面向復雜孔網參數的露天礦爆破設計軟件研發及應用

董文明，譚期仁

(1.中廣核鈾業發展有限公司，北京 100029；2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083)

爆破是露天礦開采最重要的工藝環節之一，隨著爆破機理研究的不斷深入和信息技術的發展，礦山爆破逐漸向精細化轉變[1]。精細化爆破主要包括定量設計、精心施工和精細管理[2]，定量設計是基礎，布孔設計的參數合理與否以及設計精度直接影響爆破施工的質量，進而影響后續鏟裝運環節的生產效率與成本[3-4]。

布孔設計首先是確定孔網參數，通常會考慮爆區形狀、規模、地形特點、礦巖分布、臺階高度、地下水分布狀況等因素[5]，然后根據孔網參數利用工具軟件將炮孔布置在爆區范圍線內。近年來，國內學者從確定最優的孔網參數、智能化爆破設計軟件等方面進行了大量的研究。李明[6]針對爆破大塊、沿墻、根底現象多發等問題，通過BP神經網絡運算得出最佳孔網參數，爆破效果明顯提高。高朋[7]針對爆破效果不理想的問題，從裝藥量、孔網參數等方面進行優化，取得了較好的爆破效果，提高了生產效率。在智能化爆破設計軟件方面，礦山企業和科研院所研發了一大批服務于礦山爆破的軟件，如露天礦爆破設計與管理系統[8]、炮區管理系統[9]、露天爆破智能設計系統[10]、露天臺階爆破智能化設計軟件[11]、露天爆破統計分析系統[12]。

上述軟件都包含了布孔設計，根據設置的孔網參數實現了布孔的自動化，提升了布孔的精度，均取得了不錯的效果。針對某些特殊場景，上述系統還存在優化的空間，如斜坡道布孔設計，每一排的炮孔深度不同，孔網參數也不盡相同，目前已有的軟件難以實現自動化布孔。此外，在實際采礦生產中，由于爆破作用會造成下部臺階頂部巖石破碎，為了避免臺階底部出現根底，炮孔一般都會設置超深。然而，在布置炮孔時，通常沒有考慮上部臺階超深對本臺階炮孔位置的影響，或雖考慮了超深的位置，但仍需要在布孔完成后手動去修改炮孔的位置，費時費力。基于上述分析，本文設計研發了面向復雜孔網參數的露天礦爆破設計軟件，實現了各種復雜孔網參數下的自動布孔，同時考慮了上部臺階炮孔超深位置的影響，提高了布孔設計與施工現場的匹配度，為后續精細化爆破奠定了基礎。

1 爆破設計軟件系統

通過對露天礦爆破設計業務進行系統的分析和功能設計后，在DIMINE數字采礦軟件平臺上采用C++語言開發了爆破設計軟件系統，該系統為C/S架構，后臺數據庫為PostgreSQL，支持在三維環境下進行布孔、裝藥、連線以及起爆順序模擬。軟件功能模塊如圖1所示。炮孔數據庫是指以數據庫的方式存儲炮孔，礦山所有區塊炮孔都存儲在該數據庫中，從而實現對炮孔數據的有效管理；布孔基本參數包括孔口、孔底標高、爆區名稱、炮孔孔徑、傾角、方位角、布孔方式以及安全緩沖距離；自動布孔是在布孔基本參數和孔網參數的基礎上，選定區塊邊界后實現炮孔自動布置；孔位自動調整是在布孔結束后，對部分需要調整位置的炮孔進行自動調整；裝藥設計是通過模板化的定義裝藥參數與裝藥結構，實現快速裝藥設計；起爆網絡是以自動或手動的方式完成起爆網絡的連線；模擬分析包括起爆順序模擬、等時線分析、拋擲方向分析、起爆時間分析；結果輸出是將炮孔設計、裝藥設計、連線等成果輸出為文本文件或保存到數據庫。本文重點介紹布孔基本參數、自動布孔設計和孔位自動調整功能。

圖1 爆破設計軟件功能模塊Fig.1 Function module of blasting design software

1.1 布孔基本參數

布孔基本參數包括孔口設計標高、孔底設計標高、爆區名稱、鉆孔參數、布孔方式、安全緩沖距離等，參數設置界面如圖2所示。孔口設計標高除支持按固定標高值設置外，還可以指定三維表面模型文件作為孔口標高，當選用該方式時，孔口的標高隨實測的地形而變化；孔底設計標高支持四種方式，分別為固定標高值、炮孔深度、三維表面文件以及坡度，其中，坡度適用于斜坡道區塊布孔，軟件根據坡度自動計算每排炮孔的深度；布孔方式支持方形布孔和梅花形布孔兩種方式；由于炮孔不能布置在坡頂線上，因此，在首排炮孔和坡頂線之間需要設置安全距離。此外，為了控制爆破在指定區域內，在左側、右側和后側分別設置緩沖距離。

圖2 布孔基本參數Fig.2 Basic parameters of hole layout

1.2 自動布孔設計

在進行自動布孔設計時，首先設置孔網參數，每一排都支持設置不同的孔間距、排間距、超深，如圖3所示。然后確定布孔方向及第一排炮孔的約束邊界，如圖4所示，將布孔范圍劃分成四個部分，箭頭方向為布孔方向，前排線為首排炮孔布置的參考線，微調四邊形可以將區塊邊界中的任一線段定義為前排線，右鍵完成自動布孔。自動布孔的原則除了要滿足安全緩沖距離的約束，炮孔還要沿前排線進行布置。

圖3 自動布孔孔網參數Fig.3 Automatic hole layout parameters

圖4 炮孔約束邊界及布孔方向Fig.4 Blast-hole constraint boundary and hole layout direction

1.3 孔位自動調整

在布置炮孔的過程中，由于沒有考慮上部臺階超深對本臺階炮孔位置的影響，導致部分設計炮孔落在上部臺階超深位置的影響范圍內，需要調整設計炮孔位置。調整過程為：以上部已采臺階的實測炮孔孔口坐標為圓心，以穿孔影響范圍為半徑畫圓，如果當前臺階的炮孔落在圓內，則表示該炮孔受上部臺階炮孔的影響，需要調整到圓上，調整方向為沿炮孔連線方向。炮孔自動調整完成后，考慮到某些炮孔間距離發生了變化，若同一條線上的兩個炮孔距離大于某一個值，還支持自動添加炮孔，參數設置界面如圖5所示。

圖5 孔位自動調整參數Fig.5 Automatic hole position adjustment parameters

2 應用實例

2.1 工程概況

湖山鈾礦位于納米比亞西部的納米布沙漠地區，設計年采礦1 500萬t、剝離超過1億t，是世界上最大的露天鈾礦山[13]。礦山主要巖性為花崗巖和鈣質硅酸鹽巖，近地表為砂巖、鈣質結礫巖[14]，礦石臺階高7.5 m，炮孔直徑主要為165 mm；廢石剝離臺階高15 m，炮孔直徑為251 mm或311 mm[15]。單個礦石爆區產量約40萬t，廢石爆區產量約80萬t。炮孔孔內使用500 ms導爆管雷管，孔間使用42 ms導爆管雷管，排間使用75 ms導爆管雷管或65 ms導爆管雷管。爆破設計由礦山測量團隊和第三方爆破工程公司合作完成，其中，礦山負責布孔設計，炮孔裝藥、填塞、連線、起爆由第三方承包商負責。

根據爆破區塊所處的位置，礦山將其分為生產區塊、邊坡區塊和斜坡道區塊，如圖6所示。由圖6可知，2B23D001區塊為斜坡道區塊，位于上部臺階和本臺階的連接處；2B23D002區塊、2B23D003區塊、2B23D004區塊、2B23D009區塊和2B23D012區塊為邊坡區塊，靠近上部臺階；其余區塊為生產區塊，位于臺階中部，生產區塊和邊坡區塊的主要區別在于孔網參數不同。目前，礦山布孔設計使用的軟件是Microstation及插件Jador，由于該軟件不是專業的布孔爆破設計軟件，且布孔設計比較復雜，同一區塊的孔網參數不盡相同，尤其是斜坡道區塊更為復雜，在設計時需要單獨對每個炮孔進行設計，工作量極大，且難以保證設計結果的準確性。本文以斜坡道區塊為例簡述爆破設計軟件在湖山鈾礦的應用。

圖6 湖山鈾礦2號坑23臺階區塊分布Fig.6 Block distribution of bench 23 of pit 2 in Husab Uranium Mine

2.2 斜坡道區塊爆破設計

斜坡道是連接上一臺階到下一臺階的傾斜道路，在布孔設計時，由于斜坡道有一定的坡度，在沿斜坡道方向炮孔深度也隨之變化。這里選取圖6中的2B23D001區塊，該區塊聯通22臺階和23臺階，臺階高度7.5 m，坡度10%，炮孔直徑為165 mm，傾角為90°，前排、左側、右側以及后側緩沖距離0.5 m，臺階孔口標高為407.5 m，布孔方式采用方形布孔，孔距、排距及超深參數見表1。

表1 炮孔孔網參數Table 1 Blast-hole pattern parameters

在爆破設計軟件中輸入上述參數，一鍵生成初始布孔設計結果，如圖7(a)所示，在此基礎上，考慮上部臺階炮孔超深對本臺階炮孔的影響，對處在上部臺階炮孔影響范圍內的炮孔進行調整。根據礦山已有的規則，直徑為165 mm的炮孔影響范圍為1.5 m，調整后的布孔設計如圖7(b)所示，圖中，以×標記為上部臺階炮孔的坐標點，以此為圓心，1.5 m為半徑畫圓，標記為○，設計的炮孔落在圓內需要調整，圖中只顯示需要調整的圓。布孔設計三維空間視圖如圖8所示。

圖7 炮孔平面布置圖Fig.7 Layout plan of blast-hole

圖8 炮孔三維空間分布圖Fig.8 Three dimensional spatial distribution of blast-hole

炮孔設計完成后，可直接導出txt格式文本文件供Provision系統調用，然后下發至高精度鉆機進行施工，輸出結果包括炮孔編號、區塊編號、X坐標、Y坐標以及炮孔孔底標高。

3 結 論

1) 通過對露天礦爆破設計業務的系統分析，在DIMINE數字采礦軟件平臺上采用C++語言開發了爆破設計軟件系統，該系統為C/S架構，后臺數據庫為PostgreSQL，支持在三維環境下進行布孔、裝藥、連線以及起爆順序模擬，滿足礦山的布孔爆破設計要求。

2) 針對露天礦布孔設計的特點，本文開發軟件充分考慮了布孔設計參數定義的靈活性，通過對每一排炮孔參數進行定義，能夠滿足各種復雜孔網參數條件下的布孔要求。

3) 本文開發軟件從布孔設計層面考慮了上部已采臺階炮孔超深對本臺階設計孔位的影響，避免了設計孔位和實際孔位的偏差，提高了布孔設計與施工現場的匹配度，提升了設計的指導價值和意義。

4) 本文開發軟件能夠滿足湖山鈾礦各種區塊的布孔要求，徹底改變了礦山當前布孔方式“步驟繁多、操作復雜、效率低下”的局面，極大地提高了工作效率和布孔設計精度，為后續精細化爆破施工奠定了良好的基礎。