露天矿台阶爆破优化设计软件系统_刘军.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-08-22作者简介 刘 军(1969),男,教授,博士,博士研究生导师。露天矿台阶爆破优化设计软件系统刘 军1,2 王 鹏1,2 赵明生3 余红兵3(1.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098;2.河海大学安全与防灾工程研究所,江苏 南京 210098;3.保利新联爆破工程集团有限公司,贵州 贵阳 550002)摘 要 为了改善目前台阶爆破主要依赖人工经验设计的现状,基于 VC+平台开发台阶爆破优化设计软件系统。研发基于 Delaunay 三角网格的迭代算法,实现台阶面自适应布孔,运用 Voronoi 随机网格技术确定起爆顺序。通过非线性预测理论对软件设计爆破方案的振动效应进行预测,从而优化爆破参数。爆破完成后,采用图像阈值化分割方法分析现场爆堆照片的块度分布,根据分析结果并综合考虑安全性、经济性等因素,对爆破效果进行评价,评价结果可以为后续爆破施工提供指导。工程实际应用结果表明:软件实现了台阶爆破自适应布孔,显著提升爆破设计效率,有效提高爆破效果,减少爆破振动有害效应。关键词 爆破设计 自适应布孔 Delaunay 三角网格 Voronoi 网格 振动预测 中图分类号TD854.2 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-173-09DOI 10.19614/ki.jsks.202302024Open-pit Mine Bench Blast Optimization Design Software SystemLIU Jun1,2 WANG Peng1,2 ZHAO Mingsheng3 YU Hongbing3(1.School of Civil Engineering and Transportation,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.Poly Xinlian Blasting Engineering Group Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China)Abstract In order to improve the current situation that step blasting mainly relies on manual experience design,a soft-ware system for step blasting optimization design is developed based on VC+platform.An iterative algorithm based on Delau-nay triangular grid was developed to realize adaptive hole layout on the step surface,and the Voronoi random grid technique was applied to determine the detonation sequence.The vibration effects of the software-designed blasting scheme are predicted by nonlinear prediction theory,and the blasting parameter will be further optimized based on predicted results.After the blas-ting is completed,the image thresholding segmentation method is used to analyze the distribution of blast pile blockiness,and the blasting effect is evaluated based on the analysis results and a combination of safety and economic factors,and the evalua-tion results can provide guidance for subsequent blasting construction.The actual application results show that the software can realize the adaptive placement of step blasting,improve the blasting design efficiency,improve the blasting effect and reduce the harmful effect of blasting vibration.Keywords blasting design,adaptive hole layout,Delaunay triangular grid,Voronoi grid,vibration prediction 目前,全世界约三分之二的固体矿物是通过露天开采方式获得的1,露天矿山开采的首个环节是台阶爆破,台阶爆破的效果对后续采装、运输效率有直接影响。由于矿山地质条件的复杂性、台阶面几何形状的不规则性、台阶岩体的非均质不连续性,使得台阶爆破生产中面临着以下突出问题:设计能力不足,爆破设计主要依赖技术人员的经验和工程类比,具有一定的盲目性2;难以达到预期爆破效果,大块率高、台阶不规整、后冲后裂范围大;爆破安全问题突出,爆破飞石危害严重,伤亡事故频发,爆破振动强烈,房屋震裂,经济损失严重。为提高露天台阶爆破设计的科学性、规范性和便捷性,爆破设计方式正逐渐从人工经验设计向数字化和智能化设计发展3。赵明生等4开发了露天台阶爆破智能化设计软件,实现台阶爆破布孔设计、起爆顺序自动确定、爆破效果评价等功能。李泽华等5基于 VC+平台中 MFC 开发框架,结合 OpenGL 开发相关图形引擎,实现了炮孔自动布置,网路自动连接371和药量优化等功能。澳大利亚澳瑞凯公司开发的Shotplus 软件,实现了布孔、微差时间计算和起爆网络连接的自动化,并且具有抛掷效果预测分析功能6。任占营7开发的爆破设计系统搭建了露天矿专用三维图形处理平台,构建了抛掷爆破爆堆预测模型,并且实现地质地形数据管理,支撑了软件中台阶深孔爆破智能设计系统对地质数据的需求,但在台阶深孔爆破智能设计功能中缺乏对不规则区域布孔的合理解决方案。综合考虑目前露天矿爆破设计系统的开发现状:从国外引进的爆破设计软件能够一定程度提高爆破设计的效率、优化爆破参数,但由于国内外矿山管理体制的不同,导致这些软件系统在国内的适用性较差。近些年国内的矿山研究院与高校合作开发的爆破设计软件取得了长足进步,针对性地解决了许多矿山的个性化需求,但软件的智能性还有待提高。目前现有的爆破设计软件能够完成自动布孔,但对边界复杂的不规则区域难以实现自适应布孔;能够完成爆破设计,但后续爆破参数优化依赖人工经验。基于上述分析,本研究以爆破方案优化设计为目标,实现台阶面自适应炮孔布置、起爆顺序自动确定,同时,对爆破方案的振动效应进行预测分析,减少爆破振动有害效应。爆破完成后,通过爆堆块度分布模块分析爆堆中岩石的尺寸分布。最后,综合各项因素评价爆破效果,为后续爆破设计提供指导。1 软件开发1.1 软件开发平台及工具软件基于 Visual Studio (Visual C+9.0)MFC 平台采用 C+语言开发,充分利用高效的STL 资源、MathMagic 数学函数库与 OpenGL 图形库等软件开发资源。1.2 软件结构软件包含 4 个模块,分别为台阶爆破优化设计模块、爆破预测振动分析模块、爆堆块度统计分析模块和爆破效果综合评价模块。台阶爆破优化设计模块:读入爆区地形地质资料和爆破参数,运用 Delaunay 三角网格迭代算法实现孔网的最优化布置,再运用 Voronoi 网格技术确定起爆顺序,最终输出每个炮孔的坐标、装药结构和起爆顺序等详细参数。爆破振动预测分析模块:根据爆破设计方案,运用萨道夫斯基预测方法和修正的 Anderson 模型与Volterra 泛函级数理论预测指定测点位置的爆破振动效应。爆堆块度统计分析模块:采用图像阈值化分割技术,分析爆堆中岩块的尺寸分布,为评价爆破效果提供依据。爆破效果综合评价模块:建立描述爆破效果的指标体系,包括安全可靠指标、技术合理指标和经济效益指标三大类。根据线性优化理论,建立不同指标的隶属度,采用加权的方法,综合评价爆破效果。通过对露天矿台阶爆破设计流程进行深入分析,提出了规范化的设计流程,定义了各模块之间的操作步骤与联系。软件的总体流程如图 1 所示。图 1 软件总体流程Fig.1 General flow of software2 功能模块2.1 台阶爆破优化设计2.1.1 自由面识别在台阶爆破中,自由面的数量和面积对爆破效果影响很大。为了后续按排布孔和按轮廓布孔算法的科学性,在台阶爆破优化设计模块中,软件将对初始台阶轮廓线进行预判别:在输入爆区轮廓线后,调用软件自由面识别函数,当坡顶线中 2 条线段的夹角大于70时,并且2 条线段的长度大于1 倍孔距时,认为存在 2 个自由面,如图 2 所示。图 2 2 个自由面的爆区轮廓Fig.2 Explosive zone profile of two free surfaces2.1.2 布孔算法软件设计了按排布孔和按爆区轮廓布孔 2 种布孔算法。当台阶具有 1 个自由面,并且自由面相对平471总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期整时,可以采用按排布孔或按爆区轮廓布孔;当台阶具有多个自由面时,使用按排布孔算法将会出现缺漏等不合理现象,软件将默认采用按爆区轮廓布孔算法进行布孔。(1)按排布孔。按排布孔算法是将台阶坡顶线按排距向爆区内部后推,得到布置炮孔的轮廓线(其中首排轮廓线按前排抵抗线后推),然后,以孔距为间隔,在布孔轮廓线上依次布孔,如图 3 所示。图 3 按排布孔Fig.3 Lay out holes row by row(2)按爆区轮廓布孔。按爆区轮廓布孔算法区别于按排布孔,需要爆区的坡顶线、坡底线和无穷边界。首先,将台阶自由面按前排抵抗线向爆区内部后推,得到首排布孔轮廓线;然后,将爆区的无穷边界按排距的一半向爆区内部前推,所包含的区域即为台阶布孔区域,在布孔区域内,根据按排布孔的方式,将首排布孔轮廓线逐排后推生成初始炮孔位置如图 4 所示。在上述过程中,由于布孔区域已经确定,逐排后推的过程中必然会出现多边形轮廓交叉的现象,产生冗余点,软件中根据凸包算法8,将后排轮廓线中的冗余点剔除,如图 5 所示。图 4 按爆区轮廓布孔区域Fig.4 Layout area of boreholes by the outline of blasting zone当初始炮孔位置生成后,炮孔位置并非最优。此时,运用 Delaunay 三角网格技术,将每个初始炮孔视为 Delaunay 三角网格角点,通过迭代计算,逐步调整角点间的距离,使得各个炮孔的间距逐渐接近,从而保证炮孔所负担的爆破范围最优,迭代调整前后对比如图 6、图 7 所示。2.1.3 装药量确定在炮孔位置确定后,可以计算生成 Voronoi 网格图 5 冗余点去除Fig.5 Removal of redundant points图 6 迭代调整前Fig.6 Before iteration adjustment图 7 迭代调整后Fig.7 After iteration ad