面向復(fù)雜孔網(wǎng)參數(shù)的露天礦爆破設(shè)計(jì)軟件研發(fā)及應(yīng)用

董文明，譚期仁

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083)

爆破是露天礦開采最重要的工藝環(huán)節(jié)之一，隨著爆破機(jī)理研究的不斷深入和信息技術(shù)的發(fā)展，礦山爆破逐漸向精細(xì)化轉(zhuǎn)變[1]。精細(xì)化爆破主要包括定量設(shè)計(jì)、精心施工和精細(xì)管理[2]，定量設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，布孔設(shè)計(jì)的參數(shù)合理與否以及設(shè)計(jì)精度直接影響爆破施工的質(zhì)量，進(jìn)而影響后續(xù)鏟裝運(yùn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率與成本[3-4]。

布孔設(shè)計(jì)首先是確定孔網(wǎng)參數(shù)，通常會(huì)考慮爆區(qū)形狀、規(guī)模、地形特點(diǎn)、礦巖分布、臺(tái)階高度、地下水分布狀況等因素[5]，然后根據(jù)孔網(wǎng)參數(shù)利用工具軟件將炮孔布置在爆區(qū)范圍線內(nèi)。近年來，國內(nèi)學(xué)者從確定最優(yōu)的孔網(wǎng)參數(shù)、智能化爆破設(shè)計(jì)軟件等方面進(jìn)行了大量的研究。李明[6]針對(duì)爆破大塊、沿墻、根底現(xiàn)象多發(fā)等問題，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算得出最佳孔網(wǎng)參數(shù)，爆破效果明顯提高。高朋[7]針對(duì)爆破效果不理想的問題，從裝藥量、孔網(wǎng)參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的爆破效果，提高了生產(chǎn)效率。在智能化爆破設(shè)計(jì)軟件方面，礦山企業(yè)和科研院所研發(fā)了一大批服務(wù)于礦山爆破的軟件，如露天礦爆破設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)[8]、炮區(qū)管理系統(tǒng)[9]、露天爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)[10]、露天臺(tái)階爆破智能化設(shè)計(jì)軟件[11]、露天爆破統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)[12]。

上述軟件都包含了布孔設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)置的孔網(wǎng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了布孔的自動(dòng)化，提升了布孔的精度，均取得了不錯(cuò)的效果。針對(duì)某些特殊場(chǎng)景，上述系統(tǒng)還存在優(yōu)化的空間，如斜坡道布孔設(shè)計(jì)，每一排的炮孔深度不同，孔網(wǎng)參數(shù)也不盡相同，目前已有的軟件難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布孔。此外，在實(shí)際采礦生產(chǎn)中，由于爆破作用會(huì)造成下部臺(tái)階頂部巖石破碎，為了避免臺(tái)階底部出現(xiàn)根底，炮孔一般都會(huì)設(shè)置超深。然而，在布置炮孔時(shí)，通常沒有考慮上部臺(tái)階超深對(duì)本臺(tái)階炮孔位置的影響，或雖考慮了超深的位置，但仍需要在布孔完成后手動(dòng)去修改炮孔的位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。基于上述分析，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了面向復(fù)雜孔網(wǎng)參數(shù)的露天礦爆破設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜孔網(wǎng)參數(shù)下的自動(dòng)布孔，同時(shí)考慮了上部臺(tái)階炮孔超深位置的影響，提高了布孔設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場(chǎng)的匹配度，為后續(xù)精細(xì)化爆破奠定了基礎(chǔ)。

1 爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)

通過對(duì)露天礦爆破設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和功能設(shè)計(jì)后，在DIMINE數(shù)字采礦軟件平臺(tái)上采用C++語言開發(fā)了爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)為C/S架構(gòu)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫為PostgreSQL，支持在三維環(huán)境下進(jìn)行布孔、裝藥、連線以及起爆順序模擬。軟件功能模塊如圖1所示。炮孔數(shù)據(jù)庫是指以數(shù)據(jù)庫的方式存儲(chǔ)炮孔，礦山所有區(qū)塊炮孔都存儲(chǔ)在該數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)炮孔數(shù)據(jù)的有效管理；布孔基本參數(shù)包括孔口、孔底標(biāo)高、爆區(qū)名稱、炮孔孔徑、傾角、方位角、布孔方式以及安全緩沖距離；自動(dòng)布孔是在布孔基本參數(shù)和孔網(wǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選定區(qū)塊邊界后實(shí)現(xiàn)炮孔自動(dòng)布置；孔位自動(dòng)調(diào)整是在布孔結(jié)束后，對(duì)部分需要調(diào)整位置的炮孔進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；裝藥設(shè)計(jì)是通過模板化的定義裝藥參數(shù)與裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速裝藥設(shè)計(jì)；起爆網(wǎng)絡(luò)是以自動(dòng)或手動(dòng)的方式完成起爆網(wǎng)絡(luò)的連線；模擬分析包括起爆順序模擬、等時(shí)線分析、拋擲方向分析、起爆時(shí)間分析；結(jié)果輸出是將炮孔設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)、連線等成果輸出為文本文件或保存到數(shù)據(jù)庫。本文重點(diǎn)介紹布孔基本參數(shù)、自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)和孔位自動(dòng)調(diào)整功能。

圖1 爆破設(shè)計(jì)軟件功能模塊Fig.1 Function module of blasting design software

1.1 布孔基本參數(shù)

布孔基本參數(shù)包括孔口設(shè)計(jì)標(biāo)高、孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高、爆區(qū)名稱、鉆孔參數(shù)、布孔方式、安全緩沖距離等，參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。孔口設(shè)計(jì)標(biāo)高除支持按固定標(biāo)高值設(shè)置外，還可以指定三維表面模型文件作為孔口標(biāo)高，當(dāng)選用該方式時(shí)，孔口的標(biāo)高隨實(shí)測(cè)的地形而變化；孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高支持四種方式，分別為固定標(biāo)高值、炮孔深度、三維表面文件以及坡度，其中，坡度適用于斜坡道區(qū)塊布孔，軟件根據(jù)坡度自動(dòng)計(jì)算每排炮孔的深度；布孔方式支持方形布孔和梅花形布孔兩種方式；由于炮孔不能布置在坡頂線上，因此，在首排炮孔和坡頂線之間需要設(shè)置安全距離。此外，為了控制爆破在指定區(qū)域內(nèi)，在左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)分別設(shè)置緩沖距離。

圖2 布孔基本參數(shù)Fig.2 Basic parameters of hole layout

1.2 自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)

在進(jìn)行自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)時(shí)，首先設(shè)置孔網(wǎng)參數(shù)，每一排都支持設(shè)置不同的孔間距、排間距、超深，如圖3所示。然后確定布孔方向及第一排炮孔的約束邊界，如圖4所示，將布孔范圍劃分成四個(gè)部分，箭頭方向?yàn)椴伎追较?，前排線為首排炮孔布置的參考線，微調(diào)四邊形可以將區(qū)塊邊界中的任一線段定義為前排線，右鍵完成自動(dòng)布孔。自動(dòng)布孔的原則除了要滿足安全緩沖距離的約束，炮孔還要沿前排線進(jìn)行布置。

圖3 自動(dòng)布孔孔網(wǎng)參數(shù)Fig.3 Automatic hole layout parameters

圖4 炮孔約束邊界及布孔方向Fig.4 Blast-hole constraint boundary and hole layout direction

1.3 孔位自動(dòng)調(diào)整

在布置炮孔的過程中，由于沒有考慮上部臺(tái)階超深對(duì)本臺(tái)階炮孔位置的影響，導(dǎo)致部分設(shè)計(jì)炮孔落在上部臺(tái)階超深位置的影響范圍內(nèi)，需要調(diào)整設(shè)計(jì)炮孔位置。調(diào)整過程為：以上部已采臺(tái)階的實(shí)測(cè)炮孔孔口坐標(biāo)為圓心，以穿孔影響范圍為半徑畫圓，如果當(dāng)前臺(tái)階的炮孔落在圓內(nèi)，則表示該炮孔受上部臺(tái)階炮孔的影響，需要調(diào)整到圓上，調(diào)整方向?yàn)檠嘏诳走B線方向。炮孔自動(dòng)調(diào)整完成后，考慮到某些炮孔間距離發(fā)生了變化，若同一條線上的兩個(gè)炮孔距離大于某一個(gè)值，還支持自動(dòng)添加炮孔，參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 孔位自動(dòng)調(diào)整參數(shù)Fig.5 Automatic hole position adjustment parameters

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

湖山鈾礦位于納米比亞西部的納米布沙漠地區(qū)，設(shè)計(jì)年采礦1 500萬t、剝離超過1億t，是世界上最大的露天鈾礦山[13]。礦山主要巖性為花崗巖和鈣質(zhì)硅酸鹽巖，近地表為砂巖、鈣質(zhì)結(jié)礫巖[14]，礦石臺(tái)階高7.5 m，炮孔直徑主要為165 mm；廢石剝離臺(tái)階高15 m，炮孔直徑為251 mm或311 mm[15]。單個(gè)礦石爆區(qū)產(chǎn)量約40萬t，廢石爆區(qū)產(chǎn)量約80萬t。炮孔孔內(nèi)使用500 ms導(dǎo)爆管雷管，孔間使用42 ms導(dǎo)爆管雷管，排間使用75 ms導(dǎo)爆管雷管或65 ms導(dǎo)爆管雷管。爆破設(shè)計(jì)由礦山測(cè)量團(tuán)隊(duì)和第三方爆破工程公司合作完成，其中，礦山負(fù)責(zé)布孔設(shè)計(jì)，炮孔裝藥、填塞、連線、起爆由第三方承包商負(fù)責(zé)。

根據(jù)爆破區(qū)塊所處的位置，礦山將其分為生產(chǎn)區(qū)塊、邊坡區(qū)塊和斜坡道區(qū)塊，如圖6所示。由圖6可知，2B23D001區(qū)塊為斜坡道區(qū)塊，位于上部臺(tái)階和本臺(tái)階的連接處；2B23D002區(qū)塊、2B23D003區(qū)塊、2B23D004區(qū)塊、2B23D009區(qū)塊和2B23D012區(qū)塊為邊坡區(qū)塊，靠近上部臺(tái)階；其余區(qū)塊為生產(chǎn)區(qū)塊，位于臺(tái)階中部，生產(chǎn)區(qū)塊和邊坡區(qū)塊的主要區(qū)別在于孔網(wǎng)參數(shù)不同。目前，礦山布孔設(shè)計(jì)使用的軟件是Microstation及插件Jador，由于該軟件不是專業(yè)的布孔爆破設(shè)計(jì)軟件，且布孔設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，同一區(qū)塊的孔網(wǎng)參數(shù)不盡相同，尤其是斜坡道區(qū)塊更為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)炮孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作量極大，且難以保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以斜坡道區(qū)塊為例簡述爆破設(shè)計(jì)軟件在湖山鈾礦的應(yīng)用。

圖6 湖山鈾礦2號(hào)坑23臺(tái)階區(qū)塊分布Fig.6 Block distribution of bench 23 of pit 2 in Husab Uranium Mine

2.2 斜坡道區(qū)塊爆破設(shè)計(jì)

斜坡道是連接上一臺(tái)階到下一臺(tái)階的傾斜道路，在布孔設(shè)計(jì)時(shí)，由于斜坡道有一定的坡度，在沿斜坡道方向炮孔深度也隨之變化。這里選取圖6中的2B23D001區(qū)塊，該區(qū)塊聯(lián)通22臺(tái)階和23臺(tái)階，臺(tái)階高度7.5 m，坡度10%，炮孔直徑為165 mm，傾角為90°，前排、左側(cè)、右側(cè)以及后側(cè)緩沖距離0.5 m，臺(tái)階孔口標(biāo)高為407.5 m，布孔方式采用方形布孔，孔距、排距及超深參數(shù)見表1。

表1 炮孔孔網(wǎng)參數(shù)Table 1 Blast-hole pattern parameters

在爆破設(shè)計(jì)軟件中輸入上述參數(shù)，一鍵生成初始布孔設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖7(a)所示，在此基礎(chǔ)上，考慮上部臺(tái)階炮孔超深對(duì)本臺(tái)階炮孔的影響，對(duì)處在上部臺(tái)階炮孔影響范圍內(nèi)的炮孔進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)礦山已有的規(guī)則，直徑為165 mm的炮孔影響范圍為1.5 m，調(diào)整后的布孔設(shè)計(jì)如圖7(b)所示，圖中，以×標(biāo)記為上部臺(tái)階炮孔的坐標(biāo)點(diǎn)，以此為圓心，1.5 m為半徑畫圓，標(biāo)記為○，設(shè)計(jì)的炮孔落在圓內(nèi)需要調(diào)整，圖中只顯示需要調(diào)整的圓。布孔設(shè)計(jì)三維空間視圖如圖8所示。

圖7 炮孔平面布置圖Fig.7 Layout plan of blast-hole

圖8 炮孔三維空間分布圖Fig.8 Three dimensional spatial distribution of blast-hole

炮孔設(shè)計(jì)完成后，可直接導(dǎo)出txt格式文本文件供Provision系統(tǒng)調(diào)用，然后下發(fā)至高精度鉆機(jī)進(jìn)行施工，輸出結(jié)果包括炮孔編號(hào)、區(qū)塊編號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)以及炮孔孔底標(biāo)高。

3 結(jié) 論

1) 通過對(duì)露天礦爆破設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的系統(tǒng)分析，在DIMINE數(shù)字采礦軟件平臺(tái)上采用C++語言開發(fā)了爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)為C/S架構(gòu)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫為PostgreSQL，支持在三維環(huán)境下進(jìn)行布孔、裝藥、連線以及起爆順序模擬，滿足礦山的布孔爆破設(shè)計(jì)要求。

2) 針對(duì)露天礦布孔設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文開發(fā)軟件充分考慮了布孔設(shè)計(jì)參數(shù)定義的靈活性，通過對(duì)每一排炮孔參數(shù)進(jìn)行定義，能夠滿足各種復(fù)雜孔網(wǎng)參數(shù)條件下的布孔要求。

3) 本文開發(fā)軟件從布孔設(shè)計(jì)層面考慮了上部已采臺(tái)階炮孔超深對(duì)本臺(tái)階設(shè)計(jì)孔位的影響，避免了設(shè)計(jì)孔位和實(shí)際孔位的偏差，提高了布孔設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場(chǎng)的匹配度，提升了設(shè)計(jì)的指導(dǎo)價(jià)值和意義。

4) 本文開發(fā)軟件能夠滿足湖山鈾礦各種區(qū)塊的布孔要求，徹底改變了礦山當(dāng)前布孔方式“步驟繁多、操作復(fù)雜、效率低下”的局面，極大地提高了工作效率和布孔設(shè)計(jì)精度，為后續(xù)精細(xì)化爆破施工奠定了良好的基礎(chǔ)。