基于GPS的智能化設(shè)計(jì)在露天石灰石礦山爆破中的應(yīng)用

　　摘 要：傳統(tǒng)露天礦山爆破設(shè)計(jì)與施工多基于爆破作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)或工程類(lèi)比法實(shí)施，普遍存在設(shè)計(jì)偏差大、鉆孔精度低、爆破大塊多等問(wèn)題。為提高臺(tái)階爆破工程中設(shè)計(jì)與施工的匹配度，減少人工、材料和機(jī)械的浪費(fèi)，有效改進(jìn)爆破效果，企業(yè)自主開(kāi)發(fā)了一套智能化臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件，該軟件具有臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)、爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)分析、爆破振動(dòng)分析與預(yù)測(cè)、爆破效果綜合評(píng)價(jià)等模塊功能，軟件使用過(guò)程中基于高精度 GPS 測(cè)量技術(shù)，提取爆破對(duì)象原始數(shù)據(jù)完成自適應(yīng)設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)成果導(dǎo)出到施工現(xiàn)場(chǎng)。以貴州某水泥廠(chǎng)露天石灰石礦山開(kāi)采為例，運(yùn)用 GPS 采集當(dāng)前采礦區(qū)域地形數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行臺(tái)階爆破智能化設(shè)計(jì)，再通過(guò) GPS 技術(shù)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)精確反饋到施工現(xiàn)場(chǎng)，用智能化的設(shè)計(jì)成果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。結(jié)果表明，智能化設(shè)計(jì)軟件自適應(yīng)能力強(qiáng)，采用基于 GPS 的智能化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)和鉆孔的準(zhǔn)確度，降低大塊率 33%，改善爆破效果顯著，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與施工的精細(xì)管理，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效采礦的目的。

　　關(guān)鍵詞：礦山爆破;GPS;智能化設(shè)計(jì)

　　引言

　　傳統(tǒng)露天礦山爆破作業(yè)多是基于爆破作業(yè)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)操作隨意性大，不重視、甚至不按照爆破設(shè)計(jì)方案施工，爆后效果完全取決于作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)水平，產(chǎn)生爆破大塊和根底較多，工作平臺(tái)凹凸不平，對(duì)周?chē)�環(huán)境造成嚴(yán)重影響等問(wèn)題，爆破質(zhì)量得不到有效控制[1 2]。

　　為了探索解決工程爆破中的系列問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者與工程師都開(kāi)展了大量的研究工作。李盛林等通過(guò)調(diào)研分析，得出我國(guó)露天礦山深孔臺(tái)階爆破采剝過(guò)程中已初步實(shí)現(xiàn)了起爆系統(tǒng)電子化、爆破作業(yè)智能化和綠色化的結(jié)論，但是還需要研發(fā)新型工具來(lái)推動(dòng)形成更加成熟的爆破系統(tǒng)[3]。

　　李萍豐等認(rèn)為現(xiàn)階段臺(tái)階爆破碎片化研究較多，未能形成有效的串聯(lián)系統(tǒng)，建議從一體化技術(shù)體系、炸藥與巖石自動(dòng)匹配、數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型技術(shù)研發(fā)等方面，開(kāi)展科研攻關(guān)工作，促進(jìn)爆破行業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展[4]。趙海濤等從定量設(shè)計(jì)、精心施工和精細(xì)管理三個(gè)方面探索了一套露天礦山精細(xì)化爆破技術(shù)，并引進(jìn)了爆破現(xiàn)場(chǎng)檢查核對(duì)單、工作安全分析表、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序等先進(jìn)的管理工具和手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理 。

　　施富強(qiáng)認(rèn)為數(shù)據(jù)統(tǒng)籌、精度統(tǒng)籌、邏輯統(tǒng)籌將成為工程爆破“精準(zhǔn)化一數(shù)字化一智能化”高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ) 。隨著爆破機(jī)理的深入研究和高精度測(cè)量工具的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種爆破智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，礦山爆破采礦技術(shù)也從粗放式向精細(xì)化不斷轉(zhuǎn)變，特別是隨著精細(xì)爆破理念的提出，使爆破行業(yè)的發(fā)展更上了新的臺(tái)階。精細(xì)爆破即通過(guò)借助各種數(shù)值化的工具，進(jìn)行定量化的爆破設(shè)計(jì)、精心的爆破施工和精細(xì)化的管理，對(duì)爆破作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行精密控制，既達(dá)到預(yù)期的爆破效果，又實(shí)現(xiàn)爆破有害效應(yīng)的有效控制 。

　　本文結(jié)合貴州省某水泥廠(chǎng)露天石灰石礦山開(kāi)采工程，將基于 GPS 的智能化解決方案應(yīng)用于礦山爆破工序，即通過(guò)企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的智能化臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件與高精度 GPS技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)與施工的精細(xì)化控制，達(dá)到良好的采礦效果。

　　1工程概況

　　1.1 礦山簡(jiǎn)介

　　礦區(qū)東西寬約 0.5km，南北長(zhǎng)約 1.2km，面積約 0.6km ，圈定范圍有 26 個(gè)拐點(diǎn)，開(kāi)采標(biāo)高+1280—1150m，設(shè)計(jì)開(kāi)采規(guī)模 144 萬(wàn)噸 年，實(shí)際開(kāi)采規(guī)模 100 萬(wàn)噸 年。根據(jù)資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告，礦山保有資源量 2200 萬(wàn)噸，可開(kāi)采 22 年，剝采比 0.003:1。開(kāi)采臺(tái)段共劃分 11個(gè)開(kāi)采臺(tái)段，臺(tái)階高度 12m，臺(tái)階坡面角 65°，最終邊坡角小于 50°，清掃平臺(tái)寬 8m，安全平臺(tái)寬 5m，礦山開(kāi)拓方式為公路開(kāi)拓，采礦方法為自上而下分層分臺(tái)階開(kāi)采，爆破方式為深孔爆破，挖掘機(jī)采裝，自卸汽車(chē)運(yùn)輸。

　　1.2 地質(zhì)條件

　　石灰石礦體呈層狀產(chǎn)出，礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀平行，南北走向，傾向向東，傾角 8°～12°，為緩傾斜礦層。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，其礦體沿走向及傾向延伸出礦區(qū)范圍。場(chǎng)地覆蓋層為第四系素填土，殘坡積層粉質(zhì)粘土、碎石土;下伏基巖為薄～中厚層狀石灰?guī)r為主，屬次堅(jiān)石類(lèi)巖體。場(chǎng)區(qū)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，中風(fēng)化層內(nèi)結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

　　1.3 礦區(qū)環(huán)境

　　當(dāng)前主要開(kāi)采+1210 平臺(tái)，該爆破區(qū)域長(zhǎng)度約 230m，寬約 100m;設(shè)計(jì)開(kāi)采梯段高度12m，總開(kāi)挖方量約 27.6 萬(wàn)立方米。爆區(qū)西北側(cè) 350m 有一民房，北側(cè) 330m 為項(xiàng)目駐地板房，東側(cè) 340m 為水泥廠(chǎng)區(qū)，南側(cè) 290m 為一村寨民房區(qū)，中間山體相隔。

　　2智能化設(shè)計(jì)與施工

　　爆破設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮爆區(qū)的對(duì)象特征、臺(tái)階高度、巖石種類(lèi)、爆破環(huán)境等諸多因素，而在得到合理的爆破設(shè)計(jì)之后，還需要把設(shè)計(jì)成果導(dǎo)出并準(zhǔn)確無(wú)誤的在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。因此，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)將爆破區(qū)域的高精度 GPS 測(cè)量成果轉(zhuǎn)換為可視化模型，通過(guò)智能化的爆破設(shè)計(jì)和高精準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)施工，可以提高工作效率，有效改善爆破效果。

　　準(zhǔn)確的 GPS 數(shù)據(jù)采集是爆破智能設(shè)計(jì)成功的基本保障，將實(shí)測(cè)的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件建立露天礦山爆破區(qū)域模型，利用其開(kāi)發(fā)的爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，按照設(shè)定的程序自動(dòng)完成坡面線(xiàn)和坡腳線(xiàn)的識(shí)別及布孔、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、網(wǎng)路延時(shí)等設(shè)計(jì)，最后完成坐標(biāo)數(shù)據(jù)和爆破方案成果的輸出。同時(shí)，軟件還可以自動(dòng)進(jìn)行爆破方案的優(yōu)化調(diào)整，使之與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地形條件相適應(yīng)，達(dá)到能夠切實(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

　　2.1 爆破設(shè)計(jì)軟件

　　設(shè)計(jì)軟件是由企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件，該軟件基于 OpenGL(OpenGraphic Library)的開(kāi)放圖形功能，采用自適應(yīng)炮孔布置算法、Voronoi 隨機(jī)網(wǎng)格技術(shù)與圖像處理技術(shù)，運(yùn)用 C++編程實(shí)現(xiàn)程序的開(kāi)發(fā)工作，具有可視效果的綜合一體化軟件。實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)、爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)分析、爆破振動(dòng)分析與預(yù)測(cè)、爆破效果綜合評(píng)價(jià)等模塊功能。

　　2.2 地形數(shù)據(jù)采集

　　GPS 即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS 具有全球全天候定位精度高、觀(guān)測(cè)時(shí)間短、儀器操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，將其運(yùn)用于礦山的地形測(cè)量、鉆孔定位和檢查非常合適 10 。礦山采用南方 RTK 高精度 GPS 測(cè)量工具，利用其點(diǎn)測(cè)量功能對(duì)+1210 平臺(tái)待爆破區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要采集待爆破區(qū)域坡頂線(xiàn)、坡腳線(xiàn)和平臺(tái)原始數(shù)據(jù)，由于坡頂線(xiàn)和坡腳線(xiàn)確定坡面角度，直接影響軟件對(duì)最小抵抗線(xiàn)的判斷，在對(duì)坡頂線(xiàn)和坡腳線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)加密測(cè)量點(diǎn)，盡可能提高精度，確保位置準(zhǔn)確。

　　2.3 智能化設(shè)計(jì)

　　將南方 RTK 測(cè)量?jī)x器采集的+1210 平臺(tái)地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入到企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中，然后根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)界面進(jìn)行各項(xiàng)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，將參數(shù)應(yīng)用于待爆破區(qū)域輪廓范圍，自動(dòng)生成炮孔平面布置圖，然后根據(jù)臨空面的實(shí)際情況確定起爆順序及延期時(shí)間，在設(shè)計(jì)生成后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的二次微調(diào)，得到理想的設(shè)計(jì)方案，最后自動(dòng)輸出爆破設(shè)計(jì)文件 11 。

　　2.4 設(shè)計(jì)輸出與現(xiàn)場(chǎng)施工

　　將設(shè)計(jì)軟件中的鉆孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，生成 dat 格式文件，運(yùn)用南方 RTK 測(cè)量?jī)x器的點(diǎn)放樣功能進(jìn)行鉆孔放樣，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行孔號(hào)、孔位、孔深等參數(shù)信息的標(biāo)定，并督促鉆孔人員按照標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)[1 。導(dǎo)出保存在軟件中的設(shè)計(jì)方案，將設(shè)計(jì)內(nèi)容與爆破作業(yè)人員進(jìn)行交底;裝藥前進(jìn)行鉆孔驗(yàn)收，誤差控制在設(shè)計(jì)允許范圍;裝藥過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案中的單孔裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞長(zhǎng)度、延時(shí)方案進(jìn)行裝藥、填塞、延時(shí)設(shè)置、聯(lián)網(wǎng)、檢查等工作;起爆后采集爆堆影像導(dǎo)入軟件進(jìn)行爆破效果分析與評(píng)價(jià)，不斷總結(jié)和改進(jìn)，形成設(shè)計(jì)、施工與效果評(píng)價(jià)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的精準(zhǔn)化。

　　3爆破效果與結(jié)論

　　爆破后的巖石塊度和臺(tái)階平整度是衡量礦山爆破效果的兩個(gè)重要指標(biāo)，二者直接影響礦石的鏟裝、運(yùn)輸效率及施工成本。如果爆破后產(chǎn)生較多的大塊會(huì)嚴(yán)重滯緩設(shè)備裝車(chē)的速度，甚至影響整個(gè)礦山生產(chǎn)能力;同時(shí)，爆破后臺(tái)階面不平整，產(chǎn)生較多的根底，需要二次破碎，增加成本，影響生產(chǎn)效率[1 。

　　該礦山通過(guò)運(yùn)用基于 GPS 的智能化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)成果準(zhǔn)確運(yùn)用到施工現(xiàn)場(chǎng)，與以前的經(jīng)驗(yàn)施工相比較，提高了炸藥能量利用率，礦體爆破塊度更加均勻。根據(jù)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件(version 2.0)爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)爆后影像的分析，定義塊度尺寸大于等于 70cm 的巖石為大塊巖石[1 ，使用智能工具前大塊率為 6.3%，使用智能工具后大塊率下降至 4.2%，大塊率降低 33%。爆破后的臺(tái)階基本沒(méi)有產(chǎn)生需要二次破除的根底，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　通過(guò)對(duì)露天石灰石礦山臺(tái)階爆破工程中使用智能工具前、后進(jìn)行比較，可以得出如下結(jié)論：

　　(1 )基于 GPS 的智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以爆破對(duì)象表面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確建模，通過(guò)孔網(wǎng)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，得到更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了爆破設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場(chǎng)的匹配度，達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)籌、精度統(tǒng)籌、邏輯統(tǒng)籌的統(tǒng)一。

　　( 2)通過(guò)爆破效果比較分析，使用智能工具后的爆破大塊率明顯降低，消除了需要二次破除的根底，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　(3 )將 GPS 技術(shù)與智能化爆破設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合，有效提高了礦山爆破的精細(xì)化管理水平，有利于實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效采礦的目的，對(duì)露天礦山開(kāi)采具有重要意義。

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　　作者：楊林兵 ，趙昌龍

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