面向复杂孔网参数的露天矿爆破设计软件研发及应用

2022-11-22董文明谭期仁

中国矿业 2022年11期

董文明，谭期仁

(1.中广核铀业发展有限公司，北京 100029；2.长沙迪迈数码科技股份有限公司，湖南长沙 410083)

爆破是露天矿开采最重要的工艺环节之一，随着爆破机理研究的不断深入和信息技术的发展，矿山爆破逐渐向精细化转变[1]。精细化爆破主要包括定量设计、精心施工和精细管理[2]，定量设计是基础，布孔设计的参数合理与否以及设计精度直接影响爆破施工的质量，进而影响后续铲装运环节的生产效率与成本[3-4]。

布孔设计首先是确定孔网参数，通常会考虑爆区形状、规模、地形特点、矿岩分布、台阶高度、地下水分布状况等因素[5]，然后根据孔网参数利用工具软件将炮孔布置在爆区范围线内。近年来，国内学者从确定最优的孔网参数、智能化爆破设计软件等方面进行了大量的研究。李明[6]针对爆破大块、沿墙、根底现象多发等问题，通过BP神经网络运算得出最佳孔网参数，爆破效果明显提高。高朋[7]针对爆破效果不理想的问题，从装药量、孔网参数等方面进行优化，取得了较好的爆破效果，提高了生产效率。在智能化爆破设计软件方面，矿山企业和科研院所研发了一大批服务于矿山爆破的软件，如露天矿爆破设计与管理系统[8]、炮区管理系统[9]、露天爆破智能设计系统[10]、露天台阶爆破智能化设计软件[11]、露天爆破统计分析系统[12]。

上述软件都包含了布孔设计，根据设置的孔网参数实现了布孔的自动化，提升了布孔的精度，均取得了不错的效果。针对某些特殊场景，上述系统还存在优化的空间，如斜坡道布孔设计，每一排的炮孔深度不同，孔网参数也不尽相同，目前已有的软件难以实现自动化布孔。此外，在实际采矿生产中，由于爆破作用会造成下部台阶顶部岩石破碎，为了避免台阶底部出现根底，炮孔一般都会设置超深。然而，在布置炮孔时，通常没有考虑上部台阶超深对本台阶炮孔位置的影响，或虽考虑了超深的位置，但仍需要在布孔完成后手动去修改炮孔的位置，费时费力。基于上述分析，本文设计研发了面向复杂孔网参数的露天矿爆破设计软件，实现了各种复杂孔网参数下的自动布孔，同时考虑了上部台阶炮孔超深位置的影响，提高了布孔设计与施工现场的匹配度，为后续精细化爆破奠定了基础。

1 爆破设计软件系统

通过对露天矿爆破设计业务进行系统的分析和功能设计后，在DIMINE数字采矿软件平台上采用C++语言开发了爆破设计软件系统，该系统为C/S架构，后台数据库为PostgreSQL，支持在三维环境下进行布孔、装药、连线以及起爆顺序模拟。软件功能模块如图1所示。炮孔数据库是指以数据库的方式存储炮孔，矿山所有区块炮孔都存储在该数据库中，从而实现对炮孔数据的有效管理；布孔基本参数包括孔口、孔底标高、爆区名称、炮孔孔径、倾角、方位角、布孔方式以及安全缓冲距离；自动布孔是在布孔基本参数和孔网参数的基础上，选定区块边界后实现炮孔自动布置；孔位自动调整是在布孔结束后，对部分需要调整位置的炮孔进行自动调整；装药设计是通过模板化的定义装药参数与装药结构，实现快速装药设计；起爆网络是以自动或手动的方式完成起爆网络的连线；模拟分析包括起爆顺序模拟、等时线分析、抛掷方向分析、起爆时间分析；结果输出是将炮孔设计、装药设计、连线等成果输出为文本文件或保存到数据库。本文重点介绍布孔基本参数、自动布孔设计和孔位自动调整功能。

图1 爆破设计软件功能模块Fig.1 Function module of blasting design software

1.1 布孔基本参数

布孔基本参数包括孔口设计标高、孔底设计标高、爆区名称、钻孔参数、布孔方式、安全缓冲距离等，参数设置界面如图2所示。孔口设计标高除支持按固定标高值设置外，还可以指定三维表面模型文件作为孔口标高，当选用该方式时，孔口的标高随实测的地形而变化；孔底设计标高支持四种方式，分别为固定标高值、炮孔深度、三维表面文件以及坡度，其中，坡度适用于斜坡道区块布孔，软件根据坡度自动计算每排炮孔的深度；布孔方式支持方形布孔和梅花形布孔两种方式；由于炮孔不能布置在坡顶线上，因此，在首排炮孔和坡顶线之间需要设置安全距离。此外，为了控制爆破在指定区域内，在左侧、右侧和后侧分别设置缓冲距离。

图2 布孔基本参数Fig.2 Basic parameters of hole layout

1.2 自动布孔设计

在进行自动布孔设计时，首先设置孔网参数，每一排都支持设置不同的孔间距、排间距、超深，如图3所示。然后确定布孔方向及第一排炮孔的约束边界，如图4所示，将布孔范围划分成四个部分，箭头方向为布孔方向，前排线为首排炮孔布置的参考线，微调四边形可以将区块边界中的任一线段定义为前排线，右键完成自动布孔。自动布孔的原则除了要满足安全缓冲距离的约束，炮孔还要沿前排线进行布置。

图3 自动布孔孔网参数Fig.3 Automatic hole layout parameters

图4 炮孔约束边界及布孔方向Fig.4 Blast-hole constraint boundary and hole layout direction

1.3 孔位自动调整

在布置炮孔的过程中，由于没有考虑上部台阶超深对本台阶炮孔位置的影响，导致部分设计炮孔落在上部台阶超深位置的影响范围内，需要调整设计炮孔位置。调整过程为：以上部已采台阶的实测炮孔孔口坐标为圆心，以穿孔影响范围为半径画圆，如果当前台阶的炮孔落在圆内，则表示该炮孔受上部台阶炮孔的影响，需要调整到圆上，调整方向为沿炮孔连线方向。炮孔自动调整完成后，考虑到某些炮孔间距离发生了变化，若同一条线上的两个炮孔距离大于某一个值，还支持自动添加炮孔，参数设置界面如图5所示。

图5 孔位自动调整参数Fig.5 Automatic hole position adjustment parameters

2 应用实例

2.1 工程概况

湖山铀矿位于纳米比亚西部的纳米布沙漠地区，设计年采矿1 500万t、剥离超过1亿t，是世界上最大的露天铀矿山[13]。矿山主要岩性为花岗岩和钙质硅酸盐岩，近地表为砂岩、钙质结砾岩[14]，矿石台阶高7.5 m，炮孔直径主要为165 mm；废石剥离台阶高15 m，炮孔直径为251 mm或311 mm[15]。单个矿石爆区产量约40万t，废石爆区产量约80万t。炮孔孔内使用500 ms导爆管雷管，孔间使用42 ms导爆管雷管，排间使用75 ms导爆管雷管或65 ms导爆管雷管。爆破设计由矿山测量团队和第三方爆破工程公司合作完成，其中，矿山负责布孔设计，炮孔装药、填塞、连线、起爆由第三方承包商负责。

根据爆破区块所处的位置，矿山将其分为生产区块、边坡区块和斜坡道区块，如图6所示。由图6可知，2B23D001区块为斜坡道区块，位于上部台阶和本台阶的连接处；2B23D002区块、2B23D003区块、2B23D004区块、2B23D009区块和2B23D012区块为边坡区块，靠近上部台阶；其余区块为生产区块，位于台阶中部，生产区块和边坡区块的主要区别在于孔网参数不同。目前，矿山布孔设计使用的软件是Microstation及插件Jador，由于该软件不是专业的布孔爆破设计软件，且布孔设计比较复杂，同一区块的孔网参数不尽相同，尤其是斜坡道区块更为复杂，在设计时需要单独对每个炮孔进行设计，工作量极大，且难以保证设计结果的准确性。本文以斜坡道区块为例简述爆破设计软件在湖山铀矿的应用。

图6 湖山铀矿2号坑23台阶区块分布Fig.6 Block distribution of bench 23 of pit 2 in Husab Uranium Mine

2.2 斜坡道区块爆破设计

斜坡道是连接上一台阶到下一台阶的倾斜道路，在布孔设计时，由于斜坡道有一定的坡度，在沿斜坡道方向炮孔深度也随之变化。这里选取图6中的2B23D001区块，该区块联通22台阶和23台阶，台阶高度7.5 m，坡度10%，炮孔直径为165 mm，倾角为90°，前排、左侧、右侧以及后侧缓冲距离0.5 m，台阶孔口标高为407.5 m，布孔方式采用方形布孔，孔距、排距及超深参数见表1。

表1 炮孔孔网参数Table 1 Blast-hole pattern parameters

在爆破设计软件中输入上述参数，一键生成初始布孔设计结果，如图7(a)所示，在此基础上，考虑上部台阶炮孔超深对本台阶炮孔的影响，对处在上部台阶炮孔影响范围内的炮孔进行调整。根据矿山已有的规则，直径为165 mm的炮孔影响范围为1.5 m，调整后的布孔设计如图7(b)所示，图中，以×标记为上部台阶炮孔的坐标点，以此为圆心，1.5 m为半径画圆，标记为○，设计的炮孔落在圆内需要调整，图中只显示需要调整的圆。布孔设计三维空间视图如图8所示。