基于高速摄影的露天矿山爆破效果评价.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9 N o ．3 S e p ．2 0 1 2 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 2 ．0 3 ．0 0 8 基于高速摄影的露天矿山爆破效果评价半 陈庆凯1 ，孙俊鹏2 ，李松鹏1 ，林建章1 1 ．东北大学资源与土木工程学院，沈阳1 1 0 8 1 9 ；2 ．大连经济技术开发区金源爆破工程有限公司，大连1 1 6 6 0 0 摘要露天开采过程中，爆破效果不仅直接影响着铲装、运输、粗碎等工序的生产效率和综合成本，也是 矿山生产技术和管理水平的重要标志。通过对爆破效果的评价可以发现矿山爆破存在的问题，为爆破参数 优化提供依据，也是施工监督管理的重要手段。采用高速摄影对露天矿山爆破过程进行数据采集，采用专业 软件对爆破瞬间和爆破后的影像资料进行处理和分析，得到爆破效果综合评价结果。以某露天矿为例，对其 爆破效果进行评价得出的主要结论是飞石范围小于矿山规定的安全距离，满足飞石安全距离的要求；填塞 物冲出的高度过大，整体堵塞质量不好；爆堆形态和破碎块度尺寸满足挖掘设备工作要求；破碎质量较好，大 块率低，矿岩的块度较均匀。 关键词露天矿山；爆破效果评价；高速录像机；爆堆形态；飞石距离 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 2 0 3 0 0 3 1 一0 4 E v a l u a t i o no fB l a s t i n gE f f e c to fO p e n p i tM i n e b a s eo nH i g h - s p e e dV i d e o C H E NQ i n g ．k a i l ，S U NJ u n - p e n 9 2 ，L IS o n g - p e n 9 1 ，L I NJ i a n - z h a n 9 1 1 。C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 81 9 ，C h i n a ； 2 ．J i n y u a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o m p a n y ，D a l i a nE c o n o m i ca n dT e c h n o l o g i c a l D e v e l o p m e n tZ o n e ，D a l i a n11 6 6 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so fo p e np i tm i n i n g ，t h eb l a s t i n ge f f e c td i r e c t l ya f f e c t st h es u b s e q u e n tp r o d u c t i o ne f l l - c i e n c yo ft h ew o r k ，s u c ha sl o a d i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，p r i m a r yc r u s h i n g ，a n dt h ec o m p r o h e m i v ec o s t ，b u ta l s or o f l e c t e d ’ t h ei m p o r t a n ts y m b o to ft h em i n ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e ml e v e l ．B l a s t i n ge f f e c te v a l u a t i o nc o u l df i n d m i n eb l a s t i n gp r o b l e ma n dp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h eb l a s tp a r a m e t e mo p t i m i z a t i o n ．w h i c hW a sa l s o 锄i m p o r t a n t m e a n so fc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t ．T h ec o m p o u n de v a l u a t i o no fb l a s t i n ge f f e c tW a sd i s s e r t a t e dt oc o l l e c t ，t r e a ta n d a n a l y z et h ei m a g ed a t ai nt h eb l a s t i n gm o m e n t sb yu s i n gt h eh i g h - s p e e dv i d e oe q u i p m e n ta n da n a l y s i ss o f t w a r e 。T h i s m e t h o dw a sa p p l i e di no n eo p e n - p i tm i n e ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l yr o c kr a n g em e e t ss a f e t yr e q u i r e m e n t sa n dt h e s t e m m i n gr u s h e do u th i g h l yd u et ot h ew e a ks t e m m i n gs t r e n g t h ．T h em u c kp i l ea n dt h eb r o k e ns i z em e e tt h el o a d i n g m a c h i n er e q u i r e m e n t sa n dt h er o c kf r a g m e n ti sh o m o g e n e o u s ． K e yw o r d s o p e n - p i tm i n e ；b l a s t i n ge f f e c te v a l u a t i o n ；h i g h - s p e e dv i d e o ；m u c k - p i l es h a p e ；f l yr o c kd i s t a n c e 收稿日期2 0 1 2 0 3 2 1 作者简介陈庆凯 1 9 6 5 一 ，男，辽宁沈阳人，东北大学副教授、博 士，主要从事矿床开采、爆破技术教学科研工作， E m a i l c h e n q i n g k a i m a i l ．n e u ．e d u ．c a 。 通讯作者林建章 1 9 8 6 一 ，男，福建莆田人，东北大学硕士研究生， 。研究方向为爆破技术， E m a i l l i n j i a n z h a n 9 1 9 8 6 1 2 6 ． e o m 。 基金项目教育部留学回国人员科研启动基金资助项目 爆破是矿山破碎矿岩的主要手段，爆破效果的 好与坏会直接影响到铲装、运输、破碎等工序的生产 效率，良好的爆破效果是矿山取得最佳经济效益的 关键。所以选择一种合适的爆破效果评价方法至关 重要。 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 爆破效果分析评价方法 通过分析影响爆破效果的因素J 矿岩的地质条 件、炸药与岩石的匹配状况、自由面、装药结构、起爆 药包位置、堵塞、起爆时间和起爆顺序，根据爆破效果 评价现状，选定利用高速录像机配合普通数码照相设 备，对爆破瞬间和爆破后的效果进行影像资料的记录 并以此来对爆破效果进行评价。从填塞物的喷射情 况、飞石距离、爆堆块度分布和爆堆形态出发，对炸药 能量利用率、飞石的安全距离、爆破破碎质量和爆堆 是否满足设备工作要求4 个方面选择合适的分析方 法【2 j ，对露天矿山爆破效果进行综合的评价。 1 飞石距离和炮孔填塞质量的评价方法。利 用高速摄影法对露天的现场爆破直接观察，获得影 像资料，利用专业软件，通过分析每一个画面中填塞 物和飞石的位移与画面间时间间隔的关系，直接得 到飞石的速度和位移等重要参数，并形成直观的图 表，便于分析对比。然后根据物理公式，计算出抛射 飞石的最大飞行距离，再通过与经验公式计算结果 和矿山现行的安全距离规定进行对比，确定爆破效 果是否符合安全要求o 。 2 爆堆破碎质量和爆堆形态的评价方法。采 用横断面的轮廓尺寸对爆堆的形态进行定量的描 述，并与铲装设备的工作特性相比较，评价爆堆的形 成效果。通过尺寸参照对爆堆拍照，对爆前爆区的 形态、爆后未开挖时爆堆的形状和开挖后爆堆断面 的形态进行分析和综合评价。单一的测量方法难于 有效地测量实际破碎程度，比较实用的方法是采用 照相法获得爆堆矿岩块度信息，凭人的直观判断能 力，在对照片进行定性对比与匹配后，定量地确定全 爆堆矿岩块度的大小及组成M l 。用平均块度值和 块度均匀性指数值以及大块率指标对全爆堆矿岩破 碎质量进行综合的评价。 2 数据采集与处理工具简介 2 ．1 高速录像机 B l a s t e r ’sR a n g e rH R B l a s t e r ’8R a n g e rH R 使用的是1 8 号冷轧钢制造 外壳。小键盘和连接件还有c F 卡接口均采用密封 圈进行处理，可以应对爆破现场的复杂条件。高速 录像机用于辅助爆破工作人员选定爆破参数。通过 高速录像机，爆破工作人员可以观看爆破结果的慢 速回放，便于通过计算机来进行爆破过程的数值分 析。其价值在于可以慢速的回放，有助于分析数据。 高速录像机在露天矿山爆破参数优化中有2 个 主要的作用，最主要的作用就是可以获得露天爆破 的高速录像影像资料，借助分析手段对影像资料和 图片资料进行分析，为爆破设计参数优化提供参考。 同时也可以对爆破器材的实际工作情况进行分析， 特别是对雷管延时时间的测量，可以直观地测量孑L 间延时和孔内延时。 通过高速录像机可以获得的参数包括一J 爆破 的起爆顺序；第1 个岩石移动的位置和表面移动的 形状；观察是否发生拒爆并且确定其位置；爆堆形成 的特征；岩石移动的波动时间 包括自由面和台阶 顶部 ；边坡和台阶顶部飞石的加速度，速度和位 移。孔内气体和填塞物的喷射初速度；实际的炮孔 或平台的延时长度；爆堆的抛掷范围。 通过充分的准备和细心的操作、分析，可以获得 爆破工作参数优化的重要资料。除此之外，高速录 像机可以提供爆破瞬间的重要影像资料，可随意回 放，进行精确分析。 2 ．2 爆破影像资料分析软件 B l a s t e r ’SM A S3 ．0 爆破分析软件B l a s t e r ’sM A S3 ．0 是与高速录像 机相配合使用的。现场录制爆破过程所获得的影像 资料为A V I 格式的文件，在计算机上将其转化为软 件可以识别的图片格式，或用软件对影片格式的短 片直接进行分析。 软件可以直观的对每一幅画面进行编辑，在图 面上标记明显的运动质点，作为爆破瞬间岩石运动 情况的代表，通过软件的自动计算，可以得出飞石和 填塞物的速度和位移“ J ，在软件自定义回放的过程 当中，可以清楚的了解到炮孔拒爆的情况，以及爆破 的实际延时时间。这些参数在矿山爆破过程当中都 是非常重要的。 3 实例 某露天矿山5 次台阶爆破参数如表1 所示，利 用高速录像机对其爆破过程进行了高速录制。图1 是其中一次爆破瞬间效果图。 图I 填塞物冲出、飞石飞散 F i g ．1S t e m m i n gm a t e r i a l sf l yo u to fM eb o r e h o l e a n df l y - r o c kd i s p e 玲i o n 万方数据 第2 9 卷第3 期 陈庆凯，孙俊鹏，李松鹏，等基于高速摄影的露天矿山爆破效果评价 3 3 表1 某露天矿爆破参数 T a b l e1 B l a s t i n gp a r a m e t e r si n 粕o p e np j tm i l l e 对多个飞石进行跟踪分析得到飞石最大速度的 平均值为秒 5 2m ／s 。图2 是飞石速度变化曲线。 图2 飞石速度变化曲线 F i g ．2 V a r i a t i o nC U r V eo ff l yr o c ks p e e d 通过对图像的分析得知，达到最大速度时飞石 的平均水平位移和竖直位移分别为L 。 1 0m ，H o 1 9I T I o 根据物理公式推导，最大飞行距离近似计算公 式‘6 ] L 。。 4 【厶『0 兰三一月r 0 】1 以 L 0 可以得到飞石的最大飞行距离为 ￡一 2 0 0 ．1 m 通过经验公式‘7 ] R 4 0 ／2 ．5 4 D 2 计算得到的最大飞石距离为￡’一 4 0 0m 实际飞石的距离比采用公式计算所得的距离小 很多，该露天矿山爆破的安全距离规定为3 0 0n l 。 现场爆破效果达到了安全要求，人为控制的安全范 围较好，对警戒区以外的设备和人员造成伤害的概 率大大降低。此过程所分析的飞石是从多个炮孔冲 出的多个不同方向的飞石。从理论上讲，当飞石的 飞行方向与水平方向接近且小于4 5 。时，飞行的距 离最远。从多个炮孔中飞出的众多飞石，总存在以 这样角度飞出的石块，所以用最大速度进行计算，具 有代表意义，可以有效的分析爆破的飞石范围。在 忽略空气阻力情况下所得到的结果要比考虑空气影 响时候距离值要大，当飞石的密度为2 7 0 0k g ／m 3 ，初 速度为7 6m ／s 、抛掷角4 5o 时，在真空中其抛掷距离 大约为5 8 0m ，由于空气阻力，对8C l T I 碎石其飞行 距离就会减小到真空中的1 ／5 ，5 0 e r a 碎石则只有 1 ／2 的距离，而2m 的巨石则可以保持9 0 ％的距 离喁】。可见一般的飞石受到空气影响是非常大的， 但是计算空气阻力的影响时，有太多的不确定因素， 在矿山爆破效果评价时，可以利用其在同一生产条 件下的可比性，以飞石在理想状态下的飞散距离来 评价爆破效果。 4 爆破效果分析评价结果 1 对高速录像内容进行分析得到，现场常用 的孔径为3 1 0m m 和2 5 0m i l l ，炮孔中填塞物冲出最 大速度的平均值分别为2 5 3m ／s 和1 2 3m ／s ，在理想 状态下，计算其冲出的最大高度分别为3 2 6 5 ．2m 和 万方数据 爆破2 0 1 2 年9 月 7 7 1 ．9m ，小孔径炮孔在填塞长度小于大孔径炮孔 时，填塞物冲出速度仍小于大孔径中填塞物冲出的 速度。矿山现场可以通过比较填塞物冲出情况，来 确定不同孔径炮孔的填塞长度比例，并且通过冲出 速度的情况来确定同一爆区炮孑L 填塞的均匀程度。 由于现场填塞物冲出的情况很复杂，大多为粉体，颗 粒的体积无法准确计量，在高速运动情况下，空气的 阻力不可忽略，冲出时在孔口处的加速度特别大，速 度达到最大后又迅速下降，不能够根据理想状态的 条件计算其冲出的最大高度，只能利用足够长的高 速录像观察冲出高度。冲出物的最大速度在同一矿 山相同孔网参数和相同岩石性质的爆区条件下才具 有可比性，可以作为评价填塞质量、填塞物作用效果 和现场施工质量的一个指标。图1 中显示爆破效果 与录像结果分析具有较好的一致性，表明该次爆破 填塞长度不足或填塞质量不好，导致填塞物冲得太 高，爆破质量自然难以得到保证。即使爆破质量得 到了保证，也会因为填塞物过早冲出，使爆生气体作 用时间缩短，造成炸药能量的浪费，同时也容易产生 较远的飞石。 2 飞石影响着矿山生产的安全，它的产生与 填塞质量好坏有直接的关系，同时也与装药量、炮孑L 直径、填塞长度等爆破参数有密切的关系，在影像资 料中可以直接跟踪。通过软件自动计算飞石最大速 度的平均值为5 2m ／s ，在理想状态下，计算其飞行 的最大距离为2 0 0 ．1m ，小于露天矿山规定的3 0 0m 的安全距离，爆破效果达到安全要求。在分析过程 中，同样面临着因为空气阻力的存在而导致的不确 定因素。对飞石的空气阻力是与飞石的线性尺寸及 其初始速度成函数关系，空气阻力对较小飞石的影 响比对大块飞石的影响要大些。经验指出爆破块 度平均尺寸为1 0c m ，因此空气阻力的影响是相当 大的o 。这样，如果在理想情况下也就是受空气阻 力忽略的情况下计算出的飞石范围小于矿山规定的 安全范围，则实际情况必然满足安全要求。 3 利用高速录像的影像资料，观察慢速回放， 对爆炸瞬间、填塞物作用的时间和填塞物冲出的顺 序进行分析。在其中某爆区影像资料的第7 0 3 个画 面开始，后排孔比前排炮孔填塞物先冲出，与起爆网 路中设计炮孔的起爆顺序不相符，初步分析原因是 现场起爆网路连接错误或局部填塞质量不合格。 2 5 0l l t l m 和3 1 0m m 炮孔中填塞物平均作用时间分 别为0 ．2 0 08 和0 ．1 3 1s ，大于经验公式计算值，能够 保证炸药能量的充分利用。经计算得出的规律表明 在相同填塞长度的情况下，炮孔的直径越大填塞物 作用的时间越短。 4 爆破结束后，利用普通的照相设备，结合现 场测量和参照物尺寸，将爆堆形态的各项参数与铲 装和运输设备的运行空间要求进行对比。根据实际 测量结果，该露天矿爆破形成的爆堆前冲距离和爆 堆的最大高度2 项参数满足设备工作要求，后冲高 度和后冲距离较小，节省了清场的工作成本，为后续 工作的正常进行打好了基础。 5 现在低成本的数码照相设备，可以为矿山 爆破破碎质量的评价提供便利的条件，在矿山生产 过程中，通过筛分标定，建立矿岩破碎块度分级标准 照片的基础上，利用低成本的数码照片结合现场工 人的经验和直觉的判断力，方便地在计算机上进行 人工对比匹配，将爆堆矿岩块度进行分级一J ，得出 块度分布、块度均匀度系数和大块率等重要参数。 实际的分析结果表明，该露天矿爆破的破碎效果较 好，大块率仅为1 1 1 0 0 0t ，与处理大块时所进行的计 算结果值基本一致，块度均匀度系数为1 ．7 9 ，平均 块度为3 4 8 ．3m m ，为矿石的粗碎提供了良好的条 件，同时也有利于排岩工作的高效进行。 5 结论 通过对某露天矿爆破过程的高速录像和爆堆形 态的图片拍摄，利用专业分析软件对采集的数据进 行详细地分析与处理，分别从飞石距离、填塞质量、 爆堆形态和爆破破碎质量几个方面对该露天矿的爆 破效果进行了综合评价，得出以下结论 1 飞石范围控制在2 0 0m 之内，小于经验公 式计算所得的值和矿山规定的安全距离，达到了安 全要求。但是在有弱面等特殊地质情况出现时，还 应让人员和设备避开更远的距离，以确保安全。 2 虽然炮孔填塞长度较稳定，但是由于使用 钻孔排出的岩粉直接进行填塞，而且对水孔没有进 行特殊处理，存在普遍的问题是填塞效果较差，造成 填塞物冲出的速度和冲出的高度过大，上部装药的 能量没有得到充分的利用，也对矿山生产的安全产 生了影响。总体而言，填塞质量不是很好。建议该 露天矿增大堵塞物的密度或加大填塞长度，以改善 填塞质量，提升整体爆破效果。 3 爆堆形成效果较好，后冲高度和后冲距离 较小，爆堆的最大高度和前冲距离都在合理的范围， 满足了铲装设备的工作要求。 下转第1 0 8 页 万方数据 1 0 8爆破 2 0 1 2 年9 月 上接第3 4 页 4 现场实际的破碎质量良好，矿岩块度均匀， 大块率保持在1 ／1 0 0 0t 的较低水平。 。 参考文献 R e f e r e n c e s 程康，苏微倩，张桂涛，等．空气间隔装药技术周边孔 间距对爆破效果的研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 4 1 5 1 6 ． C H E N GK a n ，S UW e i q i a n ，Z H A N GG u i t a o ，e ta 1 ．A n a l y s i so ni n f l u e n c eo fc o n t o u rb o r e h o l e ss p a c ew i t ha i r - 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