完成时间：1983年5月

完成单位：冶金部马鞍山矿山研究院

项目主持人及参加人员：马柏令、曾世奇、邹定祥、郭初吉

撰稿人：马柏令

1   历史背景

“露天矿深孔爆破优化”是利用当今爆破破岩理论的研究成果，抓住对爆破效果产生主要影响的岩石、炸药和爆破等参量，建立起诸参量之间的一系列的数学表达式——爆破数学模型。并借助电子计算机对爆破破岩复杂过程进行解算、取得爆破参量与衡量爆破效果特征指标的对应关系。当选用了使矿山生产综合成本最低的爆破效果所对应的爆破参量时，就可实现露天矿山的爆破优化。

马鞍山矿山研究院是国内从事爆破优化研究最早的研究单位之一。从1980年开始，在分析和消化国外有关文献资料，掌握了当时国外两个主要数学模型(加拿大怀里尔和澳大利亚的哈里斯)的基本观点、计算原则和方法的基础上，对研究工作进行不断探索和创新，提出了“露天矿台阶爆破矿岩破碎过程的三维数学模型”和“露天矿台阶爆破岩石块度组成的计算数学模型”。然后，以露天小台阶爆破试验进行验证，两者符合较好。

另外，利用露天小台阶试验方法所取得的大量数据进行了数理统计分析，获得了试验条件下的岩块重量分布、块数分布及爆破参数对块度分布的规律性影响。

2   露天深孔爆破优化研究内容

台阶深孔爆破效果(指爆堆的松散、堆积集中情况，特别是指爆后块度组成)直接影响装载、运输和初破等后续工序的效率和采矿生产总成本。一般情况下，穿爆费用总是随爆破块度减小而提高，而装、运、初破等工序所需费用则随幡块度的减小而降低。从理论上讲存在一个使采矿。生产总成本最低的“最佳块度组成”(图1)。由于涉及到装载、运输等其他工艺条件和生产成本，问题较复杂。因此，本课题主要研究炸药、爆破参数与已定矿岩性质之间的最优匹配，以获得最佳爆破效果(主要指爆破块度组成)。

我们进行爆破优化研究的第一步是解决均质、各向同性、弹性介质的爆破数模问题，而回避了现场爆破常见的复杂地质因素(如节理、裂隙、构造等)。爆破数模的验证可通过小台阶爆破试验来解决。

3   露天矿台阶爆破矿岩破碎的三维数学模型

此模型基本点是：炸药爆炸在岩体中产生的弹性应力波对岩石的破坏作用是一种主要的和基本的作用，岩石在爆炸应力波作用处于弹性状态并发生脆性破坏。根据岩体中某个部位所获得的应力波能量密度和岩石破碎的单位表现能，即可求得爆破破碎产生新表面积的分布密度，从而可计算出破碎块度组成情况。

为求得深孔柱状药包爆破时应力波三维能量分布，将粒状药包看作一系列球状药包爆破，每个单元药包的高度小于直径3～4倍，岩体中每点的应力波能量为所有单元药包的迭加作用结果(图2)。

岩体每个部分接受的应力波能力包括下列三部分：

(1)直接来自各单元药包的入射纵波能量；

(2)各单位药包发出的经各自由面(台阶顶面和坡面)反射后抵达该单元体的纵波能量；

(3)各单元药包发出的经各自由面反射后抵达该单元体的横波能量。

 运用伊藤一郎等应力波理论和怀里尔365体育：炮孔压力计算公式，可计算得到岩体内每点的能量密度U_P。

式中t_P—应力波周期；

U₀(t)—在￡时间内到达某点的动能和应变能。

根据上述数模所计算出的块度与小台阶爆破试验所测得的块度分布数据见表1。

用数理统计方法对电算块度分布与小台阶试验平均实测值进行柯尔莫哥夫检验，结论为可接受。

4   露天矿台阶爆破矿岩块度组成计算的数学模型

哈里斯爆破数模是一个二维模据，它将计算出的某一平面的块度组成代替台阶整体的块度组成。

本数模是将它改进为三维数模，其基本原理为：将柱状药包改成高度等于药包直径的若干个单元药包，然后沿台阶高度从上至下把岩体切成厚度等于单元药包高度的若干水平条带，其形状为一矩形，等于炮孔的负担面积。以炮孔中心沿径向等间隔将水平条带圈成若干圆形带。每个环带上的切向应变值为各个单元药包对此环带上所产生的切向应变值的总和。根据哈里斯计算原则即可计算出各环带的裂缝条数，并算出该环带内的最大块尺寸，将岩块按尺寸进行分级，属于同一等级尺寸的各环带所对应的体积之和，对一个炮孔担负的总体积之比，即为爆破后该等级尺寸的岩块所占百分数。计算结果与小台阶爆破岩块组成实测值符合较好。

某一爆破参数条件下的小台阶爆破岩块组成实测值与电算岩块组成预测值对比见表2。用数理统计y检验，结论为可接受。

5  破岩准则

在优化计算中，必然涉及到强度准则和能量准则(这两个准则已分别在上面两个数模中采用)。

强度准则是指爆破破岩时的动态抗拉、抗剪极限。由于爆破是一种复杂的动态破坏作用，至今无法用实验方法直接测得。为解决此问题，我们采用了间接法。采用同种岩石的小台阶爆破试验，测得实际结果。然后，假设一系列强度极限，找出计算与实际爆破相吻合的强度值，用此值即可计算其他爆破条件的效果。

能量准则是指爆破破岩产生单位新表面积所需能量，可用专用爆热弹直接量测，鉴于目前条件尚不具备，所以也采用了间接法，方法同前。

6   爆破岩块分布规律

 在优化研究中，我们进行了小台阶爆破试验，将爆下的岩块收集起来，先手工将每个岩块按最大线性尺寸分成ll级(见表3)，然后统计每级岩块的块数(小于100mm岩块不统计)和称取每级岩块的重量。最终得到各级尺寸岩块的块数以及重量百分数。

分别对各块度等级的岩块重量和块数的实验数据进行统计分析，岩块重量符合罗森．莱墨勒分布(R-R分布)和杰茨-高丁-舒曼分布(G-G-s)分布。岩块块数符合指数分布规律。

7  结语

爆破优化工作理论性很强，难度很大，对我们来说还是一项新领域的开拓工作。以上两个数模与小台阶爆破试验验证，效果符合较好，为我国爆破优化研究创造了一个良好的开端。

摘自《中国典型365体育与技术》