露天煤矿爆破大块成因及影响研究

吕文伟

（国能准能集团有限责任公司 哈尔乌素露天矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

爆破是露天煤矿生产的重要环节，关系各个生产环节的效率和效益，结合生产实践经验，爆破质量主要以大块和根底为评价指标；因此，诸多专家学者对于改善爆破质量等方面进行了大量研究。于海阔等[1]采用AHP 进行了爆破效果影响因素重要程度分析，提出了提高爆破质量的建议措施；王晓等[2]给出了结构面发育的台阶降低爆破大块率技术措施；罗华军[3]就满足城门山铜矿3 号石英斑岩矿体爆破块度的要求，运用数学模型为爆破质量提升提供了决策依据。目前，学者主要对爆破效果的影响因素、大块和根底处置措施等方面进行了大量研究，但缺少对爆破大块产生和影响的分析，以及对爆破大块的控制因素和造成的影响进行分析研究，为此，对露天煤矿爆破大块成因及影响进行研究。

1 大块产生因素分析

结合理论分析和生产现场经验总结，爆破块度主要的控制因素分别为：岩石密度ρ、岩石坚固性系数f、炸药单耗q、爆矿最小抵抗线Wd、岩体完整性系数Kv。运用科学的数学分析理论层次分析法计算各个影响因素的影响程度系数。

1）建立层次结构模型。设置爆破块度质量为分析的决策项，将密度、普氏系数、炸药单耗、最小抵抗线和岩体完整性系数设置为考虑项。

2）构造判断矩阵。采用由Stanty 等专家学者提出并进行实践检验的一致矩阵法，随机选取其中2个因素进行比对分析，对其在爆破块度中的影响程度进行等级分类[4-7]。其中，重要性等级分为9 个，并对其赋值。等级分类构成的等级标度见表1。影响因素实施相互比较分析之后得出的判断矩阵P 见表2。

表1 等级标度表

表2 判断矩阵P

3）求最大特征根与特征向量。对于判断矩阵P，求最大特征根λmax所对应的特征向量W，即解方程PW＝λmaxW。求出的特征向量W 进行归一化处理后可得出各分级指标所占的比重。通常，对于判断矩阵P求解特征根和特征向量的复杂性，选择方根法可以求解出合理的近似值。首先，计算断矩阵P 的各行元素的乘积。然后计算Mi的n 次方根，利用式（1）对向量进行归一化即可得特征向量W=（w1，w2，…，wn）T则最大特征根可以利用下式求出[8-10]。通过计算可得特征向量W ＝（0.05，0.08，0.44，0.16，0.27）T，λmax＝5.13。

4）一致性检验。当CR＜0.1 时，通过判断矩阵P的一致性检验，当CR＞0.1 时，则需要重新调整判断矩阵。得CI＝0.0325＜0.1，满足判断矩阵一次性检验。

式中：CR 为一致性比例；CI 为一致性检验指标，CI＝（λmax-n）/（n-1）；n 为判断矩阵的阶数。

5）确定权重。通过一致性检验之后特征向量W的各分量就是各分级指标的权重。评价中，密度、岩石坚固性系数、炸药单耗、最小抵抗线和岩体完整性系数对爆破块度质量贡献大小为W＝（0.05，0.08，0.44，0.16，0.27）T。可以看出，这5 个因素中，炸药单耗是爆破后大块产生的最主要因素。

2 大块对台阶稳定的影响分析

根据极限平衡原理（Morgenstern－Price、Bishop），采用GEO－SLPOE/W 岩土边坡稳定性分析软件对排土场大块分布位置（坡顶、坡面、坡底）的单个台阶简易边坡进行稳定性分析。台阶高度为30 m，台阶坡面角35°。岩石力学参数见表3。

2.1 大块位于坡顶

大块位于台阶坡顶的极限平衡法分析结果见表4。

表4 大块位于台阶坡顶的单台阶极限平衡法分析结果

由表4 可知：位于坡顶的大块能降低台阶的稳定性；无大块赋存的台阶稳定性系数为1.261；大块分布稀疏时，台阶稳定性系数随着大块尺寸的增加而降低；大块尺寸达到4 m 时，稳定性系数为1.238，即最小值；一旦大块尺寸超过5 m 时，稳定性系数转而提高；大块密集程度较小时，1～4 m 尺寸范围内的大块破坏了台阶坡顶的完整性，从而降低台阶的稳定性；当大块尺寸达到5 m 时，赋存在坡顶的大块增强坡顶的力学性质，使得稳定性有所提升；在密集程度较大时，台阶稳定性系数与大块尺寸呈正相关；当密集程度较大时，大块尺寸增加，使得台阶坡顶处的重力不断加大；与无大块赋存的台阶相比较，相当于在台阶顶部施加载荷，加速台阶变形破坏，从而降低台阶的稳定性。在大块相同尺寸模型中，台阶的稳定性随着密集程度的增加而降低。

2.2 大块位于坡面

坡面赋存大块的单台阶理想模型极限平衡法分析结果见表5。

表5 坡面赋存大块的单台阶理想模型极限平衡法分析结果

由表5 可知：大块处于坡面严重影响台阶稳定性；无大块赋存的台阶稳定性系数为1.261；在密集程度较小时，台阶稳定性系数随着大块尺寸增加，呈现先降低后增加的趋势，最终增加到1.284，高于无大块赋存的台阶稳定性系数；大块密集程度较小时，1～2 m 尺寸范围内的大块破坏了台阶坡面的完整性，从而降低了台阶的稳定性；当大块尺寸再增加后，赋存在坡面的大块增强了坡面的力学性质与整体性，使得稳定性不断上升；在密集程度较大时，台阶稳定性系数整体上随着大块尺寸增加而增大；当密集程度较大时，大块尺寸的增加，使得台阶坡面处的完整性与物理力学性质不断增强，导致台阶稳定性系数呈上升趋势；在大块相同尺寸模型中，台阶的稳定性大体趋势随着密集程度的增加而增大。

2.3 大块位于坡底

坡底赋存大块的单台阶理想模型极限平衡法分析结果见表6。

表6 坡底赋存大块的单台阶理想模型极限平衡法分析结果

由表6 可知：大块处于坡底在一定程度上会提高稳定性；无大块赋存的台阶稳定性系数为1.261；当大块赋存在坡底时，台阶稳定性系数都大于无大块赋存的台阶，其整体趋势随着大块尺寸的增加而增大；当大块尺寸为4 m、密集程度较大时，台阶稳定性系数达到最大，为1.346；当大块赋存在坡底时，赋存于坡底的大块提到了台阶底部的完整性和物理力学性质；与无大块赋存的台阶相比较，相当于压坡脚，缓解台阶变形破坏，从而提高台阶的稳定性；从密集程度来看，赋存1、2 m 大块的台阶稳定性系数随着密集程度的增加而降低；在3～5 m 范围内，台阶稳定性系数与密集程度呈正相关。

从坡顶、坡面与坡底3 个赋存位置分析结果看出，赋存于坡顶的大块会加速台阶变形破坏；赋存于坡面的大块降低台阶稳定性；赋存于坡底的大块会缓解台阶变形破坏。

3 大块预防措施

对于露天矿施工条件，预防大块的主要措施包括优化钻孔形式、选择合理的爆破方法、装药结构等手段。

1）对于岩石强度较大区域，优先使用倾斜孔，倾斜孔爆破后应力波经界面反射沿原路返回，并与入射波重合，波的能量大部分作用于岩体使岩体破碎。

2）采用宽孔距小抵抗线、压渣爆破、深孔水—土复合封堵爆破、加钻辅助孔等爆破方法，可有效破碎岩石。

3）改变装药结构，利用间隔装药定向破碎强度较高岩层，不耦合装药可充分发挥冲击波做功，不仅降低单耗，还最大限度的利用爆炸能。

4）加强施工管理，钻孔、装药、填塞等工序作业过程中严格按照爆破设计执行，若出现工程质量偏差情况，应立即实施补救措施。

4 结语

运用层次分析模型计算得出爆破大块控制因素效力依次为炸药单耗、岩体完整性系数、最小抵抗线、岩石坚固性系数、密度。通过计算大块赋存于边坡不同位置的边坡稳定性，揭示了赋存于坡顶和坡面的大块会降低台阶稳定性，赋存于坡底的大块有助于台阶稳定。大块赋存在坡顶时台阶的稳定性随着密集程度的增加而降低；大块赋存在坡面时稳定性大体趋势随着密集程度的增加而增大；坡底赋存1～2 m 大块的台阶稳定性系数随着密集程度的增加而降低，3～5 m 范围内则相反。采取优化钻孔方式、优化爆破方法及调整装药结构等预防措施可有效降低大块产生，提高爆破质量，同时为煤炭露天开采的效率和效益提升奠定基础。