基于GPS技術(shù)的露天礦山爆破設(shè)計(jì)及布孔

洪 勇，李禹錫

（廣東爆破工程有限公司，廣東 廣州 510700）

爆破作業(yè)屬于露天礦山開采工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，礦山規(guī)模、爆區(qū)形狀、臺階高度、礦巖種類、地下水分布等因素均可影響露天礦山的爆破設(shè)計(jì)，若爆破方案設(shè)計(jì)不合理，不僅會影響爆破效果，阻礙露天礦山的開采作業(yè)，還會產(chǎn)生一定危險隱患，但傳統(tǒng)辦法難以完成高精度布孔，易形成偏差，此時可將GPS技術(shù)融入到露天礦山爆破設(shè)計(jì)工作中，以此保障布孔精度及爆破效果。

1 露天礦山作業(yè)中的GPS技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

GPS技術(shù)為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其以實(shí)時載波相位差分為基礎(chǔ)完成導(dǎo)航定位工作，輔以數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可將GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)采用無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f給終端設(shè)備，經(jīng)終端處理后，相關(guān)位置信息將會被傳輸至的流動站[1]。結(jié)合露天礦山作業(yè)來看，借助GPS技術(shù)進(jìn)行測量定位前，應(yīng)做好爆區(qū)現(xiàn)場測量工作，以實(shí)測結(jié)果為依據(jù)確定流動站與基準(zhǔn)站，并做好手簿安裝工作。在實(shí)際測量期間，實(shí)測位置信息將會在基準(zhǔn)站上與已知位置信息對比，經(jīng)對比后產(chǎn)生差分改正數(shù)值，而差分改正數(shù)值將會在無線定向網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)流量網(wǎng)絡(luò)中完成傳輸?；鶞?zhǔn)站完成上述工作后，GPS信號會傳遞給流動站，流動站完成信號接收工作后并展開相應(yīng)的信息測算工作，使基準(zhǔn)站傳遞而來的差分改正數(shù)值得到進(jìn)一步細(xì)化分析，繼而提高位置信息精度，減少誤差。基準(zhǔn)站與流動站處理實(shí)測位置信息的過程極為迅速，可在幾秒鐘內(nèi)完成測算分析工作，效率優(yōu)異且精度較高。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)爆破設(shè)計(jì)及布孔方式，GPS技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，操作便捷。GPS技術(shù)在應(yīng)用期間僅需一名操作人員即可完成，且受地勢的影響相對較小，僅要求爆區(qū)位于GPS基站范圍內(nèi)。GPS技術(shù)應(yīng)用難度低，可在較短時間內(nèi)即可完成測量定位工作，可極大提升作業(yè)效率，且可在一定程度上降低成本。第二，數(shù)據(jù)精度高，依靠GPS技術(shù)，處于基準(zhǔn)站范圍內(nèi)的爆區(qū)測量精度可達(dá)毫米級，可極大提升布孔精度，繼而實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化布孔，并保障了爆破作業(yè)的安全性。第三，覆蓋范圍大。GPS技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)尺量、步量方式的缺陷，且可依靠電磁波透視效果，在能見度較低的情況下仍可保持良好測量效果，同時可將計(jì)算機(jī)內(nèi)孔網(wǎng)設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)移到實(shí)際爆區(qū)現(xiàn)場中，最大限度地保障了布孔效果。第四，數(shù)據(jù)處理高效。GPS技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)依托于專業(yè)設(shè)備完成，在設(shè)備幫助下，可便捷化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，極大提升數(shù)據(jù)分析速率，并可銜接可視化技術(shù)獲得直觀化數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1.3 技術(shù)功能

在露天礦山爆破設(shè)計(jì)及布孔作業(yè)中，GPS技術(shù)的功能主要體現(xiàn)在點(diǎn)測量與點(diǎn)放樣兩個方面。第一，點(diǎn)測量。在普遍性地形情況下，一名操作人員將儀器設(shè)備安置于碎部點(diǎn)靜置幾秒鐘，以此即可獲得該破碎點(diǎn)的三維坐標(biāo)及定位精度，在較短時間內(nèi)即可完成點(diǎn)測量工作，且操作簡單。按照上述操作完成破碎點(diǎn)位測量后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，以此為依據(jù)搭建三維模型，依托于模型直觀化展示露天礦山面貌。在露天礦山爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中，GPS技術(shù)點(diǎn)測量是最為便捷的數(shù)據(jù)采集方式，操作簡單，但為保障點(diǎn)測量效果，需將GPS軟件調(diào)整為固定解狀態(tài)，在該狀態(tài)下顯示著坐標(biāo)、天線高、高程、速度、航向等信息，若需存儲該點(diǎn)位，則可直接運(yùn)用GPS系統(tǒng)的快捷鍵“A”，以此即可快速完成點(diǎn)位存儲工作[2]。第二，點(diǎn)放樣。露天礦山爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中，為實(shí)現(xiàn)爆破，需結(jié)合爆區(qū)概況做好布孔與驗(yàn)孔工作，但在傳統(tǒng)辦法中，多借助卷尺確認(rèn)孔位，該方式需消耗大量人力、物力及時間，且精度不高，需在多名操作人員的協(xié)同配合下方可完成該工作。而依靠GPS技術(shù)，可根據(jù)前期點(diǎn)位測量結(jié)果將位置坐標(biāo)信息存儲至手簿內(nèi)，以此為依據(jù)精準(zhǔn)化完成布孔、驗(yàn)孔工作。在GPS技術(shù)點(diǎn)放樣功能下，可高效化、精準(zhǔn)化完成布孔、驗(yàn)孔作業(yè)，并可對坐標(biāo)庫內(nèi)點(diǎn)位進(jìn)行確認(rèn)，在爆區(qū)實(shí)際地形中予以標(biāo)注。在上述過程中，需將GPS軟件轉(zhuǎn)為坐標(biāo)管理庫界面，根據(jù)實(shí)際情況選擇放樣點(diǎn)，將點(diǎn)位轉(zhuǎn)移至指示界面，此時在指示界面內(nèi)將顯示放樣點(diǎn)方位及距離，并對放樣移動情況進(jìn)行顯示，當(dāng)放樣點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)間的距離低于1m時，界面內(nèi)容將會進(jìn)一步細(xì)化，并進(jìn)行局部精準(zhǔn)放樣，且GPS軟件會自動發(fā)出系統(tǒng)提示音，以此確保點(diǎn)放樣工作能夠順利完成。

2 露天礦山爆破設(shè)計(jì)與布孔中GPS技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 案例概況

為增強(qiáng)基于GPS技術(shù)的露天礦山爆破設(shè)計(jì)與布孔研究分析現(xiàn)實(shí)意義，本次選取某露天鐵礦爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)為實(shí)例展開分析，該鐵礦南北寬度與東西長度分別為1.1km、4.7km，為保障鐵礦開采順利并提高礦巖開采穩(wěn)定性，結(jié)合該露天鐵礦生產(chǎn)計(jì)劃，需在該露天鐵礦西側(cè)區(qū)域?qū)嵤┍谱鳂I(yè)，爆區(qū)內(nèi)礦巖主要為磁鐵礦，礦層寬度與長度分別為55m與527m。

2.2 現(xiàn)場測量

露天礦場爆破效果與爆區(qū)現(xiàn)場測量結(jié)果存在直接性關(guān)系，若現(xiàn)場測量不精準(zhǔn)則會導(dǎo)致爆區(qū)邊界模糊，繼而嚴(yán)重降低爆破設(shè)計(jì)精度，且易導(dǎo)致邊排孔破壞的情況，提高爆破作業(yè)的危險性。故完成電鏟收區(qū)工序后，應(yīng)詳細(xì)測量爆區(qū)現(xiàn)場信息，依托于實(shí)測數(shù)據(jù)了解爆區(qū)全貌，總結(jié)爆區(qū)特征，明確爆區(qū)目標(biāo)，為后續(xù)爆破設(shè)計(jì)與布孔方案的確定奠定基礎(chǔ)。在案例露天鐵礦爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中，選擇南方測繪S86T RTK測量設(shè)備，其具有信號強(qiáng)、精度高、作用面積廣的優(yōu)勢，在爆區(qū)數(shù)據(jù)采集期間，主要依靠該設(shè)備完成測量工作。爆區(qū)坡頂線是否精準(zhǔn)可直接決定后續(xù)爆破方案的設(shè)計(jì)效果，從本質(zhì)上看，爆區(qū)坡頂線能夠決定露天鐵礦爆區(qū)的位置及形狀，故應(yīng)用RTK測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)盡可能提高爆區(qū)坡頂線數(shù)據(jù)精度，繼而使測繪得出的爆區(qū)情況能夠無限接近于爆區(qū)現(xiàn)場。

在爆區(qū)現(xiàn)場測量期間，還需做基站架設(shè)工作，而露天礦山爆區(qū)的基站與常戶外基站存有一定差異，露天礦山爆區(qū)在設(shè)置時，應(yīng)滿足以下要求：①使基準(zhǔn)站能夠穩(wěn)定置于平地基處，且要求地基高程較高；②爆區(qū)基準(zhǔn)站周邊不可存在高壓電線或線電發(fā)射器，防止其磁場干擾基準(zhǔn)站GPS信號的傳輸與接收，此外，基準(zhǔn)站的設(shè)置還需遠(yuǎn)離高大構(gòu)筑物，避免高大構(gòu)筑物阻礙GPS信號的傳遞[3]。③爆區(qū)基準(zhǔn)站周邊不可存在能夠?qū)πl(wèi)星信號產(chǎn)生干擾的事物，如大面積水域等，最大限度地保障基準(zhǔn)站信號接收的效果。而戶外移動基站在設(shè)置時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①應(yīng)用戶外移動基站時，應(yīng)注意危險坡底，在采集坡底線或坡頂線時應(yīng)杜絕交叉打點(diǎn)情況，并預(yù)防規(guī)避巖石垮塌風(fēng)險，需在保障現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集精度的同時保障作業(yè)安全性。②依托于戶外移動基站采集爆區(qū)現(xiàn)場信息時，應(yīng)做好各點(diǎn)位的信息數(shù)據(jù)分類工作，即區(qū)分邊界點(diǎn)位及邊界內(nèi)點(diǎn)位。③采集復(fù)雜地形條件的爆區(qū)現(xiàn)場情況時，應(yīng)在完成點(diǎn)位分類基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)記，為后期數(shù)據(jù)分析與校正奠定基礎(chǔ)。

2.3 孔網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.3.1 天線安裝

在孔網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，為最大限度發(fā)揮出GPS技術(shù)的優(yōu)勢，需做好GPS天線安裝工作，準(zhǔn)備兩根高精度天線，將其安置于鉆機(jī)設(shè)備鉆桿側(cè)與鉆機(jī)前頂側(cè)，考慮到天線間距于越小其精度越低，要求兩根天線之間至少存在1.5m距離，以此確保其所采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)有效，而天線與鉆桿之間的距離應(yīng)保持在2.4m左右及1.55m左右。

2.3.2 鉆機(jī)位置

鉆機(jī)位置的確定主要從鉆桿、機(jī)頭兩個方面進(jìn)行。第一，鉆桿定位。完成GPS天線安裝作業(yè)后，應(yīng)根據(jù)GPS天線位置明確鉆桿位置，已知GPS天線平面位置后，依托于GPS技術(shù)測量鉆桿平面坐標(biāo)，以此得出了兩個天線及鉆桿的平面坐標(biāo)，繼而在直角坐標(biāo)系內(nèi)構(gòu)成了三角形結(jié)構(gòu)，此時可進(jìn)一步結(jié)合天線及的鉆桿的坐標(biāo)計(jì)算該三角形的三邊夾角及邊長。在此固定結(jié)構(gòu)下，鉆機(jī)移動將會帶動著兩個天線的移動，相關(guān)的平面坐標(biāo)同樣會產(chǎn)生變化，此時，可結(jié)合上述計(jì)算得出的三邊夾角及邊長數(shù)據(jù)，完成鉆桿的定位工作。第二，機(jī)頭定位。鉆機(jī)機(jī)頭是確定穿孔方向的主要部件，且在鉆機(jī)整體設(shè)備中具有導(dǎo)航作用，機(jī)頭行進(jìn)方向則為鉆機(jī)設(shè)備前進(jìn)方向，當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)入移動狀態(tài)后，此時可根據(jù)GPS天線移動前后的變化情況得出機(jī)頭坐標(biāo)，以此確定鉆機(jī)設(shè)備的駕駛室位置信息。

2.3.3 自動布孔

依托于GPS軟件還可實(shí)現(xiàn)自動布孔工作，在案例露天鐵礦中，其爆區(qū)臺階粗規(guī)整性不強(qiáng)，故經(jīng)綜合分析考慮下，最終確定布孔方式如下：①后排孔。按照爆區(qū)臺階走向，由操作人員移動測量儀獲得穿孔區(qū)域起始點(diǎn)及終點(diǎn)位置的三維坐標(biāo)情況，將起終點(diǎn)連接，以此即可得出穿孔位置線。②前排孔。前排孔通常情況下需根根據(jù)臺階形狀特征進(jìn)行確定，即臺階形狀發(fā)生變化后，前排孔同樣需會產(chǎn)生變化，故為提高爆破設(shè)計(jì)效果，保障鉆機(jī)安全，要求前排孔數(shù)量應(yīng)動態(tài)化調(diào)整，以此確保前排孔設(shè)置情況能夠符合爆區(qū)現(xiàn)狀。完成前排孔位置確定后，需進(jìn)一步借助RTK測量儀器完成三維坐標(biāo)的確定工作。③孔深。對于露天礦山爆破作業(yè)而言，孔深是影響最終爆破效果的主要因素，故完成前排孔與后排孔的設(shè)置工作后，需進(jìn)一步確定布孔孔深。確定孔深期間，要求操作人員選取爆區(qū)內(nèi)具有代表性的典型點(diǎn)位，以現(xiàn)有數(shù)據(jù)為依據(jù)確定其孔深，并以典型孔深數(shù)據(jù)為依據(jù)得出所有孔深情況。④完成前排孔、后排孔、孔深、孔距等參數(shù)的確定工作后，可將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入至GPS軟件系統(tǒng)內(nèi)，借助GPS軟件技術(shù)效果進(jìn)行自動布孔。⑤立足于爆區(qū)現(xiàn)場實(shí)際概況及穿孔區(qū)域結(jié)構(gòu)特征，對上述步驟所得出的穿孔數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，增加或刪除布孔點(diǎn)位，以精細(xì)化布孔為目標(biāo)調(diào)整穿孔坐標(biāo)，以此保證布孔效果。

2.3.4 孔網(wǎng)設(shè)計(jì)

在案例露天鐵礦爆破設(shè)計(jì)及布孔作業(yè)中，選用型號為YZ55B的牙輪鉆機(jī)作為穿孔設(shè)備，選用WK-10C型號的電鏟開展采掘作業(yè)，此外，為高效完成采裝運(yùn)輸工作，準(zhǔn)備了MT4400、830E、MT3700B三種型號的電動輪運(yùn)礦車[4]。依托于上述機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)露天鐵礦爆破孔網(wǎng)數(shù)據(jù)。結(jié)合案例爆區(qū)結(jié)構(gòu)分析其形狀及巖性，借助CAD設(shè)計(jì)軟件繪制露天鐵礦爆區(qū)孔位圖。在案例露天鐵礦爆區(qū)結(jié)中，其上部、下部的水平標(biāo)高分別為1483.11m、469m，依據(jù)上述布孔結(jié)果確定最終穿孔面積，約為25071.9m2，同時結(jié)合孔網(wǎng)參數(shù)情況來看，預(yù)計(jì)需鉆孔462個，鉆孔孔徑、穿孔米道分別為0.31m與7854m，平均段高13.61m。孔深、超深、排距、孔距分別為17m、3.5m、6m、9m。

2.3.5 布孔初設(shè)計(jì)

通過天線安裝、鉆機(jī)定位、自動布孔、孔網(wǎng)設(shè)計(jì)工作后，對上述步驟所獲得的放樣點(diǎn)位信息進(jìn)行整理歸納，并根據(jù)爆區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行校準(zhǔn)檢驗(yàn)，確保點(diǎn)位精度后，進(jìn)一步基于案例露天鐵礦爆區(qū)三維模型及電子圖展開布孔初設(shè)計(jì)，綜合考慮爆區(qū)礦巖分布情況及爆區(qū)結(jié)構(gòu)形狀，按照列與排的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時布設(shè)炮孔坐標(biāo)。此外，運(yùn)用CAD軟件內(nèi)的VBA管理器運(yùn)行設(shè)計(jì)插件，按照上述得出的布孔信息依次確定布孔情況，同時將各孔三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)上傳至的表格中，完成坐標(biāo)點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì)工作后進(jìn)行校驗(yàn)，并將文件輸出為csv文件，而原有的表格文件則會被GPS測量軟件識別，并依托于有線或無線的方式將文件傳輸至GPS手簿中。

2.4 現(xiàn)場放樣

在爆區(qū)現(xiàn)場放樣期間，應(yīng)使GPS移動基站始終屬處于爆區(qū)基準(zhǔn)站信號范圍內(nèi)，并保障爆區(qū)基準(zhǔn)站的信號強(qiáng)度。確保上述條件下，按照布孔設(shè)計(jì)方案中的坐標(biāo)信息在爆區(qū)現(xiàn)場內(nèi)依次布孔，在爆區(qū)布孔期間，要求GPS移動基站桿始終處于垂直狀態(tài)下，依次保障爆區(qū)孔位精度，為高效露天礦山爆破作業(yè)奠定基礎(chǔ)。完成爆區(qū)現(xiàn)場放樣后，需做好保護(hù)措施，確?？孜徊粫a(chǎn)生移動、磨損情況，并做好標(biāo)記工作。

2.5 網(wǎng)路設(shè)計(jì)

案例露天鐵礦爆破設(shè)計(jì)與布孔期間應(yīng)用了GPS技術(shù)，為更好地保障爆破效果，驗(yàn)證GPS技術(shù)在爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中的價值，在案例露天鐵礦中，選用了高精度管雷管，結(jié)合案例實(shí)際情況最終選取了五種規(guī)格的雷管，即17ms、42ms的地表頭排連接雷管，65ms、100ms的地表排間連

接雷管以及500ms孔內(nèi)高精度雷管[5]。案例工程中的爆破網(wǎng)路如圖1所示，以此為依據(jù)進(jìn)行逐孔微差起爆。

圖1 案例露天鐵礦爆破網(wǎng)路

2.6 效果分析

完成爆破作業(yè)后，需進(jìn)一步總結(jié)分析該露天鐵礦的爆破設(shè)計(jì)及布孔效果，在此期間，應(yīng)從爆堆形狀、礦巖塊度兩個角度衡量爆破效果，其中爆堆形狀決定爆破安全性，礦巖塊度決定設(shè)備磨損更換成本及后期采裝成本。案例露天礦山按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行爆破布孔后，所形成的巖石塊度不均，大塊巖石概率較高，將會產(chǎn)生極大安全隱患，但從質(zhì)量效果角度來看，應(yīng)可能降低大塊巖石概率，以此減小運(yùn)礦車待車時間。而案例露天鐵礦按照GPS技術(shù)測量指導(dǎo)完成爆破后，多形成的礦巖塊度較小，經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大塊巖石量減少了五分之二，符合露天鐵礦采裝作業(yè)需求。結(jié)合案例鐵露天鐵礦爆破情況來看，GPS技術(shù)可為爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)提供良好指導(dǎo)，提高布孔精度，保障爆破質(zhì)量，故在未來露天礦山的爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中，應(yīng)主動積極應(yīng)用GPS技術(shù)，并可結(jié)合實(shí)際情況選擇適宜的GPS測量軟件及雷管規(guī)格，盡可能確保露天礦山爆破布孔作業(yè)可順利完成。

3 結(jié)語

綜上所述，GPS技術(shù)在露天礦山爆破設(shè)計(jì)與布孔作業(yè)中具有顯著性優(yōu)勢，極大改善了作業(yè)模式，削減了孔網(wǎng)參數(shù)誤差，極大提升了爆破設(shè)計(jì)與布孔質(zhì)量。在實(shí)踐應(yīng)用期間，應(yīng)以因地制宜為原則，在明確爆區(qū)概況基礎(chǔ)上嚴(yán)格落實(shí)現(xiàn)場測量工作，確定爆區(qū)參數(shù)，借助GPS技術(shù)完成鉆進(jìn)定位工作，以此為依據(jù)完成孔網(wǎng)設(shè)計(jì)，做好布孔初設(shè)計(jì)，完成現(xiàn)場放樣工作后展開網(wǎng)路設(shè)計(jì)。案例工程按照上述方式極大提高了爆破設(shè)計(jì)與布孔質(zhì)量，以此驗(yàn)證了GPS技術(shù)應(yīng)用效果。