黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破

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中文名
黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破
外文名
Black adai groove cast open-pit coal mine
研究始于
上个世纪80年代初期
摘  要
确定了Weibull概率分布模型等

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破摘  要

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论文根据黑岱沟露天煤矿大量的实际生产抛掷爆破试验统计的数据和大量实际爆堆曲线分析,确定了Weibull概率分布模型,运用BP神经网络开发了高台阶抛掷爆堆形态模拟系统。模拟系统模型把统计的爆破前后数据分组为爆破影响参数(输入参数)和爆破效果参

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破1.1引言

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我国是煤炭储量大国,煤炭储量居世界第二位,煤炭可开采量居世界第三位,但是由于我国人口众多,近几年企业发展速度较快,对煤炭的需求量大幅度增加,煤炭消耗量逐年增加,导致我国的煤炭有效供给力不足。现在我国每年的煤炭净进口量已经超亿吨,成为了世界第二大煤炭进口国。目前在我国的一次性能源消耗中煤炭能源约占70%的比重,所以当前的能源消耗情况决定了我国在未来相当长的一段时间内必然将煤炭产业作为我国能源的支柱产业。
露天煤矿在安全、能源利用率、生产成本等方面[1]  均优于井工矿,所以我国在内蒙、新疆、山西和陕西等省份借助当地有利的自然条件建立了大型露天煤矿,并且实现了较高程度的机械化,在我国煤炭供应市场上发挥了巨大作用。传统的露天煤矿开采过程是以台阶的形式将煤层上覆盖的岩层剥离掉,通常采用爆破松动的方法将煤层上部的岩体杂碎然后挖掘、运至排土场,这样的单斗——卡车运输模式应用是比较广泛的,特点是机动灵活,但成本较高。为了降低露天煤矿的生产成本、提高露天煤矿的生产效率,露天煤矿的采矿工程技术人员将在建筑土石方工程、水利筑坝工程、开山筑路工程中常用的定向抛掷爆破技术应用于露天煤矿的岩土剥离中。
上世纪六七十年代前苏联采矿科学家MF诺沃日洛夫提出了露天煤矿的高台阶开采,六十年代初期,工程师们将深孔抛掷爆破剥离技术在美国的McCoy Coal矿进行尝试,该矿覆盖物厚度为60~80英尺(18.3m~24.3m),抛掷爆破能把40%的覆盖物抛到采空区。此后的十年里,前苏联、澳大利亚等国也在露天矿采矿时应用的抛掷爆破技术,但并未广泛推广此项技术。到了八十年代,美国、澳大利亚等国露天煤矿的剥采比增加、剥离费用升高,导致露天煤矿的经济效益下滑。为了降低露天煤矿的开采成本,澳大利亚、美国、加拿大等国的采矿研究人员将抛掷爆破剥离技术应用到了露天采矿行业,利用廉价的炸药进行抛掷爆破剥离,能够将30~65%的覆盖岩体直接抛掷到采空区,而不用再进行二次处理。不但降低了生产成本,而且提高了露天煤矿的产量,取得了良好的效益。此后的二十多年里,世界各国的采矿科技工作者围绕露天煤矿抛掷爆破剥离技术进行了许多有益的探索和研究,逐步形成了多种有效、实用的开采工艺,目前美国、加拿大、澳大利亚、印度、中国等许多国家的露天矿都已采用了抛掷爆破剥离技术,并取得了良好的效果。
自20世纪80年代抛掷爆破技术先后在美国、澳大利亚等国露天煤矿应用,经过近20年的试验研究,取得了一些成果,形成了抛掷爆破——拉斗铲、抛掷爆破——推土机、抛掷爆破——电铲——卡车等多种联合剥离工艺。目前,加拿大、印度、约旦等许多国家的露天煤矿也采用了抛掷爆破剥离技术。
神华集团准能公司黑岱沟露天煤矿由于其上覆岩层厚度大,岩体的裂隙、层理发育情况较好,并且煤层倾角较小接近水平,具备实施高台阶抛掷爆破的自然条件。所以黑岱沟露天煤矿在改建、扩建过程中,大胆引起高台阶抛掷爆破技术,并结合当地的实际条件成功应用了高台阶抛掷爆破——吊斗铲联合剥离煤层上覆岩层技术,取得了良好的经济效益。高台阶抛掷爆破先进技术在黑岱沟露天煤矿的成功应用为我国露天煤矿提高经济效益提供了新的技术途径和经验。
随着21世纪的到来,计算机软件和硬件的技术都有了较大的进步,信息技术也得到了很大的发展,我们也进入了以计算机和网络通信为核心的信息时代。信息时代所产生的信息技术和产品也正在融入我们的生活,渗透到社会的各个领域,以计算机作为抛掷爆破设计的辅助工具是今后抛掷爆破发展的趋势。一些科技工作者将计算机技术引入到台阶爆破的设计中来,在爆破方案的设计、优化以及爆破效果预测方面,取得了一定的成果。尽管如此,目前开发的爆破辅助设计系统还不够完善,很多时候在地形、断面不规则的情况下不能自动、合理的布孔。目前的爆破辅助设计系统的设计工作主要是由设计人员完成,由计算机代替人工绘图,以后的发展方向是由计算机完成主要的爆破设计工作。
由于目前国内外对高台阶抛掷爆破的研究非常少,如何进行高台阶抛掷爆破的设计工作也缺少成熟的理论指导,所以目前的高台阶抛掷爆破设计工作主要是在土岩爆破理论的基础上,根据现场实际条件和高台阶抛掷爆破的工程经验来进行工程设计。目前黑岱沟露天煤矿主要是应用澳大利亚奥瑞凯公司开发Shotplus软件作为高台阶抛掷爆破的设计工具,但是该软件租赁费用较高、针对性不强,并且使黑岱沟露天煤矿受外国公司约束较大。本文在总结了土岩爆破理论和台阶爆破设计要点的基础上针对黑岱沟露天煤矿的实际现场条件,利用现有的工程爆破实践经验,开发一套黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破计算机辅助设计系统,该系统能够为黑岱沟露天煤矿高台阶爆破设计提供最佳的设计方案,实现对爆破参数的合理设计、对装药结构的合理设计、在黑岱沟露天煤矿地形上实现炮孔的自动布置、实现起爆网络的合理设计、实现爆破安全距离的计算,并最终输出炮孔平面布置图、起爆网络图、炮孔信息表和火工品统计表,提高了高台阶爆破设计工作的效率、缩短深孔台阶爆破设计的时间、减轻设计工作者的劳动强度。因此开发黑岱沟露天煤矿高台阶爆破计算机辅助设计系统具有重大的工程实践意义。

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破1.2国内外爆破设计系统研究现状

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黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破1.2.1国外部分

国外在爆破设计系统中的研究始于上个世纪80年代初期,比国内起步早,并且取得了一些重要的研究成果。很多爆破设计软件已经比较成熟,走上了商业化运作的道路。
加拿大Noranda技术中心的P. Favreau和P. Andrieux从1990年就开始了BLASTCAD(爆破计算机辅助设计)系统的项目研发工作。BLASTCAD在流行的商品计算机辅助绘图和设计软件包(CADD)的基础上,开发一个三维地下矿(后来发展为露天矿)的爆破设计系统。该系统能够自动输出药孔布置图以及其它方案设计文书,同时提供负责处理一切不包含在AutoCAD图形码中信息的关系数据库管理系统。目前BLASTCAD已经在诺兰达矿业集团的十多个矿山中成功应用。经爆破设计人员使用证明,比手工设计节约70%的时间。
印度矿业学院研发出爆破专家系统“BESTPOL”,可同时采用案例推理和规则推理,其历史案例数据检索程序集成在案例存贮组织程序中。有关的相似案例资料由系统内采用的横向检索策略进行定位,然后使用规则推理做适当的完善,通过不断的反馈信息来修改设计方案,最后得到较合理的结果。该系统能完成台阶平面图、布孔及参数图等15项数据的输出,并且每次对已有知识的选择、修改和完善,都将成为解决之后问题的经验。
法国巴黎高等矿业学院Cheimanoff开发的用于露天矿爆破设计的“Expertir”系统,该系统是以岩石破碎为最佳目标,制定出合适的炮眼布置图,确定出每一个炮眼的装药量以及引爆方式等。整个系统是由解决各种问题的模型衔接而成。但这一系统在岩体本身特点的描述和爆破规模方面却有一定的限制。
美国爱达荷矿业学院Martin Smith和Robert L.Hautala开发出将专家知识推理和露天爆破方案优化设计集于一身的爆破专家系统。美国人Cater.C.L编写的露天矿开采穿孔爆破管理软件也属CAD系统,在完成设计方案后该系统可以马上得出爆破任务中诸如装运进度、钻孔布置、装药填塞计划、炸药及火工品器材消耗表以及其他和露天矿穿孔爆破有关文档。
挪威的Kai Nielsen所设计的露天矿台阶爆破优化模型能够评价各种不同方案的成本、分析各种生产工序成本与破碎程度的依赖关系、估算爆破效果以及在孔网参数不同时所对应的炸药单耗,从而能够求出成本最低的最佳设计方案。在整个过程中,技术人员只需输入单个炮孔标准药量、填塞方式以及钻机型号费用等数据即可。
澳大利亚澳瑞凯公司开发的Shotplus软件是一款爆破设计及评价软件,用激光扫描仪对实际地形进行扫描,把扫描数据导入Shotplus软件进行处理,自动生成地形图。Shotplus软件可以在生成的地形图上对炮孔平面布置图、炮孔倾角、炮孔直径、炮孔深度、装药结构等进行设计,并输出设计结果。

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破1.2.2国内部分

我国在爆破设计系统方面的研究虽然起步较晚,但是由于我国的矿业发展非常迅速,所以开展露天矿山台阶爆破开采的数字化设计研究,是我国矿山走向现代化、信息化发展的重要一步,对该方面进行科研投资也是改善我国矿山生产现状的必要措施。
马鞍山矿山研究院研发了爆破优化设计系统,该系统以永平铜矿多年的生产实际资料为依据,运用统计分析方法,建立了矿岩破碎度与爆破参数、岩土性质的相关数学模型,以及构成采矿直接成本的穿孔、爆破、铲装、运输、二次破碎与粗碎等六项单位矿石费用模型,并以此为基础建立了永平铜矿爆破优化设计数学模型,但是该软件主要是针对永平铜矿进行设计研发的,缺乏通用性。
鞍山赛尔科技发展有限责任公司开发的赛尔爆破优化软件。该软件是鞍山赛尔科技发展有限责任公司在吸收国外先进爆破技术基础上自主研发的爆破优化软件,这个软件可以自动进行台阶爆破设计,功能全面,适合各类型露天矿山爆破优化设计。软件能按照不同的布孔方式和爆破排数,自动生成孔网平面图,能自动生成剖面图,在图中能够显示台阶的坡面形状,显示填塞、间隔药柱高度;在确定完相关参数后,能自动生成爆破参数表;能够按被爆岩体的实际岩石系数大小,自动计算孔间、排间微差时间;能自动或手动进行地表、孔内网络连接;能够显示每个孔的微差起爆时间及累计起爆时间。
攀钢集团矿业公司石灰石矿与马鞍山矿山研究院合作研发的露天矿爆破设计CAD系统软件,这个系统主要是进行露天爆破设计,包括对布孔方式、孔网参数、孔深、起爆顺序和连线方式设计以及对炮孔装药量进行计算。但是,整个系统是在 UCDOS 下运行的,操作不方便,而且前期的数据主要是采用数字化仪输入的,然后再对输入的信息做加工处理,这样前期大量的数据准备工作仍然需要手工来完成,也没有对爆破效果进行评价,有待进一步提高和改进。
华易软件有限公司研发的华易露天深孔爆破辅助设计软件,软件可以计算出各孔的孔距、排距、爆破体积、炸药量、充填长度、回填长度等爆破参数、画出爆破网络图。具体的功能有:以原始的测量数据为基础,自动按比例形成爆破平面布置图;使用鼠标可直观方便地画出爆破网络图;以原始的孔深及炸药单耗、炸药类型为基础,以设计爆破高程为标准,以爆破网络为依据,自动计算出各孔的孔距、排距、爆破体积、炸药量、充填长度、回填长度等爆破参数;可打印出美观且按比例的爆破平面布置图、爆破网络布置图及爆破参数表;使用鼠标方便地把整个图形或表格随意向各个方向来回移动;根据起爆网络的不同以及其他爆破设计参数的不同要求可以方便地形成各种不同方案,进行方案优化,择优使用,以便提高爆破质量。
北京矿冶研究总院为江西德兴铜矿研制开发的露天爆破计算机辅助设计系统与德兴铜矿现有的全球卫星定位系统联接,自动完成布孔等爆破设计工作,使爆破设计更加科学和精确。该设计系统采用人工神经网络原理开发的爆破效果预测程序,其对爆破效果的预测有很高的准确和容错性。爆破数据库的建立,对爆破设计和爆破作业实现标准化、科学化管理具有重大意义。该系统对深孔爆破辅助设计、优化爆破方案,对改善爆破设计手段、改进穿爆工艺、提高爆破效果具有重要意义。
北京科技大学璩世杰等人开发的露天矿爆破设计软件,在地质地形数据库及可爆性分级数学模型的支持下,系统自动识别并以不同颜色在平面图形标注爆破分区。由计算机对炸药威力、炮孔直径和现场地质与地形各种因素进行确认、计算与分析,最终确定炮区内各个炮孔在平面图上的合理位置。
武汉工业大学开发了露天矿爆破CAD设计系统,该系统中人工输入炮孔直径、台阶高度、台阶坡面角、炸药密度、炮孔临近系数、孔深、排距系数、矿岩可爆性指数、超深系数、孔口填塞系数和炸药单耗十一个原始参数和基本爆破参数后,由计算机自动布置前排孔,并采用人机交互的方式确定后排孔孔位,同时由计算机给出炮孔抵抗线、孔距、排距、超深、装药长度和孔口填塞长度六个参数的数值。
西南交通大学的郑爽英等人研制了台阶爆破设计智能专家系统(IESBBD),该系统的炮孔平面布置的设计过程是一种“测试—反馈—修正—测试”的循环过程,其推理过程既有从原始数据或条件出发向结论方向的正向推理,也有从假设或结论出发向依据方向进行的逆向推理,是一个混合推理过程,最终确定合理的炮孔平面布置图。

黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破1.3本文研究内容

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本文以神华集团准能公司黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破为工程背景,开发黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破设计系统。在土岩爆破理论的基础上总结台阶爆破的设计要点,结合黑岱沟露天煤矿的现场实际条件和高台阶抛掷爆破的成功经验,利用Visual Studio开发工具对AUTOCAD进行二次开发,以下几点是系统开发过程中研究的主要内容:
参考资料
词条标签:
计算机学