露天礦松動爆破設計系統(tǒng)的開發(fā)與應用*

任占營丁小華肖雙雙

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116）

露天礦松動爆破設計系統(tǒng)的開發(fā)與應用*

任占營1丁小華2肖雙雙2

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116）

為了實現松動爆破設計的可視化、智能化、科學化，利用數據庫開發(fā)技術、三維顯示技術、露天礦山爆破技術等關鍵技術，研究開發(fā)了松動爆破設計系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現三維可視化圖形管理、地質信息的智能管理、松動爆破智能設計、設計結果輸出等功能。應用效果表明系統(tǒng)完全可以滿足露天礦生產的要求，可以大幅提高爆破設計效率，改善爆破效果，降低爆破成本。

露天礦 松動爆破 三維可視化 智能設計

目前，國內露天礦的爆破設計多是技術人員根據經驗進行手工設計，爆破設計工作效率低下，設計、計算不夠精細。另外，依個人經驗選取爆破參數的方法難以對復雜的爆區(qū)地形條件、爆區(qū)內礦巖的物理力學性質與地質結構構造特征、炸藥爆炸性能對爆破效果具有直接影響的關鍵因素進行準確的綜合定量分析，難以保證爆破設計的準確性，更不利于控制爆破效果和降低生產成本。

近年來，為了改變傳統(tǒng)的爆破設計方式，提高爆破設計的科學性，國內外已研制開發(fā)了一些爆破設計軟件系統(tǒng)，但由于軟件成熟程度等各種原因，并沒有在國內露天礦得到推廣應用。如何提高爆破設計系統(tǒng)的實用性，使之能夠適應露天礦復雜的地質資源條件，并能夠幫助改善爆破效果是一個亟待解決的問題。

本文研究開發(fā)了露天礦松動爆破設計系統(tǒng)，系統(tǒng)從底層開發(fā)，具有三維可視化圖形管理平臺及地質地形信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為全中文操作界面，設計流程更符合國內技術人員的操作習慣，設計結果更加準確，并能夠自動輸出爆破設計文檔。系統(tǒng)已在露天煤礦得到推廣應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

1　系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術

1.1數據庫開發(fā)技術

為了使數據庫直觀、簡單，便于用戶了解，易于使用非過程的數據請求，容易實現友好的用戶界面，系統(tǒng)采取了關系型數據模型建立了系統(tǒng)數據庫。系統(tǒng)數據庫包括圖形信息庫、地質信息庫、設計信息庫、效果模擬信息庫、結果輸出信息庫5個子數據庫。5個子數據庫包括30多個數據表，主要系統(tǒng)數據表及功能詳見表1。

表1　系統(tǒng)數據表及功能

本系統(tǒng)數據庫和應用程序的接口采用微軟ADO（ActiveX Data Object）技術，其對象模型更為簡單，操作更為方便，通過程序語言及ADOX（ADO Extensions for DDL and Security）技術可以創(chuàng)建數據庫/表，實現數據庫系統(tǒng)更多功能。

1.2三維顯示技術

三維顯示技術本質是圖形變換技術，是對組成圖形的點集坐標的變換技術。論文研究了適宜露天礦使用的三維圖形技術，從底層開發(fā)了三維圖形管理平臺，能夠實現基本圖形實體的三維空間編輯、爆破設計專用標識的編輯等功能。

1.3露天礦爆破技術

露天礦爆破技術主要包括爆破方法的確定、爆破器材及炸藥的選擇、爆破參數的優(yōu)化、爆破效果預測及爆破安全控制等技術。露天礦松動爆破設計系統(tǒng)的開發(fā)必須以爆破理論技術為基礎。

2　松動爆破設計系統(tǒng)開發(fā)

2.1露天礦松動爆破設計流程

露天礦松動爆破設計流程一般是根據露天礦采剝工程發(fā)展及生產設計，首先在待爆破區(qū)劃定爆破區(qū)域，根據工程位置及露天礦降深等要求，確定臺階高度。然后根據地質勘探資料及現場調查確定爆破區(qū)域的地質條件。根據爆破區(qū)域的地質條件、巖石性質、爆破理論以及現場爆破經驗確定起爆順序、起爆網絡、布孔方式、裝藥結構等參數。最后形成起爆網絡圖，編制爆破設計報告。爆破設計流程圖如圖1所示。

圖1　爆破設計流程圖

2.2系統(tǒng)總體結構

根據露天礦松動爆破設計流程，將系統(tǒng)劃分為地質信息管理系統(tǒng)、爆區(qū)空間信息處理系統(tǒng)、火工品信息管理系統(tǒng)、爆破智能設計系統(tǒng)、設計結果自動輸出系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)。系統(tǒng)的體系結構如圖2所示。

其中，地質信息管理系統(tǒng)可以建立完整的地質信息數據庫，編錄、查看、輸出礦山的地質信息，可以對任意點進行數據插值，繪制任意方向的地質剖面圖；爆區(qū)空間信息處理系統(tǒng)主要可以實現爆破區(qū)域測點坐標錄入、區(qū)域內點坐標插值處理以及自由面信息的錄入和處理；火工品信息管理系統(tǒng)能夠錄入、編輯、統(tǒng)計炸藥、起爆器材和傳爆器材等信息；爆破智能設計系統(tǒng)以臺階松動爆破設計為核心，能夠實現布孔、裝藥、連線、結果輸出等智能設計，并以不斷完善的標準設計數據庫為基礎，實現爆破智能設計；設計結果自動輸出系統(tǒng)可以對爆破設計進行分析計算，將結果以圖形文件及數據表格的形式保存，并能夠自動生成符合用戶要求的施工設計文檔。

圖2　系統(tǒng)體系結構圖

2.3系統(tǒng)總體數據流程

通過對露天礦現行設計工作程序進行深入的分析，提出了規(guī)范化的設計流程，定義了各項工作的進行步驟和相互間聯系，分析導出整個系統(tǒng)的數據流程圖，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)的數據流程圖

2.4系統(tǒng)特色

（1）地質信息可視化。系統(tǒng)通過地質鉆孔數據入庫模塊、地質數據訪問模塊、地質信息插值模塊、地質信息顯示模塊4個模塊實現了地質信息可視化。通過系統(tǒng)可以查看鉆孔位置的地質信息，在爆破區(qū)域設計環(huán)節(jié)，可以自動分析該區(qū)域內地質信息情況并直觀顯示，為區(qū)域內巖體可爆性評價、爆破效果反饋等提供基礎。

（2）爆破設計模板化。系統(tǒng)可以實現布孔、裝藥、連線、火工品、連線延時設置等環(huán)節(jié)以及爆破設計全過程的模板生成及管理，大大減少重復性工作，提高勞動效率，并以此實現爆破設計過程的簡約化、高效化。

（3）爆破設計智能化。系統(tǒng)以模板生成及管理為基礎，可以實現爆破參數智能設計、爆區(qū)智能連線設計、爆區(qū)智能布孔設計、前排孔智能調整、交叉孔深度智能調整、爆破延時智能調整等功能，實現爆破設計的智能化。

（4）爆破設計精確化與規(guī)范化。系統(tǒng)可以根據規(guī)范制度及礦山要求自動輸出規(guī)范的設計文檔，從而大大減輕設計人員的勞動強度，提高設計的精確度和規(guī)范化。

3　工程應用

以南泥湖礦山公司露天礦東采區(qū)1390水平中部的巖石爆破為例，該爆破區(qū)域巖石以砂質泥巖、粗砂巖為主，巖層傾角平緩，巖石普氏系數為3.0～4.0，容重2100～2400 kg/m3，巖體裂隙較為發(fā)育，并存在風化現象，巖體的可爆性屬于中爆和易爆。爆區(qū)內未見有較大的構造含水帶，也沒有較大的地表水體，爆區(qū)水文地質條件簡單。礦區(qū)爆破采用深孔爆破，巖石爆破后采用單斗卡車間斷工藝剝離，受設備線性尺寸等影響，礦山臺階高度15 m、鉆孔孔徑90 mm。

在東采區(qū)1390水平中部選擇條件相同的2個區(qū)域，每個區(qū)域寬40 m，長200 m，利用開發(fā)的松動爆破設計系統(tǒng)（KS）與國外Shotplus（SP）軟件分別對其中一個區(qū)域進行爆破設計，并實施爆破。先后進行了4次對比設計，4次爆破設計的孔網參數和爆破效果見表2。

與Shotplus設計思路不同，本文軟件根據設計人員輸入的爆破區(qū)域坐標、坡面數據繪出爆破區(qū)域，根據礦區(qū)的地質信息數據庫計算本次爆破區(qū)域的巖體可爆性、炸藥單耗，并根據設計參數庫及爆破經驗庫優(yōu)選出爆破參數。由于爆破設計結合了爆區(qū)的巖體力學性質及礦山爆破經驗，設計的參數更為合理。如表2中，第1次爆破Shotplus軟件設計的排距為3.0 m，孔距為4.0 m，孔距偏小，導致炸藥單耗為0.46 kg/m3而偏大，最終爆破后爆破塊度不均勻，爆堆分散，不利于采裝。而相同情況下，本文軟件設計的孔距為4.4 m，使炸藥單耗降低至0.42kg/m3，按炸藥5000元/t計算，僅炸藥成本即可節(jié)約2.4萬元，且爆破后巖石塊度均勻，爆堆較為集中，提高了單斗挖掘機的挖掘效率。

表2　兩款軟件4次爆破設計主要數據對比

4次對比設計顯示，與Shotplus軟件相比，采用本文軟件進行松動爆破設計，相同情況下可以降低炸藥單耗0.02～0.04 kg/m3，使爆破塊度更為均勻，避免巖石過度粉碎及爆破塊度不均勻的現象。且現場應用表明，采用本文軟件進行松動爆破設計，一般從設計到結果輸出不超過25 min，而Shotplus軟件一般需要約40 min。因此本文軟件設計結果更為可靠，設計效率更高。

此外，本文軟件設計的裝藥結構如圖4所示。由圖4可以看出，東采區(qū)1390水平中部的巖石臺階上部為砂質泥巖，下部為粗砂巖，根據孔口高程1081.65 m及巖層分界位置高程1070.83 m，可以確定砂質泥巖厚度10.82 m，15 m的臺階高度內粗砂巖厚度4.18 m。本文軟件設計的首排孔邊緣距離4.96 m，炮孔長度17 m，其中，超深2 m，填充6 m，裝藥長度11 m。

圖4　1390水平中部巖石爆破首排孔裝藥設計圖

盡管設計結果與Shotplus軟件相同，但本文軟件輸出的裝藥結構圖給出了炮孔附近的巖層信息，標明了炮孔深度、裝藥高度等數據，便于現場技術人員根據圖紙快速施工。從孔口向下標明了0、5、10、15的刻度，鉆機司機可以容易看出炮孔的鉆孔深度；裝藥人員可以看出炸藥與填充物分界線位置刻度為6，只需站在孔口下放米尺6 m至孔底時停止裝藥，較為直觀便捷。

4　結論

（1）露天礦松動爆破設計系統(tǒng)是在傳統(tǒng)爆破技術和現代信息技術發(fā)展之下應運而生的一項綜合技術。系統(tǒng)涉及的關鍵技術主要包括數據庫開發(fā)技術、三維顯示技術、露天礦爆破技術等。

（2）開發(fā)的松動爆破設計系統(tǒng)已在露天煤礦得到了推廣應用，效果較好。實踐證明利用系統(tǒng)進行爆破設計，能夠提高松動爆破設計質量，改善爆破效果，大幅提高露天礦的爆破設計效率和管理水平，降低設計人員的勞動強度，降低爆破成本。

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Development and application of loose blasting design system of opencast mine

Ren Zhanying1，Ding Xiaohua2，Xiao Shuangshuang2
（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.School of Mines，China University of Mining&Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

To achieve the visualization，intelligentize and scientization of loose blasting，some key technology were used to research and develop the loose blasting design system，including database development technology，three-dimensional display technology，opencast mine blasting technology and so on.This system had many functions，such as 3D visualization graph management，geological information intelligent management，loose blasting intelligent design and design result output.The application effects showed that the system could completely meet the production requirements of opencast mine and substantially improve the blasting design efficiency and blasting effect while reduce the blasting costs.

opencast mine，loose blasting，3D visualization，intelligent design

TD824

A

任占營（1977-），男，河南許昌人，中國礦業(yè)大學（北京）在讀博士研究生，講師，從事礦山數字化、巖石破碎機理及數值模擬等方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）項目（2007AA06Z131）