理论与实践:露天矿松动爆破设计系统的开发与应用

      近年来，为了改变传统的爆破设计方式，提高爆破设计的科学性，国内外已研制开发了一些爆破设计软件系统．但由于软件成熟程度等各种原因，并没有在国内露天矿得到推广应用。如何提高爆破设计系统的实用性，使之能够适应露天矿复杂的地质资源条件，并能够帮助改善爆破效果是一个亟待解决的问题。

本文研究开发了露天矿松动爆破设计系统，系统从底层开发，具有三维可视化图形管理平台及地质地形信息管理系统。系统为全中文操作界面，设计流程更符合国内技术人员的操作习惯，设计结果更加准确，并能够自动输出爆破设计文档。系统已在露天煤矿得到推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

1  系统开发关键技术

1.1  数据库开发技术

    为了使数据库直观、简单，便于用户了解，易于使用非过程的数据请求，容易实现友好的用户界面，系统采取了关系型数据模型建立了系统数据库。系统数据库包括图形信息库、地质信息库、设计信息库、效果模拟信息库、结果输出信息库5个子数据库。5个子数据库包括30多个数据表，主要系统数据表及功能详见表1。

    本系统数据库和应用程序的接口采用微软ADO (ActiveX Data Object)技术，其对象模型更为简单，操作更为方便，通过程序语言及ADOX (ADO Extensions for DDL and Security)技术可以创建数据库／表，实现数据库系统更多功能。

1.2  三维显示技术

    三维显示技术本质是图形变换技术，是对组成图形的点集坐标的变换技术。论文研究了适宜露天矿使用的三维图形技术，从底层开发了三维图形管理平台，能够实现基本图形实体的三维空间编辑、爆破设计专用标识的编辑等功能。

1.3露天矿爆破技术

    露天矿爆破技术主要包括爆破方法的确定、爆破器材及炸药的选择、爆破参数的优化、爆破效果预测及爆破安全控制等技术。露天矿松动爆破设计系统的开发必须以爆破理论技术为基础。

2松动爆破设计系统开发

2.1  露天矿松动爆破设计流程

    露天矿松动爆破设计流程一般是根据露天矿采剥工程发展及生产设计，首先在待爆破区划定爆破区域，根据工程位置及露天矿降深等要求，确定台阶高度。然后根据地质勘探资料及现场调查确定爆破区域的地质条件。根据爆破区域的地质条件、岩石性质、爆破理论以及现场爆破经验确定起爆顺序、起爆网络、布孔方式、装药结构等参数。最后形成起爆网络图，编制爆破设计报告。爆破设计流程图如图1所示。

2.2  系统总体结构

    根据露天矿松动爆破设计流程，将系统划分为地质信息管理系统、爆区空间信息处理系统、火工品信息管理系统、爆破智能设计系统、设计结果自动输出系统等5个子系统。系统的体系结构如图2所示。

    其中，地质信息管理系统可以建立完整的地质信息数据库，编录、查看、输出矿山的地质信息，可以对任意点进行数据插值，绘制任意方向的地质剖面图；爆区空间信息处理系统主要可以实现爆破区域测点坐标录入、区域内点坐标插值处理以及自由面信息的录入和处理；火工品信息管理系统能够录入、编辑、统计炸药、起爆器材和传爆器材等信息；爆破智能设计系统以台阶松动爆破设计为核心，能够实现布孔、装药、连线、结果输出等智能设计，并以不断完善的标准设计数据库为基础，实现爆破智能设计；设计结果自动输出系统可以对爆

破设计进行分析计算，将结果以图形文件及数据表格的形式保存，并能够自动生成符合用户要求的施工设计文档。

2.3  系统总体数据流程

    通过对露天矿现行设计工作程序进行深入的分析，提出了规范化的设计流程，定义了各项工作的进行步骤和相互间联系，分析导出整个系统的数据流程图，如图3所示。

2. 4  系统特色

    (l)地质信息可视化。系统通过地质钻孔数据入库模块、地质数据访问模块、地质信息插值模块、地质信息显示模块4个模块实现了地质信息可视化。通过系统可以查看钻孔位置的地质信息，在爆破区域设计环节，可以自动分析该区域内地质信息情况并直观显示，为区域内岩体可爆性评价、爆破效果反馈等提供基础。

    (2)爆破设计模板化。系统可以实现布孔、装药、连线、火工品、连线延时设置等环节以及爆破设计全过程的模板生成及管理，大大减少重复性工作，提高劳动效率，并以此实现爆破设计过程的简约化、高效化。

    (3)爆破设计智能化。系统以模板生成及管理为基础，可以实现爆破参数智能设计、爆区智能连线设计、爆区智能布孔设计、前排孔智能调整、交叉孔深度智能调整、爆破延时智能调整等功能，实现爆破设计的智能化。

    (4)爆破设计精确化与规范化。系统可以根据规范制度及矿山要求自动输出规范的设计文档，从而大大减轻设计人员的劳动强度，提高设计的精确度和规范化。

3  工程应用

    以南泥湖矿山公司露天矿东采区1390水平中部的岩石爆破为例，该爆破区域岩石以砂质泥岩、粗砂岩为主，岩层倾角平缓，岩石普氏系数为3.0～4.0，容重2100～2400 kg/m3，岩体裂隙较为发育，并存在风化现象，岩体的可爆性属于中爆和易爆。爆区内未见有较大的构造含水带，也没有较大的地表水体，爆区水文地质条件简单。矿区爆破采用深孔爆破，岩石爆破后采用单斗卡车间断工艺剥离，受设备线性尺寸等影响，矿山台阶高度15 m、钻孔孔径90 mm。

    在东采区1390水平中部选择条件相同的2个区域，每个区域宽40 m．长200 m，利用开发的松动爆破设计系统(KS)与国外Shotplus (SP)软件分别对其中一个区域进行爆破设计，并实施爆破。先后进行了4次对比设计，4次爆破设计的孔网参数和爆破效果见表2。

    与Shotplus设计思路不同，本文软件根据设计人员输入的爆破区域坐标、坡面数据绘出爆破区域，根据矿区的地质信息数据库计算本次爆破区域的岩体可爆性、炸药单耗，并根据设计参数库及爆破经验库优选出爆破参数。由于爆破设计结合了爆区的岩体力学性质及矿山爆破经验，设计的参数更为合理。如表2中，第1次爆破Shotpus软件设计的排距为3.0 m，孔距为4.0 m，孔距偏小，导致炸药单耗为0. 46 kg/m3而偏大，最终爆破后爆破块度不均匀，爆堆分散，不利于采装。而相同情况下，本文软件设计的孔距为4.4 m，使炸药单耗降低至0. 42kg/m3，按炸药5000元／t计算，仅炸药成本即可节约2.4万元，且爆破后岩石块度均匀，爆堆较为集中，提高了单斗挖掘机的挖掘效率。

    4次对比设计显示，与Shotplus软件相比，采用本文软件进行松动爆破设计，相同情况下可以降低炸药单耗o．02～0.04  kg/m3，使爆破块度更为均匀，避免岩石过度粉碎及爆破块度不均匀的现象。且现场应用表明，采用本文软件进行松动爆破设计，一般从设计到结果输出不超过25 min，而Shotplus软件一般需要约40 min。因此本文软件设计结果更为可靠，设计效率更高。

    此外，本文软件设计的装药结构如图4所示。由图4可以看出，东采区1390水平中部的岩石台阶上部为砂质泥岩，下部为粗砂岩，根据孔口高程1081. 65 m及岩层分界位置高程1070. 83 m，可以确定砂质泥岩厚度10. 82 m，15 m的台阶高度内粗砂岩厚度4. 18 m。本文软件设计的首排孔边缘距离4. 96 m，炮孔长度17 m，其中，超深2m，填充6m，装药长度11 m。

    尽管设计结果与Shotplus软件相同，但本文软件输出的装药结构图给出了炮孔附近的岩层信息，标明了炮孔深度、装药高度等数据，便于现场技术人员根据图纸快速施工。从孔口向下标明了0、5、10、15的刻度，钻机司机可以容易看出炮孔的钻孔深度；装药人员可以看出炸药与填充物分界线位置刻度为6，只需站在孔口下放米尺6m至孔底时停止装药，较为直观便捷。

4结论

    (1)露天矿松动爆破设计系统是在传统爆破技术和现代信息技术发展之下应运而生的一项综合技术。系统涉及的关键技术主要包括数据库开发技术、三维显示技术、露天矿爆破技术等。

(2)开发的松动爆破设计系统已在露天煤矿得到了推广应用，效果较好。实践证明利用系统进行爆破设计，能够提高松动爆破设计质量，改善爆破效果，大幅提高露天矿的爆破设计效率和管理水平，降低设计人员的劳动强度，降低爆破成本。

5摘  要 

 为了实现松动爆破设计的可视化、智能化、科学化，利用数据库开发技术、三维显示技术、露天矿山爆破技术等关键技术，研究开发了松动爆破设计系统。系统可实现三维可视化图形管理、地质信息的智能管理、松动爆破智能设计、设计结果输出等功能。应用效果表明系统完全可以满足露天矿生产的要求，可以大幅提高爆破设计效率，改善爆破效果，降低爆破成本。