露天礦爆破輔助設(shè)計App的研究與應(yīng)用

高琪琪

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

長期以來，爆破設(shè)計主要依靠工程技術(shù)人員基于個人經(jīng)驗進行，使得爆破工程設(shè)計具有不確定性，這就為日后的誤差埋下了隱患。而爆破作為采礦作業(yè)的核心工藝，人們已經(jīng)在諸如巖體、炸藥、爆破器材、爆破工藝等方面積累了大量的技術(shù)和經(jīng)驗，卻依然只是單獨的模塊，未能匯成一個系統(tǒng)。從智能化礦山角度來看，將這些技術(shù)和經(jīng)驗與現(xiàn)代計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)爆破的自動化、智能化是完全有可能的［1-2］，事實上，國內(nèi)外在爆破設(shè)計智能化方面也已進行了有益的嘗試與探索［3-6］，并取得了一定的進展［7-8］。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在爆破技術(shù)與計算機技術(shù)發(fā)展如此迅速、智能手機應(yīng)用如此廣泛的今天，以App 形式出現(xiàn)的爆破輔助設(shè)計軟件還很少見，因此，本項目以計算機技術(shù)和爆破設(shè)計理論為研究基礎(chǔ)，嘗試開發(fā)一款露天礦爆破輔助設(shè)計App。

1 需求分析及開發(fā)語言的選擇

1.1 用戶需求分析

App基于Android系統(tǒng)，計劃用于露天礦山垂直深孔臺階爆破設(shè)計。在較為成熟的礦山，臺階已基本形成，巖石堅固性系數(shù)f、炸藥單耗q等參數(shù)均已根據(jù)礦山實際條件，由前期試驗論證而確定。由技術(shù)人員在平臺上進行布孔，鉆孔人員實施鉆孔作業(yè)，繼而由測孔人員進行測孔，將坡頂線測點GPS 數(shù)據(jù)、炮孔位置GPS數(shù)據(jù)、臺階高度、孔深、抵抗線等基礎(chǔ)參數(shù)反饋給爆破設(shè)計人員，以此為依據(jù)在該App平臺上自動進行爆破設(shè)計，得到炮孔布置圖、爆破網(wǎng)路圖、孔距、排距、單孔裝藥量、裝藥高度、填塞高度等參數(shù)。工程技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場實際情況擁有調(diào)整數(shù)據(jù)的權(quán)限，使其經(jīng)濟成本和破碎效果均達到最佳狀態(tài)，且可將設(shè)計結(jié)果進行保存，便于日后快速查閱及爆破設(shè)計報告的編寫。

1.2 語言及開發(fā)方式的選擇

對比C++、PHP、Java 及JavaScript 語言的應(yīng)用權(quán)限及優(yōu)劣勢，選用JavaScript 語言、Webapp 的開發(fā)方式，在virtual studio code編輯器上進行編程。

雖然JavaScript 語言與Java 有類似的語法，但其并不是Java 語言的分支，是一種動態(tài)類型語言，學(xué)習(xí)難度相對較低，適合初學(xué)者。不同的是，Java 在使用領(lǐng)域范圍內(nèi)是后臺編程語言，與PHP 相似，JavaScript卻是在前端后臺都可以使用；從兼容性分析，JavaScript語言可以嵌入HTML，XML和AJAX，而PHP只能嵌入HTML，它不能與XML 一起使用，所以在前端開發(fā)JavaScript 比PHP 更有優(yōu)勢。JavaScript 利用DOM模型，提供大量預(yù)編制的功能性對象代碼，使得開發(fā)一個滿足用戶需要的腳本變得較為容易。此外，它和其他語言可以很好地交互，并且廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

2 功能設(shè)計及模塊設(shè)計

爆破技術(shù)人員可以利用此App 在已布好孔的平臺上進行爆破設(shè)計，通過已知的基礎(chǔ)參數(shù)輸入，得到爆破網(wǎng)路聯(lián)結(jié)示意圖及爆破參數(shù)設(shè)計表，作為爆破設(shè)計文件的重要組成部分。在此流程中，集成了炮孔布置、網(wǎng)路聯(lián)結(jié)、參數(shù)輸出、設(shè)計結(jié)果與保存的四大模塊，確保App設(shè)計結(jié)果輸出的完整性。

2.1 炮孔布置模塊

在實際生產(chǎn)爆破中，工地現(xiàn)場工作人員對已鉆好的炮孔進行測孔，反饋的重要數(shù)據(jù)之一就是炮孔GPS 位置數(shù)據(jù)。各炮孔GPS 數(shù)據(jù)、坡頂線各測點GPS輸入App 后（圖1），經(jīng)內(nèi)部圖形轉(zhuǎn)化程序形成炮孔布置示意圖。圖形轉(zhuǎn)化程序思路為將手機屏幕視為寬一定、高可以自適應(yīng)的視圖，根據(jù)GPS 的X、Y、Z值計算出大地坐標與屏幕坐標換算的比例尺scale；以scale 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，使用svg 繪制，具體如下：取所有炮孔中X最小的值為minX，所有炮孔中Y最大的值為maxY，炮孔在示意圖上的橫軸坐標X=（X-minX）×scale，縱軸坐標Y=（maxY-Y）×scale。

需要注意的是，由于svg 坐標系的Y軸從上至下是依次增大的，而我們實際需求的坐標系是由下至上依次增大的，故這里的縱軸坐標Y=（maxY-Y）×scale。

2.2 網(wǎng)路聯(lián)結(jié)模塊

在輸出的炮孔布置示意圖上，點擊兩炮孔選定對象，分別設(shè)置起點和終點，選擇延期雷管的類別，繼而連線代表傳爆方向，重復(fù)該步驟直至網(wǎng)路聯(lián)結(jié)完成，不同的線型代表不同型號的雷管。除此之外，在對每個炮孔編輯時，可以重新編號、設(shè)定孔深、選擇炮孔類型及炮孔排數(shù)，若為首排孔，還需輸入首排抵抗線W賦值。

2.3 參數(shù)輸出模塊

2.3.1 不同炮孔排距定義

在爆破網(wǎng)路聯(lián)結(jié)示意圖生成后，在界面輸入已知的臺階高度H、該區(qū)炸藥單耗q、裝藥長度系數(shù)等參數(shù)，App 依照設(shè)定的程序，根據(jù)前面計算得出的比例尺scale 及坐標轉(zhuǎn)換，自動計算出孔距a、排距b。App將炮孔類型歸為邊角炮孔、特殊炮孔、首排孔、普通炮孔4 類，以矩形或多邊形爆區(qū)為例，其定義及有關(guān)距離參數(shù)的說明如下：矩形或多邊形爆區(qū)各角上的炮孔為邊角炮孔，其孔距a為與其相鄰且在同排的炮孔之間的距離；特殊炮孔是指非矩形布孔的炮孔，可由該炮孔向前排炮孔延長線做垂足，垂直距離b則為排距；首排孔即為爆區(qū)鄰近坡頂線的一排孔，需為其確定抵抗線大小；普通炮孔可以根據(jù)與其相鄰兩炮孔之間的距離算出孔距，即為（a1+a2）/2。

2.3.2 其他參數(shù)的輸出與調(diào)整

在得到孔距a、排距b等參數(shù)后，App 根據(jù)公式分別計算每孔超深h、單孔設(shè)計裝藥量Q、裝藥長度、填塞長度等參數(shù)，并以炮孔參數(shù)設(shè)計表的形式展示每孔的爆破設(shè)計參數(shù)。設(shè)計人員可結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對參數(shù)在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，同時裝藥長度、填塞長度也將發(fā)生變化。

2.4 設(shè)計結(jié)果保存與分享模塊

本模塊主要提供對歷史記錄進行查看、刪除、導(dǎo)出及分享的功能。點擊“下一步”按鈕，呈現(xiàn)出此次爆破設(shè)計的設(shè)計結(jié)果（炮孔布置與網(wǎng)路聯(lián)結(jié)示意圖、炮孔參數(shù)設(shè)計表、爆破器材統(tǒng)計表及單個炮孔裝藥量提示單）。爆破設(shè)計完成后，設(shè)計結(jié)果自動保存返回主界面，點擊“歷史記錄”按鈕，會顯示保存過的所有爆破設(shè)計文件，每份文件分別具有“導(dǎo)出”、“查看”、“刪除”的功能按鈕。“導(dǎo)出”功能是將爆破設(shè)計圖表結(jié)果上傳至電腦或分享至其他第三方軟件的的唯一路徑，增加此功能后，圖表可更加直觀清晰，并可進行進一步處理，形成爆破設(shè)計報告，便于上交與存檔。

3 現(xiàn)場試驗論證

將App應(yīng)用于某次實際生產(chǎn)爆破，由爆破技術(shù)人員對各項輸出數(shù)據(jù)及爆破效果進行把關(guān)，以驗證該App是否適用于工程實際。

3.1 試驗爆區(qū)概況

試驗爆區(qū)位于和尚橋鐵礦-48～-60 m 平臺西部方向，臺階高度H=12 m。以三角形布孔方式共布18個炮孔，炮孔孔徑d=200 mm，孔距a=8 m，排距b=5 m，爆區(qū)中心坐標分別為X=3 501 651，Y=504 543。已知該露天礦山所產(chǎn)巖石主要為磁鐵礦，密度為2.72～3.00 t/m3，普氏硬度系數(shù)為12～15，單耗q=0.5 kg/m3。本次穿孔深度根據(jù)地形高低而深淺不一，孔內(nèi)基本無水。選用φ170 mm 乳化炸藥、澳瑞凱導(dǎo)爆管雷管，逐孔順序微差起爆，高能起爆器非電起爆，考慮前面各排孔的礦巖阻力作用的增加系數(shù)取1。裝藥長度系數(shù)取28（根據(jù)經(jīng)驗所得），即每米炮孔可裝28 kg 炸藥。

3.2 App內(nèi)設(shè)計流程

將該App安裝包下載至安卓系統(tǒng)手機并安裝，打開后進入首頁，點擊“開始設(shè)計”按鈕，按操作提示進行設(shè)計。

首先，輸入6 組坡頂線處GPS 數(shù)據(jù)，待輸入完成后，進入炮孔參數(shù)輸入模塊，依次輸入18 組“孔號”、“GPS”數(shù)據(jù)及“孔深”。至此，點擊“炮孔布置示意圖”按鈕，生成炮孔布置示意圖。在此界面上完成爆破網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)工作，點擊1號炮孔，進入設(shè)計聯(lián)結(jié)界面。按照步驟提示進行操作，18 個炮孔均編輯完畢后，爆破網(wǎng)路示意圖形成，不同雷管類別用不同的線型表示，如圖2所示。

確認無誤后，點擊下一步，輸入爆破設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)：設(shè)計單耗q、考慮受前排孔的礦巖阻力作用的增加系數(shù)k、臺階高度H、藥卷規(guī)格（kg/支）及裝藥長度系數(shù)。輸入完畢后，點擊“生成炮孔參數(shù)設(shè)計表”按鈕，生成初始的爆破參數(shù)設(shè)計表，該表內(nèi)參數(shù)經(jīng)爆破技術(shù)人員一一確認，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，除因現(xiàn)場施工原因造成的前排抵抗線變小，需要減少個別炮孔裝藥量外，其余各項參數(shù)均技術(shù)可靠，可直接應(yīng)用于現(xiàn)場試驗爆破。

3.3 試驗效果分析

爆后對爆區(qū)效果指標進行評價，爆區(qū)效果如圖3所示。爆堆朝自由面方向拋擲，成型效果好，能量作用均勻，無局部隆起現(xiàn)象，平均后沖距離3.3 m，前沖距離控制在14.8 m以內(nèi)，有利于后續(xù)鏟裝運輸工序順利開展；采用圖像分析技術(shù)對爆后大塊率進行統(tǒng)計，大塊破碎均勻，且控制在3%以內(nèi)，無需進行二次破碎，降低了礦山破碎成本；爆堆開挖結(jié)束后，臺階坡面平整，未見爆破根底，有利于下部臺階穿孔工序的進行，減小穿孔誤差。

圖3 實驗爆區(qū)爆破效果

綜上，可以認定本次爆破各參數(shù)（單耗、單孔裝藥量、孔深、填塞高度等）、爆破網(wǎng)路設(shè)計合理。

4 結(jié)論

（1）開發(fā)該App 選用的React-native 框架及JavaScript編程語言非常適合本次研究開發(fā)。JavaScript語言具有較好的交互性，可在用戶端執(zhí)行任務(wù)，直接對用戶的輸入作出反應(yīng)，不用經(jīng)過服務(wù)器，這也正是用戶需求分析中所要求的。

（2）該App 應(yīng)用范圍廣泛，可將各礦山的爆破設(shè)計數(shù)據(jù)資料收集并整合，加以分析，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，推動爆破技術(shù)的進步與發(fā)展。

（3）App 設(shè)計結(jié)果經(jīng)實際應(yīng)用，爆破效果良好且可控，若廣泛應(yīng)用于爆破工程現(xiàn)場，可釋放爆破技術(shù)人員部分勞動力，提高爆破管理的標準化、高效化和規(guī)范化；同時，爆破設(shè)計自動化可作為重要一環(huán)，協(xié)助推進數(shù)字礦山建設(shè)。