任占營(yíng)丁小華肖雙雙

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

露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用*

任占營(yíng)1丁小華2肖雙雙2

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

為了實(shí)現(xiàn)松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)的可視化、智能化、科學(xué)化，利用數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)、三維顯示技術(shù)、露天礦山爆破技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研究開發(fā)了松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維可視化圖形管理、地質(zhì)信息的智能管理、松動(dòng)爆破智能設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)結(jié)果輸出等功能。應(yīng)用效果表明系統(tǒng)完全可以滿足露天礦生產(chǎn)的要求，可以大幅提高爆破設(shè)計(jì)效率，改善爆破效果，降低爆破成本。

露天礦 松動(dòng)爆破 三維可視化 智能設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)露天礦的爆破設(shè)計(jì)多是技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)計(jì)，爆破設(shè)計(jì)工作效率低下，設(shè)計(jì)、計(jì)算不夠精細(xì)。另外，依個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選取爆破參數(shù)的方法難以對(duì)復(fù)雜的爆區(qū)地形條件、爆區(qū)內(nèi)礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、炸藥爆炸性能對(duì)爆破效果具有直接影響的關(guān)鍵因素進(jìn)行準(zhǔn)確的綜合定量分析，難以保證爆破設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，更不利于控制爆破效果和降低生產(chǎn)成本。

近年來(lái)，為了改變傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)方式，提高爆破設(shè)計(jì)的科學(xué)性，國(guó)內(nèi)外已研制開發(fā)了一些爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，但由于軟件成熟程度等各種原因，并沒有在國(guó)內(nèi)露天礦得到推廣應(yīng)用。如何提高爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性，使之能夠適應(yīng)露天礦復(fù)雜的地質(zhì)資源條件，并能夠幫助改善爆破效果是一個(gè)亟待解決的問題。

本文研究開發(fā)了露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)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(tái)及地質(zhì)地形信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為全中文操作界面，設(shè)計(jì)流程更符合國(guó)內(nèi)技術(shù)人員的操作習(xí)慣，設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確，并能夠自動(dòng)輸出爆破設(shè)計(jì)文檔。系統(tǒng)已在露天煤礦得到推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1　系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.1數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)

為了使數(shù)據(jù)庫(kù)直觀、簡(jiǎn)單，便于用戶了解，易于使用非過程的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，容易實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面，系統(tǒng)采取了關(guān)系型數(shù)據(jù)模型建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括圖形信息庫(kù)、地質(zhì)信息庫(kù)、設(shè)計(jì)信息庫(kù)、效果模擬信息庫(kù)、結(jié)果輸出信息庫(kù)5個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)。5個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)包括30多個(gè)數(shù)據(jù)表，主要系統(tǒng)數(shù)據(jù)表及功能詳見表1。

表1　系統(tǒng)數(shù)據(jù)表及功能

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序的接口采用微軟ADO（ActiveX Data Object）技術(shù)，其對(duì)象模型更為簡(jiǎn)單，操作更為方便，通過程序語(yǔ)言及ADOX（ADO Extensions for DDL and Security）技術(shù)可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)/表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)更多功能。

1.2三維顯示技術(shù)

三維顯示技術(shù)本質(zhì)是圖形變換技術(shù)，是對(duì)組成圖形的點(diǎn)集坐標(biāo)的變換技術(shù)。論文研究了適宜露天礦使用的三維圖形技術(shù)，從底層開發(fā)了三維圖形管理平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本圖形實(shí)體的三維空間編輯、爆破設(shè)計(jì)專用標(biāo)識(shí)的編輯等功能。

1.3露天礦爆破技術(shù)

露天礦爆破技術(shù)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(shù)的優(yōu)化、爆破效果預(yù)測(cè)及爆破安全控制等技術(shù)。露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)必須以爆破理論技術(shù)為基礎(chǔ)。

2　松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

2.1露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)流程

露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)流程一般是根據(jù)露天礦采剝工程發(fā)展及生產(chǎn)設(shè)計(jì)，首先在待爆破區(qū)劃定爆破區(qū)域，根據(jù)工程位置及露天礦降深等要求，確定臺(tái)階高度。然后根據(jù)地質(zhì)勘探資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定爆破區(qū)域的地質(zhì)條件。根據(jù)爆破區(qū)域的地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、爆破理論以及現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)確定起爆順序、起爆網(wǎng)絡(luò)、布孔方式、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)。最后形成起爆網(wǎng)絡(luò)圖，編制爆破設(shè)計(jì)報(bào)告。爆破設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1　爆破設(shè)計(jì)流程圖

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)流程，將系統(tǒng)劃分為地質(zhì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)結(jié)果自動(dòng)輸出系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，地質(zhì)信息管理系統(tǒng)可以建立完整的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，編錄、查看、輸出礦山的地質(zhì)信息，可以對(duì)任意點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，繪制任意方向的地質(zhì)剖面圖；爆區(qū)空間信息處理系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)爆破區(qū)域測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)錄入、區(qū)域內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)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(jì)炸藥、起爆器材和傳爆器材等信息；爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)以臺(tái)階松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)布孔、裝藥、連線、結(jié)果輸出等智能設(shè)計(jì)，并以不斷完善的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)爆破智能設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)結(jié)果自動(dòng)輸出系統(tǒng)可以對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算，將結(jié)果以圖形文件及數(shù)據(jù)表格的形式保存，并能夠自動(dòng)生成符合用戶要求的施工設(shè)計(jì)文檔。

圖2　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程

通過對(duì)露天礦現(xiàn)行設(shè)計(jì)工作程序進(jìn)行深入的分析，提出了規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程，定義了各項(xiàng)工作的進(jìn)行步驟和相互間聯(lián)系，分析導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖，如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖

2.4系統(tǒng)特色

（1）地質(zhì)信息可視化。系統(tǒng)通過地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊、地質(zhì)數(shù)據(jù)訪問模塊、地質(zhì)信息插值模塊、地質(zhì)信息顯示模塊4個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)信息可視化。通過系統(tǒng)可以查看鉆孔位置的地質(zhì)信息，在爆破區(qū)域設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以自動(dòng)分析該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)信息情況并直觀顯示，為區(qū)域內(nèi)巖體可爆性評(píng)價(jià)、爆破效果反饋等提供基礎(chǔ)。

（2）爆破設(shè)計(jì)模板化。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)布孔、裝藥、連線、火工品、連線延時(shí)設(shè)置等環(huán)節(jié)以及爆破設(shè)計(jì)全過程的模板生成及管理，大大減少重復(fù)性工作，提高勞動(dòng)效率，并以此實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)過程的簡(jiǎn)約化、高效化。

（3）爆破設(shè)計(jì)智能化。系統(tǒng)以模板生成及管理為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)智能設(shè)計(jì)、爆區(qū)智能連線設(shè)計(jì)、爆區(qū)智能布孔設(shè)計(jì)、前排孔智能調(diào)整、交叉孔深度智能調(diào)整、爆破延時(shí)智能調(diào)整等功能，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)的智能化。

（4）爆破設(shè)計(jì)精確化與規(guī)范化。系統(tǒng)可以根據(jù)規(guī)范制度及礦山要求自動(dòng)輸出規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔，從而大大減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)的精確度和規(guī)范化。

3　工程應(yīng)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(zhì)泥巖、粗砂巖為主，巖層傾角平緩，巖石普氏系數(shù)為3.0～4.0，容重2100～2400 kg/m3，巖體裂隙較為發(fā)育，并存在風(fēng)化現(xiàn)象，巖體的可爆性屬于中爆和易爆。爆區(qū)內(nèi)未見有較大的構(gòu)造含水帶，也沒有較大的地表水體，爆區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)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(shè)備線性尺寸等影響，礦山臺(tái)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(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?0 m，長(zhǎng)200 m，利用開發(fā)的松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)（KS）與國(guó)外Shotplus（SP）軟件分別對(duì)其中一個(gè)區(qū)域進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，并實(shí)施爆破。先后進(jìn)行了4次對(duì)比設(shè)計(jì)，4次爆破設(shè)計(jì)的孔網(wǎng)參數(shù)和爆破效果見表2。

與Shotplus設(shè)計(jì)思路不同，本文軟件根據(jù)設(shè)計(jì)人員輸入的爆破區(qū)域坐標(biāo)、坡面數(shù)據(jù)繪出爆破區(qū)域，根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算本次爆破區(qū)域的巖體可爆性、炸藥單耗，并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)及爆破經(jīng)驗(yàn)庫(kù)優(yōu)選出爆破參數(shù)。由于爆破設(shè)計(jì)結(jié)合了爆區(qū)的巖體力學(xué)性質(zhì)及礦山爆破經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的參數(shù)更為合理。如表2中，第1次爆破Shotplus軟件設(shè)計(jì)的排距為3.0 m，孔距為4.0 m，孔距偏小，導(dǎo)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(shè)計(jì)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(jì)算，僅炸藥成本即可節(jié)約2.4萬(wàn)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(jī)的挖掘效率。

表2　兩款軟件4次爆破設(shè)計(jì)主要數(shù)據(jù)對(duì)比

4次對(duì)比設(shè)計(jì)顯示，與Shotplus軟件相比，采用本文軟件進(jìn)行松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)，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(xiàn)象。且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用本文軟件進(jìn)行松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)，一般從設(shè)計(jì)到結(jié)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(shè)計(jì)結(jié)果更為可靠，設(shè)計(jì)效率更高。

此外，本文軟件設(shè)計(jì)的裝藥結(jié)構(gòu)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(tái)階上部為砂質(zhì)泥巖，下部為粗砂巖，根據(jù)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(zhì)泥巖厚度10.82 m，15 m的臺(tái)階高度內(nèi)粗砂巖厚度4.18 m。本文軟件設(shè)計(jì)的首排孔邊緣距離4.96 m，炮孔長(zhǎng)度17 m，其中，超深2 m，填充6 m，裝藥長(zhǎng)度11 m。

圖4　1390水平中部巖石爆破首排孔裝藥設(shè)計(jì)圖

盡管設(shè)計(jì)結(jié)果與Shotplus軟件相同，但本文軟件輸出的裝藥結(jié)構(gòu)圖給出了炮孔附近的巖層信息，標(biāo)明了炮孔深度、裝藥高度等數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)圖紙快速施工。從孔口向下標(biāo)明了0、5、10、15的刻度，鉆機(jī)司機(jī)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(shí)停止裝藥，較為直觀便捷。

4　結(jié)論

（1）露天礦松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)爆破技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展之下應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)綜合技術(shù)。系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)、三維顯示技術(shù)、露天礦爆破技術(shù)等。

（2）開發(fā)的松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)已在露天煤礦得到了推廣應(yīng)用，效果較好。實(shí)踐證明利用系統(tǒng)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，能夠提高松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)質(zhì)量，改善爆破效果，大幅提高露天礦的爆破設(shè)計(jì)效率和管理水平，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(yíng)（1977-），男，河南許昌人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，講師，從事礦山數(shù)字化、巖石破碎機(jī)理及數(shù)值模擬等方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2007AA06Z131）