基于無人機航測技術的露天礦山爆堆形態分析

張兵兵 李萍豐 謝守冬 陳光木 陳晶晶 黃東興

(1.宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623;2.廣東省大寶山礦業有限公司,廣東 韶關 512127)

露天礦山臺階爆破效果分析是評價與優化臺階爆破施工的重要環節,主要包括爆堆形態、爆堆塊度、爆破有害效應控制等。其中,爆堆形態分析至關重要,反映了爆破參數、裝藥結構的合理性,直接影響了挖裝效率與采區布置。業內學者及工程技術人員開展了大量的研究工作,通過優選評價指標,如炸藥單耗、孔網參數、起爆方式等[1-4],采用層次分析法、模糊神經網絡法或集成化評價體系[5-6],分析不同指標的影響權重并確定關鍵因素,同時開展爆破形態模擬與預測[7-8],進而優化爆破設計與施工方案。受限于露天礦山臺階爆破的地質條件多變性及施工的復雜性,單純依靠評價指標及模擬預測存在一定的不足。因而采用更為先進的測量儀器是十分必要的,如高速攝像機、三維激光掃描儀等,可真實反映爆堆形態分布特征。高速攝像機可有效采集爆破瞬間的拋擲軌跡信息,且支持反復回放,有助于實現精確分析[9-10];三維激光掃描儀通過重建爆堆點云模型,可有效提取相關參數,定量分析效果良好[11],但是三維激光掃描儀(如手持式、固定式、機載式)價格昂貴,經濟性優勢不突出[12];低空無人機航測技術具有全覆蓋、高精度等優勢,能夠滿足礦山作業的精度與效率要求,實用性較好。現階段,無人機航測技術在露天礦山的應用越來越廣泛[13],特別在三維模型重建、安全隱患監測與排查、工程計量等方面應用效果良好[14-15],但該技術在臺階爆破爆堆分析與綜合評價方面的研究與應用較為薄弱。本研究以大寶山露天多金屬礦山鐵門661 m平臺爆區為例,基于無人機航測技術對露天礦山爆堆形態進行分析。

1 露天礦山爆堆形態評價指標

爆堆形態是露天礦山爆破效果的外在表現形式,綜合反映了爆破設計參數與爆破施工的合理性,本研究認為露天礦山爆堆形態評價指標包括如下幾類。

(1)臺階爆破類型。通過獲取爆堆堆置高度、拋擲距離等參數,綜合評價臺階爆破類型,進行歸類分析,判斷屬于何種類型,如松動爆破、減弱拋擲爆破、標準拋擲爆破、加強拋擲爆破,并與爆破設計方案進行比對分析。

(2)爆堆形態參數。測定爆堆輪廓線、鼓起或者凹陷的深度,綜合分析爆破形態是否合理,判斷有無盲炮存在。

(3)爆堆拉裂程度。獲取爆堆拉裂范圍參數,綜合評價爆破形態局部差異性的影響因素,為后期類似地形地質條件下的爆破方案設計提供依據。

(4)爆堆表面塊度大小。爆堆表面塊度是爆堆形態的重要組成部分,具有分區現象,反映了爆破設計參數與巖石性質的匹配性,體現在爆區巖石擠壓程度與塊度分布等方面。

2 基于無人機航測技術的爆區三維實景建模

2.1 臺階爆破工程背景

大寶山露天礦地質條件復雜,多采用中深孔臺階爆破技術,臺階高度為12 m,該礦鐵門661 m平臺標高基本維持在661.2 m,下部平臺標高為649.1 m;采用混裝銨油炸藥為主裝藥,2號巖石乳化炸藥作為起爆藥包,最小抵抗線為3.36 m,孔網參數為6.5 m×4.5 m,設計炸藥單耗為0.38 kg/m3,垂直鉆孔直徑為140 mm,為加強拋擲爆破類型。待爆區域最大長度為135 m,寬度為18 m,實際警戒范圍為爆區中心向外300 m。

2.2 無人機航測方案設計及實施

本研究采用大疆精靈4 RTK小型四旋翼無人機,搭載高清可旋轉式單鏡頭,焦距為12.83 mm,支持正射、井字形及五向航攝模式,考慮到爆區航測的高精度要求,故采用單鏡頭模擬爆區五向航攝模式。由于鐵門區域周邊存在建(構)筑物,與爆區相對高差為60 m,將起飛地點選擇在649 m大平臺,相對航高為100 m,較好地滿足了安全航測要求。設計測區保證完全覆蓋爆區范圍,實際航測面積小于0.1 km2;在爆區兩側、下部平臺及上部平臺共布置了4個像控點[16],采用手持RTK獲取像控點的坐標,用以分析航測精度;同時為保證影像的完整性及高精度要求,旁向重疊率及航向重疊率均設置為80%,通過增加航攝影像數量提高完整性。航測規劃流程如圖1所示。

圖1 航測規劃流程Fig.1 Flow of aerial survey planning

在爆區爆破前,選取649m大平臺視野開闊的地點作為起飛降落位置,按照設計路線進行航測作業;由于單塊智能電池的續航能力僅能維持在30 min左右,一個架次結束后,更換電池繼續航測,直至航測任務完成,外業航測耗時35 min。在爆區爆破后,按照爆前航測操作流程,繼續采集爆后圖像,共采集了296幅高清圖像(圖2)。

圖2 局部的爆前航測影像Fig.2 Local aerial survey images before blasting

2.3 臺階爆破兩期三維模型重建

外業航測采集的數據主要有像控點坐標和影像信息,數據種類較為簡單,方便后期處理。內業處理階段,采用Smart3D軟件進行影像自動匹配、空三計算及模型重建,具有操作流程簡單、數據兼容性好及精度高等優勢。首先將獲取的爆前影像進行自動匹配分析,保證影像數據信息的完整性;通過導入4個像控點坐標,進行影像的對應刺點,同時應保證每個像控點必須刺中連續3幅以上的影像,刺點完畢后,進行第1次空三計算;確認無錯誤后,將所有影像均進行第2次刺點處理,再次進行空三計算,從而保證處理精度。

確認空三計算無誤后,進行模型重建,其中切塊處理較為重要,數量不宜過多同時應保證模型重建運行較為流暢。考慮到計算機的運行內存,網格大小設定為90 m,共劃分為32個瓦片,一個任務的預期最大RAM值為11 GB。爆后數據處理與爆前處理一致,由于本次并未采用集群處理技術,內業數據處理共耗時4.5 h。雖然本次數據處理耗時較長,但爆堆場景數據的真實性及廣度均可得到保證,且隨著應用更為先進的五鏡頭相機及內業數據集群處理技術,采用無人機航測技術進行爆堆分析的效率將大幅提升。

經過處理得到了爆前和爆后兩個階段的三維可視化實景模型,分辨率為0.024～0.032 m,如圖 3所示。

圖3 三維實景模型Fig.3 3D reality model

軟件運行完畢后,在生成的地質量報告中可快速查看三維模型誤差分布情況[17],如表1所示。由表1可知:坐標位置不確定性較小,三維模型中到光線的距離RMS僅為0.2 mm,表明航測影像匹配程度良好,真實還原了爆前爆后的地形地貌。以手持RTK測定的4個像控點坐標為真實值,三維模型中像控點(圖4)坐標為測量值見表2。以爆前采集的三維模型為例,X、Y、Z方向的最大誤差分別為6.4、6.1、4.8 cm,其中像控點K4誤差偏大,這可能與其處于測區邊界有關。計算得到的平面中誤差為5.53 cm,高程中誤差為2.79 cm,均滿足比例尺為1∶500的地圖成圖要求(平面位置精度≤0.15 m,中誤差＜0.175 m)。

表1 三維模型誤差分析結果Table 1 Error analysis results of 3D model

表2 像控點坐標相對誤差分析結果(爆前)Table 2 Relative error analysis results of image control point coordinates(before blasting)

圖4 三維模型中放大的像控點Fig.4 Enlarged image control points in 3D model

3 臺階爆破爆堆形態分析

Smart3D軟件生成的三維模型信息數據兼容性強,可進一步進行加工處理。將生成的成果文件導入南方IData軟件,可實現三維模型向二維圖形的無縫轉化,且在同一窗口實時操作,按照實際需求提取相應的數據信息。本研究主要提取爆堆高程點信息、爆堆輪廓線、拉裂線、爆堆塊度大小信息等(圖5)。

圖5 IData軟件處理界面Fig.5 IData software processing interface

3.1 爆堆輪廓

爆堆輪廓直接反映拋擲爆破形態[18],在IData軟件中提取爆堆輪廓線,并與爆前爆區形態進行了比對分析,如圖6所示。通過提取輪廓線與高程點信息,并采用斷面法對爆前爆區和爆后爆堆模型繪制了典型的縱剖面圖(圖 7),得到最大拋擲距離為31.68 m,平緩段拋擲距離為27.66 m。巖石沿著自由面方向整體拋擲距離較遠,為加強拋擲爆破方式,符合爆破設計要求。爆堆最高堆置高度為10.57 m,且分布較為集中,便于設備持續挖裝。在三維實景模型中,發現炮孔周圍裂隙較為明顯,有明顯的隆起現象,拋擲效應明顯,且存在明顯破碎痕跡的區域,認為不存在疑似盲炮現象。

圖6 爆堆形態分布(單位:m)Fig.6 Distribution of muckpile shape

圖7 典型斷面的爆堆形態縱剖面Fig.7 Vertical profile of the muckpile shape of typical section

3.2 爆區拉裂范圍

在提取的爆堆輪廓線中,發現爆區后排及兩側均存在拉裂現象,如圖6所示。其中后排炮孔拉裂的最大距離為6.17m,最小為2.97m,可能是與后排裝藥不均勻且裝藥量偏大有關。爆區北側的最大拉裂距離為6.5m,爆區南側的最大拉裂距離為4.0m,認為與自由面的形態及地形地質條件有關[19-20]。爆區南側為土夾石類型,爆破現場施工時已實施減弱裝藥。總體而言,爆堆拉裂范圍偏大,表明該區域孔網參數應優化,減弱裝藥需要精心化設計與施工。

3.3 爆堆表面塊度分布

無人機航測得到的三維模型真實還原了爆堆表面塊度分布情況[21],在IData軟件中提取了局部爆堆巖石形態,以平均塊度尺寸作為評價指標,劃分為3個塊度分區,如圖8所示。其中塊度一區的巖石最大尺寸為2.21 m,平均約1.3 m,表面大塊率較高,且差異性較大,與該分區巖石擠壓效果不佳及排間起爆時間控制不夠精準有關。塊度二區的巖石最大尺寸為1.16 m,平均約0.85 m,整體塊度比較均勻,但塊度尺寸仍較大,可能與前排孔網參數調整不足有關。塊度三區的巖石最大尺寸為0.55m,平均約為0.35m,巖石破碎效果良好,認為主要與土質區域巖石可爆性較好有關。

圖8 爆堆表面塊度局部提取Fig.8 Local extraction of surface fragmentation of muckpile

綜上所述,通過無人機航測成果信息提取,得出的爆堆輪廓較為合理,而爆堆拉裂范圍較大且塊度尺寸整體偏大,認為661m平臺臺階爆破與巖石的匹配性可能存在不足。在類似地質條件的區域需要結合爆區礦巖分布情況優選爆破設計參數,進而設計出較好的爆破方案。

4 結 論

(1)通過分析用于評價臺階爆堆形態的相關指標,包括爆破類型、爆破形態參數、拉裂程度、表面塊度大小,明確了無人機航測成果數據信息提取類型。

(2)采用大疆精靈4 RTK小型四旋翼無人機,制定了可行的航測方案,采集的數據完整性好,基于Smart3D處理軟件有效構建了爆區爆前爆后階段的三維模型,誤差較小,滿足航測精度要求。

(3)通過提取爆區模型點云和高程點信息,得到了評價指標的具體參數,爆堆輪廓分布合理,拉裂范圍較大且爆堆表面塊度值偏大,并分析了可能致因。相比傳統經驗分析法,評價結果更具有可靠性,驗證了無人機航測技術在爆堆形態數字化處理方面具備一定的適用性。究[J].現代礦業,2015(5):1-3.WANG Yi,XU Zhenyang,SUN Zhichao.Research on the influence factors of the form of blasting muck pile in Biesikuduke Open-pit[J].Modern Mining,2015(5):1-3.