黑岱溝露天煤礦高台階拋擲爆破

基本介紹

• 中文名：黑岱溝露天煤礦高台階拋擲爆破
• 外文名：Black adai groove cast open-pit coal mine
• 研究始於：上個世紀80年代初期
• 摘 　要：確定了Weibull機率分布模型等

摘 　要

論文根據黑岱溝露天煤礦大量的實際生產拋擲爆破試驗統計的數據和大量實際爆堆曲線分析，確定了Weibull機率分布模型，運用BP神經網路開發了高台階拋擲爆堆形態模擬系統。模擬系統模型把統計的爆破前後數據分組為爆破影響參數（輸入參數）和爆破效果參

1.1引言

我國是煤炭儲量大國，煤炭儲量居世界第二位，煤炭可開採量居世界第三位，但是由於我國人口眾多，近幾年企業發展速度較快，對煤炭的需求量大幅度增加，煤炭消耗量逐年增加，導致我國的煤炭有效供給力不足。現在我國每年的煤炭淨進口量已經超億噸，成為了世界第二大煤炭進口國。目前在我國的一次性能源消耗中煤炭能源約占70%的比重，所以當前的能源消耗情況決定了我國在未來相當長的一段時間內必然將煤炭產業作為我國能源的支柱產業。

露天煤礦在安全、能源利用率、生產成本等方面均優於井工礦，所以我國在內蒙、新疆、山西和陝西等省份藉助當地有利的自然條件建立了大型露天煤礦，並且實現了較高程度的機械化，在我國煤炭供應市場上發揮了巨大作用。傳統的露天煤礦開採過程是以台階的形式將煤層上覆蓋的岩層剝離掉，通常採用爆破鬆動的方法將煤層上部的岩體雜碎然後挖掘、運至排土場，這樣的單斗——卡車運輸模式套用是比較廣泛的，特點是機動靈活，但成本較高。為了降低露天煤礦的生產成本、提高露天煤礦的生產效率，露天煤礦的採礦工程技術人員將在建築土石方工程、水利築壩工程、開山築路工程中常用的定向拋擲爆破技術套用於露天煤礦的岩土剝離中。

上世紀六七十年代前蘇聯採礦科學家MF諾沃日洛夫提出了露天煤礦的高台階開採，六十年代初期，工程師們將深孔拋擲爆破剝離技術在美國的McCoy Coal礦進行嘗試，該礦覆蓋物厚度為60～80英尺(18.3m～24.3m)，拋擲爆破能把40%的覆蓋物拋到採空區。此後的十年里，前蘇聯、澳大利亞等國也在露天礦採礦時套用的拋擲爆破技術，但並未廣泛推廣此項技術。到了八十年代，美國、澳大利亞等國露天煤礦的剝采比增加、剝離費用升高，導致露天煤礦的經濟效益下滑。為了降低露天煤礦的開採成本，澳大利亞、美國、加拿大等國的採礦研究人員將拋擲爆破剝離技術套用到了露天採礦行業，利用廉價的炸藥進行拋擲爆破剝離，能夠將30～65%的覆蓋岩體直接拋擲到採空區，而不用再進行二次處理。不但降低了生產成本，而且提高了露天煤礦的產量，取得了良好的效益。此後的二十多年裡，世界各國的採礦科技工作者圍繞露天煤礦拋擲爆破剝離技術進行了許多有益的探索和研究，逐步形成了多種有效、實用的開採工藝，目前美國、加拿大、澳大利亞、印度、中國等許多國家的露天礦都已採用了拋擲爆破剝離技術，並取得了良好的效果。

自20世紀80年代拋擲爆破技術先後在美國、澳大利亞等國露天煤礦套用，經過近20年的試驗研究，取得了一些成果，形成了拋擲爆破——拉斗鏟、拋擲爆破——推土機、拋擲爆破——電鏟——卡車等多種聯合剝離工藝。目前,加拿大、印度、約旦等許多國家的露天煤礦也採用了拋擲爆破剝離技術。

神華集團準能公司黑岱溝露天煤礦由於其上覆岩層厚度大，岩體的裂隙、層理髮育情況較好，並且煤層傾角較小接近水平，具備實施高台階拋擲爆破的自然條件。所以黑岱溝露天煤礦在改建、擴建過程中，大膽引起高台階拋擲爆破技術，並結合當地的實際條件成功套用了高台階拋擲爆破——吊斗鏟聯合剝離煤層上覆岩層技術，取得了良好的經濟效益。高台階拋擲爆破先進技術在黑岱溝露天煤礦的成功套用為我國露天煤礦提高經濟效益提供了新的技術途徑和經驗。

隨著21世紀的到來，計算機軟體和硬體的技術都有了較大的進步，信息技術也得到了很大的發展，我們也進入了以計算機和網路通信為核心的資訊時代。資訊時代所產生的信息技術和產品也正在融入我們的生活，滲透到社會的各個領域，以計算機作為拋擲爆破設計的輔助工具是今後拋擲爆破發展的趨勢。一些科技工作者將計算機技術引入到台階爆破的設計中來，在爆破方案的設計、最佳化以及爆破效果預測方面，取得了一定的成果。儘管如此，目前開發的爆破輔助設計系統還不夠完善，很多時候在地形、斷面不規則的情況下不能自動、合理的布孔。目前的爆破輔助設計系統的設計工作主要是由設計人員完成，由計算機代替人工繪圖，以後的發展方向是由計算機完成主要的爆破設計工作。

由於目前國內外對高台階拋擲爆破的研究非常少，如何進行高台階拋擲爆破的設計工作也缺少成熟的理論指導，所以目前的高台階拋擲爆破設計工作主要是在土岩爆破理論的基礎上，根據現場實際條件和高台階拋擲爆破的工程經驗來進行工程設計。目前黑岱溝露天煤礦主要是套用澳大利亞奧瑞凱公司開發Shotplus軟體作為高台階拋擲爆破的設計工具，但是該軟體租賃費用較高、針對性不強，並且使黑岱溝露天煤礦受外國公司約束較大。本文在總結了土岩爆破理論和台階爆破設計要點的基礎上針對黑岱溝露天煤礦的實際現場條件，利用現有的工程爆破實踐經驗，開發一套黑岱溝露天煤礦高台階拋擲爆破計算機輔助設計系統，該系統能夠為黑岱溝露天煤礦高台階爆破設計提供最佳的設計方案，實現對爆破參數的合理設計、對裝藥結構的合理設計、在黑岱溝露天煤礦地形上實現炮孔的自動布置、實現起爆網路的合理設計、實現爆破安全距離的計算，並最終輸出炮孔平面布置圖、起爆網路圖、炮孔信息表和火工品統計表，提高了高台階爆破設計工作的效率、縮短深孔台階爆破設計的時間、減輕設計工作者的勞動強度。因此開發黑岱溝露天煤礦高台階爆破計算機輔助設計系統具有重大的工程實踐意義。

1.2國內外爆破設計系統研究現狀

1.2.1國外部分

國外在爆破設計系統中的研究始於上個世紀80年代初期，比國內起步早，並且取得了一些重要的研究成果。很多爆破設計軟體已經比較成熟，走上了商業化運作的道路。

加拿大Noranda技術中心的P. Favreau和P. Andrieux從1990年就開始了BLASTCAD（爆破計算機輔助設計）系統的項目研發工作。BLASTCAD在流行的商品計算機輔助繪圖和設計軟體包（CADD）的基礎上，開發一個三維地下礦（後來發展為露天礦）的爆破設計系統。該系統能夠自動輸出藥孔布置圖以及其它方案設計文書，同時提供負責處理一切不包含在AutoCAD圖形碼中信息的關係資料庫管理系統。目前BLASTCAD已經在諾蘭達礦業集團的十多個礦山中成功套用。經爆破設計人員使用證明，比手工設計節約70%的時間。

印度礦業學院研發出爆破專家系統“BESTPOL”，可同時採用案例推理和規則推理，其歷史案例數據檢索程式集成在案例存貯組織程式中。有關的相似案例資料由系統內採用的橫向檢索策略進行定位，然後使用規則推理做適當的完善，通過不斷的反饋信息來修改設計方案，最後得到較合理的結果。該系統能完成台階平面圖、布孔及參數圖等15項數據的輸出，並且每次對已有知識的選擇、修改和完善，都將成為解決之後問題的經驗。

法國巴黎高等礦業學院Cheimanoff開發的用於露天礦爆破設計的“Expertir”系統，該系統是以岩石破碎為最佳目標，制定出合適的炮眼布置圖，確定出每一個炮眼的裝藥量以及引爆方式等。整個系統是由解決各種問題的模型銜接而成。但這一系統在岩體本身特點的描述和爆破規模方面卻有一定的限制。

美國愛達荷礦業學院Martin Smith和Robert L.Hautala開發出將專家知識推理和露天爆破方案最佳化設計集於一身的爆破專家系統。美國人Cater.C.L編寫的露天礦開採穿孔爆破管理軟體也屬CAD系統，在完成設計方案後該系統可以馬上得出爆破任務中諸如裝運進度、鑽孔布置、裝藥填塞計畫、炸藥及火工品器材消耗表以及其他和露天礦穿孔爆破有關文檔。

挪威的Kai Nielsen所設計的露天礦台階爆破最佳化模型能夠評價各種不同方案的成本、分析各種生產工序成本與破碎程度的依賴關係、估算爆破效果以及在孔網參數不同時所對應的炸藥單耗，從而能夠求出成本最低的最佳設計方案。在整個過程中，技術人員只需輸入單個炮孔標準藥量、填塞方式以及鑽機型號費用等數據即可。

澳大利亞澳瑞凱公司開發的Shotplus軟體是一款爆破設計及評價軟體，用雷射掃瞄器對實際地形進行掃描，把掃描數據導入Shotplus軟體進行處理，自動生成地形圖。Shotplus軟體可以在生成的地形圖上對炮孔平面布置圖、炮孔傾角、炮孔直徑、炮孔深度、裝藥結構等進行設計，並輸出設計結果。

1.2.2國內部分

我國在爆破設計系統方面的研究雖然起步較晚，但是由於我國的礦業發展非常迅速，所以開展露天礦山台階爆破開採的數位化設計研究，是我國礦山走向現代化、信息化發展的重要一步，對該方面進行科研投資也是改善我國礦山生產現狀的必要措施。

馬鞍山礦山研究院研發了爆破最佳化設計系統，該系統以永平銅礦多年的生產實際資料為依據，運用統計分析方法，建立了礦岩破碎度與爆破參數、岩土性質的相關數學模型，以及構成採礦直接成本的穿孔、爆破、鏟裝、運輸、二次破碎與粗碎等六項單位礦石費用模型，並以此為基礎建立了永平銅礦爆破最佳化設計數學模型，但是該軟體主要是針對永平銅礦進行設計研發的，缺乏通用性。

鞍山賽爾科技發展有限責任公司開發的賽爾爆破最佳化軟體。該軟體是鞍山賽爾科技發展有限責任公司在吸收國外先進爆破技術基礎上自主研發的爆破最佳化軟體，這個軟體可以自動進行台階爆破設計，功能全面，適合各類型露天礦山爆破最佳化設計。軟體能按照不同的布孔方式和爆破排數，自動生成孔網平面圖，能自動生成剖面圖，在圖中能夠顯示台階的坡面形狀，顯示填塞、間隔藥柱高度；在確定完相關參數後，能自動生成爆破參數表；能夠按被爆岩體的實際岩石係數大小，自動計算孔間、排間微差時間；能自動或手動進行地表、孔區域網路絡連線；能夠顯示每個孔的微差起爆時間及累計起爆時間。

攀鋼集團礦業公司石灰石礦與馬鞍山礦山研究院合作研發的露天礦爆破設計CAD系統軟體，這個系統主要是進行露天爆破設計，包括對布孔方式、孔網參數、孔深、起爆順序和連線方式設計以及對炮孔裝藥量進行計算。但是，整個系統是在 UCDOS 下運行的，操作不方便，而且前期的數據主要是採用數位化儀輸入的，然後再對輸入的信息做加工處理，這樣前期大量的數據準備工作仍然需要手工來完成，也沒有對爆破效果進行評價，有待進一步提高和改進。

華易軟體有限公司研發的華易露天深孔爆破輔助設計軟體，軟體可以計算出各孔的孔距、排距、爆破體積、炸藥量、充填長度、回填長度等爆破參數、畫出爆破網路圖。具體的功能有：以原始的測量數據為基礎，自動按比例形成爆破平面布置圖；使用滑鼠可直觀方便地畫出爆破網路圖；以原始的孔深及炸藥單耗、炸藥類型為基礎，以設計爆破高程為標準，以爆破網路為依據，自動計算出各孔的孔距、排距、爆破體積、炸藥量、充填長度、回填長度等爆破參數；可列印出美觀且按比例的爆破平面布置圖、爆破網路布置圖及爆破參數表；使用滑鼠方便地把整個圖形或表格隨意向各個方向來回移動；根據起爆網路的不同以及其他爆破設計參數的不同要求可以方便地形成各種不同方案，進行方案最佳化，擇優使用，以便提高爆破質量。

北京礦冶研究總院為江西德興銅礦研製開發的露天爆破計算機輔助設計系統與德興銅礦現有的全球衛星定位系統聯接，自動完成布孔等爆破設計工作，使爆破設計更加科學和精確。該設計系統採用人工神經網路原理開發的爆破效果預測程式，其對爆破效果的預測有很高的準確和容錯性。爆破資料庫的建立，對爆破設計和爆破作業實現標準化、科學化管理具有重大意義。該系統對深孔爆破輔助設計、最佳化爆破方案，對改善爆破設計手段、改進穿爆工藝、提高爆破效果具有重要意義。

北京科技大學璩世傑等人開發的露天礦爆破設計軟體，在地質地形資料庫及可爆性分級數學模型的支持下，系統自動識別並以不同顏色在平面圖形標註爆破分區。由計算機對炸藥威力、炮孔直徑和現場地質與地形各種因素進行確認、計算與分析，最終確定炮區內各個炮孔在平面圖上的合理位置。

武漢工業大學開發了露天礦爆破CAD設計系統，該系統中人工輸入炮孔直徑、台階高度、台階坡面角、炸藥密度、炮孔臨近係數、孔深、排距係數、礦岩可爆性指數、超深係數、孔口填塞係數和炸藥單耗十一個原始參數和基本爆破參數後，由計算機自動布置前排孔，並採用人機互動的方式確定後排孔孔位，同時由計算機給出炮孔抵抗線、孔距、排距、超深、裝藥長度和孔口填塞長度六個參數的數值。

西南交通大學的鄭爽英等人研製了台階爆破設計智慧型專家系統（IESBBD），該系統的炮孔平面布置的設計過程是一種“測試—反饋—修正—測試”的循環過程，其推理過程既有從原始數據或條件出發向結論方向的正向推理，也有從假設或結論出發向依據方向進行的逆向推理，是一個混合推理過程，最終確定合理的炮孔平面布置圖。

1.3本文研究內容

本文以神華集團準能公司黑岱溝露天煤礦高台階拋擲爆破為工程背景，開發黑岱溝露天煤礦高台階拋擲爆破設計系統。在土岩爆破理論的基礎上總結台階爆破的設計要點，結合黑岱溝露天煤礦的現場實際條件和高台階拋擲爆破的成功經驗，利用Visual Studio開發工具對AUTOCAD進行二次開發，以下幾點是系統開發過程中研究的主要內容：