露天礦臺階爆破優化設計軟件系統

劉 軍 王 鵬 趙明生 余紅兵

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098;2.河海大學安全與防災工程研究所,江蘇 南京 210098;3.保利新聯爆破工程集團有限公司,貴州 貴陽 550002)

目前,全世界約三分之二的固體礦物是通過露天開采方式獲得的[1],露天礦山開采的首個環節是臺階爆破,臺階爆破的效果對后續采裝、運輸效率有直接影響。由于礦山地質條件的復雜性、臺階面幾何形狀的不規則性、臺階巖體的非均質不連續性,使得臺階爆破生產中面臨著以下突出問題:①設計能力不足,爆破設計主要依賴技術人員的經驗和工程類比,具有一定的盲目性[2];② 難以達到預期爆破效果,大塊率高、臺階不規整、后沖后裂范圍大;③爆破安全問題突出,爆破飛石危害嚴重,傷亡事故頻發,爆破振動強烈,房屋震裂,經濟損失嚴重。

為提高露天臺階爆破設計的科學性、規范性和便捷性,爆破設計方式正逐漸從人工經驗設計向數字化和智能化設計發展[3]。趙明生等[4]開發了露天臺階爆破智能化設計軟件,實現臺階爆破布孔設計、起爆順序自動確定、爆破效果評價等功能。李澤華等[5]基于VC++平臺中MFC 開發框架,結合OpenGL 開發相關圖形引擎,實現了炮孔自動布置,網路自動連接和藥量優化等功能。澳大利亞澳瑞凱公司開發的Shotplus 軟件,實現了布孔、微差時間計算和起爆網絡連接的自動化,并且具有拋擲效果預測分析功能[6]。任占營[7]開發的爆破設計系統搭建了露天礦專用三維圖形處理平臺,構建了拋擲爆破爆堆預測模型,并且實現地質地形數據管理,支撐了軟件中臺階深孔爆破智能設計系統對地質數據的需求,但在臺階深孔爆破智能設計功能中缺乏對不規則區域布孔的合理解決方案。

綜合考慮目前露天礦爆破設計系統的開發現狀:從國外引進的爆破設計軟件能夠一定程度提高爆破設計的效率、優化爆破參數,但由于國內外礦山管理體制的不同,導致這些軟件系統在國內的適用性較差。近些年國內的礦山研究院與高校合作開發的爆破設計軟件取得了長足進步,針對性地解決了許多礦山的個性化需求,但軟件的智能性還有待提高。目前現有的爆破設計軟件能夠完成自動布孔,但對邊界復雜的不規則區域難以實現自適應布孔;能夠完成爆破設計,但后續爆破參數優化依賴人工經驗?；谏鲜龇治?本研究以爆破方案優化設計為目標,實現臺階面自適應炮孔布置、起爆順序自動確定,同時,對爆破方案的振動效應進行預測分析,減少爆破振動有害效應。爆破完成后,通過爆堆塊度分布模塊分析爆堆中巖石的尺寸分布。最后,綜合各項因素評價爆破效果,為后續爆破設計提供指導。

1 軟件開發

1.1 軟件開發平臺及工具

軟件基于Visual Studio 2008.net(Visual C++9.0)MFC 平臺采用C++語言開發,充分利用高效的STL 資源、MathMagic 數學函數庫與OpenGL 圖形庫等軟件開發資源。

1.2 軟件結構

軟件包含4 個模塊,分別為臺階爆破優化設計模塊、爆破預測振動分析模塊、爆堆塊度統計分析模塊和爆破效果綜合評價模塊。

臺階爆破優化設計模塊:讀入爆區地形地質資料和爆破參數,運用Delaunay 三角網格迭代算法實現孔網的最優化布置,再運用Voronoi 網格技術確定起爆順序,最終輸出每個炮孔的坐標、裝藥結構和起爆順序等詳細參數。

爆破振動預測分析模塊:根據爆破設計方案,運用薩道夫斯基預測方法和修正的Anderson 模型與Volterra 泛函級數理論預測指定測點位置的爆破振動效應。

爆堆塊度統計分析模塊:采用圖像閾值化分割技術,分析爆堆中巖塊的尺寸分布,為評價爆破效果提供依據。

爆破效果綜合評價模塊:建立描述爆破效果的指標體系,包括安全可靠指標、技術合理指標和經濟效益指標三大類。根據線性優化理論,建立不同指標的隸屬度,采用加權的方法,綜合評價爆破效果。

通過對露天礦臺階爆破設計流程進行深入分析,提出了規范化的設計流程,定義了各模塊之間的操作步驟與聯系。軟件的總體流程如圖1 所示。

圖1 軟件總體流程Fig.1 General flow of software

2 功能模塊

2.1 臺階爆破優化設計

2.1.1 自由面識別

在臺階爆破中,自由面的數量和面積對爆破效果影響很大。為了后續按排布孔和按輪廓布孔算法的科學性,在臺階爆破優化設計模塊中,軟件將對初始臺階輪廓線進行預判別:在輸入爆區輪廓線后,調用軟件自由面識別函數,當坡頂線中2 條線段的夾角大于70°時,并且2 條線段的長度大于1 倍孔距時,認為存在2 個自由面,如圖2 所示。

圖2 2 個自由面的爆區輪廓Fig.2 Explosive zone profile of two free surfaces

2.1.2 布孔算法

軟件設計了按排布孔和按爆區輪廓布孔2 種布孔算法。當臺階具有1 個自由面,并且自由面相對平整時,可以采用按排布孔或按爆區輪廓布孔;當臺階具有多個自由面時,使用按排布孔算法將會出現缺漏等不合理現象,軟件將默認采用按爆區輪廓布孔算法進行布孔。

(1)按排布孔。按排布孔算法是將臺階坡頂線按排距向爆區內部后推,得到布置炮孔的輪廓線(其中首排輪廓線按前排抵抗線后推),然后,以孔距為間隔,在布孔輪廓線上依次布孔,如圖3 所示。

圖3 按排布孔Fig.3 Lay out holes row by row

(2)按爆區輪廓布孔。按爆區輪廓布孔算法區別于按排布孔,需要爆區的坡頂線、坡底線和無窮邊界。首先,將臺階自由面按前排抵抗線向爆區內部后推,得到首排布孔輪廓線;然后,將爆區的無窮邊界按排距的一半向爆區內部前推,所包含的區域即為臺階布孔區域,在布孔區域內,根據按排布孔的方式,將首排布孔輪廓線逐排后推生成初始炮孔位置如圖4 所示。在上述過程中,由于布孔區域已經確定,逐排后推的過程中必然會出現多邊形輪廓交叉的現象,產生冗余點,軟件中根據凸包算法[8],將后排輪廓線中的冗余點剔除,如圖5 所示。

圖4 按爆區輪廓布孔區域Fig.4 Layout area of boreholes by the outline of blasting zone

圖5 冗余點去除Fig.5 Removal of redundant points

當初始炮孔位置生成后,炮孔位置并非最優。此時,運用Delaunay 三角網格技術,將每個初始炮孔視為Delaunay 三角網格角點,通過迭代計算,逐步調整角點間的距離,使得各個炮孔的間距逐漸接近,從而保證炮孔所負擔的爆破范圍最優,迭代調整前后對比如圖6、圖7 所示。

圖6 迭代調整前Fig.6 Before iteration adjustment

圖7 迭代調整后Fig.7 After iteration adjustment

2.1.3 裝藥量確定

在炮孔位置確定后,可以計算生成Voronoi 網格圖,每個Voronoi 單元都包含1 個炮孔,Voronoi 單元內的介質即是該炮孔所承擔的破壞區域,如圖8 所示。因此,可以使用體積公式計算炮孔的炸藥質量,即炮孔周圍的Voronoi 單元面積、臺階高度和炸藥單耗的乘積。

圖8 Voronoi 網格Fig.8 Voronoi grid

由于靠近臨空面的首排炮孔的Voronoi 單元的頂部與底部面積不相同,因此采用面積平均值計算體積:

式中,Si為Voronoi 單元頂部面積和底部面積的平均值;St為Voronoi 單元頂部面積;Sb為Voronoi 單元底部面積。

單個炮孔的裝藥量可確定為

式中,Qi為炮孔裝藥量;ρr為巖石密度;H為臺階高度;q為炸藥單耗。

考慮到在現場坡底線測量時,由于前一次爆破的巖石塊堆積在坡底,使得測量出的坡底線相較于實際的坡底線更靠前,此時若采用式(2)計算,首排炮孔Voronoi 單元的面積則會明顯偏大,對首排炮孔的裝藥量修正:

式中,為修正后的炮孔裝藥量;hi為炮孔深度;bi為炮孔的最小抵抗線。

2.1.4 起爆順序確定

(1)排間毫秒延期起爆。排間毫秒延期爆破是炮孔逐排延期起爆,同一排炮孔的起爆時間相同。起爆順序為從臨近崖頭的首排炮孔向臨近爆區分界線的最后一排炮孔逐排起爆,根據輸入的排間延期時間,繪制出起爆網絡連線。

(2)逐孔起爆。逐孔起爆是炮孔逐個延期起爆,采用Voronoi 方法來確定起爆順序,其基本原理是由于2 個相鄰的Voronoi 單元共享1 個公共邊,因此當其中一個Voronoi 單元消失后,另一個Voronoi 單元將會獲得1 個自由面。根據該原理,當1 個炮孔起爆后,可以認為其所在的Voronoi 單元已經破碎消失,如果1 個炮孔的自由面數量達到或超過2 個,即表示它的2 個相鄰炮孔已經起爆,該炮孔就可以在下一個延期時間起爆,如圖9、圖10 所示。通過在每個延期時間步檢查剩余炮孔的自由面數量就可以確定起爆順序,如圖11 所示。

圖9 基于Voronoi 網格的炮孔破壞區域Fig.9 Hole destruction area based Voronoi grid

圖10 第1 個炮孔起爆后的形狀Fig.10 Shape of bench after the first hole detonation

圖11 基于Voronoi 網格的炮孔起爆順序Fig.11 Hole detonation sequence based Voronoi grid

2.2 爆破振動預測分析

臺階爆破的過程中不可避免地會產生爆破振動效應,這種振動效應會對礦山周邊的建筑物和構筑物造成破壞,導致經濟損失和財產糾紛。提前預測爆破振動效應,優化爆破參數可以有效規避這種有害效應,因此預測評估爆破振動效應具有十分重要的意義?！禛B 6722—2014 爆破安全規程》以各頻率范圍的質點峰值振速為安全判據和允許標準。

2.2.1 薩道夫公式預測方法

軟件將薩道夫斯基公式列為第一種爆破振動預測方法:

式中,K為場地系數;α為衰減系數;Q為同段最大裝藥量;R為測點到爆破位置的距離。

根據相應的安全規范,設計“薩道夫斯基公式預測”功能模塊。在該模塊對話框中輸入薩道夫斯基公式相應參數后,點擊“預測PPV 值計算”按鈕,便可得到預測點的峰值振速,如圖12 所示。

圖12 薩道夫斯基公式預測對話框Fig.12 Sadovsky formula prediction dialog

2.2.2 完整振動波形預測方法

完整振動波形預測方法是根據臺階爆破的特點,采用基于臺階爆破的振動比例系數修正的Anderson模型與Volterra 泛函級數臺階爆破振動效應非線性預測理論預測指定測點位置的振動波形,操作界面如圖13 所示。

圖13 完整振動波形預測對話框Fig.13 Dialog of complete vibration waveform prediction

Anderson 模型以實測單孔波形為基礎,假設單孔波形在指定位置能夠復現,且每個炮孔爆破后產生的振動具有相同的時間源函數[9],具體表示如下。

式中,υ為群孔疊加波形;υs為實測單孔波形的時間源函數;ai為第i段爆破震動效應系數;δ(t-ti)為狄拉克函數,表示第i段的脈沖。

為簡化計算,Anderson 近似地將各段的藥量與實測單段爆破波形的比值定義為爆破震動效應系數,即

式中,ai為第i段的地震效應系數;Q0為用于預測該次爆破的單段爆破波形所對應的藥量;Qi為第i段藥量(在觸地震動效應預測中,為第i個塊體的勢能)。

為了反映在土巖介質的非線性特征[10-11],研究中將式(6)修正為

式中,k和β為反映不同介質力學性能的參數,可根據簡單震源(不同炸藥量或不同沖擊能量)的現場震動測試波形記錄的統計分析確定。

2.3 爆堆塊度統計分析

爆堆塊度統計分析模塊是采用圖像閾值化分割的方法來計算現場照片中巖塊的面積分布。圖像閾值化分割是常用的圖像處理方法,其基本原理是通過設定一個閾值T,用T將圖像的數據分成大于T的像素群和小于T的像素群,所有灰度大于或等于閾值的像素被判定屬于巖塊,其灰度值表示為255,其余像素點將被判定為其他物體,灰度值設置為0[12-14]。軟件中采用自適應閾值化方法,識別巖塊基本輪廓,然后根據現場豎立的參照物大小,確定巖塊的具體尺寸,最終生成爆堆的塊度分布曲線和柱狀圖。

該模塊的使用需要在現場爆堆中樹立一個高度已知的標尺(一般為1.2 m 或1.4 m),將標尺與爆堆拍攝在同一張照片中。首先將爆堆圖像導入軟件中,點選“標尺編輯”功能,輸入標尺高度并在圖片中選取出標尺,再在圖片中圈取爆堆范圍,完成爆堆塊度提取,最后利用閾值分割的圖像處理法對爆堆的塊度進行分析,將分析結果輸出為塊堆分布柱狀圖和塊堆分布級配圖。模塊界面如圖14 所示。

圖14 爆堆塊度統計分析對話框Fig.14 Dialog of exploding pile block size analysis

2.4 爆破效果綜合評價

臺階爆破生產需要綜合考慮生產成本和生產安全,因此,在每一次爆破后對爆破效果進行評價非常重要,評價結果可對后續爆破生產優化提供指導。目前露天礦臺階爆破效果的定量評價體系主要包括以下內容:①巖石的破碎塊度符合要求,基本無不合格大塊,無殘留根底,爆堆拋擲的距離適中,便于鏟裝;② 控制延米爆破量和炸藥單耗,在保證巖石破碎效果的前提下,盡可能控制鉆孔、裝藥等成本;③爆破施工的振動效應、飛石距離以及對環境的有害效應均必須符合爆破安全規程的相關規定。

基于上述爆破效果評價體系,軟件擬從安全可靠性、技術合理性、經濟效益三個方面對爆破效果進行評價。在實際評判中將安全可靠性、技術合理性和經濟效益作為約束條件,通過賦予各個單項不同的權重來標定其重要程度。約束條件和目標函數采用語言變量來描述,根據現場施工經驗,對現場采集的數據和軟件計算得到的鉆孔數量、裝藥量、振動效應、大塊率等數據的優劣加以評判,轉化為相應的隸屬度[15-16]。

用凸模糊規劃原理來計算每個試驗的評判值[17-18]。表達式為

式中,AT、AR、Mf分別表示安全可靠、技術合理性和經濟效益的綜合評判;bj、aj分別是子項目隸屬度和權數(安全可靠性的子項目為爆破飛石、振動效應、爆破粉塵、爆破噪聲;技術合理性的子項目為大塊率、爆破根底、前沖距離、施工難度;經濟效益的子項目為炸藥單耗、延米爆破量、火工品成本、輔助器材成本)。

根據模糊評判有:

式中,BNi表示第i個試驗號的總評判;α、β、γ分別表示安全可靠性、技術合理性和經濟效益的權數。當BNi有最小值時所對應的參數就是最佳爆破方案。

爆破效果綜合評價模塊的評估結果如圖15所示。

圖15 爆破效果綜合評價對話框Fig.15 Dialog of comprehensive evaluation for blasting effect

3 工程應用

軟件依托別斯庫都克露天煤礦進行工程應用與評價。別斯庫都克煤礦海拔為1 269～1 339 m,最大開采深度約250 m。別斯庫都克露天煤礦礦區內巖體的節理裂隙極為發育,地質條件對爆破施工非常不利,因此臺階爆破后大塊率、根底殘留始終不理想,炸藥單耗居高不下。別斯庫都克煤礦的起爆方式為排間毫秒微差爆破,炸藥主要為混裝銨油和混裝乳化炸藥,采用數碼電子雷管起爆。

3.1 設計過程

使用RTK 測量設備對臺階面坡頂線、坡底線、爆區分界線上重要坐標點進行測量,得到爆區輪廓線數據如表1 所示。

表1 爆區輪廓坐標Table 1 Blast zone contour coordinates

將爆區輪廓錄入軟件,并依次選取“排間毫秒延期爆破”、“按爆區輪廓布孔”,輸入孔距4 m 和排距2.5 m 后,自適應布置炮孔如圖16 所示。

圖16 炮孔自適應布置Fig.16 Adaptive arrangement of holes

起爆網絡連線如圖17 所示。

圖17 起爆網絡連線Fig.17 Connection of detonation network

炮孔詳細參數列表如圖18 所示。

圖18 炮孔詳細參數列表Fig.18 List of detailed parameters of holes

3.2 設計結果對比

(1)鉆孔數和炸藥單耗對比。為了對比和評價軟件設計結果與經驗布孔的鉆孔數和炸藥單耗的實際區別,軟件設計完成后,在該臺階面上首先由別斯庫都克煤礦技術人員按礦區經驗孔網參數進行布孔,再按照軟件設計結果布孔、鉆孔并裝藥,設計結果對比如表2 所示。

表2 軟件設計與經驗設計對比Table 2 Comparison between software design and experience design

(2)爆破效果對比。為對比爆破效果,保證對比實驗爆區的巖石性質、節理裂隙與實驗爆區相近,選取了一塊與實驗爆區處于相同水平高度且相距僅40 m 的臺階面。在該臺階面上由技術人員按經驗布孔方式布孔、裝藥、起爆。實驗如圖19(a)所示,對比實驗爆堆如圖19(b)所示。

圖19 爆破效果對比Fig.19 Comparison of blasting effect

將兩組爆堆的現場照片輸入軟件的爆堆塊度統計分析模塊,通過圖像分析得到的爆堆塊度分布分別如圖20(a)、圖20(b)所示。

圖20 爆堆尺寸分布對比Fig.20 Comparison of exploding pile block size

4 結論

(1)臺階爆破智能設計軟件系統運用Delaunay網格迭代計算炮孔位置,并運用Voronoi 網格技術計算裝藥量和確定起爆順序,設計效率大大提高。

(2)軟件的實際應用表明:軟件設計方案能夠有效減少鉆孔、炸藥成本約15%,爆堆塊度更加均勻,大塊巖石顯著減少。

(3)軟件目前僅在二維平面進行設計,無法準確反映臺階表面高低起伏的特性,因此,計算所得的鉆孔深度和裝藥量不夠精確,后續工作中將把軟件爆破設計功能推廣至三維。