基于GIS 的大型露天礦山三維爆破安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊保國(guó)

（西山煤電西曲礦 通風(fēng)科，山西 太原 030021）

礦山爆破是指對(duì)礦山礦產(chǎn)資源的開采與開發(fā)過程，企業(yè)在對(duì)礦產(chǎn)進(jìn)行開采時(shí)，爆破工作是必不可少。隨著爆破工作的日益深入，采礦、地質(zhì)、石油開采等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，但是爆破環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)誤傷或者在及短的時(shí)間下產(chǎn)生爆破，如果不能進(jìn)行適當(dāng)治理，會(huì)造成較大規(guī)模的傷害，這是當(dāng)前資源開采急需解決的問題[1]。因此，提出一種三維爆破安全系統(tǒng)，利用三維空間來處理礦山爆破帶來的問題，但是，很多礦山所采用的爆破開采方法尚不完善，所要針對(duì)此問題，構(gòu)建一個(gè)較為完善安全的爆破系統(tǒng)，并應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中[2]。

1 工作面概況

所研究的礦區(qū)工作地位于北西方向，GIS的應(yīng)用與傳統(tǒng)領(lǐng)域當(dāng)中，利用其最短的生成路徑，為三維安全爆破系統(tǒng)提供解決問題的新方案。GIS為三維礦山爆破信息提供可靠的平臺(tái)，結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)、礦山地質(zhì)遙感成像以及自定義三維數(shù)據(jù)模型，將其結(jié)合控制爆破理論當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)爆破工程的負(fù)面影響，形成一個(gè)以集成空間進(jìn)行分析為主，圖文報(bào)表、數(shù)字模擬以及決策支持等的一體化綜合信息管理系統(tǒng)[3]。

工作面地質(zhì)構(gòu)造條件中等，根據(jù)掘進(jìn)資料和上覆地質(zhì)回采資料分析，礦山地質(zhì)工作面回采中會(huì)受到8條落差為0.8-3.5米的礦山斷層影響，受斷層影響，地質(zhì)構(gòu)造附近節(jié)理、裂隙發(fā)育。

礦山爆破工作面的傾斜長(zhǎng)為220米，走向長(zhǎng)度為759米，礦厚1.85—2.35米，平均2.20米，礦層結(jié)構(gòu)0.50（0.04）1.66米，礦層整體傾向西南，傾角3°—6°，一般為5°。礦層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中下部普遍含有一層泥巖夾石，夾石厚度變化不大[4]。根據(jù)礦山地質(zhì)軟件系統(tǒng)構(gòu)架與信息管理業(yè)務(wù)，以GIS為平臺(tái)，對(duì)三維爆破安全系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，結(jié)合礦山工程的實(shí)際情況，選用適當(dāng)?shù)娜S安全爆破系統(tǒng)。通過信息處理軟件，對(duì)礦山地質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集整理，并采用GIS文件，進(jìn)行功能一體化功能處理，實(shí)現(xiàn)交換操作及礦山地質(zhì)信息查詢影響處理分析。

本文系統(tǒng)是利用礦山礦城地質(zhì)紋路表面信息，利用衛(wèi)星多光譜掃描儀的影像，得到礦山地質(zhì)的具體數(shù)據(jù)，更有效的提高圖像空間分辨率，有益于識(shí)別礦山地質(zhì)精準(zhǔn)度[5]。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況

2.1 功能模塊

為了實(shí)現(xiàn)基于GIS的三維爆破安全系統(tǒng)的功能，對(duì)此系統(tǒng)的主要功能模塊，如下所示：

（1）基礎(chǔ)功能：以空間距離量算以及三維顯示為主，實(shí)現(xiàn)了三維空間基本的瀏覽功能，對(duì)三維空間內(nèi)的距離、點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行量算；書簽定位，此定位方式是為了實(shí)現(xiàn)不同頁(yè)面與角度的快速定位，對(duì)地質(zhì)的當(dāng)前視點(diǎn)與目標(biāo)進(jìn)行記錄；設(shè)計(jì)一條規(guī)定路徑漫游系統(tǒng)，用戶可以通過這一漫游路徑，進(jìn)行礦上工程目標(biāo)點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)整其位置，并利用動(dòng)漫瀏覽方式進(jìn)行系統(tǒng)瀏覽；動(dòng)畫制作方式是通過，對(duì)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)或者對(duì)工作礦區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行普通漫游，并制作出飛行動(dòng)畫模式。

（2）特色功能。礦山爆破的決策支持，這是針對(duì)一般的爆破因子的評(píng)價(jià)而言，根據(jù)分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行數(shù)值模擬，并得出所評(píng)價(jià)的結(jié)論，此結(jié)論可以為分析決策人員提供有價(jià)值的參考，并進(jìn)行科學(xué)合理的利用；生成節(jié)能減耗路徑，并計(jì)算出礦山的坡度與起伏度加權(quán)后的成本，并以最低的方法進(jìn)行計(jì)算，得出爆破點(diǎn)到礦山開采加工區(qū)域的最短路徑，以方便在礦山爆破后，對(duì)廢棄的材料運(yùn)輸路徑進(jìn)行整合[6]。

2.2 爆破模塊的實(shí)現(xiàn)

空氣沖擊波是高度爆破，在進(jìn)行爆破時(shí)，會(huì)在空氣中形成一團(tuán)，瞬間占據(jù)炸藥原有的高壓氣體與空間，這團(tuán)氣體會(huì)猛烈的帶動(dòng)周圍氣體，這樣的氣體會(huì)對(duì)四周產(chǎn)生一系列的壓縮波動(dòng)，它也是各個(gè)壓縮當(dāng)中，最終產(chǎn)生疊加狀態(tài)[7]。

生成的爆破聲壓級(jí)的應(yīng)用公式如下所示：

式中，Δp 為爆破聲壓，Lp為聲壓級(jí)，P0為參照聲壓值，C 為裝藥量，R 為爆破中心距離。

分析過程中，首先對(duì)坐標(biāo)中心點(diǎn)，爆破深度，炸藥量等原始資料進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到礦山工程爆破數(shù)據(jù)格式。

2.3 礦山爆破振動(dòng)危害

在爆破作用下引起的振動(dòng)波稱之為爆破振動(dòng)，這是一種較為復(fù)雜的隨機(jī)振動(dòng)波，為了更加方便的對(duì)其進(jìn)行研究，在一般情況下，假定介質(zhì)在較為均勻的情況下，各向同性的彈性體質(zhì)，形成介質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)諧式運(yùn)動(dòng)，而礦山的爆破振動(dòng)速度，是利用介質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)來進(jìn)行描述。

在礦山開采區(qū)的路徑制定不僅要受到地形的限制，還需要對(duì)礦山爆破的炸藥以及其他物品的成本等因素。因此，新建路徑成本要少，路徑要短。

3 基于三維爆破的實(shí)際應(yīng)用

本次數(shù)據(jù)分析主要通過在正常礦山開采過程中三維爆破安全系統(tǒng)設(shè)進(jìn)行合理科學(xué)的應(yīng)用，礦山炸藥埋藏的深度、抽采礦產(chǎn)以及抽采量這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)工程施工的變化影響。

開發(fā)本系統(tǒng)的主要目的是為了安全進(jìn)行礦山爆破，其是依托GIS平臺(tái)將礦山生產(chǎn)的工作需要，對(duì)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并將屬性數(shù)據(jù)相互結(jié)合，以GIS的平臺(tái)作為媒介，實(shí)現(xiàn)了礦山爆破中礦山模型數(shù)據(jù)以及全面平臺(tái)的整合，達(dá)到資源整合與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的模式。在此基礎(chǔ)上，提供礦山爆破的危害性預(yù)測(cè)，對(duì)報(bào)表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成合理方案，這樣可以提供科學(xué)規(guī)范的礦山爆破工作策略。以GIS為平臺(tái)媒介的三維礦山爆破信息系統(tǒng)，結(jié)合合理的地質(zhì)信息資源并加以利用，最終形成一個(gè)較為完整的礦山爆破信息管理整合平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了礦山爆破信息資源的整合，為礦山爆破工作提供科學(xué)合理的方案，為工程進(jìn)度提供參考依據(jù)。GIS的三維礦山爆破信息系統(tǒng)的流程主要有兩個(gè)，分別為爆破流程與三維礦山爆破安全系統(tǒng)。

4 三維礦山爆破模塊研究

圖1 爆破過程波及范圍

礦山的爆破系統(tǒng)模塊分為兩個(gè)放馬，第一，是在空氣當(dāng)中，爆破沖擊波所帶來的危害，該波及的范圍較廣，該沖擊波是指礦山在經(jīng)過爆破時(shí)，所產(chǎn)生的高壓氣體，這些氣體會(huì)通過高壓進(jìn)行不斷擴(kuò)散，在空氣中形成一種噪聲污染。爆破過程在空氣當(dāng)中的沖擊波爆破深度與噪音污染形成了正比。爆破引起的振動(dòng)是由爆破的高壓氣體所引起，其對(duì)周圍的環(huán)境或者周圍其他礦山會(huì)造成影響，搏擊范圍較廣泛，如圖1所示，爆破所波及的范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)間的推移，礦產(chǎn)開采總量的不斷增加，礦產(chǎn)開采的深度也不斷延伸，隨之而來礦產(chǎn)資源的使用量也越來越大，在礦層間距較近時(shí)，由于本礦層在進(jìn)行開采之前均達(dá)標(biāo)，采礦區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源作企業(yè)運(yùn)行的核心，也存在采集量不高的情況，通過對(duì)GIS三維礦山爆破信息系統(tǒng)的技術(shù)研究，改進(jìn)了礦山地質(zhì)信息，為礦山現(xiàn)場(chǎng)開采提供了技術(shù)方面和方法，同時(shí)，也改進(jìn)了礦山爆破系統(tǒng)。也為爆破系統(tǒng)提供了安全輔助，要制定不同的治理方案，并在實(shí)踐中不斷改進(jìn)。