基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的露天礦爆破過程礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

吳 豪 荊洪迪 于健洋 柳小波 孫效玉

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所,遼寧 沈陽 110169;3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

爆破是露天礦生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),爆破效果的好壞直接關(guān)系到礦山的經(jīng)濟(jì)效益[1],對(duì)爆破過程中的礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究可以為爆破效果智能評(píng)價(jià)和礦巖分離爆破研究提供理論依據(jù),從而指導(dǎo)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和降低爆破過程礦石的損失貧化[2],因此對(duì)爆破過程中的礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義。

由于爆破會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的能量,礦巖會(huì)劇烈運(yùn)動(dòng)并伴隨有炮煙生成,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣[3],難以完整準(zhǔn)確地采集到爆破過程中礦巖運(yùn)動(dòng)信息,因此國內(nèi)外對(duì)于爆破時(shí)礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的相關(guān)研究相對(duì)較少,主要有3種研究方法:理論分析法、模擬試驗(yàn)法和圖像識(shí)別方法。理論方法研究方面,Zou D[3]通過理論分析對(duì)露天采場(chǎng)爆破后礦巖分布進(jìn)行了計(jì)算,馬力等[4]從能量的角度通過理論分析和公式推導(dǎo)對(duì)爆破時(shí)巖石的破碎拋擲過程和受力特性進(jìn)行了分析。然而理論計(jì)算方法往往會(huì)受爆破方式、裝藥結(jié)構(gòu)和巖石強(qiáng)度等諸多因素影響,其結(jié)果的準(zhǔn)確性和普適性較弱。一些學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)飛石軌跡進(jìn)行分析,Amini H等[5]利用SVM方法對(duì)露天爆破中的飛石現(xiàn)象進(jìn)行了分析,顧紅建等[6]利用FLAC3D動(dòng)力分析程序建立了露天臺(tái)階爆破仿真分析模型來分析爆破飛石的形成機(jī)理。然而數(shù)值模擬方法往往會(huì)對(duì)邊界條件和材料屬性進(jìn)行簡(jiǎn)化,因此其結(jié)果誤差較大,參考價(jià)值相對(duì)較少。圖像識(shí)別方法如Manoj K等[7]利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)露天爆破中的飛石預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究,李祥龍等[8]利用高速攝影方法對(duì)爆破過程中的礦石鼓包規(guī)律進(jìn)行了研究,欒龍發(fā)等[9]通過高速攝影方法研究了深孔臺(tái)階爆破巖石移動(dòng)規(guī)律。但是該方法受現(xiàn)場(chǎng)炮煙影響不能完整記錄現(xiàn)場(chǎng)礦巖的運(yùn)動(dòng)過程。以上3種方法均不能為爆破礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析提供完整準(zhǔn)確信息,因此,有必要采取一種可以完整記錄礦巖運(yùn)動(dòng)過程的研究方法。由于慣性傳感器具備不受外界干擾獨(dú)立進(jìn)行工作的特點(diǎn)[10],在有保護(hù)裝置的情況下能夠在爆破現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立工作記錄數(shù)據(jù)并具有較高精度,本研究提出了利用慣性傳感器獲取物體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),通過研究礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間軌跡,根據(jù)不同位置礦巖空間軌跡對(duì)比結(jié)果對(duì)爆破過程中的礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了探索。

1 慣性導(dǎo)航技術(shù)概述

慣性導(dǎo)航通常指利用慣性傳感器裝載到物體上測(cè)量物體的角運(yùn)動(dòng)信息和線運(yùn)動(dòng)信息[11],其中慣性傳感器是一種測(cè)量和檢測(cè)物體加速度、傾斜、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)的傳感器[12],其主要包括加速度傳感器和角速度傳感器(陀螺儀),通常將它們進(jìn)行單、雙、三軸組合成為慣性測(cè)量單元[13],通過相關(guān)算法將慣性傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航信息,形成自主導(dǎo)航系統(tǒng),以傳感器的裝載方式可以將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分為平臺(tái)式慣性導(dǎo)航和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航[14]。其中平臺(tái)式慣性導(dǎo)航是指直接將慣性傳感器安裝在慣性平臺(tái)上,其優(yōu)點(diǎn)是慣性平臺(tái)能夠隔離運(yùn)動(dòng)物體角運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量裝置的影響、系統(tǒng)精度較高和計(jì)算簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是重量和尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本較高;捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是指將慣性傳感器直接安裝在載體上來記錄載體的角運(yùn)動(dòng)信息和線運(yùn)動(dòng)信息[15],其優(yōu)點(diǎn)是沒有平臺(tái)、體積較小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是對(duì)載體上的元件要求較高并且坐標(biāo)變換過程計(jì)算量大。隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))的迅速發(fā)展,捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航以其成本低、體積小的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航領(lǐng)域[16],本研究所采用的MEMS慣性傳感器屬于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航。

2 礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法研究

在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法進(jìn)行了研究,算法的主要流程如圖1所示,主要步驟為:①通過礦巖初始位置信息和每一時(shí)刻的角速度數(shù)據(jù)求取每一時(shí)刻的姿態(tài)變換矩陣,本步驟涉及傳感器坐標(biāo)系和炮孔坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換;②根據(jù)每一時(shí)刻的姿態(tài)變換矩陣和加速度數(shù)據(jù)獲取每一時(shí)刻的速度數(shù)據(jù);③利用礦巖在每一時(shí)刻的速度信息求取其在每一時(shí)刻的位置信息;④將各個(gè)時(shí)刻的位置信息輸入到三維空間坐標(biāo)系生成了礦巖的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法流程Fig.1 Flow of ore and rock motion trajectory generation algorithm

2.1 姿態(tài)變換矩陣更新值獲取

首先定義2個(gè)空間坐標(biāo)系,分別是傳感器坐標(biāo)系和炮孔坐標(biāo)系,其中傳感器坐標(biāo)系始終與傳感器自身保持一致,隨著傳感器的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),炮孔坐標(biāo)系是以炮孔為原點(diǎn)固定不動(dòng)的坐標(biāo)系,屬于固定坐標(biāo)系,不隨著傳感器的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),傳感器采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是基于傳感器坐標(biāo)系的數(shù)據(jù),而最終求取的礦巖位置信息為礦巖在炮孔坐標(biāo)系中的位置信息,因此涉及到2個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

傳感器直接采集到的數(shù)據(jù)是相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系的數(shù)據(jù),需要通過坐標(biāo)系的變換才能轉(zhuǎn)化到炮孔坐標(biāo)系,其變換的本質(zhì)是求取2個(gè)坐標(biāo)系之間的姿態(tài)變換矩陣。通常用于描述2個(gè)坐標(biāo)系之間關(guān)系的方法有歐拉角法、四元數(shù)法、方向余弦法和等效旋轉(zhuǎn)矢量法4種,其中四元數(shù)法的本質(zhì)是求解4個(gè)線性微分方程,計(jì)算量小、算法簡(jiǎn)單并且易于操作,故本研究采取四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)變換矩陣的求解。

四元數(shù)是由實(shí)數(shù)單位1和虛數(shù)單位i、j、k構(gòu)成的含有4個(gè)元素的數(shù),其具體形式如下:

式中,Q為四元數(shù);q0,q1,q2,q3為4個(gè)實(shí)數(shù);1是四元數(shù)實(shí)數(shù)部分的基;i、j、k為單位向量,是四元數(shù)虛數(shù)部分的基;q為四元數(shù)的虛部向量。

設(shè)傳感器坐標(biāo)系為b系,取右前上為正方向;炮孔坐標(biāo)系為n系,由于現(xiàn)場(chǎng)方位難以準(zhǔn)確標(biāo)定,并根據(jù)試驗(yàn)需求,本試驗(yàn)采用空間直角坐標(biāo)系的規(guī)定如下:垂直坡面方向外為X軸正方向,沿坡面方向左為Y軸正方向,向上為Z軸正方向。計(jì)描述慣性傳感器姿態(tài)的四元數(shù)為,其滿足微分方程:

2.2 炮孔坐標(biāo)系中礦巖運(yùn)動(dòng)速度求解

求解礦巖在炮孔坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度的本質(zhì)是對(duì)加速度傳感器測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分,由于加速度傳感器采集到的加速度數(shù)據(jù)是基于傳感器坐標(biāo)系的數(shù)據(jù),因此需要通過姿態(tài)變換矩陣將每一時(shí)刻的傳感器加速度值轉(zhuǎn)化到炮孔坐標(biāo)系中。根據(jù)加速度傳感器的工作原理,其采集到的數(shù)據(jù)是傳感器相對(duì)于慣性空間的絕對(duì)加速度和引力加速度的差,因此在求解時(shí)需要減去重力加速度。

在已有加速度傳感器數(shù)據(jù)、姿態(tài)變換矩陣和重力計(jì)算的情況下,礦巖在炮孔坐標(biāo)系中的速度滿足以下微分方程:

求解微分方程可得:

式中,ΔVn為單位時(shí)間內(nèi)速度變化量;Δt為相鄰2個(gè)時(shí)刻間隔。

利用中值法對(duì)速度進(jìn)行求解,過程如下:

2.3 炮孔坐標(biāo)系中礦巖位置求解

求解礦巖在炮孔坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度的位置信息的本質(zhì)是對(duì)速度進(jìn)行積分,因此在已知礦巖在炮孔坐標(biāo)系中速度的基礎(chǔ)上,可以對(duì)位置信息進(jìn)行求解,慣性傳感器在炮孔坐標(biāo)系中的位置滿足以下微分方程:

求解上述微分方程可得:

式中,ΔPn為單位時(shí)間內(nèi)位置的變化量。

利用中值法對(duì)位置進(jìn)行求解,位置的更新過程如下:

將速度通解代入可以得到基于中值法的位置更新式為

根據(jù)上述過程的推算可以獲得礦巖在炮孔坐標(biāo)系中每一時(shí)刻的位置更新值,由于求解過程計(jì)算較為復(fù)雜且計(jì)算量較大,需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算,因此在MATLAB數(shù)學(xué)軟件中將本算法轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言,建立包含各個(gè)求解步驟的函數(shù)庫,通過讀取慣性傳感器采集到的數(shù)據(jù)和調(diào)用各個(gè)函數(shù)最終完成礦巖在炮孔坐標(biāo)系中真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的圖像輸出。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

以齊大山露天礦-105 m水平采區(qū)為例進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)壓渣爆破過程中的礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,具體試驗(yàn)過程和結(jié)果如下。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)基礎(chǔ)條件介紹。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是鞍鋼齊大山鐵礦-105 m水平采區(qū),爆破類型為壓渣爆破,共計(jì)62炮孔,采用矩形布孔方式,孔距7.5 m,排距6 m,逐孔起爆,炮孔直徑250 mm,炮孔深度17.5 m,超深2.5 m,階段高度15m,炸藥類型為乳化炸藥和銨油炸藥,單孔最大藥量為650 kg,設(shè)計(jì)總藥量為37 000 kg。

(2)慣性傳感器和保護(hù)裝置。慣性傳感器體積為51.3 mm×365 mm×15 mm,內(nèi)置獨(dú)立電源可供電5 h,加速度量程為±16g,角速度量程為±2 000°/s,數(shù)據(jù)采集頻率為200 Hz,慣性傳感器的樣式如圖2所示。由于爆破過程中產(chǎn)生的巨大能量會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和擠壓作用,必須要設(shè)計(jì)特殊的保護(hù)裝置對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù),因此本試驗(yàn)利用EVA減震海綿材料和3D打印PE塑料傳感器保護(hù)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),該保護(hù)裝置按結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、中和外3層保護(hù),其實(shí)體樣式如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用慣性傳感器Fig.2 Inertial sensor for test

圖3 慣性傳感器保護(hù)裝置實(shí)體圖Fig.3 Entity diagram of inertial sensor protection device

(3)傳感器布置方式。采區(qū)爆破前和爆破后的三維模型如圖4、圖5所示,采區(qū)邊坡外部存在上一次爆破留下的爆堆,左側(cè)采區(qū)整體分為3排炮孔,分別是前排孔、中間孔和后排孔,其中前排孔是指靠近邊坡的炮孔。本次實(shí)驗(yàn)一共放置3個(gè)慣性傳感器,編號(hào)分別為1、2和3,傳感器具體位置如圖4所示,其中1號(hào)傳感器位于外側(cè)沒有爆堆的邊坡炮孔附近,2號(hào)傳感器位于外側(cè)有爆堆的邊坡炮孔附近,3號(hào)傳感器位于距離邊坡較遠(yuǎn)的位置的炮孔附近,傳感器水平放置,X軸正方向?yàn)榇怪逼旅娣较颉?/p>

圖4 爆破前采場(chǎng)三維模型Fig.4 Three-dimensional model of open pit before blasting

圖5 爆破后采場(chǎng)三維模型Fig.5 Three-dimensional model of open pit after blasting

3.2 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)過程具體一共分為五步,包括將SD卡插入慣性傳感器(插入后自動(dòng)開機(jī))、將傳感器放置到保護(hù)裝置內(nèi)、傳感器校準(zhǔn)并調(diào)整參數(shù)、埋置傳感器和回收傳感器。具體操作流程如下:

(1)在電腦上安裝端口驅(qū)動(dòng),等待安裝成功,打開上位機(jī)軟件,將SD卡插入傳感器,傳感器自動(dòng)開機(jī)并開始記錄數(shù)據(jù),將連接數(shù)據(jù)線連接到傳感器。

(2)傳感器按照標(biāo)定方向放置到保護(hù)裝置中。

(3)利用數(shù)據(jù)線連接傳感器電腦,打開上位機(jī)進(jìn)入配置界面,調(diào)節(jié)回傳速率為200 Hz,并勾選內(nèi)容欄中的“時(shí)間、加速度和陀螺儀”復(fù)選框,在配置界面,分別點(diǎn)擊校準(zhǔn)時(shí)間、加速度計(jì),對(duì)時(shí)間、加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)完畢后,從電腦端拔出數(shù)據(jù)線。

(4)把裝有傳感器的保護(hù)裝置按照標(biāo)定方向埋置在炮孔表面,并在彩色保護(hù)袋中裝入炮孔填塞物,保持整體水平,記錄爆破開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。

(5)爆破結(jié)束后,回收傳感器,將傳感器中的SD卡拔出,停止記錄數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

慣性傳感器直接記錄的數(shù)據(jù)為txt文本數(shù)據(jù),需要通過預(yù)處理轉(zhuǎn)化為Excel格式,保留三軸加速度(ax,ay,az)和三軸角速度(ωx,ωy,ωz)作為有用數(shù)據(jù),在MATLAB軟件讀取數(shù)據(jù)通過程序運(yùn)算后輸出坐標(biāo)信息,最后利用origin繪圖軟件繪制慣性傳感器的三維空間軌跡和在3個(gè)坐標(biāo)平面上的二維軌跡,具體如圖6～圖8所示。

圖6 1號(hào)傳感器空間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Spatial motion trajectory of sensor 1

圖7 2號(hào)傳感器空間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Spatial motion trajectory of sensor 2

圖8 3號(hào)傳感器空間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Spatial motion trajectory of sensor 3

1號(hào)傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示,整體為上拋后沿X軸正方向運(yùn)動(dòng),最終沿X軸正方向的位移約為17.5 m,沿Y軸正方向的最大位移約為1.6 m,沿Z軸的運(yùn)動(dòng)為先向上運(yùn)動(dòng)3 m后,再向下運(yùn)動(dòng)約8.3 m,最終為向下運(yùn)動(dòng)約5.3 m。由于1號(hào)傳感器屬于最外排炮孔,距離邊坡自由面最近,受到炸藥爆破的沖擊后,沿垂直于坡面方向的位移較大,沿邊坡方向的位移較小。

2號(hào)傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示,整體為上拋后沿Y軸負(fù)方向(沿邊坡方向)運(yùn)動(dòng)和X軸正方向運(yùn)動(dòng),沿Y軸負(fù)方向的位移約為4 m,沿X軸正方向的位移約為1.7 m,沿Z軸的運(yùn)動(dòng)為先向上運(yùn)動(dòng)3.4 m后,再向下運(yùn)動(dòng)10.4 m,最終為向下運(yùn)動(dòng)約7 m。由于2號(hào)傳感器屬于最外排炮孔,但是由于其外部存在爆堆,增加了炮孔到邊坡的垂直距離,限制了礦巖在水平方向上的位移,在Y軸負(fù)方向接近地表的位置爆堆較少,受到炸藥爆破的沖擊后,在Y軸負(fù)方向產(chǎn)生了較大水平位移。

3號(hào)傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示,整體為上拋后沿Y軸負(fù)方向(沿坡面方向)運(yùn)動(dòng),沿X軸負(fù)方向的位移約為0.6m,沿Y軸負(fù)方向的位移約為2.4m,沿Z軸的運(yùn)動(dòng)為先向上運(yùn)動(dòng)5.3 m后,再向下運(yùn)動(dòng)6.8 m,最終為向下運(yùn)動(dòng)約1.5 m。由于3號(hào)傳感器屬于中間排炮孔,距離邊坡自由面較遠(yuǎn),距離地表的自由面較近,因此受到炸藥爆破的沖擊后,水平位移較小,上向位移較大呈隆起后下降狀態(tài)。

4 礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

對(duì)3個(gè)傳感器在各個(gè)方向上的位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 慣性傳感器位移統(tǒng)計(jì)Table 1 Displacement statistics of inertial sensor m

對(duì)比1號(hào)和2號(hào)傳感器,2個(gè)傳感器均放置在最外排炮孔附近,相對(duì)于3號(hào)傳感器,兩者形態(tài)較為相近,均為上向位移較小,下向位移和水平位移較大,兩者的主要區(qū)別在于1號(hào)傳感器的水平位移遠(yuǎn)大于2號(hào)傳感器且方向不同,1號(hào)傳感器的水平位移小于2號(hào)傳感器;對(duì)比1號(hào)和3號(hào)傳感器,1號(hào)傳感器的水平位移遠(yuǎn)大于3號(hào)傳感器且位移方向不同,1號(hào)傳感器的上向位移小于3號(hào)傳感器,下向位移大于3號(hào)傳感器;對(duì)比2和3號(hào)傳感器,2號(hào)傳感器的水平位移大于3號(hào)傳感器且位移方向不同,2號(hào)傳感器的上向位移小于3號(hào)傳感器,下向位移遠(yuǎn)大于3號(hào)傳感器,結(jié)合圖4中爆破前的邊坡三維模型和傳感器的分布位置從水平位移大小、水平位移方向、上向位移大小和下向位移大小對(duì)爆破礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行具體分析。

4.1 水平位移大小分析

(1)對(duì)比1號(hào)和2號(hào)傳感器。2個(gè)傳感器均位于最外排炮孔表面離邊坡較近,但由于2號(hào)傳感器所處位置外存在遺留爆堆增加了其與自由面之間的距離,在水平位移過程中受到的阻礙更大,因此1號(hào)傳感器的水平位移遠(yuǎn)大2號(hào)傳感器。

(2)對(duì)比1號(hào)和3號(hào)傳感器。由于在1號(hào)傳感器距離邊坡自由面非常近,3號(hào)傳感器處于爆區(qū)中間位置距離邊坡自由面較遠(yuǎn),因此在爆破過程中3號(hào)傳感器受到的阻礙更大,1號(hào)傳感器水平位移遠(yuǎn)大于3號(hào)傳感器。

(3)對(duì)比2號(hào)和3號(hào)傳感器。由于2號(hào)傳感器與邊坡自由面距離小于處于爆區(qū)中間的3號(hào)傳感器,因此在爆破過程中3號(hào)受到的阻礙更大,2號(hào)傳感器水平位移大于3號(hào)傳感器;

4.2 水平位移方向分析

(1)對(duì)比1號(hào)和2號(hào)傳感器。由于1號(hào)傳感器距離自由面最近的方向?yàn)榇怪庇谄旅娴姆较蚣碭軸正方向,2號(hào)傳感器距離自由面最近的方向?yàn)閄軸正向和Y軸負(fù)向之間,且在2號(hào)傳感器的右側(cè)有炮孔存在,因此1號(hào)傳感器沿X軸正向運(yùn)動(dòng),2號(hào)傳感器沿X軸正方向和Y軸負(fù)方向之間的方向運(yùn)動(dòng)。

(2)對(duì)比1號(hào)和3號(hào)傳感器。由于1號(hào)傳感器距離邊坡自由面最近的方向?yàn)檠豖軸正方向,因此主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪边吰孪蛲?。?號(hào)傳感器由于其位置在爆區(qū)中間位置距離自由面較遠(yuǎn),受其四周炮孔的影響,在水平方向上的位移具有一定的隨機(jī)性,在Y軸的負(fù)方向和X軸負(fù)方向出現(xiàn)了少量位移。

(3)對(duì)比2號(hào)和3號(hào)傳感器。由于2號(hào)傳感器距離自由面最近的方向?yàn)閄軸正向和Y軸負(fù)向之間,因此沿著該方向運(yùn)動(dòng)。而3號(hào)傳感器由于其位置在爆區(qū)中間位置距離自由面較遠(yuǎn),受其四周炮孔的影響,在水平方向上的位移具有一定的隨機(jī)性,在Y軸的負(fù)方向和X軸負(fù)方向出現(xiàn)了少量位移。

4.3 上向位移大小分析

(1)對(duì)比1號(hào)和2號(hào)傳感器。2個(gè)傳感器均位于最外排炮孔表面離邊坡較近,但由于1號(hào)傳感器所在炮孔相對(duì)于2號(hào)距離自由面更近,炸藥能量更多地作用于水平方向上,因此1號(hào)傳感器上向位移略小于2號(hào)傳感器。

(2)對(duì)比1號(hào)和3號(hào)傳感器。由于1號(hào)傳感器所在炮孔邊坡為最近自由面,地表為較遠(yuǎn)自由面,炸藥能量更多地作用于水平方向上,3號(hào)傳感器所在炮孔地表為最近自由面,炸藥能量更多作用于豎直方向,因此1號(hào)傳感器上向位移小于3號(hào)傳感器的上向位移。

(3)對(duì)比2號(hào)和3號(hào)傳感器。由于2號(hào)傳感器所在炮孔邊坡為最近自由面,炸藥能量更多地作用于水平方向上,3號(hào)傳感器所在炮孔地表為最近自由面,炸藥能量更多作用于豎直方向,因此2號(hào)傳感器上向位移小于3號(hào)傳感器。

4.4 下向位移大小分析

(1)對(duì)比1號(hào)和2號(hào)傳感器。由于1號(hào)傳感器所處位置的邊坡高度小于2號(hào)傳感器所處位置的邊坡高度,因此2號(hào)傳感器有更大的下降空間,下向位移更大。

(2)對(duì)比1號(hào)和3號(hào)傳感器。由于1號(hào)傳感器所在位置距離邊坡很近且邊坡具有一定高度,上拋后具有較大的下降空間,3號(hào)傳感器處于爆區(qū)中間位置,距離邊坡較遠(yuǎn)且附近全是礦巖,上拋后沒有更多的下降空間,因此1號(hào)傳感器的下向位移大于3號(hào)傳感器的下向位移。

(3)對(duì)比2號(hào)和3號(hào)傳感器。由于2號(hào)傳感器所在位置距離邊坡很近且邊坡高度較大,上拋后具有較大的下降空間,3號(hào)傳感器處于爆破中間上拋后沒有更多的下降空間,因此2號(hào)傳感器的下向位移遠(yuǎn)大于3號(hào)傳感器的下向位移。

4.5 小 結(jié)

在壓渣爆破過程中礦巖整體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上隆起后下落的過程,隆起高度約為3～5 m,在隆起的過程中伴隨著水平位移,不同位置礦巖石水平位移大小不同,具體規(guī)律如下:

(1)越靠近邊坡自由面的炮孔附近的礦巖水平位移越大,其中最外排炮孔附近的礦巖的飛行距離約17.5m,內(nèi)排炮孔附近的礦巖水平位移較小且方向具有不確定性。

(2)當(dāng)邊坡外側(cè)存在爆堆時(shí),其周邊炮孔附近的礦巖水平位移會(huì)受到較大限制并且位移方向會(huì)朝著最近自由面的方向,隆起高度會(huì)有所增加。

(3)采區(qū)中間炮孔附近的礦巖在爆破過程中主要產(chǎn)生較大的上向位移,并且由于下方空間有限和距離邊坡自由面較遠(yuǎn),下向位移和水平位移較小。

5 結(jié) 論

基于慣性導(dǎo)航技術(shù)突破了露天礦爆破過程中巖石運(yùn)動(dòng)軌跡難以精準(zhǔn)獲取的技術(shù)瓶頸,在慣性導(dǎo)航解算原理的基礎(chǔ)上利用慣性傳感器獲取了齊大山鐵礦采區(qū)在壓渣爆破過程中不同位置的礦巖的空間運(yùn)動(dòng)軌跡,并通過對(duì)比分析各個(gè)位置的傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡特征得出了壓渣爆破過程中的礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)創(chuàng)新性地提出了采用高精度MEMS慣性導(dǎo)航傳感器采集數(shù)據(jù)生成礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡的露天礦爆破礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究方法。

(2)基于慣性導(dǎo)航技術(shù)對(duì)爆破過程中礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡的生成算法進(jìn)行了研究,并將該算法在MATLAB中轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言。

(3)通過將礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡與爆破高清錄像和爆破前后三維模型進(jìn)行對(duì)比,得出利用高精度慣性傳感器方法生成的礦巖軌跡較為準(zhǔn)確和真實(shí),能夠很好地反映爆破過程中礦巖真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程。

(4)以齊大山鐵礦-105 m采區(qū)水平為例,在壓渣爆破過程中礦巖整體會(huì)呈現(xiàn)出隆起后下落的過程,期間伴隨著水平位移,水平位移方向?yàn)槌罱杂擅娴姆较?其中越靠近邊坡位置的礦巖水平位移越大,隆起高度越低,距離邊坡位置越遠(yuǎn)的礦巖水平位移越小,隆起高度越高。

(5)利用本方法獲取的礦巖運(yùn)動(dòng)軌跡不僅適用于爆破過程中礦巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究,也同樣適用于其他有關(guān)露天礦爆破的研究領(lǐng)域如爆破安全飛石監(jiān)測(cè)和爆破效果評(píng)價(jià)等,本方法應(yīng)用前景廣泛,亟待進(jìn)一步深入研究。