張兵兵 李萍豐 謝守冬 陳光木 陳晶晶 黃東興

(1.宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510623;2.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512127)

露天礦山臺(tái)階爆破效果分析是評(píng)價(jià)與優(yōu)化臺(tái)階爆破施工的重要環(huán)節(jié),主要包括爆堆形態(tài)、爆堆塊度、爆破有害效應(yīng)控制等。其中,爆堆形態(tài)分析至關(guān)重要,反映了爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)的合理性,直接影響了挖裝效率與采區(qū)布置。業(yè)內(nèi)學(xué)者及工程技術(shù)人員開展了大量的研究工作,通過優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo),如炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、起爆方式等[1-4],采用層次分析法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或集成化評(píng)價(jià)體系[5-6],分析不同指標(biāo)的影響權(quán)重并確定關(guān)鍵因素,同時(shí)開展爆破形態(tài)模擬與預(yù)測(cè)[7-8],進(jìn)而優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)與施工方案。受限于露天礦山臺(tái)階爆破的地質(zhì)條件多變性及施工的復(fù)雜性,單純依靠評(píng)價(jià)指標(biāo)及模擬預(yù)測(cè)存在一定的不足。因而采用更為先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器是十分必要的,如高速攝像機(jī)、三維激光掃描儀等,可真實(shí)反映爆堆形態(tài)分布特征。高速攝像機(jī)可有效采集爆破瞬間的拋擲軌跡信息,且支持反復(fù)回放,有助于實(shí)現(xiàn)精確分析[9-10];三維激光掃描儀通過重建爆堆點(diǎn)云模型,可有效提取相關(guān)參數(shù),定量分析效果良好[11],但是三維激光掃描儀(如手持式、固定式、機(jī)載式)價(jià)格昂貴,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不突出[12];低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有全覆蓋、高精度等優(yōu)勢(shì),能夠滿足礦山作業(yè)的精度與效率要求,實(shí)用性較好?，F(xiàn)階段,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用越來越廣泛[13],特別在三維模型重建、安全隱患監(jiān)測(cè)與排查、工程計(jì)量等方面應(yīng)用效果良好[14-15],但該技術(shù)在臺(tái)階爆破爆堆分析與綜合評(píng)價(jià)方面的研究與應(yīng)用較為薄弱。本研究以大寶山露天多金屬礦山鐵門661 m平臺(tái)爆區(qū)為例,基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)露天礦山爆堆形態(tài)進(jìn)行分析。

1 露天礦山爆堆形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

爆堆形態(tài)是露天礦山爆破效果的外在表現(xiàn)形式,綜合反映了爆破設(shè)計(jì)參數(shù)與爆破施工的合理性,本研究認(rèn)為露天礦山爆堆形態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括如下幾類。

(1)臺(tái)階爆破類型。通過獲取爆堆堆置高度、拋擲距離等參數(shù),綜合評(píng)價(jià)臺(tái)階爆破類型,進(jìn)行歸類分析,判斷屬于何種類型,如松動(dòng)爆破、減弱拋擲爆破、標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破、加強(qiáng)拋擲爆破,并與爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)分析。

(2)爆堆形態(tài)參數(shù)。測(cè)定爆堆輪廓線、鼓起或者凹陷的深度,綜合分析爆破形態(tài)是否合理,判斷有無(wú)盲炮存在。

(3)爆堆拉裂程度。獲取爆堆拉裂范圍參數(shù),綜合評(píng)價(jià)爆破形態(tài)局部差異性的影響因素,為后期類似地形地質(zhì)條件下的爆破方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(4)爆堆表面塊度大小。爆堆表面塊度是爆堆形態(tài)的重要組成部分,具有分區(qū)現(xiàn)象,反映了爆破設(shè)計(jì)參數(shù)與巖石性質(zhì)的匹配性,體現(xiàn)在爆區(qū)巖石擠壓程度與塊度分布等方面。

2 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的爆區(qū)三維實(shí)景建模

2.1 臺(tái)階爆破工程背景

大寶山露天礦地質(zhì)條件復(fù)雜,多采用中深孔臺(tái)階爆破技術(shù),臺(tái)階高度為12 m,該礦鐵門661 m平臺(tái)標(biāo)高基本維持在661.2 m,下部平臺(tái)標(biāo)高為649.1 m;采用混裝銨油炸藥為主裝藥,2號(hào)巖石乳化炸藥作為起爆藥包,最小抵抗線為3.36 m,孔網(wǎng)參數(shù)為6.5 m×4.5 m,設(shè)計(jì)炸藥單耗為0.38 kg/m3,垂直鉆孔直徑為140 mm,為加強(qiáng)拋擲爆破類型。待爆區(qū)域最大長(zhǎng)度為135 m,寬度為18 m,實(shí)際警戒范圍為爆區(qū)中心向外300 m。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

本研究采用大疆精靈4 RTK小型四旋翼無(wú)人機(jī),搭載高清可旋轉(zhuǎn)式單鏡頭,焦距為12.83 mm,支持正射、井字形及五向航攝模式,考慮到爆區(qū)航測(cè)的高精度要求,故采用單鏡頭模擬爆區(qū)五向航攝模式。由于鐵門區(qū)域周邊存在建(構(gòu))筑物,與爆區(qū)相對(duì)高差為60 m,將起飛地點(diǎn)選擇在649 m大平臺(tái),相對(duì)航高為100 m,較好地滿足了安全航測(cè)要求。設(shè)計(jì)測(cè)區(qū)保證完全覆蓋爆區(qū)范圍,實(shí)際航測(cè)面積小于0.1 km2;在爆區(qū)兩側(cè)、下部平臺(tái)及上部平臺(tái)共布置了4個(gè)像控點(diǎn)[16],采用手持RTK獲取像控點(diǎn)的坐標(biāo),用以分析航測(cè)精度;同時(shí)為保證影像的完整性及高精度要求,旁向重疊率及航向重疊率均設(shè)置為80%,通過增加航攝影像數(shù)量提高完整性。航測(cè)規(guī)劃流程如圖1所示。

圖1 航測(cè)規(guī)劃流程Fig.1 Flow of aerial survey planning

在爆區(qū)爆破前,選取649m大平臺(tái)視野開闊的地點(diǎn)作為起飛降落位置,按照設(shè)計(jì)路線進(jìn)行航測(cè)作業(yè);由于單塊智能電池的續(xù)航能力僅能維持在30 min左右,一個(gè)架次結(jié)束后,更換電池繼續(xù)航測(cè),直至航測(cè)任務(wù)完成,外業(yè)航測(cè)耗時(shí)35 min。在爆區(qū)爆破后,按照爆前航測(cè)操作流程,繼續(xù)采集爆后圖像,共采集了296幅高清圖像(圖2)。

圖2 局部的爆前航測(cè)影像Fig.2 Local aerial survey images before blasting

2.3 臺(tái)階爆破兩期三維模型重建

外業(yè)航測(cè)采集的數(shù)據(jù)主要有像控點(diǎn)坐標(biāo)和影像信息,數(shù)據(jù)種類較為簡(jiǎn)單,方便后期處理。內(nèi)業(yè)處理階段,采用Smart3D軟件進(jìn)行影像自動(dòng)匹配、空三計(jì)算及模型重建,具有操作流程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)兼容性好及精度高等優(yōu)勢(shì)。首先將獲取的爆前影像進(jìn)行自動(dòng)匹配分析,保證影像數(shù)據(jù)信息的完整性;通過導(dǎo)入4個(gè)像控點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)行影像的對(duì)應(yīng)刺點(diǎn),同時(shí)應(yīng)保證每個(gè)像控點(diǎn)必須刺中連續(xù)3幅以上的影像,刺點(diǎn)完畢后,進(jìn)行第1次空三計(jì)算;確認(rèn)無(wú)錯(cuò)誤后,將所有影像均進(jìn)行第2次刺點(diǎn)處理,再次進(jìn)行空三計(jì)算,從而保證處理精度。

確認(rèn)空三計(jì)算無(wú)誤后,進(jìn)行模型重建,其中切塊處理較為重要,數(shù)量不宜過多同時(shí)應(yīng)保證模型重建運(yùn)行較為流暢?？紤]到計(jì)算機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存,網(wǎng)格大小設(shè)定為90 m,共劃分為32個(gè)瓦片,一個(gè)任務(wù)的預(yù)期最大RAM值為11 GB。爆后數(shù)據(jù)處理與爆前處理一致,由于本次并未采用集群處理技術(shù),內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理共耗時(shí)4.5 h。雖然本次數(shù)據(jù)處理耗時(shí)較長(zhǎng),但爆堆場(chǎng)景數(shù)據(jù)的真實(shí)性及廣度均可得到保證,且隨著應(yīng)用更為先進(jìn)的五鏡頭相機(jī)及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)集群處理技術(shù),采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行爆堆分析的效率將大幅提升。

經(jīng)過處理得到了爆前和爆后兩個(gè)階段的三維可視化實(shí)景模型,分辨率為0.024～0.032 m,如圖 3所示。

圖3 三維實(shí)景模型Fig.3 3D reality model

軟件運(yùn)行完畢后,在生成的地質(zhì)量報(bào)告中可快速查看三維模型誤差分布情況[17],如表1所示。由表1可知:坐標(biāo)位置不確定性較小,三維模型中到光線的距離RMS僅為0.2 mm,表明航測(cè)影像匹配程度良好,真實(shí)還原了爆前爆后的地形地貌。以手持RTK測(cè)定的4個(gè)像控點(diǎn)坐標(biāo)為真實(shí)值,三維模型中像控點(diǎn)(圖4)坐標(biāo)為測(cè)量值見表2。以爆前采集的三維模型為例,X、Y、Z方向的最大誤差分別為6.4、6.1、4.8 cm,其中像控點(diǎn)K4誤差偏大,這可能與其處于測(cè)區(qū)邊界有關(guān)。計(jì)算得到的平面中誤差為5.53 cm,高程中誤差為2.79 cm,均滿足比例尺為1∶500的地圖成圖要求(平面位置精度≤0.15 m,中誤差＜0.175 m)。

表1 三維模型誤差分析結(jié)果Table 1 Error analysis results of 3D model

表2 像控點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)誤差分析結(jié)果(爆前)Table 2 Relative error analysis results of image control point coordinates(before blasting)

圖4 三維模型中放大的像控點(diǎn)Fig.4 Enlarged image control points in 3D model

3 臺(tái)階爆破爆堆形態(tài)分析

Smart3D軟件生成的三維模型信息數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng),可進(jìn)一步進(jìn)行加工處理。將生成的成果文件導(dǎo)入南方IData軟件,可實(shí)現(xiàn)三維模型向二維圖形的無(wú)縫轉(zhuǎn)化,且在同一窗口實(shí)時(shí)操作,按照實(shí)際需求提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。本研究主要提取爆堆高程點(diǎn)信息、爆堆輪廓線、拉裂線、爆堆塊度大小信息等(圖5)。

圖5 IData軟件處理界面Fig.5 IData software processing interface

3.1 爆堆輪廓

爆堆輪廓直接反映拋擲爆破形態(tài)[18],在IData軟件中提取爆堆輪廓線,并與爆前爆區(qū)形態(tài)進(jìn)行了比對(duì)分析,如圖6所示。通過提取輪廓線與高程點(diǎn)信息,并采用斷面法對(duì)爆前爆區(qū)和爆后爆堆模型繪制了典型的縱剖面圖(圖 7),得到最大拋擲距離為31.68 m,平緩段拋擲距離為27.66 m。巖石沿著自由面方向整體拋擲距離較遠(yuǎn),為加強(qiáng)拋擲爆破方式,符合爆破設(shè)計(jì)要求。爆堆最高堆置高度為10.57 m,且分布較為集中,便于設(shè)備持續(xù)挖裝。在三維實(shí)景模型中,發(fā)現(xiàn)炮孔周圍裂隙較為明顯,有明顯的隆起現(xiàn)象,拋擲效應(yīng)明顯,且存在明顯破碎痕跡的區(qū)域,認(rèn)為不存在疑似盲炮現(xiàn)象。

圖6 爆堆形態(tài)分布(單位:m)Fig.6 Distribution of muckpile shape

圖7 典型斷面的爆堆形態(tài)縱剖面Fig.7 Vertical profile of the muckpile shape of typical section

3.2 爆區(qū)拉裂范圍

在提取的爆堆輪廓線中,發(fā)現(xiàn)爆區(qū)后排及兩側(cè)均存在拉裂現(xiàn)象,如圖6所示。其中后排炮孔拉裂的最大距離為6.17m,最小為2.97m,可能是與后排裝藥不均勻且裝藥量偏大有關(guān)。爆區(qū)北側(cè)的最大拉裂距離為6.5m,爆區(qū)南側(cè)的最大拉裂距離為4.0m,認(rèn)為與自由面的形態(tài)及地形地質(zhì)條件有關(guān)[19-20]。爆區(qū)南側(cè)為土夾石類型,爆破現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)已實(shí)施減弱裝藥。總體而言,爆堆拉裂范圍偏大,表明該區(qū)域孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)優(yōu)化,減弱裝藥需要精心化設(shè)計(jì)與施工。

3.3 爆堆表面塊度分布

無(wú)人機(jī)航測(cè)得到的三維模型真實(shí)還原了爆堆表面塊度分布情況[21],在IData軟件中提取了局部爆堆巖石形態(tài),以平均塊度尺寸作為評(píng)價(jià)指標(biāo),劃分為3個(gè)塊度分區(qū),如圖8所示。其中塊度一區(qū)的巖石最大尺寸為2.21 m,平均約1.3 m,表面大塊率較高,且差異性較大,與該分區(qū)巖石擠壓效果不佳及排間起爆時(shí)間控制不夠精準(zhǔn)有關(guān)。塊度二區(qū)的巖石最大尺寸為1.16 m,平均約0.85 m,整體塊度比較均勻,但塊度尺寸仍較大,可能與前排孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整不足有關(guān)。塊度三區(qū)的巖石最大尺寸為0.55m,平均約為0.35m,巖石破碎效果良好,認(rèn)為主要與土質(zhì)區(qū)域巖石可爆性較好有關(guān)。

圖8 爆堆表面塊度局部提取Fig.8 Local extraction of surface fragmentation of muckpile

綜上所述,通過無(wú)人機(jī)航測(cè)成果信息提取,得出的爆堆輪廓較為合理,而爆堆拉裂范圍較大且塊度尺寸整體偏大,認(rèn)為661m平臺(tái)臺(tái)階爆破與巖石的匹配性可能存在不足。在類似地質(zhì)條件的區(qū)域需要結(jié)合爆區(qū)礦巖分布情況優(yōu)選爆破設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)而設(shè)計(jì)出較好的爆破方案。

4 結(jié) 論

(1)通過分析用于評(píng)價(jià)臺(tái)階爆堆形態(tài)的相關(guān)指標(biāo),包括爆破類型、爆破形態(tài)參數(shù)、拉裂程度、表面塊度大小,明確了無(wú)人機(jī)航測(cè)成果數(shù)據(jù)信息提取類型。

(2)采用大疆精靈4 RTK小型四旋翼無(wú)人機(jī),制定了可行的航測(cè)方案,采集的數(shù)據(jù)完整性好,基于Smart3D處理軟件有效構(gòu)建了爆區(qū)爆前爆后階段的三維模型,誤差較小,滿足航測(cè)精度要求。

(3)通過提取爆區(qū)模型點(diǎn)云和高程點(diǎn)信息,得到了評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體參數(shù),爆堆輪廓分布合理,拉裂范圍較大且爆堆表面塊度值偏大,并分析了可能致因。相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)分析法,評(píng)價(jià)結(jié)果更具有可靠性,驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在爆堆形態(tài)數(shù)字化處理方面具備一定的適用性。究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015(5):1-3.WANG Yi,XU Zhenyang,SUN Zhichao.Research on the influence factors of the form of blasting muck pile in Biesikuduke Open-pit[J].Modern Mining,2015(5):1-3.