孔网参数测量技术在矿山爆破中的应用.pdf
第3 3 卷第4 期 爆破 V o l 3 3N o 4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N G D e c .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 4 .0 1 4 孑L 网参数测量技术在矿山爆破中的应用 沈大文1 ,黄维进1 ,叶元寿2 1 .泰玛士矿业 湖州 有限公司,湖州3 1 3 0 0 0 ;2 .浙江恒荣建设工程有限公司,宁波3 1 5 8 0 0 摘要工程中发现爆破效果不稳定,具有偶然误差的特点,从爆破设计和施工中查找原因。以泰玛士矿 爆破实践为例。采用激光扫描仪和钻孔测斜仪,测出代表台阶面和钻孔轨迹的空间点坐标,研究钻孔与自由 面、钻孔与钻孔之间的空间关系,通过三维图形软件计算真实的爆破参数,优化设计,指导施工,可以取得稳 定的爆破效果。结果表明爆破设计和施工中的钻孔偏移普遍存在,它是导致爆破设计参数失真、爆破效果 不稳定的主要因素;控制偏移误差的发生及其负面影响,孔网参数测量是技术支撑,工作程序是技术应用的 规范根据孔网参数测量数据分析发生钻孔偏移的具体原因,针对性解决问题并预防错误重复发生。 关键词孔网参数测量;爆破设计参数;钻孔偏移;激光扫描仪;钻孔测斜仪;三维图形软件 中图分类号T D 2 3 5 .3 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 0 7 8 0 6 A p p l i c a t i o no fG e o m e t r yS u r v e yi nQ u a r r yB l a s t i n g S H E ND a .w e n l ,H U A N GW e i - j i n 9 1 ,Y EY u a n s h o u 2 1 .T a r m a cA g g r e g a t e s H u z h o u L t d ,H u z h o u31 3 0 0 0 ,C h i n a ; 2 .Z h e j i a n gH e n g r o n gc o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n gL t d ,N i n g b o31 5 8 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ,t h eb l a s t i n ge f f e c ti si n s t a b l e .T h er e a s o ni sr e l a t e dt ot h eb l a s t i n gd e s i g n a n dw o r k i n g .Ac a s eo fb l a s t i n go p e r a t i o na tT a r m a cq u a r r yi n d i c a t e da l li m p r o v e m e n ti nt h es t a b i l i t yo fb l a s t i n ge f f e c t w h e ns u r v e y i n gt h ec o o r d i n a t eo ft h ep o i n tw h i c hr e p r e s e n tt h eb e n c hf a c e sa n dt h ed r i l l i n gh o l e sb yu s i n gt h el a s e r s c a n n e ri nc o n j u n c t i o nw i t hb o r e h o l es u r v e yi n s t r u m e n t ,s t u d y i n gt h es p a t i a lr e l a t i o nb e t w e e nf r e ef a c e sa n dd r i l l i n g h o l e s ,c a l c u l a t i n gt h ea c t u a lp a r a m e t e r so ft h eb l a s t i n gd e s i g n ,a n da i d i n gt h eo p t i m i z a t i o no ft h eb l a s t i n gd e s i g na n d o p e r a t i o nt h r o u g h3 Dg r a p h i cs o f t w a r e .U n i v e r s a l l yb o r e h o l ed e v i a t i o ni nt h eq u a r r yb l a s t i n gd e s i g na n do p e r a t i o ni sa k e yf a c t o rf o rd i s t o r t i n gp a r a m e t e r sa n db l a s t i n ge f f e c t .T oc o n t r o lt h eg e n e r a t i n ga n dp o o re f f e c to ft h eb o r e h o l ed e v i a - t i o n ,t h eg e o m e t r ys u r v e ya n do p e r a t i o np r o c e d u r es h o u l db eg u a r a n t e e d .M e a n w h i l e ,i ti sn e c e s s a r yt of i n dt h ep r i m a - r yc a u s eo fb o r e h o l ed e v i a t i o nt os o l v et h ep r o b l e mb yu s i n gg e o m e t r ys u r v e y i n gd a t a . K e yw o r d s p a r a m e t e rt e s to fb o r e h o l e ;b l a s td e s i g np a r a m e t e r s ;b o r e h o l ed e v i a t i o n ;l a s e rs c a n n e r ;b o r e h o l e c l i n o m e t e r ;3 Dg r a p h i cs o f t w a r e l 爆破效果影响因素 国内外对矿山爆破的多年研究表明,影响爆破 效果的因素归纳起来主要有三个方面炸药性能、岩 收稿日期2 0 1 6 1 0 2 6 作者简介沈大文 1 9 6 7 一 ,男,浙江省湖州人,工程师、工学学士, 主要从事矿山爆破和安全技术研究, E m a i l 1 2 2 4 2 0 0 4 1 8 q q .c o l n 。 体特性和爆破设计⋯。岩体特性、炸药性能的研究 是基础,爆破设计是它们的应用。掌握被爆岩体的 特性,选择合适性能的炸药,通过爆破设计,充分利 用炸药能量破碎岩石,取得预期的爆破效果。 爆破实践中,炸药能量有效用于岩石破碎只占 总能量的一小部分【2J ,就是采用松动爆破,能量利 用率不会超过2 0 %。有许多能量消耗于热损失、过 粉碎、过抛掷,甚至形成爆破飞石、震动和噪音等有 万方数据 第3 3 卷第4 期沈大文,黄维进,叶元寿孔网参数测量技术在矿山爆破中的应用 7 9 害效应。因此,必须根据爆破工程的要求,优化爆破 设计,选择合理的装药结构和延时顺序,提高炸药在 岩体中爆炸的能量利用率,有效破碎岩石,改善爆破 效果。每个矿山都应当有适合本矿、经过优化和实 践检验的标准爆破设计。 如果是爆破效果一直不好,就应当考虑系统问 题,考查炸药性能和岩体特性可能研究不足,炸药选 型可能与被爆岩体不匹配,标准爆破设计中的参数 可能不适合矿山应用。现在的问题是,爆破效果时 好时坏不稳定,其表现与科学试验中偶然误差的发 生相似,所以要考虑从矿山爆破设计和施工中查找 原因。 实际上,爆破设计中经过优化的爆破参数,是通 过人操作钻机逐孔打出来的。保证钻孔定位的精 确,使钻孔深度、方向和倾角等与自由面产状相契 合,符合设计要求,需要技术支撑和控制,这就是孑L 网参数测量。下面以泰玛士矿的爆破实践为例,说 明孔网参数测量技术在矿山爆破设计和施工中的 应用。 2 孔网参数测量与应用 孔网参数测量,是矿山爆破设计和施工的基础 技术工作。首先要了解测量什么参数,其次是如何 测量,最后是测量的应用。 2 .1 测量参数 传统的矿山爆破设计所涉及到最重要的孔网参 数,一般是孔距和抵抗线。为了得到这些数据,爆破 设计人员一般会带着皮尺,到钻孔现场测量,他们会 测出同一排相邻两孔之间的距离得到孔距,他们会 测出钻孔正前方到台阶面的距离得到抵抗线。但 是,既使所用的皮尺精度很高,既使测量人员没有失 误,他们所测出数据精确可靠吗 矿山开采经验表明矿山台阶面可能是最随机 的异形曲面,而钻孔轨迹也是容易飘移的空间曲线。 没有任何统计的论据说明最小抵抗线正好位于钻孔 的正前方,从理论上说,最小抵抗线应当是钻孔轨迹 上所有点到自由面距离的最小值,而测量人员用皮 尺所测的抵抗线只能算是坡顶抵抗线,同样,他们所 测的孔距也只能算是孔口孑L 距。 如何能精确测量抵抗线和孔距呢 最直接的想 法是,如果能得到台阶面和钻孔轨迹上每一点的空 间坐标,通过计算机数据处理,就能得到想要的参 数。如此,测量孔网参数,首先是点坐标测量。 2 .2 测量方法 测量空间点坐标,有许多成熟的测量技术和方 法仪器。考虑到台阶面是由大量的点组成,只有测 得一定密度的点,并减少人工干预,才能得到反应自 然特性的台阶面;另外,钻孔位于地下岩层中,无法 直接测量。这些都说明,相对于矿山的特殊环境,测 量孔网参数的点坐标,需要特殊的测量方法和仪器。 泰玛士矿采用英国M D L 公司的Q u r r y m a n P r o 激光扫描仪、C a b l e dB o r e t r a k 钻孔测斜仪开展现场 的孔网参数测量工作 如图1 所示 。 图1 激光扫描仪测面 F i g .1 S u r v e yw i t hQ u a r r y m a n P r c 2 .2 .1 激光扫描仪 Q u r r y m a n P r o 的扫描原理主要通过激光发射与 反射测得距离、水平角和竖直角来计算点坐标。基 本的测量分为三个步骤 1 仪器架设这一点与普通测量一样,现场将 仪器固定在三角架上,整平对中,以“后方交绘法” 测定仪器位置和初始方位角。 2 钻孔定位将每一个钻孔的孔口作为测量 点,测出其距离、水平角和竖起角,以计算出各个孔 口坐标。 3 台阶面扫描选定自动模式,圈定扫描范 围,确定扫描点密度,即可进行自动扫描了。该仪器 每秒钟可扫描2 5 0 个点,总点数可达到百万级别,由 此形成的点云足以表达任何异形曲面的起伏细节 见图1 。 2 .2 .2 钻孔测斜仪 C a b l e dB o r e t r a k 钻孔测斜仪测孔原理是在已知 孔口坐标的条件下,通过测量一定深度的钻孔方位 和倾角,计算该深度点的空间坐标。各测量点相连, 形成钻孔轨迹。 钻孔测斜仪使用过程中应注意以下几点 1 磁偏角问题根据矿山坐标网格情况,可以 通过不同方式校定,如果矿山坐标系统与全国坐标 系统一致,可以从国家测量数据网 库 中查出当地 的校正值;如果矿山坐标系统为独立测建,一般磁北 与坐标网格北方向一致,不需要校正。 2 清理孑L 口周围碎石,防止落石堵卡;不得安 万方数据 8 0爆破 2 0 1 6 年1 2 月 排测孑L 区域周围的采掘设备作业,其震动会影响测 斜传感器的灵敏度;确定现场不能有磁性材料,它对 仪器形成干扰。 3 操作过程中应始终将孑L 内缆线抓紧拉直, 保证测斜探头在钻孔内竖直向上的位置;读数应有 耐心,保持缆线稳定一段时间,手持读数仪数字显示 稳定后,才能按键存储或读取数据 见图2 。 图2 钻孑L 测斜仪测孑L F i g .2 B o r e h o l es u r v e yw i t hC a p l e dB o r e t r a k 2 .3 测量应用 通过激光扫描仪和钻孔测斜仪的配套使用,可 以测出台阶面、钻孔轨迹上每一个代表点的空间坐 标,这样钻孔与自由面、钻孔与钻孔之间的空间位置 关系就能确定,抵抗线和孔距等孔网参数就能精确 计算,借助软件 G e o c o mS u r p a c6 .0 3 ,可以得到三 维显示图形 如图3 ,图中显示的泰玛土矿Y B l l 3 1 爆破设计测量结果,褐红色的点云形成台阶面,青色 曲线表示钻孔。这样可直观而又准确地用于分析爆 破设计和指导现场施工了。 图3Y B l l 3 1 爆破设计测量3 D 图形 F i g .3 3 Dg r a p h i c sf r o mY B l1 3 1b l a s t i n gd e s i g ns t l r v e ,7 i n g 2 .3 .1 抵抗线 泰玛士矿标准设计的抵抗线一般为4 .0m ,其 允许的波动范围是1 0 %,且最小不得低于3 .0m 。 对照这个标准,技术人员检查各钻孔的剖面图,从中 发现前排P 0 8 孑L 抵抗线异常 如图4 所示 ,对该 剖面图用专业软件 M D LF a c e p r o 细化处理,我们 能确定该孔剖面异常深度范围。表1 的数据显示, 从6 .0m 至1 2 .0m 的孔深段抵抗线皆小于3 .0m , 而在1 0 .0m 处最小抵抗线竞只有1 .6m 。该孔装 药施工必须调整,采用分段装药,异常孔段采用封堵 或空气间隔,防止爆炸气体从这里逸出,造成炸药能 量损失和爆破飞石、噪音等有害效应。 图4 尸0 8 钻孑L 剖面图 F i g .4 P r o f i l ef o rP 0 8 d r i l l i n gh o l e 2 .3 .2 地质构造 为什么会出现P 0 8 f L 抵抗线异常呢 通过表1 的钻孔信息,可以查出孔口坐标、钻孔方位和倾角, 与设计基本相符,排除了钻孔定位问题和方向不准 确原因。但是通过局部放大该孔的三维图形,如 图5 N 示,看到其轨迹异常弯曲。到现场查证,发现 一条泥砂质裂隙充填区正好位于, 0 0 8 i 1 , 位置,并得 到钻孔人员的证实。这说明,8 f L 抵抗线异常的原 因,不是操作造成,是因为打到软弱裂隙充填区发生 了钻孔变形偏移。 图5J p 0 8 钻孑L 三维图 F i g .5 3Dg r a p h i cf o rP 0 8 d r i l l i n gh o l e 万方数据 第3 3 卷第4 期沈大文,黄维进,叶元寿孔网参数测量技术在矿山爆破中的应用 8 l 表1e o s e r 右孔信息和剖面数据 T a b l e1P 0 8 D r i l l i n gh o l ei n f o r m a t i o na n dp r o f i l ed a t a 需要说明的是,对于异常裂隙构造,可以通过 Q u r r y m a n P r o 激光扫描仪测量出来,需要测量人员在 现场对该区域设置加密扫描。 2 .3 .3 孔距 图6 和图7 显示的是Y B l l 2 9 钻孔的平面图。 图6 为1 4 0m 水平的孔口测量图,其孔距和排距比 较均匀;图7 为1 2 5m 水平的孔底测量图,第一排孔 底分布比较凌乱;3 2 /L 与2 2 /L 过近而与4 孔相隔过 远。这样的钻孔如果进行装药施工,会导致炸药分 布不均而影响爆破效果,炮孔密集的地方过粉碎,炮 孔稀疏的地方则出现难掘的底根。操作上应考虑3 与4 样孔之间补孔,而且这个孔只能底部装药。 图61 4 0m 水平孔口测量隆 F i g .6 C o l l a ro fh o l ei n1 4 0r 2 .3 .4 起爆顺序 如果仔细观察图6 和图7 ,还能发现更加反常 的现象6 孔原本设计在5 2 /L 左侧 图6 ,结果孔 底却飘移到5 孔的右边、落于4 孑L 与5 2 /L 之间的 前方 图7 。我们调出三维图来看看它们是怎么跑 偏的。如图8 所示,可发现是6 孑L 方向有误,设计 为正南方向打孔,实际却偏到东南方向了。这样,原 先设计的前排孔起爆顺序,1 _ 2 _ 3 弭 巧 _ 撕 应调整为1 一2 _ 3 一6 4 一5 ,避免后排孔 先响而造成起爆失序的事故。 图71 2 5n l 水平孔底测量图 F i g .7 T o eo fh o l ei n1 2 5m f 矧8 ;12 9 纠l 丁Li 维I 钢 F i g .8 3 Dg r a p h i cf o rd r i l l i n gh o l ei nb l a s t i n gd e s i g nY B l1 2 9 应当注意的是,无论是抵抗线方向还是孔距方 向,因钻孔偏移而造成两个钻孔过分靠近甚至于贯 通,不仅会造成装药集中的问题,还可能在逐孔起爆 的设计中,因先爆孑L 对后爆孔装药产生高压作用,形 成动压失敏的拒爆问题∞J 。 2 .3 .5 爆破体积 单孔爆破体积是每个孔装药量的计算依据。传 统的计算公式为 万方数据 爆破2 0 1 6 年1 2 月 V H B S 式中H 、B 、s 分别为台阶高度、抵抗线和孔距; y 为所计算的单孔爆破体积。这种算法不准确,因 为曰、S 从孔口到孔底取值不一,只有钻孔轨迹为直 线且平行于自由面、相邻钻孔相互平行,这些条件同 时满足的情况下才能适用。 利用扫描测量的结果,这里推荐一种比较精确 的算法一地质剖面法在单孔剖面图上,可以画出以 顶部抵抗线一钻孔轨迹线 底部抵抗线一台阶剖面 线 第二排孔之后没有台阶剖面线,可参照前排孔 的轨迹线 形成该孔的梯形断面图,它与同一排相 邻孔的梯形断面图组成两个部面,相邻孔距 孔口 与孔底的平均孔距 为剖面间距,这样利用地质剖 面法计算出体积,为相邻钻孔共同负担的爆破体积。 还有一种相对简便的算法,即在三维图中构建 爆破区域的块体模型,算出整个爆破块体的体积,然 后平均分配到每个炮孔上。当然,其精确度是以钻 孔设计和施工的均匀性为前提。 专业软件 M D LF a c e p r o 能自动计算单孔爆破 体积,并为每个孔计算分配装药量。 2 .3 .6 钻孔偏移的原因 前面小节中定性分析了钻孔偏移对各类爆破参 数的影响。国外有定量研究精确钻孔利用s A - B R E X 软件模型来模拟钻孔精度对破碎效果的影 响,结果表明提高钻孔精度可以显著提高岩石破碎 均匀度,降低大块和粉料H 1 ;钴孑L 定位误差对炸药 单耗有显著影响p 一。 钻孔偏移产生的原因有多种,可能是人为的原 因如钻孔定位不准、钻孔方向偏离、钻孑L 倾角误差; 也可能是地质构造或软弱地层造成。管理中应查出 具体原因,人为的失误应杜绝,不利的地质条件要控 制,还要注意合适的钻机选型和参数应用,例如,顶 锤式液压钻机容易跑孔,而风动的潜孔钻机则相对 稳定;钻孔深度越深、钻孑L 倾角越大、钻孔直径越细, 越容易产生钻孔偏移1 。 2 .3 .7 爆破测量程序 泰玛士矿通过多年来的爆破测量、设计和施工实 践,形成了一套工作程序,保证了稳定的爆破效果。 1 预定布孔在准备爆破的台阶上布孔,依据 标准设计中的坡顶抵抗线和孔口孔距用皮尺测量, 现场标定预定钻孔位置。 2 首次测量扫描台阶面并对预定布孑L 进行 定位测量。 3 初始设计测量数据导入电脑处理,根据预 设的标准参数和自由面形态优化钻孔布置。最后输 出钻孔平面布置图和钻孔参数 孔深、钻孔方向和 倾角 指导钻孔。 4 验证测量钻孔完成后,进行验证测量,包 括孔口再定位和孔内测斜。如果台阶坡面有异常变 化,还需要对台阶重复扫描。 5 最终设计根据钻孔偏移情况或钻孔过程 中有无特殊地层和构造干扰,来调整装药结构和起 爆顺序。最终设计完善后经审批实施。 3 结论与建议 矿山爆破设计和施工中所产生的钻孑L 偏移是普 遍存在的,应充分重视其不良效应扰乱了设计中钻 孔与自由面、钻孔与钻孔之间的空间均衡,造成抵抗 线、孔距的等参数失真,形成装药不均,轻则影响破 碎效果稳定,重则产生飞石、噪音和震动等有害效 应,降低炸药能量的有效利用;如果造成起爆失序混 乱、动压失敏拒爆,则是更严重的问题。 应用孔网参数测量技术,为管理提供改进的依 据,并从技术上量化偏移设计的程度,评估其危害, 通过优化爆破设计、改善装药结构与调整起爆顺序 等技术手段来消除或减少它对爆破效果的影响。消 除了设计施工中的偶然误差,就能保证爆破效果的 稳定。 下面给出几点建议 1 通过孔网参数测量发现钻孔偏移、调整爆 破设计的结果不一定是最优设计,许多所谓的优化, 只是无奈的选择,所以爆破施工中应注重精确钻孔, 保证按初始设计施工。还要根据孔网参数测量结果 分析发生钻孔偏移的具体原因,针对性解决实际问 题,预防错误重复发生。 2 即使是测量技术和方法仪器日益发达的今 天,许多重要的爆破参数不能直接用仪器测量出来, 也不宜凭经验估测,而是从基础的孔网参数测量工 作做起。测量仪器的选择,应适于矿山的特殊环境。 仪器应具备自动扫描功能,手工测量需要经验选择 特征点,有人为的干预在里面,不如自动扫描客观。 而且自动扫描取点密度可大可小,形态复杂的台阶 面或特殊地质构造区域可以选择加密扫描。 3 每个爆破参数的计算应有合适方法,力求 准确有效。准确的数据不仅用于优化爆破设计和指 导施工,也可用于技术管理的积累。如同前述的台 阶面扫描,点密度达到一定程度,就能显示出台阶坡 面的自然形态,而积累的有效数据多了,就能找出统 计规律,可以反馈到爆破设计中,还能有助于岩体特 性和炸药性能的基础研究。 4 孔网参数测量技术的应用,应制定适合矿 山特点的工作程序,技术是支撑,程序为规范。欧美 国家的矿业规程强制要求矿山必须开展孔网参数测 量,要求每一个炮孔都要有位置记录,炮孔位置在任 万方数据 第3 3 卷第4 期沈大文,黄维进,叶元寿孔网参数测量技术在矿山爆破中的应用 8 3 上接第2 6 页 [ 9 ] w uZ ,H U A N GNE .E n s e m b l ee m p i r i c a lm o d ed e c o m p o - s i t i o n AN o i s e A s s i s t e dD a t aA n a l y s i sM e t h o d [ C ] ∥P r o c e e d i n g so ft h eF i r s tI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nt h eA d v a n c eo fH i l b e r t H u a n gT r a n s f o r ma n di t ’SA p p l i c a t i o n s , N a t i o n a lC e n t r a lU n i v e r s i t y ,T a i w a n ,2 0 0 6 . 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