈情况进行掘进爆破综合分析研究，得出相应的安全系数和可靠度指标。

2.1 巷道掘进爆破试验

铜山口铜矿通过对同一巷道设计12组试验，分别对6个参数下的多个参数值进行规律研究，通过布置的监测点进行振动数据的收集，主要包括峰值合速度和主振频率，统计结果见表1。可见，爆破过程中的峰值合速度同炮孔直径、数目、深度、角度等没有直接关系，在一定程度上同装药总量正相关，主振频率同峰值合速度的相关关系不明显。根据巷道掘进过程中的另一重要指标显示，峰值合速度同最大段药量成正相关，最大段药量越大，则引起的周边振动越明显。同时，通过测得的主振频率可得，该频率值均大于100 Hz，且主要集中在100～150 Hz，占比为73%，证明在该矿山岩石性质条件下的主振频率在某范围趋于上下波动。

表1 爆破掘进的振动测试及统计

为进一步验证爆破参数的影响特点，在前面研究基础上进行拉槽孔、周边孔的重新布置，根据巷道断面的尺寸适当在周边布置斜眼，如图2所示，巷道中下部布置拉槽眼，拉槽眼间距为500 mm×500 mm，同时在拉槽眼周边布置多圈周边眼，该区域是以拉槽眼的空间为自由面侧向崩矿。起爆顺序为：拉槽眼、辅助掏槽眼、由内及外的周边眼，靠近巷道边壁位置采用光面爆破，以保护边帮，尤其是针对周边岩性较为复杂区域。

根据图2所示的炮孔布置具有爆破抛掷距离小，巷道成型状况良好，边帮光面控制效果好，炸药利用率高等优点。

2.2 可靠度分析

由上文得到的关于安全系数和可靠度的相关关系公式(9)，对文中分析的影响巷道掘进的6个因素进行响应面研究，根据研究函数绘制函数关系见图3，其中F代表安全系数，β代表掘进安全可靠度。6个参数对应的曲线不同，但有多个相同特征：

(1)安全系数与可靠度的相关关系为非线性正相关；

图2 巷道断面炮孔布置

图3 不同参数条件下安全系数F和可靠度指标的相关关系

(2)6个因素对应的可靠度始终随着安全系数的增大而增大，但不会无限增大，相反的，该值收敛于某一特定值，各因子的收敛值大小差别相差较大；

(3)不同安全系数对应的可靠度的增速不尽相同，每条曲线的前后增速为先大后小。

另外，安全系数大于1.5后可靠度的指标增速明显减小，故在巷道掘进过程中，安全系数保持在1.5对于回采安全的可信性更大，此时可靠度和掘进效益综合水平较高。

3 结 论

(1)通过对影响铜山口巷道掘进的6个主要因素进行分组试验研究，采用振动数据的监测和主振频率的记录，得出6个因素对巷道掘进过程的振动影响较大，其中最大段药量是直接影响振动峰值合速度的直接因素。对于该矿山的岩性，振动频率主要集中在某一个范围内，且超出该范围的数据较少，可采用相应的支护措施以减小在复杂围岩条件下的过度振动情况。

(2)结合安全系数和可靠度的相关关系原理，对6个主要的影响因素进行函数图形的绘制，结果显示，可靠度指标与安全系数非线性正相关，且趋于某一特定值，该值的大小和影响作用大小相关。同时安全系数1.5可以保证较大的可靠度和掘进的效率。

(3)通过适当调整掘进过程中的爆破参数，包括斜眼的布置、拉槽孔的分布、周边孔的个数以及孔间距等，取得了较好的现场试验结果。

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2016-06-17)

童建华(1970-)，男，湖北黄冈人，采矿工程师，爆破工程师，主要从事有色金属矿山采矿技术及管理工作，Email：913619493＠qq.com。