本文摘要：摘 要：傳統露天礦山爆破設計與施工多基于爆破作業人員的經驗或工程類比法實施，普遍存在設計偏差大、鉆孔精度低、爆破大塊多等問題。為提高臺階爆破工程中設計與施工的匹配度，減少人工、材料和機械的浪費，有效改進爆破效果，企業自主開發了一套智能化臺階爆破設計優
摘 要：傳統露天礦山爆破設計與施工多基于爆破作業人員的經驗或工程類比法實施，普遍存在設計偏差大、鉆孔精度低、爆破大塊多等問題。為提高臺階爆破工程中設計與施工的匹配度，減少人工、材料和機械的浪費，有效改進爆破效果，企業自主開發了一套智能化臺階爆破設計優化系統軟件，該軟件具有臺階爆破設計、爆堆塊度分布統計分析、爆破振動分析與預測、爆破效果綜合評價等模塊功能，軟件使用過程中基于高精度 GPS 測量技術，提取爆破對象原始數據完成自適應設計，并將設計成果導出到施工現場。以貴州某水泥廠露天石灰石礦山開采為例，運用 GPS 采集當前采礦區域地形數據，結合現場實際進行臺階爆破智能化設計，再通過 GPS 技術將設計數據精確反饋到施工現場，用智能化的設計成果指導現場施工。結果表明，智能化設計軟件自適應能力強，采用基于 GPS 的智能化設計與施工技術，提高了設計和鉆孔的準確度，降低大塊率 33%，改善爆破效果顯著，實現了設計與施工的精細管理，達到安全、經濟、高效采礦的目的。
關鍵詞：礦山爆破;GPS;智能化設計
引言
傳統露天礦山爆破作業多是基于爆破作業人員的個人經驗實施，現場操作隨意性大，不重視、甚至不按照爆破設計方案施工，爆后效果完全取決于作業人員的經驗水平，產生爆破大塊和根底較多，工作平臺凹凸不平，對周圍環境造成嚴重影響等問題，爆破質量得不到有效控制[1 2]。
為了探索解決工程爆破中的系列問題，國內外諸多學者與工程師都開展了大量的研究工作。李盛林等通過調研分析，得出我國露天礦山深孔臺階爆破采剝過程中已初步實現了起爆系統電子化、爆破作業智能化和綠色化的結論，但是還需要研發新型工具來推動形成更加成熟的爆破系統[3]。
李萍豐等認為現階段臺階爆破碎片化研究較多，未能形成有效的串聯系統，建議從一體化技術體系、炸藥與巖石自動匹配、數字化智能化轉型技術研發等方面，開展科研攻關工作，促進爆破行業的高質量可持續發展[4]。趙海濤等從定量設計、精心施工和精細管理三個方面探索了一套露天礦山精細化爆破技術，并引進了爆破現場檢查核對單、工作安全分析表、標準化作業程序等先進的管理工具和手段，來實現精細化管理 。
施富強認為數據統籌、精度統籌、邏輯統籌將成為工程爆破“精準化一數字化一智能化”高質量發展的基礎 。隨著爆破機理的深入研究和高精度測量工具的發展，以及計算機技術的不斷創新，各種爆破智能化設計系統應運而生，礦山爆破采礦技術也從粗放式向精細化不斷轉變，特別是隨著精細爆破理念的提出，使爆破行業的發展更上了新的臺階。精細爆破即通過借助各種數值化的工具，進行定量化的爆破設計、精心的爆破施工和精細化的管理，對爆破作業全過程進行精密控制，既達到預期的爆破效果，又實現爆破有害效應的有效控制 。
本文結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用于礦山爆破工序，即通過企業自主開發的智能化臺階爆破設計優化系統軟件與高精度 GPS技術的融合，實現爆破設計與施工的精細化控制，達到良好的采礦效果。
1工程概況
1.1 礦山簡介
礦區東西寬約 0.5km，南北長約 1.2km，面積約 0.6km ，圈定范圍有 26 個拐點，開采標高+1280—1150m，設計開采規模 144 萬噸 年，實際開采規模 100 萬噸 年。根據資源儲量核實報告，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個開采臺段，臺階高度 12m，臺階坡面角 65°，最終邊坡角小于 50°，清掃平臺寬 8m，安全平臺寬 5m，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，挖掘機采裝，自卸汽車運輸。
1.2 地質條件
石灰石礦體呈層狀產出，礦體產狀與地層產狀平行，南北走向，傾向向東，傾角 8°～12°，為緩傾斜礦層。經實地調查，其礦體沿走向及傾向延伸出礦區范圍。場地覆蓋層為第四系素填土，殘坡積層粉質粘土、碎石土;下伏基巖為薄～中厚層狀石灰巖為主，屬次堅石類巖體。場區巖石節理裂隙發育，中風化層內結構面結合差，屬硬性結構面。
1.3 礦區環境
當前主要開采+1210 平臺，該爆破區域長度約 230m，寬約 100m;設計開采梯段高度12m，總開挖方量約 27.6 萬立方米。爆區西北側 350m 有一民房，北側 330m 為項目駐地板房，東側 340m 為水泥廠區，南側 290m 為一村寨民房區，中間山體相隔。
2智能化設計與施工
爆破設計時必須充分考慮爆區的對象特征、臺階高度、巖石種類、爆破環境等諸多因素，而在得到合理的爆破設計之后，還需要把設計成果導出并準確無誤的在現場實施。因此，利用計算機建模技術將爆破區域的高精度 GPS 測量成果轉換為可視化模型，通過智能化的爆破設計和高精準的現場施工，可以提高工作效率，有效改善爆破效果。
準確的 GPS 數據采集是爆破智能設計成功的基本保障，將實測的大量基礎數據導入軟件建立露天礦山爆破區域模型，利用其開發的爆破智能設計系統，按照設定的程序自動完成坡面線和坡腳線的識別及布孔、裝藥量、裝藥結構、網路延時等設計，最后完成坐標數據和爆破方案成果的輸出。同時，軟件還可以自動進行爆破方案的優化調整，使之與現場復雜的地形條件相適應，達到能夠切實指導現場施工的要求。
2.1 爆破設計軟件
設計軟件是由企業自主開發的臺階爆破設計優化系統軟件，該軟件基于 OpenGL(OpenGraphic Library)的開放圖形功能，采用自適應炮孔布置算法、Voronoi 隨機網格技術與圖像處理技術，運用 C++編程實現程序的開發工作，具有可視效果的綜合一體化軟件。實現了臺階爆破設計、爆堆塊度分布統計分析、爆破振動分析與預測、爆破效果綜合評價等模塊功能。
2.2 地形數據采集
GPS 即全球衛星定位系統是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。GPS 具有全球全天候定位精度高、觀測時間短、儀器操作簡便等特點，將其運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，利用其點測量功能對+1210 平臺待爆破區域進行數據采集。主要采集待爆破區域坡頂線、坡腳線和平臺原始數據，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據采集時應加密測量點，盡可能提高精度，確保位置準確。
2.3 智能化設計
將南方 RTK 測量儀器采集的+1210 平臺地形數據轉換成數據文件，導入到企業自主開發的爆破設計軟件系統中，然后根據預設參數界面進行各項爆破參數的設計，將參數應用于待爆破區域輪廓范圍，自動生成炮孔平面布置圖，然后根據臨空面的實際情況確定起爆順序及延期時間，在設計生成后進行相關參數的二次微調，得到理想的設計方案，最后自動輸出爆破設計文件 11 。
2.4 設計輸出與現場施工
將設計軟件中的鉆孔坐標數據導出，生成 dat 格式文件，運用南方 RTK 測量儀器的點放樣功能進行鉆孔放樣，在施工現場進行孔號、孔位、孔深等參數信息的標定，并督促鉆孔人員按照標定數據進行鉆孔作業[1 。導出保存在軟件中的設計方案，將設計內容與爆破作業人員進行交底;裝藥前進行鉆孔驗收，誤差控制在設計允許范圍;裝藥過程中嚴格按照設計方案中的單孔裝藥量、裝藥結構、填塞長度、延時方案進行裝藥、填塞、延時設置、聯網、檢查等工作;起爆后采集爆堆影像導入軟件進行爆破效果分析與評價，不斷總結和改進，形成設計、施工與效果評價閉環，實現全過程的精準化。
3爆破效果與結論
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重要指標，二者直接影響礦石的鏟裝、運輸效率及施工成本。如果爆破后產生較多的大塊會嚴重滯緩設備裝車的速度，甚至影響整個礦山生產能力;同時，爆破后臺階面不平整，產生較多的根底，需要二次破碎，增加成本，影響生產效率[1 。
該礦山通過運用基于 GPS 的智能化設計，將設計成果準確運用到施工現場，與以前的經驗施工相比較，提高了炸藥能量利用率，礦體爆破塊度更加均勻。根據臺階爆破設計優化系統軟件(version 2.0)爆堆塊度分布統計分析模塊對爆后影像的分析，定義塊度尺寸大于等于 70cm 的巖石為大塊巖石[1 ，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生需要二次破除的根底，取得了更好的經濟效益。
通過對露天石灰石礦山臺階爆破工程中使用智能工具前、后進行比較，可以得出如下結論：
(1 )基于 GPS 的智能化設計，實現了以爆破對象表面數據為基礎的準確建模，通過孔網參數的自適應調整，得到更精準的設計參數，提高了爆破設計與施工現場的匹配度，達到數據統籌、精度統籌、邏輯統籌的統一。
( 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，取得了更好的經濟效益。
(3 )將 GPS 技術與智能化爆破設計軟件相結合，有效提高了礦山爆破的精細化管理水平，有利于實現安全、經濟、高效采礦的目的，對露天礦山開采具有重要意義。
參考文獻(References)
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作者：楊林兵 ，趙昌龍
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