基于GPS技術的露天礦山爆破設計及布孔

洪 勇，李禹錫

（廣東爆破工程有限公司，廣東 廣州 510700）

爆破作業屬于露天礦山開采工作的關鍵環節，礦山規模、爆區形狀、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計，若爆破方案設計不合理，不僅會影響爆破效果，阻礙露天礦山的開采作業，還會產生一定危險隱患，但傳統辦法難以完成高精度布孔，易形成偏差，此時可將GPS技術融入到露天礦山爆破設計工作中，以此保障布孔精度及爆破效果。

1 露天礦山作業中的GPS技術

1.1 技術原理

GPS技術為衛星導航系統，其以實時載波相位差分為基礎完成導航定位工作，輔以數據傳輸技術，可將GPS衛星導航系統所采集到的數據采用無線傳輸的方式傳遞給終端設備，經終端處理后，相關位置信息將會被傳輸至的流動站[1]。結合露天礦山作業來看，借助GPS技術進行測量定位前，應做好爆區現場測量工作，以實測結果為依據確定流動站與基準站，并做好手簿安裝工作。在實際測量期間，實測位置信息將會在基準站上與已知位置信息對比，經對比后產生差分改正數值，而差分改正數值將會在無線定向網絡、數據流量網絡中完成傳輸。基準站完成上述工作后，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的信息測算工作，使基準站傳遞而來的差分改正數值得到進一步細化分析，繼而提高位置信息精度，減少誤差。基準站與流動站處理實測位置信息的過程極為迅速，可在幾秒鐘內完成測算分析工作，效率優異且精度較高。

1.2 應用優勢

相較于傳統爆破設計及布孔方式，GPS技術具有顯著優勢，主要表現在以下幾個方面：第一，操作便捷。GPS技術在應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，僅要求爆區位于GPS基站范圍內。GPS技術應用難度低，可在較短時間內即可完成測量定位工作，可極大提升作業效率，且可在一定程度上降低成本。第二，數據精度高，依靠GPS技術，處于基準站范圍內的爆區測量精度可達毫米級，可極大提升布孔精度，繼而實現了精準化布孔，并保障了爆破作業的安全性。第三，覆蓋范圍大。GPS技術的應用突破了傳統尺量、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，同時可將計算機內孔網設計成果轉移到實際爆區現場中，最大限度地保障了布孔效果。第四，數據處理高效。GPS技術功能的實現依托于專業設備完成，在設備幫助下，可便捷化進行數據采集與分析，極大提升數據分析速率，并可銜接可視化技術獲得直觀化數據分析結果。

1.3 技術功能

在露天礦山爆破設計及布孔作業中，GPS技術的功能主要體現在點測量與點放樣兩個方面。第一，點測量。在普遍性地形情況下，一名操作人員將儀器設備安置于碎部點靜置幾秒鐘，以此即可獲得該破碎點的三維坐標及定位精度，在較短時間內即可完成點測量工作，且操作簡單。按照上述操作完成破碎點位測量后進行數據處理工作，以此為依據搭建三維模型，依托于模型直觀化展示露天礦山面貌。在露天礦山爆破設計與布孔作業中，GPS技術點測量是最為便捷的數據采集方式，操作簡單，但為保障點測量效果，需將GPS軟件調整為固定解狀態，在該狀態下顯示著坐標、天線高、高程、速度、航向等信息，若需存儲該點位，則可直接運用GPS系統的快捷鍵“A”，以此即可快速完成點位存儲工作[2]。第二，點放樣。露天礦山爆破設計與布孔作業中，為實現爆破，需結合爆區概況做好布孔與驗孔工作，但在傳統辦法中，多借助卷尺確認孔位，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同配合下方可完成該工作。而依靠GPS技術，可根據前期點位測量結果將位置坐標信息存儲至手簿內，以此為依據精準化完成布孔、驗孔工作。在GPS技術點放樣功能下，可高效化、精準化完成布孔、驗孔作業，并可對坐標庫內點位進行確認，在爆區實際地形中予以標注。在上述過程中，需將GPS軟件轉為坐標管理庫界面，根據實際情況選擇放樣點，將點位轉移至指示界面，此時在指示界面內將顯示放樣點方位及距離，并對放樣移動情況進行顯示，當放樣點與目標點間的距離低于1m時，界面內容將會進一步細化，并進行局部精準放樣，且GPS軟件會自動發出系統提示音，以此確保點放樣工作能夠順利完成。

2 露天礦山爆破設計與布孔中GPS技術的應用實例分析

2.1 案例概況

為增強基于GPS技術的露天礦山爆破設計與布孔研究分析現實意義，本次選取某露天鐵礦爆破設計與布孔作業為實例展開分析，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定性，結合該露天鐵礦生產計劃，需在該露天鐵礦西側區域實施爆破作業，爆區內礦巖主要為磁鐵礦，礦層寬度與長度分別為55m與527m。

2.2 現場測量

露天礦場爆破效果與爆區現場測量結果存在直接性關系，若現場測量不精準則會導致爆區邊界模糊，繼而嚴重降低爆破設計精度，且易導致邊排孔破壞的情況，提高爆破作業的危險性。故完成電鏟收區工序后，應詳細測量爆區現場信息，依托于實測數據了解爆區全貌，總結爆區特征，明確爆區目標，為后續爆破設計與布孔方案的確定奠定基礎。在案例露天鐵礦爆破設計與布孔作業中，選擇南方測繪S86T RTK測量設備，其具有信號強、精度高、作用面積廣的優勢，在爆區數據采集期間，主要依靠該設備完成測量工作。爆區坡頂線是否精準可直接決定后續爆破方案的設計效果，從本質上看，爆區坡頂線能夠決定露天鐵礦爆區的位置及形狀，故應用RTK測量設備進行數據采集時，應盡可能提高爆區坡頂線數據精度，繼而使測繪得出的爆區情況能夠無限接近于爆區現場。

在爆區現場測量期間，還需做基站架設工作，而露天礦山爆區的基站與常戶外基站存有一定差異，露天礦山爆區在設置時，應滿足以下要求：①使基準站能夠穩定置于平地基處，且要求地基高程較高；②爆區基準站周邊不可存在高壓電線或線電發射器，防止其磁場干擾基準站GPS信號的傳輸與接收，此外，基準站的設置還需遠離高大構筑物，避免高大構筑物阻礙GPS信號的傳遞[3]。③爆區基準站周邊不可存在能夠對衛星信號產生干擾的事物，如大面積水域等，最大限度地保障基準站信號接收的效果。而戶外移動基站在設置時，應注意以下幾點：①應用戶外移動基站時，應注意危險坡底，在采集坡底線或坡頂線時應杜絕交叉打點情況，并預防規避巖石垮塌風險，需在保障現場數據采集精度的同時保障作業安全性。②依托于戶外移動基站采集爆區現場信息時，應做好各點位的信息數據分類工作，即區分邊界點位及邊界內點位。③采集復雜地形條件的爆區現場情況時，應在完成點位分類基礎上進行標記，為后期數據分析與校正奠定基礎。

2.3 孔網設計

2.3.1 天線安裝

在孔網設計過程中，為最大限度發揮出GPS技術的優勢，需做好GPS天線安裝工作，準備兩根高精度天線，將其安置于鉆機設備鉆桿側與鉆機前頂側，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據精準有效，而天線與鉆桿之間的距離應保持在2.4m左右及1.55m左右。

2.3.2 鉆機位置

鉆機位置的確定主要從鉆桿、機頭兩個方面進行。第一，鉆桿定位。完成GPS天線安裝作業后，應根據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技術測量鉆桿平面坐標，以此得出了兩個天線及鉆桿的平面坐標，繼而在直角坐標系內構成了三角形結構，此時可進一步結合天線及的鉆桿的坐標計算該三角形的三邊夾角及邊長。在此固定結構下，鉆機移動將會帶動著兩個天線的移動，相關的平面坐標同樣會產生變化，此時，可結合上述計算得出的三邊夾角及邊長數據，完成鉆桿的定位工作。第二，機頭定位。鉆機機頭是確定穿孔方向的主要部件，且在鉆機整體設備中具有導航作用，機頭行進方向則為鉆機設備前進方向，當鉆機進入移動狀態后，此時可根據GPS天線移動前后的變化情況得出機頭坐標，以此確定鉆機設備的駕駛室位置信息。

2.3.3 自動布孔

依托于GPS軟件還可實現自動布孔工作，在案例露天鐵礦中，其爆區臺階粗規整性不強，故經綜合分析考慮下，最終確定布孔方式如下：①后排孔。按照爆區臺階走向，由操作人員移動測量儀獲得穿孔區域起始點及終點位置的三維坐標情況，將起終點連接，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臺階形狀特征進行確定，即臺階形狀發生變化后，前排孔同樣需會產生變化，故為提高爆破設計效果，保障鉆機安全，要求前排孔數量應動態化調整，以此確保前排孔設置情況能夠符合爆區現狀。完成前排孔位置確定后，需進一步借助RTK測量儀器完成三維坐標的確定工作。③孔深。對于露天礦山爆破作業而言，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置工作后，需進一步確定布孔孔深。確定孔深期間，要求操作人員選取爆區內具有代表性的典型點位，以現有數據為依據確定其孔深，并以典型孔深數據為依據得出所有孔深情況。④完成前排孔、后排孔、孔深、孔距等參數的確定工作后，可將相關數據輸入至GPS軟件系統內，借助GPS軟件技術效果進行自動布孔。⑤立足于爆區現場實際概況及穿孔區域結構特征，對上述步驟所得出的穿孔數據進行校正，增加或刪除布孔點位，以精細化布孔為目標調整穿孔坐標，以此保證布孔效果。

2.3.4 孔網設計

在案例露天鐵礦爆破設計及布孔作業中，選用型號為YZ55B的牙輪鉆機作為穿孔設備，選用WK-10C型號的電鏟開展采掘作業，此外，為高效完成采裝運輸工作，準備了MT4400、830E、MT3700B三種型號的電動輪運礦車[4]。依托于上述機械設備設計露天鐵礦爆破孔網數據。結合案例爆區結構分析其形狀及巖性，借助CAD設計軟件繪制露天鐵礦爆區孔位圖。在案例露天鐵礦爆區結中，其上部、下部的水平標高分別為1483.11m、469m，依據上述布孔結果確定最終穿孔面積，約為25071.9m2，同時結合孔網參數情況來看，預計需鉆孔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 布孔初設計

通過天線安裝、鉆機定位、自動布孔、孔網設計工作后，對上述步驟所獲得的放樣點位信息進行整理歸納，并根據爆區實際情況進行校準檢驗，確保點位精度后，進一步基于案例露天鐵礦爆區三維模型及電子圖展開布孔初設計，綜合考慮爆區礦巖分布情況及爆區結構形狀，按照列與排的方式進行設計，同時布設炮孔坐標。此外，運用CAD軟件內的VBA管理器運行設計插件，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數據上傳至的表格中，完成坐標點位的統計工作后進行校驗，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 現場放樣

在爆區現場放樣期間，應使GPS移動基站始終屬處于爆區基準站信號范圍內，并保障爆區基準站的信號強度。確保上述條件下，按照布孔設計方案中的坐標信息在爆區現場內依次布孔，在爆區布孔期間，要求GPS移動基站桿始終處于垂直狀態下，依次保障爆區孔位精度，為高效露天礦山爆破作業奠定基礎。完成爆區現場放樣后，需做好保護措施，確保孔位不會產生移動、磨損情況，并做好標記工作。

2.5 網路設計

案例露天鐵礦爆破設計與布孔期間應用了GPS技術，為更好地保障爆破效果，驗證GPS技術在爆破設計與布孔作業中的價值，在案例露天鐵礦中，選用了高精度管雷管，結合案例實際情況最終選取了五種規格的雷管，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孔內高精度雷管[5]。案例工程中的爆破網路如圖1所示，以此為依據進行逐孔微差起爆。

圖1 案例露天鐵礦爆破網路

2.6 效果分析

完成爆破作業后，需進一步總結分析該露天鐵礦的爆破設計及布孔效果，在此期間，應從爆堆形狀、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，礦巖塊度決定設備磨損更換成本及后期采裝成本。案例露天礦山按照傳統方式進行爆破布孔后，所形成的巖石塊度不均，大塊巖石概率較高，將會產生極大安全隱患，但從質量效果角度來看，應可能降低大塊巖石概率，以此減小運礦車待車時間。而案例露天鐵礦按照GPS技術測量指導完成爆破后，多形成的礦巖塊度較小，經現場統計分析，發現大塊巖石量減少了五分之二，符合露天鐵礦采裝作業需求。結合案例鐵露天鐵礦爆破情況來看，GPS技術可為爆破設計與布孔作業提供良好指導，提高布孔精度，保障爆破質量，故在未來露天礦山的爆破設計與布孔作業中，應主動積極應用GPS技術，并可結合實際情況選擇適宜的GPS測量軟件及雷管規格，盡可能確保露天礦山爆破布孔作業可順利完成。

3 結語

綜上所述，GPS技術在露天礦山爆破設計與布孔作業中具有顯著性優勢，極大改善了作業模式，削減了孔網參數誤差，極大提升了爆破設計與布孔質量。在實踐應用期間，應以因地制宜為原則，在明確爆區概況基礎上嚴格落實現場測量工作，確定爆區參數，借助GPS技術完成鉆進定位工作，以此為依據完成孔網設計，做好布孔初設計，完成現場放樣工作后展開網路設計。案例工程按照上述方式極大提高了爆破設計與布孔質量，以此驗證了GPS技術應用效果。