楊林兵，趙昌龍

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550025；2.貴陽城建項(xiàng)目管理有限公司，貴陽 550081)

傳統(tǒng)露天礦山爆破作業(yè)多是基于爆破作業(yè)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，現(xiàn)場操作隨意性大，不重視、甚至不按照爆破設(shè)計(jì)方案施工，爆后效果完全取決于作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)水平，產(chǎn)生爆破大塊和根底較多，工作平臺凹凸不平，對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重影響等問題，爆破質(zhì)量得不到有效控制[1,2]。

為了探索解決工程爆破中的系列問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者與工程師都開展了大量的研究工作。李盛林等通過調(diào)研分析，得出我國露天礦山深孔臺階爆破采剝過程中已初步實(shí)現(xiàn)了起爆系統(tǒng)電子化、爆破作業(yè)智能化和綠色化的結(jié)論，但是還需要研發(fā)新型工具來推動形成更加成熟的爆破系統(tǒng)[3]。李萍豐等認(rèn)為現(xiàn)階段臺階爆破碎片化研究較多，未能形成有效的串聯(lián)系統(tǒng)，建議從一體化技術(shù)體系、炸藥與巖石自動匹配、數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型技術(shù)研發(fā)等方面，開展科研攻關(guān)工作，促進(jìn)爆破行業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展[4]。趙海濤等從定量設(shè)計(jì)、精心施工和精細(xì)管理三個(gè)方面探索了一套露天礦山精細(xì)化爆破技術(shù)，并引進(jìn)了爆破現(xiàn)場檢查核對單、工作安全分析表、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序等先進(jìn)的管理工具和手段，來實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理[5]。施富強(qiáng)認(rèn)為數(shù)據(jù)統(tǒng)籌、精度統(tǒng)籌、邏輯統(tǒng)籌將成為工程爆破“精準(zhǔn)化一數(shù)字化一智能化”高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)[6]。隨著爆破機(jī)理的深入研究和高精度測量工具的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種爆破智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，礦山爆破采礦技術(shù)也從粗放式向精細(xì)化不斷轉(zhuǎn)變，特別是隨著精細(xì)爆破理念的提出，使爆破行業(yè)的發(fā)展更上了新的臺階。精細(xì)爆破即通過借助各種數(shù)值化的工具，進(jìn)行定量化的爆破設(shè)計(jì)、精心的爆破施工和精細(xì)化的管理，對爆破作業(yè)全過程進(jìn)行精密控制，既達(dá)到預(yù)期的爆破效果，又實(shí)現(xiàn)爆破有害效應(yīng)的有效控制[7,8]。

結(jié)合貴州省某水泥廠露天石灰石礦山開采工程，將基于GPS的智能化解決方案應(yīng)用于礦山爆破工序，即通過企業(yè)自主開發(fā)的智能化臺階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件與高精度GPS技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)與施工的精細(xì)化控制，達(dá)到良好的采礦效果。

1 工程概況

1.1 礦山簡介

礦區(qū)東西寬約0.5 km，南北長約1.2 km，面積約0.6 km2，圈定范圍有26個(gè)拐點(diǎn)，開采標(biāo)高+1280～1150 m，設(shè)計(jì)開采規(guī)模144萬噸/年，實(shí)際開采規(guī)模100萬噸/年。根據(jù)資源儲量核實(shí)報(bào)告，礦山保有資源量2200萬噸，可開采22年，剝采比0.003∶1。開采臺段共劃分11個(gè)開采臺段，臺階高度12 m，臺階坡面角65°，最終邊坡角小于50°，清掃平臺寬8 m，安全平臺寬5 m，礦山開拓方式為公路開拓，采礦方法為自上而下分層分臺階開采，爆破方式為深孔爆破，挖掘機(jī)采裝，自卸汽車運(yùn)輸。

1.2 地質(zhì)條件

石灰石礦體呈層狀產(chǎn)出，礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀平行，南北走向，傾向向東，傾角8～12°，為緩傾斜礦層。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，其礦體沿走向及傾向延伸出礦區(qū)范圍。場地覆蓋層為第四系素填土，殘坡積層粉質(zhì)黏土、碎石土；下伏基巖為薄～中厚層狀石灰?guī)r為主，屬次堅(jiān)石類巖體。場區(qū)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，中風(fēng)化層內(nèi)結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

1.3 礦區(qū)環(huán)境

當(dāng)前主要開采+1210平臺，該爆破區(qū)域長度約230 m，寬約100 m；設(shè)計(jì)開采梯段高度12 m，總開挖方量約27.6萬m3。爆區(qū)西北側(cè)350 m有一民房，北側(cè)330 m為項(xiàng)目駐地板房，東側(cè)340 m為水泥廠區(qū)，南側(cè)290 m為一村寨民房區(qū)，中間山體相隔。礦山+1210平臺四鄰環(huán)境如圖1所示。

圖 1 +1210平臺四鄰環(huán)境示意圖(單位：m)

2 智能化設(shè)計(jì)與施工

爆破設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮爆區(qū)的對象特征、臺階高度、巖石種類、爆破環(huán)境等諸多因素，而在得到合理的爆破設(shè)計(jì)之后，還需要把設(shè)計(jì)成果導(dǎo)出并準(zhǔn)確無誤地在現(xiàn)場實(shí)施。因此，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)將爆破區(qū)域的高精度GPS測量成果轉(zhuǎn)換為可視化模型，通過智能化的爆破設(shè)計(jì)和高精準(zhǔn)的現(xiàn)場施工，可以提高工作效率，有效改善爆破效果。

準(zhǔn)確的GPS數(shù)據(jù)采集是爆破智能設(shè)計(jì)成功的基本保障，將實(shí)測的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件建立露天礦山爆破區(qū)域模型，利用其開發(fā)的爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，按照設(shè)定的程序自動完成坡面線和坡腳線的識別及布孔、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、網(wǎng)路延時(shí)等設(shè)計(jì)，最后完成坐標(biāo)數(shù)據(jù)和爆破方案成果的輸出。同時(shí)，軟件還可以自動進(jìn)行爆破方案的優(yōu)化調(diào)整，使之與現(xiàn)場復(fù)雜的地形條件相適應(yīng)，達(dá)到能夠切實(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場施工的要求。

2.1 爆破設(shè)計(jì)軟件

設(shè)計(jì)軟件是由企業(yè)自主開發(fā)的臺階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件，該軟件基于OpenGL(Open Graphic Library)的開放圖形功能，采用自適應(yīng)炮孔布置算法、Voronoi隨機(jī)網(wǎng)格技術(shù)與圖像處理技術(shù)，運(yùn)用C++編程實(shí)現(xiàn)程序的開發(fā)工作，具有可視效果的綜合一體化軟件。實(shí)現(xiàn)了臺階爆破設(shè)計(jì)、爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)分析、爆破振動分析與預(yù)測、爆破效果綜合評價(jià)等模塊功能[9]。

2.2 地形數(shù)據(jù)采集

GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個(gè)中距離圓形軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS具有全球全天候定位精度高、觀測時(shí)間短、儀器操作簡便等特點(diǎn)，將其運(yùn)用于礦山的地形測量、鉆孔定位和檢查非常合適[10]。

礦山采用南方RTK高精度GPS測量工具，利用其點(diǎn)測量功能對+1210平臺待爆破區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要采集待爆破區(qū)域坡頂線、坡腳線和平臺原始數(shù)據(jù)，由于坡頂線和坡腳線確定坡面角度，直接影響軟件對最小抵抗線的判斷，在對坡頂線和坡腳線的數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)加密測量點(diǎn)，盡可能提高精度，確保位置準(zhǔn)確。

2.3 智能化設(shè)計(jì)

將南方RTK測量儀器采集的+1210平臺地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入到企業(yè)自主開發(fā)的爆破設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中，然后根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)界面進(jìn)行各項(xiàng)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，將參數(shù)應(yīng)用于待爆破區(qū)域輪廓范圍，自動生成炮孔平面布置圖，然后根據(jù)臨空面的實(shí)際情況確定起爆順序及延期時(shí)間，在設(shè)計(jì)生成后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的二次微調(diào)，得到理想的設(shè)計(jì)方案，最后自動輸出爆破設(shè)計(jì)文件[11]。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.4 設(shè)計(jì)輸出與現(xiàn)場施工

將設(shè)計(jì)軟件中的鉆孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，生成dat格式文件，運(yùn)用南方RTK測量儀器的點(diǎn)放樣功能進(jìn)行鉆孔放樣，在施工現(xiàn)場進(jìn)行孔號、孔位、孔深等參數(shù)信息的標(biāo)定，并督促鉆孔人員按照標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)[12]。導(dǎo)出保存在軟件中的設(shè)計(jì)方案，將設(shè)計(jì)內(nèi)容與爆破作業(yè)人員進(jìn)行交底；裝藥前進(jìn)行鉆孔驗(yàn)收，誤差控制在設(shè)計(jì)允許范圍；裝藥過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案中的單孔裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞長度、延時(shí)方案進(jìn)行裝藥、填塞、延時(shí)設(shè)置、聯(lián)網(wǎng)、檢查等工作；起爆后采集爆堆影像導(dǎo)入軟件進(jìn)行爆破效果分析與評價(jià)，不斷總結(jié)和改進(jìn)，形成設(shè)計(jì)、施工與效果評價(jià)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)全過程的精準(zhǔn)化。輸出鉆孔布置與延時(shí)設(shè)計(jì)如圖3所示，輸出爆破參數(shù)如表1所示。

圖 4 爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)模塊

圖 5 爆堆塊度分布柱狀圖

表 1 爆破參數(shù)列表

圖 2 設(shè)計(jì)流程圖

圖 3 輸出鉆孔布置與延時(shí)設(shè)計(jì)圖

3 爆破效果與結(jié)論

爆破后的巖石塊度和臺階平整度是衡量礦山爆破效果的兩個(gè)重要指標(biāo)，二者直接影響礦石的鏟裝、運(yùn)輸效率及施工成本。如果爆破后產(chǎn)生較多的大塊會嚴(yán)重滯緩設(shè)備裝車的速度，甚至影響整個(gè)礦山生產(chǎn)能力；同時(shí)，爆破后臺階面不平整，產(chǎn)生較多的根底，需要二次破碎，增加成本，影響生產(chǎn)效率[13]。該礦山通過運(yùn)用基于GPS的智能化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)成果準(zhǔn)確運(yùn)用到施工現(xiàn)場，與以前的經(jīng)驗(yàn)施工相比較，提高了炸藥能量利用率，礦體爆破塊度更加均勻。根據(jù)臺階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件(version 2.0)爆堆塊度分布統(tǒng)計(jì)分析模塊對爆后影像的分析，定義塊度尺寸大于等于70 cm的巖石為大塊巖石[14]，使用智能工具前大塊率為6.3%，使用智能工具后大塊率下降至4.2%，大塊率降低33%。爆破后的臺階基本沒有產(chǎn)生需要二次破除的根底，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過對露天石灰石礦山臺階爆破工程中使用智能工具前、后進(jìn)行比較，可以得出如下結(jié)論：

(1)基于GPS的智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以爆破對象表面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確建模，通過孔網(wǎng)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，得到更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了爆破設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場的匹配度，達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)籌、精度統(tǒng)籌、邏輯統(tǒng)籌的統(tǒng)一。

(2)通過爆破效果比較分析，使用智能工具后的爆破大塊率明顯降低，消除了需要二次破除的根底，取得了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)將GPS技術(shù)與智能化爆破設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合，有效提高了礦山爆破的精細(xì)化管理水平，有利于實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效采礦的目的，對露天礦山開采具有重要意義。