三維空間模型的露天臺階爆破專家系統(tǒng)及應用

王根濤， 何成龍， 楊 軍，3， 鄒宗山，3

（1.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081；3.北京理工北陽爆破工程技術有限責任公司，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.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081；3.北京理工北陽爆破工程技術有限責任公司，北京100081）

傳統(tǒng)人工布孔設計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)。把爆破臺階地形轉化為三維空間模型，將臺階爆破設計原理和智能設計相結合，研制出智能系統(tǒng)，實現了自動布孔、多種裝藥結構選擇及快速爆破網絡設計等目標，并應用于中煤集團平朔東露天礦的臺階爆破。結果表明：專家系統(tǒng)所設計方案與人工方案相比較，實現了減少大塊率，控制前沖、后翻，控制飛石距離，減少爆破沖擊等目的，實際應用中驗證了露天臺階爆破專家系統(tǒng)可行。

臺階爆破設計；三維模型；爆破參數優(yōu)化

0　引 言

在露天礦山爆破生產過程中，爆破設計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，有關爆破軟件系統(tǒng)設計原理及程序設計成為國內外爆破研究領域的一項重要課題。

目前，我國爆破理論和爆破技術的發(fā)展狀況，理論研究落后于實際應用［1］。國內開發(fā)的爆破設計軟件主要有：鄭爽英等［2-3］結合臺階爆破設計原理，研制了臺階爆破設計智能專家系統(tǒng)（IESBBD），實現了炮孔的自適應布置。天津大學的趙黎明等［4］綜合利用人工智能原理、模糊數學、數據庫理論及多目標決策理論，不僅能夠進行爆破設計，同時可以用來訓練爆破技術人員。國外的爆破設計軟件研究比國內起步早，而且取得了顯著的進展。美國愛達荷礦業(yè)學院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)化設計集于一身的爆破專家系統(tǒng)。法國巴黎高等礦業(yè)學院Cheimanoff研制出“Expertir”［6］爆破設計專家系統(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軸方向擴展而得到的。南非的C.M. Lownds設計研發(fā)的FRAC模型［8］將巖石破碎和巖石一級斷裂聯系在一起，能準確地估算爆破后的碎塊大小與炸藥單耗的依賴情況，并得出對應的經驗公式，其結果與實際爆破的數值十分相近。諾蘭達公司技術中心的P.Favreau和P.Andrieux從1990年就開始了BLASTCAD（爆破計算機輔助設計）系統(tǒng)的項目研發(fā)工作［9-10］。BLASTCAD在流行的商品計算機輔助繪圖和設計軟件包（CADD）的基礎上，開發(fā)一個三維地下礦（后來發(fā)展為露天礦）的爆破設計系統(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)設計

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收集到的三維坐標轉化成可視的三維立體地形，進而方便后續(xù)的爆破設計。設計軟件在Visual C++6.0軟件開發(fā)平臺上，選用OpenGL作為3D圖形引擎，使用樹結構為數據結構，準確、精細地表達了三維實體地形。數據結構采用四叉樹表示，其基本思想是把整個地形作為根節(jié)點，把根節(jié)點分割成四等分的子塊，檢查到某個子塊的所有格網都達到所要求的渲染精度，即不需要再分割。四叉樹結構可天然的模擬規(guī)則地形的層次，對地形進行分塊劃分相當方便，便于對地形表面進行紋理映射。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節(jié)來表示一個三維場景，其中的層次細節(jié)級別取決于區(qū)域與視點的關系，并隨視點的移動實時更新各個區(qū)域的層次細節(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

地形坐標數據采集由GPS全球定位系統(tǒng)完成。GPS技術在一般的地形條件下，對半徑10 km范圍內的區(qū)域，移動站可以一次性完成測量，既減少了所需要的控制點和測量儀器的數量，也避免設備多次移動。測量完成后，經過簡單的數據處理，再結合三維建模軟件，即可生成三維礦山模型。

爆破網絡參數設計是至關重要的一個環(huán)節(jié)，必須合理確定臺階要素和爆破參數，才能達到理想的爆破效果。當底盤抵抗線較大時，會造成殘留根底多、爆破的大塊率高、爆破振動大、沖擊作用強等問題；過小的底盤抵抗線，又會產生浪費炸藥、增大鉆孔作業(yè)量、巖塊易拋散、產生飛石和增大噪聲等有害效應。因此，需要根據臺階高度h和鉆孔直徑d和計算系數k（見表1）綜合確定。

表1　系數k的經驗選取值Table 1 Select k by experiencemethod

式中：W11——由臺階高度（h）計算得出底盤抵抗線，m；

W12——由臺鉆孔直徑（d）計算得出底盤抵抗線，mm。

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

深孔臺階爆破采用的裝藥結構，主要有連續(xù)耦合裝藥、連續(xù)不耦合裝藥以及間隔裝藥。裝藥結構對話框包括堵塞長度、裝藥長度、超深長度及單孔裝藥量4個參數。不同的裝藥設計如圖2所示。

圖2　不同裝藥結構設計Fig.2 Design different blasting structure

起爆網路連接是利用爆破器材對整個爆破工作面的炮孔，進行起爆順序的安排。不同起爆方式如圖3所示。四通復式網路對爆破環(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臨空自由面為首排，依次按照爆破網路設計的起爆時差，逐排順序爆破；逐孔起爆主要是利用孔內和孔外不同延期時間的高精度導爆管雷管配合使用，使每個炮孔按照爆破設計的延期時間順序起爆。

圖3　不同的起爆方式設計Fig.3 Design different ways of initiatio

2　方案設計

中煤平朔東露天礦采用單斗-移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝，這種工藝在我國露天礦剝離開采技術方面尚屬首次。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，改善爆破質量，降低大塊率，減少大塊及根底的產生，提高裝運效率、降低破碎成本；第三，保證皮帶、電鏟等機械設備安全，控制爆破飛石、爆破地震等有害效應，降低爆破沖擊的危害程度，保證半連續(xù)工藝系統(tǒng)中的設備安全連續(xù)運行。

選取安家?guī)X礦1315平臺進行智能設計并完成爆破試驗。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、抗碎強度高等特點。地質情況：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，降低了圍巖的強度。軟件的自動布孔設計主要為以下幾步：爆破區(qū)域確定→巖石性質分類→鉆孔設備規(guī)則→炸藥類型選擇→布孔方式選擇→裝藥結構選擇→爆破參數計算→炮孔布置→起爆方式選擇→微差時間確定→起爆網絡確定。

將GPS所測臺階的原始數據進行分析、整理后，將所有測量邊界點連線，與現場草圖進行對比，對邊界線中缺失的離散點進行人工創(chuàng)建，創(chuàng)建規(guī)則是根據附近點的水平坐標、高程值及現場草圖。將數據導入地形生成軟件內，并結合現場草圖與地圖手動繪制功能，得到三維模型臺階，選擇爆破區(qū)域。參數為：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所測原始數據及生成的三維地形Fig.4 Original GPSm easured data and generate 3D terrain

根據礦山的巖性及地質特征，選取巖性相關參數、爆破使用的炸藥類型、鉆孔機、布孔方式等相應的參數。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。根據所選參數軟件智能計算并生成設計方案，具體方案為：孔網參數約為ab=8 m×7.5 m，從實地的GPS測量數據分析，其誤差基本控制在±0.5 m，符合經驗布孔方案。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，根部負擔破碎巖石較多。阻塞長度及單耗在合理范圍之內。智能設計方案符合經驗設計要求，具體信息見圖5。

圖5　智能設計方案Fig.5 Intelligent design

由于爆破臺階的邊坡陡緩及高低走勢不均勻，所以爆破時容易產生飛石和大塊。為了配合皮帶的半連續(xù)生產，減小飛石大塊數量，爆破智能軟件采取單位藥量擔負爆破體積和距眉線合理距離兩種方法，對第一排孔的設計進行優(yōu)化，智能地調節(jié)第一排

圖6　不同坡度臺階面第一排孔智能設計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、第三排通過調節(jié)孔位和裝藥量使后排拉平，進而產生整齊的后沖線。先排孔和二三排布孔設計如圖6所示，加減藥量孔用不同顏色來區(qū)分，用三維坐標和普通孔裝藥量倍數來表示調節(jié)的孔。

爆破試驗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，炮孔內為一根600 ms超強型雷管，連接方式采取斜線起爆。根據顯示的爆破時間對爆破網絡進行優(yōu)化，孔內填塞長度約為6 m，如圖7所示。對于其他的爆破也可以另選孔內裝藥方式，如間隔裝藥等。用戶可以選擇人孔編輯或者自動生成設計方案，用戶可以自定義公式等，可以輸出方案的相關設計圖形，如圖8所示。

圖7　起爆網絡設計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

通過爆破參數智能設計優(yōu)化，不僅實現了快速合理的布孔方案，而且爆破效果良好，實現了控制臺階爆破前沖小于50 m，后翻小于15 m的目標。

與人工布孔相比，專家系統(tǒng)設計方案快速、高效，炮孔分布均勻合理，方案充分考慮了前排孔的設計，使產生的飛石、大塊減少。通過對第二、三排孔位進行調節(jié)和增減藥量等方法，在不增加孔數的前提下，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，對典型照片進行網格化，如圖10所示。計算塊度分布，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法測得各方向的尺寸，然后取其平均值作為大塊的當量尺寸。則單體大塊的當量體積為

式中：V0——巖塊的當量體積，m3；

l——單體大塊的當量邊長，m；

a——與大塊形狀有關的修正系數。

圖9　爆破效果Fig.9 Blasting effect

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

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

由此，可推斷系統(tǒng)專家設計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　結束語

爆破智能系統(tǒng)在東露天煤礦爆破試驗成功，驗證了露天臺階爆破專家系統(tǒng)可行，該系統(tǒng)優(yōu)化了布孔設計網絡，尤其針對前排孔與眉線距離進行計算，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，提高裝運效率，有效控制爆破飛石、爆破地震等有害效應，保證皮帶、電鏟等機械設備安全。

工程應用表明，基于三維空間模型的露天臺階爆破專家系統(tǒng)能夠設計符合現場實際情況的爆破方案，可以高效便捷地為爆破技術人員提供具體指導和決策依據，也能夠為未來數字化礦山建設提供支持。

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

［2］ 鄭爽英，常 春，張繼春.臺階爆破設計智能專家系統(tǒng)的結構［J］.爆破，2002，19（3）：13-16.

［3］ 常 春，楊尚進，張繼春.臺階爆破設計專家系統(tǒng)結構與原理［J］.遼寧工程技術大學學報，2004，23（2）：194-196.

［4］ 趙黎明，段利忠.專家系統(tǒng)在確定露天臺階爆破參數的應用［J］.天津大學報，2002，35（1）：130-132.

［5］ MARTIN S，ROBERT L H.A coupled expert system approach to optimal blast design［J］.Proc Int Symp on Mining Planning and Equipment Selection，2002，16（6）：366-372.

［6］ CHEIMANOFF N.Expertir：an expert system for rock blasting planning in open-pitmines［C］//Proc 14th World Mining Congress.Beijing：［s.n.］，1990：604-799.

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［9］ FAVREAU P，ANDRIEUX P.BLASTCAD-Noranda’s three dimensional computer-aided underground blast design system［J］. Computer application，1993，86（67）：62-68.

［10］ LAWSON C L.Software for C surface interpolation［J］.Mathematical Software III，1977，10（3）：105-109.

（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。