姚紀明 張云鵬 王 森 張偉華 張麗春

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山063009)

爆破作業(yè)是露天開采的重要環(huán)節(jié)，為后續(xù)的采礦工作提供了基礎(chǔ)。爆破設(shè)計是爆破作業(yè)的關(guān)鍵，直接影響到爆破作業(yè)的質(zhì)量，以及后續(xù)采裝環(huán)節(jié)的效果、效率、成本［1］。傳統(tǒng)的爆破作業(yè)方式基本上全都采用傳統(tǒng)的測量方式來得到爆區(qū)參數(shù)，然后靠經(jīng)驗來進行炮孔位置標定以及裝藥量的計算，這往往導致定位精度低、布孔方案不合理，且破碎效果不好。如果采用精確的數(shù)據(jù)采集方法、定位技術(shù)等現(xiàn)代化的技術(shù)，加上技術(shù)人員長期以來的工作經(jīng)驗，實現(xiàn)爆破設(shè)計的自動化對于爆破工程來講是一個很大的進步，很多研究中利用現(xiàn)有的國內(nèi)外的軟件技術(shù)［2-4］或者是對現(xiàn)有軟件進行二次開發(fā)［5-8］實現(xiàn)爆破設(shè)計功能，對傳統(tǒng)的方法有了很大的改進，但是在炮孔定位精度上還有待于改進，RTK 技術(shù)提供現(xiàn)場實時定位的優(yōu)點能夠提高爆破設(shè)計精度［9］，根據(jù)準確的地理信息確定炮孔網(wǎng)的參數(shù)，確定合理的破碎塊度和爆堆形狀，提高破碎效果，極大地提高作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)的需求分析

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

基于RTK 手簿的露天礦爆破設(shè)計系統(tǒng)主要用于煤礦深孔爆破的各種參數(shù)計算、炮孔排布、爆破過程設(shè)計及爆破記錄生成。因此，將系統(tǒng)功能分為項目管理、參數(shù)操作、繪圖放樣和記錄生成等4 大模塊。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有:①爆破作業(yè)相關(guān)信息記錄，包括項目名稱、作業(yè)公司、負責人、起始時間等;②各種爆破參數(shù)的自動計算，包括底盤抵抗線、孔深、孔距、行距、裝藥量等;③爆破示意圖的生成，炮孔位置的調(diào)整，最終布孔圖的導出;④爆破記錄的生成，包括爆破設(shè)計書、炮孔布置圖、穿孔任務書、起爆順序圖、藥量計算表等。

1.2 系統(tǒng)可行性分析

(1)數(shù)據(jù)源的獲取。本系統(tǒng)運行所需輸入數(shù)據(jù)即為礦山測量數(shù)據(jù)的電子版，即RTK 數(shù)據(jù)或全站儀數(shù)據(jù)，由于在日常的礦山生產(chǎn)過程中，對于礦產(chǎn)的分布依賴于測量技術(shù)的使用，所以，對于礦山臺階的數(shù)據(jù)獲取是較為容易的。在參數(shù)設(shè)計階段，各項參數(shù)要根據(jù)爆破的巖石類型等客觀條件及經(jīng)驗值來設(shè)置，這是傳統(tǒng)爆破所必不可少的，礦山通常會配備專業(yè)人員來進行具體操作。所以，參數(shù)設(shè)置的準確性可以得到保障。

(2)技術(shù)可行性分析。對于硬件條件的要求，一般的RTK 手簿都可滿足，基本上每一個露天煤礦都具有配備RTK 儀器的條件。礦山的日常生產(chǎn)離不開測繪儀器的使用，所以，每個煤礦都會配備測繪工程的專業(yè)人才，這樣就為系統(tǒng)運行提供了條件。不僅具有硬件支持，而且，測繪專業(yè)人員對RTK 手簿的了解，為系統(tǒng)的成功使用打下了基本條件。根據(jù)RTK手簿生產(chǎn)商(本系統(tǒng)采用中海達手簿調(diào)試)提供的二次開發(fā)幫助文件，可判斷出系統(tǒng)所需功能基本可以實現(xiàn)。

(3)經(jīng)濟和社會效益。傳統(tǒng)的爆破存在很多安全隱患，很多的布孔位置都是靠皮尺甚至步量來確定，精確性低。而本系統(tǒng)所運用的算法，嚴格按照爆破原理，并且可以進行修改，所以系統(tǒng)的可靠性和準確性較高，產(chǎn)生的布孔位置也較為合理，有利于提高爆破過程的安全性，從而減少事故的發(fā)生。RTK 手簿更加輕便、快捷，有利于提高勞動效率，提高經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

系統(tǒng)設(shè)計可以分為以下幾步:①前期地形測量;②設(shè)定經(jīng)驗參數(shù)，計算底盤抵抗線和孔距、排距;③根據(jù)孔距、排距進行炮孔位置與起爆順序的設(shè)計;④提取炮孔坐標并按內(nèi)插的方法計算每個炮孔的高程值;⑤計算孔深，進行炮孔的放樣和鉆定工作;⑥對鉆定的炮孔進行實測;⑦根據(jù)實測調(diào)整有關(guān)參數(shù)并計算裝藥量;⑧輸出成果。

系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線圖Fig.1 Technical roadmap of the system

系統(tǒng)調(diào)試所用的RTK 手簿為中海達GIS+，該手簿系統(tǒng)所用處理器為530 MHz 高速ARM920T，存儲器為128M SDRAM 內(nèi)存+512M Flash 閃存+SD 卡槽(可無限擴展)，操作系統(tǒng)為Microsoft Windows CE 5.0，整個配置滿足系統(tǒng)開發(fā)要求。開發(fā)語言采用基于.NET 平臺的Visual C#，作為應用層的嵌入式開發(fā)，C#在很好地實現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時，相對Visual C + +來說具有更高的開發(fā)效率、易操作、易維護等優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)爆破原理和RTK 基礎(chǔ)理論，重點工作是根據(jù)孔網(wǎng)參數(shù)完成炮孔的自動定位，并繪制炮孔平面位置圖;提取設(shè)計坐標，用RTK 直接在采場進行炮孔的精確放樣工作，對炮孔進行實測，完成對炮孔裝藥量的計算和調(diào)整任務。最后對完成的設(shè)計成果進行圖件輸出。系統(tǒng)功能模塊劃分見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.2 Functional block diagram of the system

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫詳細設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

本系統(tǒng)采用SQL Server CE 即Microsoft SQL Server Compact 來存儲所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫關(guān)系見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)庫表關(guān)系圖Fig.3 The database diagram

(1)項目表:Project，用于爆破項目的信息存儲，由項目管理模塊調(diào)用。

(2)鉆孔參數(shù)表:DrillTable，由參數(shù)操作模塊中的參數(shù)設(shè)置調(diào)用，包括鉆孔的名稱、直徑、編號。

(3)地形參數(shù):Terrain Data，用于讀取地形參數(shù)文件中的坐標，由參數(shù)操作的導入數(shù)據(jù)調(diào)用。

(4)參數(shù)表:Parameter，用于參數(shù)設(shè)置及計算結(jié)果的存儲，由參數(shù)操作模塊調(diào)用。

(5)預計鉆孔參數(shù)表:ConceptualHole，當參數(shù)計算完成后，生成預計鉆孔的位置及編號等，該表與調(diào)整后鉆孔參數(shù)表區(qū)別，由參數(shù)設(shè)計模塊調(diào)用、存儲，由繪圖放樣模塊調(diào)用、使用并形成新表。

(6)調(diào)整后鉆孔參數(shù)表:PracticalHole，當參數(shù)計算完成后，生成預計鉆孔，經(jīng)繪圖放樣模塊調(diào)用后調(diào)整鉆孔參數(shù)，得到該表各行。

(7)炸藥類型表:ExplosiveType，通過選擇炸藥來確定裝藥密度，更具專業(yè)性和說服力，由參數(shù)設(shè)置模塊調(diào)用。

(8)巖石類型表:PenaType，通過選擇巖石類型，通過其單軸抗壓強度及炸藥類型來決定單藥耗。

(9)單藥耗表:q，通過選擇巖石類型及炸藥類型來決定單藥耗，即單位炸藥消耗量。

4.2 數(shù)據(jù)庫模塊的開發(fā)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)的操作。系統(tǒng)通過封裝數(shù)據(jù)訪問層的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲;通過為每一個表定義實體對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)映射;通過定義每個表的操作代理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作。

(1)數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)DBHelper 類來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。DBHelper 類通過抽象功能，實現(xiàn)了通用的增、刪、查、改等功能，見表1。

表1 數(shù)據(jù)存儲對應的方法及說明Table 1 The corresponding method and illustration for data storage

(2)數(shù)據(jù)映射。數(shù)據(jù)映射是將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表映射為數(shù)據(jù)實體類，見表2。

表2 數(shù)據(jù)映射對應的類及說明Table 2 The corresponding category and illustration for data mapping

(3)數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)操作主要是實現(xiàn)對單個對象的增、刪、改、查的數(shù)據(jù)庫操作。它與實體類一一對應，見表3。

4.3 數(shù)據(jù)導入與導出

(1)數(shù)據(jù)導入。數(shù)據(jù)導入是導入地形數(shù)據(jù)，它以文本的形式進行存儲，存儲格式為:坐標名稱、投影X、投影Y、投影Z，經(jīng)度x、緯度y、高度z。導入數(shù)據(jù)主要是提取地形數(shù)據(jù)中的投影坐標，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中。提取投影坐標的步驟:①用戶指定地形數(shù)據(jù)文件;②讀取地形數(shù)據(jù)文件的每行;③根據(jù)分割符分割每行數(shù)據(jù);④查找每行中的投影X 坐標;⑤提取該行的投影坐標;⑥存入數(shù)據(jù)庫。

表3 數(shù)據(jù)操作對應的方法及說明Table 3 The corresponding method and illustration for data manipulation

(2)數(shù)據(jù)導出。數(shù)據(jù)導出是將存儲在數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)導出到指定的文件中，導出的格式為:順序編號、工程名稱、投影X，投影Y、投影Z。數(shù)據(jù)導出的步驟為:①用戶指定導出文件;②從數(shù)據(jù)庫中讀取地形坐標數(shù)據(jù);③將地形數(shù)據(jù)寫入導出文件;④關(guān)閉導出文件。

4.4 參數(shù)設(shè)置與計算

參數(shù)設(shè)置和計算的步驟為:①設(shè)置項目中所有炮孔點的缺省參數(shù);②計算項目炮孔點的底盤抵抗線，同時得到合理的抵徑比;③計算炮孔點的孔距和排距;④根據(jù)孔距和排距在繪圖模塊中進行布孔;⑤繪圖完畢后，得到炮孔理論位置，然后計算每個炮孔的孔深;⑥調(diào)整炮孔參數(shù)，計算炮孔裝藥量。

5 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

5.1 參數(shù)操作模塊實現(xiàn)

參數(shù)操作模塊包括設(shè)置參數(shù)、地形數(shù)據(jù)的導入導出、爆破參數(shù)自動計算、底盤抵抗線、孔深、孔距、行距以及裝藥量的計算等。如圖4 所示。

圖4 參數(shù)操作主界面Fig.4 The main interface for parameters operate

5.2 繪圖功能模塊的實現(xiàn)

圖形繪制功能主要由圖形類、圖形繪制類、地圖類和圖層類構(gòu)成。圖層類中包含多圖層，每個圖層都是由若干圖形組成，圖層類中的元素通過地圖類來實現(xiàn)對圖形元素的坐標轉(zhuǎn)換、平移、縮放等與地圖相關(guān)的操作，并通過圖層類實現(xiàn)地圖元素的繪制。

系統(tǒng)繪制要經(jīng)過地形點的繪制、選取邊界點、點取布孔點起始位置、布孔、繪制炮孔編號等組成。具體的步驟為:

(1)繪制地形點。讀取當前打開工程的地形點數(shù)據(jù)，并通過地形點的空間范圍構(gòu)建地圖類的空間范圍、中心點和比例尺。然后將地形點經(jīng)過轉(zhuǎn)換繪制到畫圖面板上。

(2)選取邊界點。點擊開始，選取邊界，然后在畫布上點取邊界，選點結(jié)束后選取邊界按鈕，完成邊界的獲取。

(3)點取布孔起始位置。通過在邊界點圍成的多邊形的內(nèi)部點取點來獲取布孔點的起始位置。

(4)布孔。布孔的方式有2 種，平行布孔和交叉布孔，通過選取下拉菜單來實現(xiàn)不同的布孔方式。

(5)繪制炮孔點。按爆破順序點擊炮孔點，實現(xiàn)炮孔點順序的繪制。

(6)保存炮孔點和起爆順序。

5.3 放樣模塊實現(xiàn)

孔網(wǎng)參數(shù)計算完成后，在繪圖模塊進行炮孔平面位置圖的繪制并設(shè)計起爆順序，如圖5、圖6 所示。自動布孔之后，要根據(jù)實際情況對個別炮孔進行調(diào)整。尤其靠近區(qū)域邊界位置的，一般到邊界距離小于半個孔距的炮孔都要刪除掉，同時調(diào)整其周邊炮孔位置，控制孔距和排距的大小，以達到炮孔的均勻排列，避免根底與大塊。這里采用排間順序起爆方式，該方式布孔簡單，施工方便。

繪圖完成，接著是要在爆區(qū)臺階上對設(shè)計的炮孔進行放樣和標定工作，這里利用RTK 系統(tǒng)自身的放樣功能完成。

圖5 炮孔平面位置圖繪制Fig.5 Outline draught of blasthole location

6 結(jié) 論

通過對RTK 理論和露天深孔爆破理論的深入分析，并對Windows CE 環(huán)境下圖形的坐標轉(zhuǎn)換、比例尺確定、平移拖動、坐標內(nèi)插等編程算法進行研究，設(shè)計開發(fā)出基于RTK 技術(shù)的露天礦爆破設(shè)計系統(tǒng)。將RTK 精確定位的優(yōu)勢與爆破理論相結(jié)合，在已有的爆破計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上實現(xiàn)了系統(tǒng)的開發(fā)，完成對現(xiàn)場地形參數(shù)及實際炮孔參數(shù)的動態(tài)采集，并實時調(diào)整和優(yōu)化，實現(xiàn)精確定位與爆破設(shè)計一體化，為精確爆破提供了先進的設(shè)計平臺。

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