智能台阶爆破的基本框架及未来发展

2022-06-17李萍丰谢守冬张兵兵赵建宇

工程爆破 2022年2期

李萍丰，谢守冬，张兵兵，赵建宇

(1.宏大爆破工程集团有限责任公司，广州 510623；2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山 114051)

智能爆破是国家发展战略及爆破行业发展的最新目标，采用5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术，将爆破的设计、施工、管理、服务等各环节生产活动相联结与融合，建立具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术，解决人类专家才能处理的爆破问题，达到安全、环保、优质、高效的工程目的[1-4]。智能爆破发展需求体现在以下几个方面。

1)党和国家发展战略要求：党的十九届五中全会[5]提出：“2021年起，我国进入新发展阶段，新一轮科技革命和产业变革深入发展，国际力量对比深刻调整；国际形势不稳定不确定性明显增加，世界百年未有之大变局进入加速演变期；坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国，推进能源革命，加快数字化发展”。将能源革命与数字化智能化发展挂钩，表明智能化发展已上升至国家战略层面。

2)智能矿山高质量发展要求：近年来，智能矿山建设如火如荼，许多矿山企业形成了具有特色的智能矿山建设模式，引领行业的高质量发展。但矿山爆破作为智能化矿山建设的重要环节，在爆破设计、自动穿孔装药、爆破效果评价、现场监控、安全管理等智能化方面仍有进步空间。

3)安全生产和用工压力大：矿山建设在一定程度上属于高危行业，安全生产压力一直考验着技术及管理人员。而爆破环节涉及到炸药、雷管等火工品，危险性相对更大，安全和反恐一直是高悬在涉爆企业头顶的利剑；“十四五”期间，中国劳动力结构将出现数量和质量的双重变动趋势，劳动力出现负增长，人工老龄化持续加剧[6]，如图1所示。中国正处于经济结构转型、产业升级的关键时期，劳动力数量的萎缩使得原有的经济发展模式受阻，劳动密集型产业因为劳动力价格的上升而失去竞争力。智能化设备的升级替代了大量人工岗位，使得劳动密集型产业转化为资本密集型和技术密集型产业，爆破行业用工紧缺性不断加剧。只有实现少人化或无人化才能实现本质安全和可持续发展。

图1 2019～2050 年全国劳动年龄人口规模和比例变动

4)爆破行业发展要求：在当前世界经济危机不断加重、全力应对危机、调整经济结构的形势下，推动爆破技术的智能化，尤为重要。它是数字爆破和精细爆破等概念的集成与升华，爆破行业在露天矿山智能台阶爆破研究方面，开展了一系列科技攻关工作，智能爆破内涵不断完善，短板方面有所改善，涌现了一批先进爆破信息管理系统及智能化装备，将为我国爆破行业确定长期的战略目标；可为爆破技术研发单位指明发展方向；为爆破企业提供创新、转型升级和可持续发展提供主要源泉和动力；为涉及爆破行业的设备制造厂商指明技术进步和产品转型的方向和时机，能快速实现技术的跨越，引领世界采矿技术。

随着新兴信息科学技术及多学科融合发展不断加快，矿业开采也从其他领域引入了越来越多的新概念，智能矿山发展理念逐渐深入人心，涌现众多应用于矿山的智能化技术。2012年汪旭光院士提出了智能爆破理念[4]，2020年11月国内第一家“智能爆破研究中心”正式成立。在受全球疫情影响的情况下，智能化矿山场景的应用能够有效节省人力资源，体现了一定的优势[3]。目前我国露天台阶爆破信息化建设，初步完成部分业务领域的数据采集、分析等功能，但从发展进程上来看仍处于较为初级的建设阶段。因此，加速智能化矿山发展，致力于实现矿山少人甚至无人化的安全生产与高效管理，并逐步推广到矿山全生命周期中，应当引起广大从业者的重视。

智能爆破的发展成为了爆破工程领域又一项重大革新，笔者结合台阶爆破特点给定智能台阶爆破的定义，深入剖析智能台阶爆破技术在工程爆破全生命周期中的重要性，分析了智能台阶爆破技术现状和瓶颈问题，提出了解决思路，旨在紧跟智能爆破时代发展步伐，应用于爆破全生命周期中，不断丰富智能爆破生态链内涵，实现全流程的降本增效，为爆破行业的本质安全可持续发展注入新的活力。

1 智能台阶爆破的定义

从台阶爆破生产要素角度来看，智能台阶爆破的本质是将跨越二次工业革命的信息化技术与爆破施工设备与技术深度融合，通过爆破设计、布孔、凿岩、装药、连线、填塞、起爆、监测等环节的信息化和矿山机械的智能化，进而实现台阶爆破劳动生产率的大幅度提高，整体生产成本的大幅度降低。

从系统论、控制论、信息论角度来看，智能台阶爆破是致力于将物联网技术、云计算技术、系统工程技术和智能应用技术等与现代工程爆破技术紧密相结合，构成人与人、人与物、物与物相联的网络，动态详尽地描述并控制工程爆破全生命周期，以高效、安全、绿色爆破为目标，实现工程爆破的可持续发展。

智能台阶爆破是采用计算机、无人机、互联网等高新技术手段，引入系统工程、深度学习等研究思想，在台阶爆破施工的设计、施工、监管、汇报、反馈等传统工序中实现数字化、智能化，形成以人员为核心、以信息为纽带、以智能为目标的台阶爆破新概念。

2 智能台阶爆破发展现状

智能台阶爆破应遵循“数字化—自动化—智能化”的发展过程，在数字化、自动化逐步实施的基础上，采用5G、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术，推动爆破行业现有系统的优化升级，构建智能台阶爆破的基本理论、支撑平台、关键技术、基本框架及体系设计，实现爆破施工过程中状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环控制系统，解决设计、生产、管理、经营过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。

智能台阶爆破是现代爆破不可或缺的组成部分，但爆破技术的一些问题仍未解决，例如，爆破理论仍未有根本性突破、爆破过程的多元异质信息难以获取、缺乏有效的爆破环境感知技术、爆破施工精度需要进一步提高、缺乏统一的数据交互与信息处理机制。

当前，我国智能台阶爆破研究正处于初级阶段[7]，正在进行单个系统、单项技术的智能化(一个系统、一个岗位的“点上的少人”)技术研究，多个系统的智能化集成(部分系统的集成，“面上的少人”)研究仍没有实现，如何实现爆破全生命周期的智能化集成建设，如何构建智能台阶爆破总体建设框架，打造“国际一流、国内领先”的“安全、高效、绿色、可持续发展”的现代露天采矿智能台阶爆破，是摆在所有爆破从业者面前的主要任务。

2.1 台阶爆破设计

在新兴信息时代，随着数字化技术的发展，爆破对象的描述将发生根本的变化。通过计算机辅助设计技术，进行设计断面的精细剖分，可精确地设计炮孔的间排距和炮孔的装药结构。在爆破设计系统研发方面，北京矿冶研究总院、中国矿业大学、武汉科技大学、中南大学等高校、科研院所与企业强强联合开发了一大批爆破设计系统[8]，例如，台阶爆破优化系统、台阶爆破设计专家系统、基于三维激光扫描技术的台阶爆破设计软件、Dimine软件、3Dmine软件等。现场实际应用效果良好，省时省力，简单地形环境下的爆破设计准确度大幅提升。

2.2 填塞系统

在露天矿山爆破中炮孔填塞是影响爆破效果的重要因素之一，炮孔填塞物成分、性质、填塞质量、填塞长度和填塞物运动规律等对药柱爆轰波的传播、炮孔中爆生气体压力的变化、岩体中的应力波强度、爆破效果和爆破安全等都有重要的影响。从目前检索发现，研究炮孔填塞机理、填塞长度、填塞物运动规律、填塞材料性质、填塞作用对爆破效果影响学者非常多，但对填塞的自动化、数字化和智能化的研究非常少。

智能填塞系统是实现良好爆破效果的重要方面，是实现爆破智能化的必经之路。主要是由北斗自动定位系统、填塞车通讯系统、智能行走系统及智能填塞计量系统共同组成。基于北斗通讯定位技术及控制系统软件的日趋成熟，填塞车定位、通讯及行走已经实现，将逐步取代露天矿山耗时耗力的人工填塞模式。但在智能填塞计量系统方面，如何实现填塞长度的精准控制及动态调整，确保填塞合理可靠，而不是均一化填塞，仍需进一步研究。

2.3 爆区三维建模技术

爆破台阶的爆区地形及时更新与数字化处理，对爆破效果起着决定性的作用，是实现智能化的首要前提，传统的台阶爆破设计、施工是基于CAD二维地形图，过多依赖于人工处理[9]。随着无人机测绘技术、三维激光扫描、雷达探测等技术引入露天矿山领域[10]，爆区三维建模成为现实，点面体结合快速重建，地形更新速度显著加快，为智能台阶爆破系统设计奠定了基础[11]。

2.4 台阶爆破仿真技术

智能台阶爆破仿真技术是实现智能台阶爆破的必要条件。现阶段以VR(虚拟现实技术)为代表的仿真技术发展迅速，在露天矿山建模、渲染、漫游、系统开发等方面取得了一定的成绩。智能台阶爆破仿真的目的是要构建有效的全流程化的仿真系统，减少人为干预，分析不同工况条件下破碎岩石块度级配曲线、炮孔不同部位的岩块在爆堆的具体位置；优化爆破设计整体方案，得出不同工况下的最优方案。从岩石性质、炸药特性、爆破参数等不同工况条件入手，借助云计算、大数据分析技术，智能还原特定条件露天矿山台阶爆破的全过程。

2.5 钻机技术

智能钻机技术是实现智能爆破的基础，组成部分如图2所示。目前，许多钻机厂商推出了多款适用性良好的露天矿山智能化钻机设备，如山河智能SWDB系列钻机、长沙矿山研究院CS165E型潜孔钻机、阿特拉斯ROCL830型潜孔钻机等。在北斗通讯技术及控制系统的双重作用下，尤其是在5G通讯技术引入至矿山领域[12]，自动定位系统、钻机通讯系统、智能行走系统、智能推进和冲击系统、自动控制和更换钻杆系统、自动测量钻孔参数系统、自动寻孔系统等均取得了较大的突破[13-14]，智能钻机作业水平和施工效率大幅提高，矿山少人化作业模式得以实现。

图2 智能钻机成套设备技术的构成

3 智能台阶爆破建设基本框架

3.1 爆破网路系统

①按照露天采矿计划和生产调度指令，智能台阶爆破指挥中心的爆破设计终端筛选数据库中类似的地质情况进行爆破参数设计；②经过计算机爆破仿真系统计算调整，确定爆破设计参数；③钻机将通过5G无线网络接收到的穿孔数据读入钻机工控机内，钻机根据相关传感器数据自动完成设计孔深的钻孔工作，并将实际穿孔情况、岩石性质和岩石的能量情况传送给指挥中心；④爆破设计终端修改炸药参数设计，将炸药参数数据传送给装药车；⑤根据北斗定位模块和装药车自动化设备，逐孔定量化装药，并将装药情况反馈至指挥中心；⑥指挥中心将数据传给填塞车进行填塞；⑦在装药过程时，无人机始终在制高点进行实时安全管理；⑧填塞完毕后无人机起飞爆破警戒，警戒完毕通知指挥中心可以实施爆破；⑨指挥中心下达起爆指令后，无人机激活无线起爆网络，遥控起爆；⑩爆破完成后，无人机进行爆破效果检查，并将所有数据保存在智能爆破实例管理数据库中，如图3所示。

图3 智能爆破网络拓扑结构

3.2 装药系统

智能装药成套技术在爆破中可谓是重中之重[15]，炸药性能、炸药数量决定着爆破能否成功，效果是否理想，是实现智能爆破的核心，组成部分如图4所示。

图4 智能装药成套设备技术的构成

现阶段，在自动定位系统、装药车通讯系统、智能行走系统等方面研究较少。少人化甚至无人化装药还要在以下几方面突破。

1)在智能计量系统研究方面，需要大力研究采集铵油炸药重量变化的专用管道质量波动计量仪器、专用管道质量波动计量仪器的抗干扰和自平衡技术、铵油炸药混装车精确计量的数学模型和计算平台的研发工作，提高智能装药计量的准确性。

2)在炸药性质与岩石特性自动匹配系统方面，需要做到不同工况下的炸药参数与岩性参数定量化匹配，实现炸药能量的合理分配，取代以经验法为主的炸药与岩性匹配方式，确保矿山台阶爆破效果[16]。

3)在爆破网路连接无线化技术研究方面，爆破网路连接是制约智能台阶爆破的场景建设的重要因素，若台阶面敷设大量的导爆管或电线，会给机器人的行走带来不便，故需要革新现有的有线式爆破网路。矿山爆破不再采用现场手动联网，极大地降低爆破网路连接存在的安全隐患，将所有起爆网路放入至远程互联网中，检查更为方便快捷，安全性得以提高[17-18]。

4)在无线网路的远程遥控起爆技术研发方面，取代现有的接触式、短距离起爆方式，可在陆地较远处甚至空中实现无线网路的远程遥控起爆，如图5所示，降低爆破危害效应的影响，保证作业人员的安全。

图5 无线网路的远程遥控起爆场景构想

3.3 安全管理与爆破警戒系统

矿山爆破安全是实现安全管理的重要方面，电子围栏、人脸识别等安全管理技术在其他领域应用是非常成熟的，爆破现场安全管理可以引进成套系统，在炸药流通管理、炸药库管理、临时堆放场所管理等方面，搭建并不断完善安全管理系统[19]。

传统的安全警戒主要依赖人工现场巡查，但受制于露天矿山工作面分散、作业人员多，耗时耗力，可能存在监控和管理死角，因此构建智能爆破安全警戒辅助系统尤为重要，确保人员及时撤离爆破影响区域。融合无人机飞行控制技术、计算机视觉、5G通信、人工智能等技术，实现自动巡航、可视化巡检、可靠预警、驱离记录四位一体的爆破安全智慧警戒模式，主要是通过以下技术手段来实现：①使用电子围栏技术实现对外界闯进人员设备报警及外出人员设备告知；②实现无人机自动巡航辨识人员，可视化远程遥控巡航警戒；③利用无人机红外热成像仪摄像技术，开发嵌入式综合计算机系统，实现对爆破警戒范围内人员实时辨识、视频判读和广播驱离。

3.4 爆破效果评价系统

爆破效果分析主要对有无盲炮、后冲情况、爆破飞石、爆破振动、爆堆形状、爆堆块度等进行分析[20-21]，智能爆破效果评价技术是实现智能爆破的保证。

3.4.1 盲炮识别

受地质条件和炸药器材性能等因素影响，爆破后可能出现盲炮现象[22]，需要及时排查处理，而现阶段盲炮识别主要依赖于人工依靠经验现场识别，可能出现判断失误或者难以识别等问题，且人工排查安全风险大。

将有保护壳的专用盲炮检测无源RFID标签附着在炸药表面，价格低廉且操作简单方便，不会对炸药性能造成不良影响，也不会被爆破冲击波破坏，爆破后可通过发射低频脉冲波进行有效识别RFID标签，自动获取盲炮的数量及位置信息，进而解决矿山爆破后盲炮识别困难的问题。

盲炮识别系统主要解决：①有保护壳的专用盲炮检测无源RFID标签；②脉冲大功率远距离无线供能技术；③高灵敏度无源RFID标签的信号读取技术；④无人机智能扫描及重建模技术等。

3.4.2 爆堆分析

露天矿山台阶爆破后形成的爆堆，其形状、块度分布、松散性等是分析爆破效果重要方面，它不仅反映了爆破参数、装药结构的合理性，而且直接影响铲装、运输效率和经济效益[23]。现阶段在识别精度、快速识别等方面研究仍不能满足智能爆破的设想。为了实现快速真实还原爆堆信息、快速诊断和评价，建议从以下几方面不断深入研究：①研制爆堆岩块多角度二维图像数据和三维数据采集的专用块度测试仪；②无人机采集爆堆图像拼接技术和全景图像中岩块的分割提取技术；③整体爆堆块度分布的二维全景图像数据；④三维结构数据算法技术。

3.4.3 爆破飞石预报

露天台阶爆破需要严格控制飞石，防止产生飞石伤人、砸坏设备建(构)筑物等，大量专家学者在利用神经网络模型、事故树、量纲分析法、层次分析法、未确知测度理论等做了大量的研究工作，确定了影响爆破飞石事故的各项因素，并对飞石距离和危害给出了预测[24-27]。但是也同样存在实时和精度的问题。

3.4.4 爆破振动评价

露天台阶爆破中，由于单次爆破量较大，导致很强的振动效应，振动波对爆破近区的边坡产生危害效应，并对周围建筑物、人员也将产生很大损害，根据爆破现场施工情况，可以从以下方面入手：①研究爆破振动信号分解方法，结合环境振动标准及工程爆破振动标准建立振动智能评价模型；②研发爆破振动智能监测设备，提高爆破振动监测精确度；③建立爆破振动危害预警系统，准确预报因爆破振动产生的事故发生。

4 智能台阶爆破未来发展

智能爆破作为我国爆破行业新时代发展的主流方向，已得到广大爆破专家学者及从业人员的高度认可，智能台阶爆破科研攻关项目布局正在进行，爆破行业信息化、数字化、智能化发展的趋势不断延伸，逐步将在爆破不同场景下开展实践。现阶段矿山领域，控制爆破及精细爆破发展较为成熟，数字爆破处在研究中期阶段，而智能爆破发展仍处于探索阶段，也面临着一些技术瓶颈需要克服，需要爆破界同仁的长期不懈努力。为了加快智能爆破的发展速度，建议可从以下几个方面开展相关工作。

1)加大宣传力度，使智能爆破理念深入矿山行业、爆破行业管理人员和专业技术人员内心。2021—2022年，在中国爆破行业协会旗下组建全国智能爆破技术研究中心，汇聚高校、企业、科研机构各方资源，践行产学研用一体化模式；确立智能爆破研究框架，组织人力、聚集财力，梳理编制重点科研攻关项目名录并组织技术攻关。

2)2023～2025年，建立智能爆破技术标准体系和验收标准体系。实现爆破施工的各工序数字化，为最终实现智能爆破奠定基础。

3)2026～2028年，建成2个智能化示范爆破场景，初步形成爆破器材、爆破设计、穿孔装药、爆破警戒、爆破效果分析等主要环节的数字化传输、智能化决策、自动化运行，实现部分系统、部分岗位的无人值守及远程监控。

4)2029～2030年，全面建成以智能爆破为支撑的爆破工业体系，构建爆破及上下游多产业链、多系统集成的智能化系统，全面突破爆破智能化核心关键技术，实现爆破全过程的智能决策和自动化运行，主要作业岗位基本实现机器人智能运转。