王根濤， 何成龍， 楊 軍，3， 鄒宗山，3

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.北京理工北陽爆破工程技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100081）

三維空間模型的露天臺階爆破專家系統(tǒng)及應(yīng)用

王根濤1， 何成龍2， 楊 軍2，3， 鄒宗山2，3

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.北京理工北陽爆破工程技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100081）

傳統(tǒng)人工布孔設(shè)計(jì)的爆破模式效率較低，無法適用于大規(guī)模的爆破工程，因此，研制了露填臺階爆破專家系統(tǒng)。把爆破臺階地形轉(zhuǎn)化為三維空間模型，將臺階爆破設(shè)計(jì)原理和智能設(shè)計(jì)相結(jié)合，研制出智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)布孔、多種裝藥結(jié)構(gòu)選擇及快速爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等目標(biāo)，并應(yīng)用于中煤集團(tuán)平朔東露天礦的臺階爆破。結(jié)果表明：專家系統(tǒng)所設(shè)計(jì)方案與人工方案相比較，實(shí)現(xiàn)了減少大塊率，控制前沖、后翻，控制飛石距離，減少爆破沖擊等目的，實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了露天臺階爆破專家系統(tǒng)可行。

臺階爆破設(shè)計(jì)；三維模型；爆破參數(shù)優(yōu)化

0　引 言

在露天礦山爆破生產(chǎn)過程中，爆破設(shè)計(jì)的具體方式與方法是影響爆破效果的重要因素之一。多年來，有關(guān)爆破軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及程序設(shè)計(jì)成為國內(nèi)外爆破研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。

目前，我國爆破理論和爆破技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，理論研究落后于實(shí)際應(yīng)用［1］。國內(nèi)開發(fā)的爆破設(shè)計(jì)軟件主要有：鄭爽英等［2-3］結(jié)合臺階爆破設(shè)計(jì)原理，研制了臺階爆破設(shè)計(jì)智能專家系統(tǒng)（IESBBD），實(shí)現(xiàn)了炮孔的自適應(yīng)布置。天津大學(xué)的趙黎明等［4］綜合利用人工智能原理、模糊數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫理論及多目標(biāo)決策理論，不僅能夠進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，同時(shí)可以用來訓(xùn)練爆破技術(shù)人員。國外的爆破設(shè)計(jì)軟件研究比國內(nèi)起步早，而且取得了顯著的進(jìn)展。美國愛達(dá)荷礦業(yè)學(xué)院Martin Smith和Robert L.Hautala［5］開發(fā)出將專家知識推理和露天爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)集于一身的爆破專家系統(tǒng)。法國巴黎高等礦業(yè)學(xué)院Cheimanoff研制出“Expertir”［6］爆破設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)使巖石得到最佳破碎。Preece和Chung等開發(fā)的三維離散元模型DMCBLAST-3D［7］是將二維模型沿Z軸方向擴(kuò)展而得到的。南非的C.M. Lownds設(shè)計(jì)研發(fā)的FRAC模型［8］將巖石破碎和巖石一級斷裂聯(lián)系在一起，能準(zhǔn)確地估算爆破后的碎塊大小與炸藥單耗的依賴情況，并得出對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，其結(jié)果與實(shí)際爆破的數(shù)值十分相近。諾蘭達(dá)公司技術(shù)中心的P.Favreau和P.Andrieux從1990年就開始了BLASTCAD（爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）系統(tǒng)的項(xiàng)目研發(fā)工作［9-10］。BLASTCAD在流行的商品計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件包（CADD）的基礎(chǔ)上，開發(fā)一個(gè)三維地下礦（后來發(fā)展為露天礦）的爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)。針對露天礦的臺階爆破問題，筆者研制了基于三維空間模型的露天臺階爆破專家系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于三維空間模型的專家系統(tǒng)，在地形生成部分遵循的原理是將GPS收集到的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成可視的三維立體地形，進(jìn)而方便后續(xù)的爆破設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)軟件在Visual C++6.0軟件開發(fā)平臺上，選用OpenGL作為3D圖形引擎，使用樹結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確、精細(xì)地表達(dá)了三維實(shí)體地形。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用四叉樹表示，其基本思想是把整個(gè)地形作為根節(jié)點(diǎn)，把根節(jié)點(diǎn)分割成四等分的子塊，檢查到某個(gè)子塊的所有格網(wǎng)都達(dá)到所要求的渲染精度，即不需要再分割。四叉樹結(jié)構(gòu)可天然的模擬規(guī)則地形的層次，對地形進(jìn)行分塊劃分相當(dāng)方便，便于對地形表面進(jìn)行紋理映射。使用金字塔是連續(xù)多分辨率層次模型，即通過使用不同的層次細(xì)節(jié)來表示一個(gè)三維場景，其中的層次細(xì)節(jié)級別取決于區(qū)域與視點(diǎn)的關(guān)系，并隨視點(diǎn)的移動(dòng)實(shí)時(shí)更新各個(gè)區(qū)域的層次細(xì)節(jié)級別，模型如圖1所示。

圖1　連續(xù)多分辨率層次模型Fig.1 Continuousmulti-resolu tion hierarchicalmodel

地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集由GPS全球定位系統(tǒng)完成。GPS技術(shù)在一般的地形條件下，對半徑10 km范圍內(nèi)的區(qū)域，移動(dòng)站可以一次性完成測量，既減少了所需要的控制點(diǎn)和測量儀器的數(shù)量，也避免設(shè)備多次移動(dòng)。測量完成后，經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理，再結(jié)合三維建模軟件，即可生成三維礦山模型。

爆破網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須合理確定臺階要素和爆破參數(shù)，才能達(dá)到理想的爆破效果。當(dāng)?shù)妆P抵抗線較大時(shí)，會(huì)造成殘留根底多、爆破的大塊率高、爆破振動(dòng)大、沖擊作用強(qiáng)等問題；過小的底盤抵抗線，又會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)炸藥、增大鉆孔作業(yè)量、巖塊易拋散、產(chǎn)生飛石和增大噪聲等有害效應(yīng)。因此，需要根據(jù)臺階高度h和鉆孔直徑d和計(jì)算系數(shù)k（見表1）綜合確定。

表1　系數(shù)k的經(jīng)驗(yàn)選取值Table 1 Select k by experiencemethod

式中：W11——由臺階高度（h）計(jì)算得出底盤抵抗線，m；

W12——由臺鉆孔直徑（d）計(jì)算得出底盤抵抗線，mm。

根據(jù)巖石特性選擇相應(yīng)炸藥類別及型號，將其添加到方案設(shè)計(jì)對話框中。該選項(xiàng)包含炸藥名稱、密度、爆熱、比容（爆容）和單位炸藥計(jì)算威力，并根據(jù)需求增加/刪除單種或多種炸藥。

深孔臺階爆破采用的裝藥結(jié)構(gòu)，主要有連續(xù)耦合裝藥、連續(xù)不耦合裝藥以及間隔裝藥。裝藥結(jié)構(gòu)對話框包括堵塞長度、裝藥長度、超深長度及單孔裝藥量4個(gè)參數(shù)。不同的裝藥設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　不同裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Design different blasting structure

起爆網(wǎng)路連接是利用爆破器材對整個(gè)爆破工作面的炮孔，進(jìn)行起爆順序的安排。不同起爆方式如圖3所示。四通復(fù)式網(wǎng)路對爆破環(huán)境要求簡單，操作方便，使用安全；逐排起爆是依照炮孔布置以一個(gè)臨空自由面為首排，依次按照爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)的起爆時(shí)差，逐排順序爆破；逐孔起爆主要是利用孔內(nèi)和孔外不同延期時(shí)間的高精度導(dǎo)爆管雷管配合使用，使每個(gè)炮孔按照爆破設(shè)計(jì)的延期時(shí)間順序起爆。

圖3　不同的起爆方式設(shè)計(jì)Fig.3 Design different ways of initiatio

2　方案設(shè)計(jì)

中煤平朔東露天礦采用單斗-移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝，這種工藝在我國露天礦剝離開采技術(shù)方面尚屬首次。為了使其高效工作，對爆破工藝提出了更高的要求：首先，要減小爆堆前沖后翻距離、控制爆破后爆堆的前沖距離小于50 m，后翻距離小于15 m，以保證傳送皮帶不受損壞；其次，改善爆破質(zhì)量，降低大塊率，減少大塊及根底的產(chǎn)生，提高裝運(yùn)效率、降低破碎成本；第三，保證皮帶、電鏟等機(jī)械設(shè)備安全，控制爆破飛石、爆破地震等有害效應(yīng)，降低爆破沖擊的危害程度，保證半連續(xù)工藝系統(tǒng)中的設(shè)備安全連續(xù)運(yùn)行。

選取安家?guī)X礦1315平臺進(jìn)行智能設(shè)計(jì)并完成爆破試驗(yàn)。平臺煤層煤種具有低-中低灰、特低硫、低磷、高-特高熱值、富油煤、抗碎強(qiáng)度高等特點(diǎn)。地質(zhì)情況：巖石主要為砂巖及泥巖，巖石呈灰色、褐色。巖石屬次次硬類型，裂隙節(jié)理較發(fā)育，降低了圍巖的強(qiáng)度。軟件的自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)主要為以下幾步：爆破區(qū)域確定→巖石性質(zhì)分類→鉆孔設(shè)備規(guī)則→炸藥類型選擇→布孔方式選擇→裝藥結(jié)構(gòu)選擇→爆破參數(shù)計(jì)算→炮孔布置→起爆方式選擇→微差時(shí)間確定→起爆網(wǎng)絡(luò)確定。

將GPS所測臺階的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理后，將所有測量邊界點(diǎn)連線，與現(xiàn)場草圖進(jìn)行對比，對邊界線中缺失的離散點(diǎn)進(jìn)行人工創(chuàng)建，創(chuàng)建規(guī)則是根據(jù)附近點(diǎn)的水平坐標(biāo)、高程值及現(xiàn)場草圖。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入地形生成軟件內(nèi)，并結(jié)合現(xiàn)場草圖與地圖手動(dòng)繪制功能，得到三維模型臺階，選擇爆破區(qū)域。參數(shù)為：臺階寬度約40 m，臺階長度約為110 m，臺階平均高度為17 m，爆破區(qū)域的眉線與后排線為不規(guī)則形狀，如圖4所示。

圖4　GPS所測原始數(shù)據(jù)及生成的三維地形Fig.4 Original GPSm easured data and generate 3D terrain

根據(jù)礦山的巖性及地質(zhì)特征，選取巖性相關(guān)參數(shù)、爆破使用的炸藥類型、鉆孔機(jī)、布孔方式等相應(yīng)的參數(shù)。選取爆破巖性硬度為6級，巖石特性為中等硬度的泥灰?guī)r，炸藥類型為露天乳化炸藥等。根據(jù)所選參數(shù)軟件智能計(jì)算并生成設(shè)計(jì)方案，具體方案為：孔網(wǎng)參數(shù)約為ab=8 m×7.5 m，從實(shí)地的GPS測量數(shù)據(jù)分析，其誤差基本控制在±0.5 m，符合經(jīng)驗(yàn)布孔方案。第一排孔的超深為1.45 m，相比較后排超深較大，這是由于臺階邊坡較緩，根部負(fù)擔(dān)破碎巖石較多。阻塞長度及單耗在合理范圍之內(nèi)。智能設(shè)計(jì)方案符合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，具體信息見圖5。

圖5　智能設(shè)計(jì)方案Fig.5 Intelligent design

由于爆破臺階的邊坡陡緩及高低走勢不均勻，所以爆破時(shí)容易產(chǎn)生飛石和大塊。為了配合皮帶的半連續(xù)生產(chǎn)，減小飛石大塊數(shù)量，爆破智能軟件采取單位藥量擔(dān)負(fù)爆破體積和距眉線合理距離兩種方法，對第一排孔的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，智能地調(diào)節(jié)第一排

圖6　不同坡度臺階面第一排孔智能設(shè)計(jì)Fig.6 Intelligent design on first row for d ifferent slope surface

孔與眉線之間的距離。第一排布孔由眉線的走向來控制，第二、第三排通過調(diào)節(jié)孔位和裝藥量使后排拉平，進(jìn)而產(chǎn)生整齊的后沖線。先排孔和二三排布孔設(shè)計(jì)如圖6所示，加減藥量孔用不同顏色來區(qū)分，用三維坐標(biāo)和普通孔裝藥量倍數(shù)來表示調(diào)節(jié)的孔。

爆破試驗(yàn)選取澳瑞凱依可賽高精度雷管。共選取三種雷管，分別為17 ms地表連接雷管、65 ms地表連接管，炮孔內(nèi)為一根600 ms超強(qiáng)型雷管，連接方式采取斜線起爆。根據(jù)顯示的爆破時(shí)間對爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，孔內(nèi)填塞長度約為6 m，如圖7所示。對于其他的爆破也可以另選孔內(nèi)裝藥方式，如間隔裝藥等。用戶可以選擇人孔編輯或者自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案，用戶可以自定義公式等，可以輸出方案的相關(guān)設(shè)計(jì)圖形，如圖8所示。

圖7　起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.7 Prim ing network design

圖8　智能方案輸出信息Fig.8 Output information of smart p lan

3　爆破效果

通過爆破參數(shù)智能設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅實(shí)現(xiàn)了快速合理的布孔方案，而且爆破效果良好，實(shí)現(xiàn)了控制臺階爆破前沖小于50 m，后翻小于15 m的目標(biāo)。

與人工布孔相比，專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案快速、高效，炮孔分布均勻合理，方案充分考慮了前排孔的設(shè)計(jì)，使產(chǎn)生的飛石、大塊減少。通過對第二、三排孔位進(jìn)行調(diào)節(jié)和增減藥量等方法，在不增加孔數(shù)的前提下，拉平排線。最后一排孔爆破所形成明顯的沉降溝深度約為1.5 m，為后續(xù)爆破作業(yè)提供了有利條件。爆破效果見圖9。

用間接測定法來測定爆破大塊率，拍照取樣。每個(gè)爆區(qū)選取10 m×10 m取樣區(qū)域，采樣10～15張照片，對典型照片進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖10所示。計(jì)算塊度分布，系確定120 cm以上者為不合格大塊。

大塊體積測量采用多向三維卡點(diǎn)法測得各方向的尺寸，然后取其平均值作為大塊的當(dāng)量尺寸。則單體大塊的當(dāng)量體積為

式中：V0——巖塊的當(dāng)量體積，m3；

l——單體大塊的當(dāng)量邊長，m；

a——與大塊形狀有關(guān)的修正系數(shù)。

圖9　爆破效果Fig.9 Blasting effect

圖10　大塊率計(jì)算取樣圖像Fig.10 Big rate calculation samp le image

當(dāng)大塊為準(zhǔn)立方體或柱形體時(shí)，a=1.0；當(dāng)大塊形狀為似球體時(shí)，a為0.6～1.0。120～150 cm取當(dāng)量值130 cm，150～180 cm取當(dāng)量值160 cm，180 cm以上取當(dāng)量值180 cm，修正系數(shù)a取0.85。通過對取樣圖像統(tǒng)計(jì)分析可得：

由此，可推斷系統(tǒng)專家設(shè)計(jì)的臺階爆破方案的整體大塊率基本在10%左右，低于礦山的平均大塊率。

4　結(jié)束語

爆破智能系統(tǒng)在東露天煤礦爆破試驗(yàn)成功，驗(yàn)證了露天臺階爆破專家系統(tǒng)可行，該系統(tǒng)優(yōu)化了布孔設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，尤其針對前排孔與眉線距離進(jìn)行計(jì)算，減小爆堆前沖后翻距離、控制爆破后爆堆的前沖距離小于50 m，后翻距離小于15 m，保證傳送皮帶不受損壞；降低大塊率到10%，減小了二次破碎量和破碎成本，提高裝運(yùn)效率，有效控制爆破飛石、爆破地震等有害效應(yīng)，保證皮帶、電鏟等機(jī)械設(shè)備安全。

工程應(yīng)用表明，基于三維空間模型的露天臺階爆破專家系統(tǒng)能夠設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場實(shí)際情況的爆破方案，可以高效便捷地為爆破技術(shù)人員提供具體指導(dǎo)和決策依據(jù)，也能夠?yàn)槲磥頂?shù)字化礦山建設(shè)提供支持。

［1］ 唐 勇.專家系統(tǒng)在拆除爆破中的應(yīng)用［J］.工程爆破，1996，2（1）：56-59.

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（編輯徐 巖）

Development and app lication of open-pit bench blasting expert system based on three-dimensionalmodel

WANG Gentao1， HE Chenglong2， YANG Jun2，3， ZOU Zongshan2，3
（1.China National Coal Pingshuo Group Company Limited，Shuozhou 036000，China；2.State Key Laboratory of Explosion Science&Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；3.Beijing BIT Blasting Engineering&Technology Company Limited，Beijing 100081，China）

This paper highlights a novel expert system as a practical alternative to the conventional arrangement of blast holes inadequate for a larger-scale blast project due to a lower efficiency.This expert system tailored for open bench blasting works by changing the real topography into three-dimensional model，combining bench blasting design with artificial intelligence theory，and realizing the automatic arrangement of blastholes and selection ofmultiple charging dynamite structure.The system is validated by its successful application in bench blast in the Ping Shuo open-castmine of China National Coal Group Corp.Results suggest that the expert system capable of reducing the ratio of big blocks，would serve as decision making basis for scientific and effective blasting design.

bench blasting design；3D model；optimization of blasting parameters

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.021

TD235

2095-7262（2014）05-0534-05

A

2014-07-10

王根濤（1982-），男，河南省登封人，工程師，研究方向：采礦工程，E-mail：wgt701@126.com。