露天礦臺(tái)階爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)

劉 軍 王 鵬 趙明生 余紅兵

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)安全與防災(zāi)工程研究所,江蘇 南京 210098;3.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550002)

目前,全世界約三分之二的固體礦物是通過(guò)露天開(kāi)采方式獲得的[1],露天礦山開(kāi)采的首個(gè)環(huán)節(jié)是臺(tái)階爆破,臺(tái)階爆破的效果對(duì)后續(xù)采裝、運(yùn)輸效率有直接影響。由于礦山地質(zhì)條件的復(fù)雜性、臺(tái)階面幾何形狀的不規(guī)則性、臺(tái)階巖體的非均質(zhì)不連續(xù)性,使得臺(tái)階爆破生產(chǎn)中面臨著以下突出問(wèn)題:①設(shè)計(jì)能力不足,爆破設(shè)計(jì)主要依賴(lài)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和工程類(lèi)比,具有一定的盲目性[2];② 難以達(dá)到預(yù)期爆破效果,大塊率高、臺(tái)階不規(guī)整、后沖后裂范圍大;③爆破安全問(wèn)題突出,爆破飛石危害嚴(yán)重,傷亡事故頻發(fā),爆破振動(dòng)強(qiáng)烈,房屋震裂,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

為提高露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)的科學(xué)性、規(guī)范性和便捷性,爆破設(shè)計(jì)方式正逐漸從人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)發(fā)展[3]。趙明生等[4]開(kāi)發(fā)了露天臺(tái)階爆破智能化設(shè)計(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)臺(tái)階爆破布孔設(shè)計(jì)、起爆順序自動(dòng)確定、爆破效果評(píng)價(jià)等功能。李澤華等[5]基于VC++平臺(tái)中MFC 開(kāi)發(fā)框架,結(jié)合OpenGL 開(kāi)發(fā)相關(guān)圖形引擎,實(shí)現(xiàn)了炮孔自動(dòng)布置,網(wǎng)路自動(dòng)連接和藥量?jī)?yōu)化等功能。澳大利亞澳瑞凱公司開(kāi)發(fā)的Shotplus 軟件,實(shí)現(xiàn)了布孔、微差時(shí)間計(jì)算和起爆網(wǎng)絡(luò)連接的自動(dòng)化,并且具有拋擲效果預(yù)測(cè)分析功能[6]。任占營(yíng)[7]開(kāi)發(fā)的爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)搭建了露天礦專(zhuān)用三維圖形處理平臺(tái),構(gòu)建了拋擲爆破爆堆預(yù)測(cè)模型,并且實(shí)現(xiàn)地質(zhì)地形數(shù)據(jù)管理,支撐了軟件中臺(tái)階深孔爆破智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的需求,但在臺(tái)階深孔爆破智能設(shè)計(jì)功能中缺乏對(duì)不規(guī)則區(qū)域布孔的合理解決方案。

綜合考慮目前露天礦爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀:從國(guó)外引進(jìn)的爆破設(shè)計(jì)軟件能夠一定程度提高爆破設(shè)計(jì)的效率、優(yōu)化爆破參數(shù),但由于國(guó)內(nèi)外礦山管理體制的不同,導(dǎo)致這些軟件系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的適用性較差。近些年國(guó)內(nèi)的礦山研究院與高校合作開(kāi)發(fā)的爆破設(shè)計(jì)軟件取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,針對(duì)性地解決了許多礦山的個(gè)性化需求,但軟件的智能性還有待提高。目前現(xiàn)有的爆破設(shè)計(jì)軟件能夠完成自動(dòng)布孔,但對(duì)邊界復(fù)雜的不規(guī)則區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)布孔;能夠完成爆破設(shè)計(jì),但后續(xù)爆破參數(shù)優(yōu)化依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)?；谏鲜龇治?本研究以爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)臺(tái)階面自適應(yīng)炮孔布置、起爆順序自動(dòng)確定,同時(shí),對(duì)爆破方案的振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,減少爆破振動(dòng)有害效應(yīng)。爆破完成后,通過(guò)爆堆塊度分布模塊分析爆堆中巖石的尺寸分布。最后,綜合各項(xiàng)因素評(píng)價(jià)爆破效果,為后續(xù)爆破設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 軟件開(kāi)發(fā)

1.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及工具

軟件基于Visual Studio 2008.net(Visual C++9.0)MFC 平臺(tái)采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā),充分利用高效的STL 資源、MathMagic 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)與OpenGL 圖形庫(kù)等軟件開(kāi)發(fā)資源。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件包含4 個(gè)模塊,分別為臺(tái)階爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、爆破預(yù)測(cè)振動(dòng)分析模塊、爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析模塊和爆破效果綜合評(píng)價(jià)模塊。

臺(tái)階爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊:讀入爆區(qū)地形地質(zhì)資料和爆破參數(shù),運(yùn)用Delaunay 三角網(wǎng)格迭代算法實(shí)現(xiàn)孔網(wǎng)的最優(yōu)化布置,再運(yùn)用Voronoi 網(wǎng)格技術(shù)確定起爆順序,最終輸出每個(gè)炮孔的坐標(biāo)、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆順序等詳細(xì)參數(shù)。

爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)分析模塊:根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案,運(yùn)用薩道夫斯基預(yù)測(cè)方法和修正的Anderson 模型與Volterra 泛函級(jí)數(shù)理論預(yù)測(cè)指定測(cè)點(diǎn)位置的爆破振動(dòng)效應(yīng)。

爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析模塊:采用圖像閾值化分割技術(shù),分析爆堆中巖塊的尺寸分布,為評(píng)價(jià)爆破效果提供依據(jù)。

爆破效果綜合評(píng)價(jià)模塊:建立描述爆破效果的指標(biāo)體系,包括安全可靠指標(biāo)、技術(shù)合理指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)三大類(lèi)。根據(jù)線性?xún)?yōu)化理論,建立不同指標(biāo)的隸屬度,采用加權(quán)的方法,綜合評(píng)價(jià)爆破效果。

通過(guò)對(duì)露天礦臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)流程進(jìn)行深入分析,提出了規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程,定義了各模塊之間的操作步驟與聯(lián)系。軟件的總體流程如圖1 所示。

圖1 軟件總體流程Fig.1 General flow of software

2 功能模塊

2.1 臺(tái)階爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 自由面識(shí)別

在臺(tái)階爆破中,自由面的數(shù)量和面積對(duì)爆破效果影響很大。為了后續(xù)按排布孔和按輪廓布孔算法的科學(xué)性,在臺(tái)階爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中,軟件將對(duì)初始臺(tái)階輪廓線進(jìn)行預(yù)判別:在輸入爆區(qū)輪廓線后,調(diào)用軟件自由面識(shí)別函數(shù),當(dāng)坡頂線中2 條線段的夾角大于70°時(shí),并且2 條線段的長(zhǎng)度大于1 倍孔距時(shí),認(rèn)為存在2 個(gè)自由面,如圖2 所示。

圖2 2 個(gè)自由面的爆區(qū)輪廓Fig.2 Explosive zone profile of two free surfaces

2.1.2 布孔算法

軟件設(shè)計(jì)了按排布孔和按爆區(qū)輪廓布孔2 種布孔算法。當(dāng)臺(tái)階具有1 個(gè)自由面,并且自由面相對(duì)平整時(shí),可以采用按排布孔或按爆區(qū)輪廓布孔;當(dāng)臺(tái)階具有多個(gè)自由面時(shí),使用按排布孔算法將會(huì)出現(xiàn)缺漏等不合理現(xiàn)象,軟件將默認(rèn)采用按爆區(qū)輪廓布孔算法進(jìn)行布孔。

(1)按排布孔。按排布孔算法是將臺(tái)階坡頂線按排距向爆區(qū)內(nèi)部后推,得到布置炮孔的輪廓線(其中首排輪廓線按前排抵抗線后推),然后,以孔距為間隔,在布孔輪廓線上依次布孔,如圖3 所示。

圖3 按排布孔Fig.3 Lay out holes row by row

(2)按爆區(qū)輪廓布孔。按爆區(qū)輪廓布孔算法區(qū)別于按排布孔,需要爆區(qū)的坡頂線、坡底線和無(wú)窮邊界。首先,將臺(tái)階自由面按前排抵抗線向爆區(qū)內(nèi)部后推,得到首排布孔輪廓線;然后,將爆區(qū)的無(wú)窮邊界按排距的一半向爆區(qū)內(nèi)部前推,所包含的區(qū)域即為臺(tái)階布孔區(qū)域,在布孔區(qū)域內(nèi),根據(jù)按排布孔的方式,將首排布孔輪廓線逐排后推生成初始炮孔位置如圖4 所示。在上述過(guò)程中,由于布孔區(qū)域已經(jīng)確定,逐排后推的過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)多邊形輪廓交叉的現(xiàn)象,產(chǎn)生冗余點(diǎn),軟件中根據(jù)凸包算法[8],將后排輪廓線中的冗余點(diǎn)剔除,如圖5 所示。

圖4 按爆區(qū)輪廓布孔區(qū)域Fig.4 Layout area of boreholes by the outline of blasting zone

圖5 冗余點(diǎn)去除Fig.5 Removal of redundant points

當(dāng)初始炮孔位置生成后,炮孔位置并非最優(yōu)。此時(shí),運(yùn)用Delaunay 三角網(wǎng)格技術(shù),將每個(gè)初始炮孔視為Delaunay 三角網(wǎng)格角點(diǎn),通過(guò)迭代計(jì)算,逐步調(diào)整角點(diǎn)間的距離,使得各個(gè)炮孔的間距逐漸接近,從而保證炮孔所負(fù)擔(dān)的爆破范圍最優(yōu),迭代調(diào)整前后對(duì)比如圖6、圖7 所示。

圖6 迭代調(diào)整前Fig.6 Before iteration adjustment

圖7 迭代調(diào)整后Fig.7 After iteration adjustment

2.1.3 裝藥量確定

在炮孔位置確定后,可以計(jì)算生成Voronoi 網(wǎng)格圖,每個(gè)Voronoi 單元都包含1 個(gè)炮孔,Voronoi 單元內(nèi)的介質(zhì)即是該炮孔所承擔(dān)的破壞區(qū)域,如圖8 所示。因此,可以使用體積公式計(jì)算炮孔的炸藥質(zhì)量,即炮孔周?chē)腣oronoi 單元面積、臺(tái)階高度和炸藥單耗的乘積。

圖8 Voronoi 網(wǎng)格Fig.8 Voronoi grid

由于靠近臨空面的首排炮孔的Voronoi 單元的頂部與底部面積不相同,因此采用面積平均值計(jì)算體積:

式中,Si為Voronoi 單元頂部面積和底部面積的平均值;St為Voronoi 單元頂部面積;Sb為Voronoi 單元底部面積。

單個(gè)炮孔的裝藥量可確定為

式中,Qi為炮孔裝藥量;ρr為巖石密度;H為臺(tái)階高度;q為炸藥單耗。

考慮到在現(xiàn)場(chǎng)坡底線測(cè)量時(shí),由于前一次爆破的巖石塊堆積在坡底,使得測(cè)量出的坡底線相較于實(shí)際的坡底線更靠前,此時(shí)若采用式(2)計(jì)算,首排炮孔Voronoi 單元的面積則會(huì)明顯偏大,對(duì)首排炮孔的裝藥量修正:

式中,為修正后的炮孔裝藥量;hi為炮孔深度;bi為炮孔的最小抵抗線。

2.1.4 起爆順序確定

(1)排間毫秒延期起爆。排間毫秒延期爆破是炮孔逐排延期起爆,同一排炮孔的起爆時(shí)間相同。起爆順序?yàn)閺呐R近崖頭的首排炮孔向臨近爆區(qū)分界線的最后一排炮孔逐排起爆,根據(jù)輸入的排間延期時(shí)間,繪制出起爆網(wǎng)絡(luò)連線。

(2)逐孔起爆。逐孔起爆是炮孔逐個(gè)延期起爆,采用Voronoi 方法來(lái)確定起爆順序,其基本原理是由于2 個(gè)相鄰的Voronoi 單元共享1 個(gè)公共邊,因此當(dāng)其中一個(gè)Voronoi 單元消失后,另一個(gè)Voronoi 單元將會(huì)獲得1 個(gè)自由面。根據(jù)該原理,當(dāng)1 個(gè)炮孔起爆后,可以認(rèn)為其所在的Voronoi 單元已經(jīng)破碎消失,如果1 個(gè)炮孔的自由面數(shù)量達(dá)到或超過(guò)2 個(gè),即表示它的2 個(gè)相鄰炮孔已經(jīng)起爆,該炮孔就可以在下一個(gè)延期時(shí)間起爆,如圖9、圖10 所示。通過(guò)在每個(gè)延期時(shí)間步檢查剩余炮孔的自由面數(shù)量就可以確定起爆順序,如圖11 所示。

圖9 基于Voronoi 網(wǎng)格的炮孔破壞區(qū)域Fig.9 Hole destruction area based Voronoi grid

圖10 第1 個(gè)炮孔起爆后的形狀Fig.10 Shape of bench after the first hole detonation

圖11 基于Voronoi 網(wǎng)格的炮孔起爆順序Fig.11 Hole detonation sequence based Voronoi grid

2.2 爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)分析

臺(tái)階爆破的過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng),這種振動(dòng)效應(yīng)會(huì)對(duì)礦山周邊的建筑物和構(gòu)筑物造成破壞,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和財(cái)產(chǎn)糾紛。提前預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)效應(yīng),優(yōu)化爆破參數(shù)可以有效規(guī)避這種有害效應(yīng),因此預(yù)測(cè)評(píng)估爆破振動(dòng)效應(yīng)具有十分重要的意義。《GB 6722—2014 爆破安全規(guī)程》以各頻率范圍的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 薩道夫公式預(yù)測(cè)方法

軟件將薩道夫斯基公式列為第一種爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)方法:

式中,K為場(chǎng)地系數(shù);α為衰減系數(shù);Q為同段最大裝藥量;R為測(cè)點(diǎn)到爆破位置的距離。

根據(jù)相應(yīng)的安全規(guī)范,設(shè)計(jì)“薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)”功能模塊。在該模塊對(duì)話框中輸入薩道夫斯基公式相應(yīng)參數(shù)后,點(diǎn)擊“預(yù)測(cè)PPV 值計(jì)算”按鈕,便可得到預(yù)測(cè)點(diǎn)的峰值振速,如圖12 所示。

圖12 薩道夫斯基公式預(yù)測(cè)對(duì)話框Fig.12 Sadovsky formula prediction dialog

2.2.2 完整振動(dòng)波形預(yù)測(cè)方法

完整振動(dòng)波形預(yù)測(cè)方法是根據(jù)臺(tái)階爆破的特點(diǎn),采用基于臺(tái)階爆破的振動(dòng)比例系數(shù)修正的Anderson模型與Volterra 泛函級(jí)數(shù)臺(tái)階爆破振動(dòng)效應(yīng)非線性預(yù)測(cè)理論預(yù)測(cè)指定測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)波形,操作界面如圖13 所示。

圖13 完整振動(dòng)波形預(yù)測(cè)對(duì)話框Fig.13 Dialog of complete vibration waveform prediction

Anderson 模型以實(shí)測(cè)單孔波形為基礎(chǔ),假設(shè)單孔波形在指定位置能夠復(fù)現(xiàn),且每個(gè)炮孔爆破后產(chǎn)生的振動(dòng)具有相同的時(shí)間源函數(shù)[9],具體表示如下。

式中,υ為群孔疊加波形;υs為實(shí)測(cè)單孔波形的時(shí)間源函數(shù);ai為第i段爆破震動(dòng)效應(yīng)系數(shù);δ(t-ti)為狄拉克函數(shù),表示第i段的脈沖。

為簡(jiǎn)化計(jì)算,Anderson 近似地將各段的藥量與實(shí)測(cè)單段爆破波形的比值定義為爆破震動(dòng)效應(yīng)系數(shù),即

式中,ai為第i段的地震效應(yīng)系數(shù);Q0為用于預(yù)測(cè)該次爆破的單段爆破波形所對(duì)應(yīng)的藥量;Qi為第i段藥量(在觸地震動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)中,為第i個(gè)塊體的勢(shì)能)。

為了反映在土巖介質(zhì)的非線性特征[10-11],研究中將式(6)修正為

式中,k和β為反映不同介質(zhì)力學(xué)性能的參數(shù),可根據(jù)簡(jiǎn)單震源(不同炸藥量或不同沖擊能量)的現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)測(cè)試波形記錄的統(tǒng)計(jì)分析確定。

2.3 爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析

爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析模塊是采用圖像閾值化分割的方法來(lái)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)照片中巖塊的面積分布。圖像閾值化分割是常用的圖像處理方法,其基本原理是通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值T,用T將圖像的數(shù)據(jù)分成大于T的像素群和小于T的像素群,所有灰度大于或等于閾值的像素被判定屬于巖塊,其灰度值表示為255,其余像素點(diǎn)將被判定為其他物體,灰度值設(shè)置為0[12-14]。軟件中采用自適應(yīng)閾值化方法,識(shí)別巖塊基本輪廓,然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)豎立的參照物大小,確定巖塊的具體尺寸,最終生成爆堆的塊度分布曲線和柱狀圖。

該模塊的使用需要在現(xiàn)場(chǎng)爆堆中樹(shù)立一個(gè)高度已知的標(biāo)尺(一般為1.2 m 或1.4 m),將標(biāo)尺與爆堆拍攝在同一張照片中。首先將爆堆圖像導(dǎo)入軟件中,點(diǎn)選“標(biāo)尺編輯”功能,輸入標(biāo)尺高度并在圖片中選取出標(biāo)尺,再在圖片中圈取爆堆范圍,完成爆堆塊度提取,最后利用閾值分割的圖像處理法對(duì)爆堆的塊度進(jìn)行分析,將分析結(jié)果輸出為塊堆分布柱狀圖和塊堆分布級(jí)配圖。模塊界面如圖14 所示。

圖14 爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析對(duì)話框Fig.14 Dialog of exploding pile block size analysis

2.4 爆破效果綜合評(píng)價(jià)

臺(tái)階爆破生產(chǎn)需要綜合考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)安全,因此,在每一次爆破后對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)非常重要,評(píng)價(jià)結(jié)果可對(duì)后續(xù)爆破生產(chǎn)優(yōu)化提供指導(dǎo)。目前露天礦臺(tái)階爆破效果的定量評(píng)價(jià)體系主要包括以下內(nèi)容:①巖石的破碎塊度符合要求,基本無(wú)不合格大塊,無(wú)殘留根底,爆堆拋擲的距離適中,便于鏟裝;② 控制延米爆破量和炸藥單耗,在保證巖石破碎效果的前提下,盡可能控制鉆孔、裝藥等成本;③爆破施工的振動(dòng)效應(yīng)、飛石距離以及對(duì)環(huán)境的有害效應(yīng)均必須符合爆破安全規(guī)程的相關(guān)規(guī)定。

基于上述爆破效果評(píng)價(jià)體系,軟件擬從安全可靠性、技術(shù)合理性、經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在實(shí)際評(píng)判中將安全可靠性、技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)效益作為約束條件,通過(guò)賦予各個(gè)單項(xiàng)不同的權(quán)重來(lái)標(biāo)定其重要程度。約束條件和目標(biāo)函數(shù)采用語(yǔ)言變量來(lái)描述,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和軟件計(jì)算得到的鉆孔數(shù)量、裝藥量、振動(dòng)效應(yīng)、大塊率等數(shù)據(jù)的優(yōu)劣加以評(píng)判,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的隸屬度[15-16]。

用凸模糊規(guī)劃原理來(lái)計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)的評(píng)判值[17-18]。表達(dá)式為

式中,AT、AR、Mf分別表示安全可靠、技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)效益的綜合評(píng)判;bj、aj分別是子項(xiàng)目隸屬度和權(quán)數(shù)(安全可靠性的子項(xiàng)目為爆破飛石、振動(dòng)效應(yīng)、爆破粉塵、爆破噪聲;技術(shù)合理性的子項(xiàng)目為大塊率、爆破根底、前沖距離、施工難度;經(jīng)濟(jì)效益的子項(xiàng)目為炸藥單耗、延米爆破量、火工品成本、輔助器材成本)。

根據(jù)模糊評(píng)判有:

式中,BNi表示第i個(gè)試驗(yàn)號(hào)的總評(píng)判;α、β、γ分別表示安全可靠性、技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)數(shù)。當(dāng)BNi有最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)就是最佳爆破方案。

爆破效果綜合評(píng)價(jià)模塊的評(píng)估結(jié)果如圖15所示。

圖15 爆破效果綜合評(píng)價(jià)對(duì)話框Fig.15 Dialog of comprehensive evaluation for blasting effect

3 工程應(yīng)用

軟件依托別斯庫(kù)都克露天煤礦進(jìn)行工程應(yīng)用與評(píng)價(jià)。別斯庫(kù)都克煤礦海拔為1 269～1 339 m,最大開(kāi)采深度約250 m。別斯庫(kù)都克露天煤礦礦區(qū)內(nèi)巖體的節(jié)理裂隙極為發(fā)育,地質(zhì)條件對(duì)爆破施工非常不利,因此臺(tái)階爆破后大塊率、根底殘留始終不理想,炸藥單耗居高不下。別斯庫(kù)都克煤礦的起爆方式為排間毫秒微差爆破,炸藥主要為混裝銨油和混裝乳化炸藥,采用數(shù)碼電子雷管起爆。

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

使用RTK 測(cè)量設(shè)備對(duì)臺(tái)階面坡頂線、坡底線、爆區(qū)分界線上重要坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,得到爆區(qū)輪廓線數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 爆區(qū)輪廓坐標(biāo)Table 1 Blast zone contour coordinates

將爆區(qū)輪廓錄入軟件,并依次選取“排間毫秒延期爆破”、“按爆區(qū)輪廓布孔”,輸入孔距4 m 和排距2.5 m 后,自適應(yīng)布置炮孔如圖16 所示。

圖16 炮孔自適應(yīng)布置Fig.16 Adaptive arrangement of holes

起爆網(wǎng)絡(luò)連線如圖17 所示。

圖17 起爆網(wǎng)絡(luò)連線Fig.17 Connection of detonation network

炮孔詳細(xì)參數(shù)列表如圖18 所示。

圖18 炮孔詳細(xì)參數(shù)列表Fig.18 List of detailed parameters of holes

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

(1)鉆孔數(shù)和炸藥單耗對(duì)比。為了對(duì)比和評(píng)價(jià)軟件設(shè)計(jì)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)布孔的鉆孔數(shù)和炸藥單耗的實(shí)際區(qū)別,軟件設(shè)計(jì)完成后,在該臺(tái)階面上首先由別斯庫(kù)都克煤礦技術(shù)人員按礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行布孔,再按照軟件設(shè)計(jì)結(jié)果布孔、鉆孔并裝藥,設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比如表2 所示。

表2 軟件設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比Table 2 Comparison between software design and experience design

(2)爆破效果對(duì)比。為對(duì)比爆破效果,保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)爆區(qū)的巖石性質(zhì)、節(jié)理裂隙與實(shí)驗(yàn)爆區(qū)相近,選取了一塊與實(shí)驗(yàn)爆區(qū)處于相同水平高度且相距僅40 m 的臺(tái)階面。在該臺(tái)階面上由技術(shù)人員按經(jīng)驗(yàn)布孔方式布孔、裝藥、起爆。實(shí)驗(yàn)如圖19(a)所示,對(duì)比實(shí)驗(yàn)爆堆如圖19(b)所示。

圖19 爆破效果對(duì)比Fig.19 Comparison of blasting effect

將兩組爆堆的現(xiàn)場(chǎng)照片輸入軟件的爆堆塊度統(tǒng)計(jì)分析模塊,通過(guò)圖像分析得到的爆堆塊度分布分別如圖20(a)、圖20(b)所示。

圖20 爆堆尺寸分布對(duì)比Fig.20 Comparison of exploding pile block size

4 結(jié)論

(1)臺(tái)階爆破智能設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)運(yùn)用Delaunay網(wǎng)格迭代計(jì)算炮孔位置,并運(yùn)用Voronoi 網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算裝藥量和確定起爆順序,設(shè)計(jì)效率大大提高。

(2)軟件的實(shí)際應(yīng)用表明:軟件設(shè)計(jì)方案能夠有效減少鉆孔、炸藥成本約15%,爆堆塊度更加均勻,大塊巖石顯著減少。

(3)軟件目前僅在二維平面進(jìn)行設(shè)計(jì),無(wú)法準(zhǔn)確反映臺(tái)階表面高低起伏的特性,因此,計(jì)算所得的鉆孔深度和裝藥量不夠精確,后續(xù)工作中將把軟件爆破設(shè)計(jì)功能推廣至三維。