面向复杂孔网参数的露天矿爆破设计软件研发及应用

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。

图7 炮孔平面布置图Fig.7 Layout plan of blast-hole

图8 炮孔三维空间分布图Fig.8 Three dimensional spatial distribution of blast-hole

炮孔设计完成后，可直接导出txt格式文本文件供Provision系统调用，然后下发至高精度钻机进行施工，输出结果包括炮孔编号、区块编号、X坐标、Y坐标以及炮孔孔底标高。

3 结 论

1) 通过对露天矿爆破设计业务的系统分析，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，满足矿山的布孔爆破设计要求。

2) 针对露天矿布孔设计的特点，本文开发软件充分考虑了布孔设计参数定义的灵活性，通过对每一排炮孔参数进行定义，能够满足各种复杂孔网参数条件下的布孔要求。

3) 本文开发软件从布孔设计层面考虑了上部已采台阶炮孔超深对本台阶设计孔位的影响，避免了设计孔位和实际孔位的偏差，提高了布孔设计与施工现场的匹配度，提升了设计的指导价值和意义。

4) 本文开发软件能够满足湖山铀矿各种区块的布孔要求，彻底改变了矿山当前布孔方式“步骤繁多、操作复杂、效率低下”的局面，极大地提高了工作效率和布孔设计精度，为后续精细化爆破施工奠定了良好的基础。