白潤才 鄧 超 劉光偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)

白潤才 鄧 超 劉光偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為提供一種科學(xué)化、規(guī)范化的露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化技術(shù)和方法，對(duì)露天礦爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和爆破機(jī)理進(jìn)行了深入研究。以AutoCAD為開發(fā)平臺(tái)，采用Visual Studio 2008中的visual C++環(huán)境，結(jié)合AutoCAD的二次開發(fā)工具ObjectARX對(duì)三維地質(zhì)模型軟件SMCAD進(jìn)行了再次開發(fā)，研究出露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用軟件。通過在神寶能源公司一號(hào)露天煤礦的應(yīng)用表明，該軟件不僅可以通過多次演示，優(yōu)化出最佳起爆順序和爆堆形狀，而且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，極大地提高了露天礦企業(yè)的爆破管理水平和設(shè)計(jì)效率，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為爆破設(shè)計(jì)方案的有效決策及露天礦臺(tái)階爆破三維可視化設(shè)計(jì)的科學(xué)化、規(guī)范化提供了依據(jù)。

露天礦 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 三維可視化 爆破設(shè)計(jì) C++

穿孔爆破是露天礦山開采過程的重要工藝環(huán)節(jié)之一，穿孔爆破費(fèi)用約占開采直接成本的20%～30%[1]。礦巖的爆破效果如何，將對(duì)其后各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如采裝及運(yùn)輸設(shè)備工作效率，采、運(yùn)、排生產(chǎn)的安全和成本、礦山生產(chǎn)能力、開采效率、經(jīng)濟(jì)效益、礦石的損失貧化和生產(chǎn)的均衡性有著直接的影響，而且由于露天礦爆破設(shè)計(jì)工作具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、流程復(fù)雜、耗時(shí)周期長[2]，巖體的復(fù)雜性及爆破影響因素的多樣性等特點(diǎn)[3]。因此，露天礦山穿孔爆破設(shè)計(jì)工作引起了國內(nèi)外眾多專家學(xué)者、工程技術(shù)人員及軟件開發(fā)公司等的高度重視，并且在計(jì)算機(jī)輔助爆破設(shè)計(jì)領(lǐng)域做了許多嘗試和探索[4-6]，取得了一定的科研成果。如國外的L.G.Margolin和T.F.Adames 研發(fā)了BCM模型[7]，澳大利亞的C.K.Mck-enzie等人開發(fā)了爆破優(yōu)化系統(tǒng)[8]；國內(nèi)的湖南長沙礦業(yè)集團(tuán)有限公司利用AutoCAD中的二次開發(fā)語言Lisp研發(fā)了大中孔鑿巖爆破的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化軟件[9]，北京科技大學(xué)的璩世杰和龐永軍等人研發(fā)出了Blast-Code模型[10]，北京礦冶研究總院研發(fā)出了露天礦爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)[11]，西安近代化學(xué)研究所對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)后研制出了炮孔計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[12]等。這些軟件可以大幅縮短設(shè)計(jì)周期，極大地提高了工作效率和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，而且能隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和優(yōu)化，為我國爆破技術(shù)的發(fā)展積累了大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。但開發(fā)的這些軟件具有需要事先準(zhǔn)備大量難于獲取的數(shù)據(jù)、對(duì)爆破模型的建立研究不足、建立的模型與實(shí)際模型存在著差距等缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此如何開發(fā)適合中國國情、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、科學(xué)有效、實(shí)用可靠、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)容易獲取的露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)，已成為了當(dāng)今爆破技術(shù)的主要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。信息化、現(xiàn)代化、智能化、可視化與科學(xué)化發(fā)展是我國露天礦爆破設(shè)計(jì)技術(shù)走向現(xiàn)代化進(jìn)程的重要一步，軟件的研制開發(fā)及應(yīng)用研究將對(duì)我國礦山數(shù)字化建設(shè)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)是一套計(jì)算機(jī)CAD輔助爆破設(shè)計(jì)軟件，是基于遼寧工程技術(shù)大學(xué)SMCD三維地質(zhì)建模軟件[13]，并結(jié)合爆破專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的，該系統(tǒng)解決了在爆破設(shè)計(jì)中從原始數(shù)據(jù)搜集到數(shù)據(jù)庫的建立、布孔方式設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、爆破區(qū)域圈定、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及過程演示等一系列問題。主要功能包括軟件界面、爆破區(qū)域的劃分與確定、礦石及巖石物理力學(xué)指標(biāo)的輸入、炸藥種類及其性能參數(shù)、炮孔布置方式，起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及爆破設(shè)計(jì)文件的生成與管理。與傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)軟件相比，該系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可操作性好、三維可視化程度高、功能界面操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高爆破設(shè)計(jì)的質(zhì)量，提高了工作效率，降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)及工具選擇

AutoCAD是一種成熟的、開放的、通用的繪圖軟件，它的功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣、操作靈活方便，具有完善的漢化環(huán)境、強(qiáng)大的圖形編輯和數(shù)據(jù)管理能力。目前露天礦爆破設(shè)計(jì)文件普遍采用AutoCAD格式，露天礦現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員不僅能夠熟練使用該軟件，而且能普遍掌握AutoCAD軟件特點(diǎn)，該系統(tǒng)軟件本著便于普遍推廣、操作簡(jiǎn)單方便和適應(yīng)工程制圖人員繪圖習(xí)慣為原則，采用AutoCAD作為開發(fā)平臺(tái)[14]。

ObjectARX是另一個(gè)功能較AutoLisp、ADS、VBA等更加完善的二次開發(fā)工具，應(yīng)用程序本身已經(jīng)不再是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，因其包括了是一組動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)，ARX程序可與AutoCAD在同一地址空間運(yùn)行，方便了二次開發(fā)者利用AutoCAD的開放結(jié)構(gòu)，可直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫圖形系統(tǒng)以及幾何造型核心擴(kuò)展AutoCAD的功能[15]；使用ObjectARX進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)還可以與Windows系統(tǒng)集成，充分利用Windows資源，與其他Windows應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互操作，使得ObjectARX程序的運(yùn)行速度大大提高、功能大大增強(qiáng)，因此本系統(tǒng)選擇了ObjectARX做為二次開發(fā)工具[16]。

2 爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)

露天礦爆破區(qū)域內(nèi)受斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造影響，巖石內(nèi)部具有較多斷層、節(jié)理、裂隙、層理等不連續(xù)層面，而且?guī)r石是一種非連續(xù)性的介質(zhì)，具有非均質(zhì)性、各向異性；再加上爆炸是一種快速的、不可逆的過程，給爆破工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)造成了很大困難，也是軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[17]。本系統(tǒng)以AutoCAD作為圖形處理平臺(tái)，ObjectARX作為二次開發(fā)工具，將爆破機(jī)理與專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)了露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)，該軟件能夠適應(yīng)不同地質(zhì)地形條件，提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率和效果，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。

露天礦爆破三維可視化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在SMCD軟件的基礎(chǔ)上研發(fā)的，為了滿足露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化的需要，又增加了爆破設(shè)計(jì)參數(shù)輸入子系統(tǒng)和爆破數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。爆破工程技術(shù)人員初次使用前只要將露天礦臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如炸藥種類及參數(shù)、巖石種類及參數(shù)等一次性輸入軟件，保存后便可重復(fù)使用；而炮孔參數(shù)及臺(tái)階參數(shù)等根據(jù)不同地質(zhì)情況及要求，可采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行逐一輸入；軟件將爆破設(shè)計(jì)過程中涉及的如布孔參數(shù)、圖紙繪制、爆破區(qū)域確定、爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及文檔輸出等要求，可以從數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)中提取，事先使用計(jì)算機(jī)Visual Studio 2008中的visual C++環(huán)境編制好固定的程序，只要將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入后，計(jì)算機(jī)便可按照程序進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，輸出結(jié)果可通過人機(jī)交互式調(diào)整，重新計(jì)算，保證計(jì)算輸出后的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的精確性和合適性。露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)開發(fā)的總體流程見圖1。

圖1 總體流程

3 露天礦三維地質(zhì)模型的建立

露天礦三維地質(zhì)模型不僅能將復(fù)雜的、不規(guī)律的、抽象的工程地質(zhì)資料變得簡(jiǎn)單化、可視化，可以從模型中隨時(shí)提取煤巖等厚線圖、剝采比等值線圖和剖面圖等地質(zhì)圖件，通過生成的地質(zhì)圖件能夠?yàn)槁短扉_采設(shè)計(jì)和露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化提供依據(jù)，如爆堆形狀和起爆順序的模擬等。因此，露天礦三維地質(zhì)模型是露天礦臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)研制開發(fā)的前提和基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)采用建模精度較高的封閉固化成體技術(shù)，構(gòu)建露天礦三維地質(zhì)實(shí)體模型[18]。建立露天礦三維地質(zhì)模型的首要工作是進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集，然后對(duì)收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行預(yù)處理，把通過地質(zhì)勘探手段獲取的離散的、不規(guī)則的、不能真實(shí)描述礦床實(shí)際賦存狀況的數(shù)據(jù)，按照合適的插值技術(shù)計(jì)算出滿足精度的數(shù)據(jù)，再按照一定格式建立好地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；然后采用帶約束的Delaunay三角網(wǎng)凸包算法構(gòu)建露天礦地形、采掘場(chǎng)、排土場(chǎng)、地質(zhì)界面三維模型DEM[19]；采用基于多層DEM的包絡(luò)面固化成體構(gòu)模法，建立三維地質(zhì)實(shí)體模型SOLID，為露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化提供設(shè)計(jì)依據(jù)。露天礦三維地質(zhì)模型是在采場(chǎng)現(xiàn)狀實(shí)體模型和煤巖實(shí)體模型的基礎(chǔ)上建立的。首先以采場(chǎng)現(xiàn)狀實(shí)體模型為基態(tài)模型，與露天礦煤巖實(shí)體模型做布爾“差”運(yùn)算后在采場(chǎng)現(xiàn)狀實(shí)體模型中就形成了煤巖實(shí)體模型。然后，把煤巖實(shí)體模型插入到現(xiàn)狀實(shí)體模型中，從而形成了露天礦三維地質(zhì)模型[20]。

4 工程應(yīng)用

神寶能源公司一號(hào)露天煤礦目前主要開采煤層為12號(hào)煤層，近水平賦存，平均厚度22 m。煤層上部巖土層厚度66.38 m。其中，第四系松散層厚度為20.55～39.55 m，平均28.9 m。年度剝離量約為120 Mm3，剝離層基本為中軟巖石，開采前不需要松動(dòng)爆破，但由于一號(hào)露天礦所處區(qū)域冬季寒冷，局部需要進(jìn)行松動(dòng)爆破，年度爆破量約為1 Mm3。剝離工程采取季節(jié)性施工，每年4月初剝離工程開工，10月底剝離工程竣工，11月初至次年3月底剝離工程處于停工狀態(tài)，施工工期短，為加快剝離工程進(jìn)度，必須提高爆破設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確度和工作效率。

4.1 三維地質(zhì)模型建立

露天礦三維地質(zhì)模型的建立是進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。以神寶能源公司一號(hào)露天煤礦為工程案例，按照封閉固化成體技術(shù)，以該露天礦采礦設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)圖形，建立了神寶能源公司一號(hào)露天煤礦的三維地質(zhì)模型，見圖2。不僅能將抽象的地質(zhì)資料用直觀的形式表現(xiàn)出來，而且可以獲取需要的各個(gè)位置的剖面圖，通過生成的剖面圖能夠?yàn)槁短斓V爆破設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖2 露天礦三維地質(zhì)模型

4.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

以神寶能源公司一號(hào)露天煤礦2013年9月份某一臺(tái)階局部的爆破工程為例，詳細(xì)介紹露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)的主要功能，具體功能包括：軟件界面、爆破區(qū)域的劃分與確定、礦石和巖石物理力學(xué)指標(biāo)的輸入、炸藥種類及其性能參數(shù)、炮孔布置，起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及爆破設(shè)計(jì)文件的生成與管理等。

4.2.1 露天爆破設(shè)計(jì)軟件界面

露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)是在遼寧工程技術(shù)大學(xué)SMCAD三維地質(zhì)建模軟件功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合露天礦爆破設(shè)計(jì)需要增加了爆破設(shè)計(jì)功能，如參數(shù)輸入、炮孔布置、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)文件生成和管理等工具。露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)界面，見圖3。

圖3 爆破三維可視化系統(tǒng)界面

4.2.2 露天爆破設(shè)計(jì)參數(shù)輸入界面

在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)地形情況輸入爆破設(shè)計(jì)參數(shù)、炸藥及巖石參數(shù)。在這里我們輸入了炸藥的種類、密度；巖石的種類、密度；鉆孔直徑；臺(tái)階高度和坡面角等設(shè)計(jì)參數(shù)，見圖4。

4.2.3 爆破區(qū)域的確定

露天礦爆破工程技術(shù)人員可以通過“人機(jī)交互式”的方法確定爆破區(qū)域和設(shè)置自由面，也可以根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形、地質(zhì)情況隨時(shí)調(diào)整爆破區(qū)域來滿足露天礦山生產(chǎn)的要求，本案例圈定的爆破區(qū)域，如圖3所示。

圖4 露天爆破參數(shù)輸入界面

4.2.4 露天礦爆破設(shè)計(jì)生成炮孔界面

根據(jù)圈定的爆破區(qū)域系統(tǒng)自動(dòng)確定了爆破鉆孔的孔距和行距，并自動(dòng)生成炮孔，充填長度、裝藥長度、超深可以用不同顏色柱狀標(biāo)識(shí)，三維可視化效果見圖5。

圖5 炮孔生成界面

4.2.5 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)內(nèi)的爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)包括了模擬排間起爆、模擬逐孔起爆及毫秒爆破等多種起爆方案，通過多次演示，優(yōu)化出最佳起爆順序，見圖6，該案例選用了逐孔起爆方式。

圖6 逐孔起爆

4.2.6 爆破設(shè)計(jì)文件的生成與管理

爆破區(qū)域及爆破參數(shù)確定后，點(diǎn)擊確定鍵，軟件自動(dòng)計(jì)算出爆破量、炮眼長度、炸藥單耗、裝藥量、充填長度、超深、起爆方法、爆破設(shè)計(jì)說明書及實(shí)施細(xì)則等爆破設(shè)計(jì)文件，確定無誤后可根據(jù)使用要求保存成Word、Excel和PDF等文件格式，而且可以根據(jù)工程名稱命名文件，便于工程技術(shù)人員查閱和管理，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 爆破參數(shù)說明

5 結(jié) 論

(1)以AutoCAD為基礎(chǔ)平臺(tái)，采用Visual Studio 2008中的visual C++環(huán)境，結(jié)合ObjectARX開發(fā)了露天礦爆破設(shè)計(jì)三維可視化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，只要將炮孔實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)、炸藥單耗等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，就可以根據(jù)要求提供炮孔布置圖、爆破網(wǎng)絡(luò)圖、爆破參數(shù)、單孔裝藥量及匯總數(shù)據(jù)和圖紙，并可通過反復(fù)演示，優(yōu)化出最佳起爆順序和爆堆形狀。

(2)該爆破設(shè)計(jì)軟件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，提高了露天礦企業(yè)的爆破管理水平和設(shè)計(jì)效率，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為露天礦臺(tái)階爆破三維可視化設(shè)計(jì)的科學(xué)化、規(guī)范化提供了依據(jù)。

(3)以神寶能源公司一號(hào)露天煤礦為例，該系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)的做法，設(shè)計(jì)精度高，設(shè)計(jì)文件規(guī)范，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，促進(jìn)了爆破管理的標(biāo)準(zhǔn)化、高效化和規(guī)范化，提高了爆破技術(shù)人員工作效率和鉆孔精度；降低了爆破器材消耗，有效地控制了大塊率和根底率，極大地提高了剝離工程進(jìn)度。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

3D Visualization System of Blasting Design of Open-pit Mine1

Bai Runcai Deng Chao Liu Guangwei

(SchoolofGraduate，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

To provide a kind of more advanced，scientific and standard 3D visualization technique and method for open-pit blasting design，the computer aided design process and the mechanism of open-pit blasting are studied in depth.Based on AutoCAD development platform，visual C++ in Visual Studio 2008 environment combining with ObjectARX，secondary development tools of AutoCAD were adopted to develop SMCAD three-dimensional geological model software.Then，3d visualization application software of open-pit mine blasting was produced.The application in No.1 open-pit coal mine of Shenbao energy company showed that the optimal explosion sequence and blasting heap shape were obtained through multiple demonstrations by this software.With strong adaptability and expansibility，this software greatly improved the blasting management level and design efficiency for open-pit enterprises，and shortened the labor intensity of designer，which provides a kind of decision-making basis for effective blasting design and the scientific and standard 3d visualization design of open-pit bench blasting.

Open-pit，Computer aided design，3D visualization，Blasting design，C++

2014-04-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51304104)。

白潤才(1961—)，博士研究生導(dǎo)師，教授。

TD824

A

1001-1250(2014)-09-116-05