巷道掘进爆破计算机辅助设计系统的研发_赵丽屏.pdf

专题评述巷道掘进爆破计算机辅助设计系统的研发赵丽屏1，刘爱军1，盛益明2，柴修伟2，徐亮3，彭亚利3，金胜利3(1湖北聚平注册安全工程师事务所有限公司，湖北 武汉 430014;2武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉 430073;3湖北兴发化工集团有限责任公司，湖北 兴山 443700)摘要:随着“互联网+”、“5G”技术及大数据产业的迅速发展，智慧矿山是矿山长远发展的趋势，矿山各生产系统计算机辅助设计是实现智慧矿山的技术保障基础。因此，基于井下现有凿岩爆破工艺和设备，进行技术研发和设备改造升级，构建井下凿岩爆破方案基础数据库，利用蚁群算法优化自动布孔路径，通过 Python 语言开发巷道掘进爆破辅助设计系统。系统可根据巷道断面特征尺寸，进行爆破基础数据库自动搜索和最优爆破方案提取，实现了炮孔自动布孔、在线调整、炮孔参数输出、数据库在线更新等系统功能，改变了传统爆破设计方式，提高了现场布孔精度的科学性，同时为智能矿山远程凿岩控制系统提供技术基础。关键词:巷道掘进;爆破辅助设计;数据库;系统开发中图分类号:TD235文献标志码:A文章编号:16743970(2023)01000105收稿日期:20220916基金项目:2021 年湖北省安全生产专项资金科技项目(SJZX20211004)作者简介:赵丽屏(1972)，女，湖北武汉人，硕士，流程管理架构师、安全生产标准化评审员，主要从事企业安全技术与管理。Email:582268397 qqcom。通信作者:柴修伟(1980)，男，安徽亳州人，博士、教授，主要从事爆破破岩理论与技术、岩土工程与安全监测技术研究。Email:xwchai witeducn。引用格式:赵丽屏，刘爱军，盛益明，等巷道掘进爆破计算机辅助设计系统的研发 J 煤矿爆破，2023，41(1):15ZHAO Liping，LIU Aijun，SHENG Yiming，et alesearch and development of computer aided design system for tunnelexcavation blasting J Coal Mine Blasting，2023，41(1):15esearch and development of computer aided design system for tunnel excavation blastingZHAO Liping1，LIU Aijun1，SHENG Yiming2，CHAI Xiuwei2，XU Liang3，PENG Yali3，JIN Shengli3(1Hubei Juping egistered Safety Engineer Firm Co，Ltd，Wuhan 430014，China;2School of esources and Safety Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China;3Hubei Xingfa Chemical Group Co，Ltd，Xingshan 443700，China)Abstract:With the rapid development of“Internet+”，“5G”technology and big data industry，intelligent mine will bethe trend in the future Computer aided design，applied in mine production systems，is the technical guarantee for realizingintelligent mine Based on the existing drilling and blasting technology and equipment in the mine，the technical D andequipment transforming and upgrading are carried out，the basic database of underground drilling and blasting designscheme is constructed，the ant colony algorithm is used to optimize the automatic hole layout，and the auxiliary designsystem of tunnel excavation blasting is developed by Python language According to the feature size of the tunnel crosssection，the system can automatically search and extract the optimal blasting scheme in the blasting basic database And itrealizes system functions，such as automatic hole arrangement，online adjustment，hole parameter output，online update of1第 41 卷第 1 期2023 年 3 月Coal Mine BlastingVol.41 No.1Mar.2023database and etc Moreover，it changes the traditional blasting design method，makes the field hole layout accuracy morescientific，provides technical basis for remote drilling control system of intelligent mineKey words:tunnel excavation;blasting added design;database;system development0引言“互联网+”、“5G”技术及大数据已在各行各业中被广泛应用，2021 年 6 月，国务院四部门联合印发了能源领域 5G 应用实施方案，在国家实施科技兴安、科技强安的重要举措背景下，5G+智慧矿山项目势必会掀起新的建设热潮。现阶段，国内规模矿山企业主要生产设备基本实现机械化，甚至自动化，处于全面建设智慧矿山的关键时期。矿山爆破生产子系统的智能辅助设计系统是实现智慧矿山的技术保障之一，国内外学者和企业进行了大量研究和开发，法国 Cheimanoff 开发用于露天矿爆破设计的“Expertir”系统，以岩石破碎为目标绘制炮孔布置图1。Wardell Armostrong 公司研发爆破 ockmate 系统软件，测量并评价爆区岩石破碎效果2。璩世杰等3 基于 CAD 绘图软件建立 BlastCode 模型，由计算机自动完成爆破设计，同时模拟预测岩石破碎效果及爆堆形状。王国利等4 开发台阶深孔爆破辅助设计软件，优化爆破设计方案，对改善爆破设计手段、改进爆破设计工艺、提高爆破效果具有重要作用。边亚东等5 基于CAD 绘制平台，通过编程 Visual LISP 语言开发巷道掘进炮孔布置计算机辅助系统，提高巷道掘进作业决策的科学性，减轻爆破设计人员工作强度，提高爆破方案设计效率。左静6 针对爆破设计所需，结合面向对象、数据库以及计算机图形学等技术，基于 CAD 进行二次开发，研发炮孔计算机辅助设计系统。段玉贤等7 基于地质体三维建模技术，结合 Delaunay 三角网算法、凸包投影算法、凸点逐步消除算法建立矿山地表模型和矿体实体模型，实现爆破网络计算机辅助设计。丁奇奇8 开发巷道掘进爆破系统，分析了巷道掘进爆破方案设计流程，构建设计系统数据库，以 Visual C+为爆破辅助设计系统软件开发语言，实现巷道掘进爆破设计系统。刘超等9 分析竖向深孔阶段矿房嗣后充填采矿法的所需，基于 Visual LISP 和 VBA 编程语言开发了爆破辅助设计系统，相比于传统爆破设计所需时间缩短近 70%。计算机辅助设计技术在国内外已得到广泛应用，由于矿山条件和技术力量差异性较大，很多辅助设计系统难以真正辅助现场实际生产。为此，湖北兴发化工集团通过对井下凿岩爆破技术优化研究和设备改造升级，构建井下凿岩爆破方案基础数据库，基于 Python 语言研发巷道掘进爆破辅助设计系统，提高了现场布孔精度的科学性，为智能矿山远程凿岩控制系统提供技术基础。1爆破辅助设计系统1.1系统目标构建井下凿岩爆破方案基础数据库，利用蚁群算法优化自动布孔路径，基于 Python 语言开发了巷道掘进爆破辅助设计系统。依据巷道断面特征尺寸，系统可进行爆破基础数据库自动搜索和最优爆破方案提取，实现了炮孔自动布孔、在线调整、炮孔参数输出、数据库在线更新等系统功能，改变传统爆破设计方式，可以让爆破技术人员减少设计时间、提高断面布孔精度，为智能矿山远程凿岩控制系统提供技术基础。1.2系统功能结构综合考虑矿山生产和凿岩台车的现状，爆破辅助设计系统功能按模块划分，主要有布孔选择、孔位调整、钻孔顺序优化、炮孔信息统计、布孔数据库更新等模块。系统功能结构如图 1 所示，系统内部各个模块的功能说明见表 1。图 1系统功能结构2Vol.41 No.1Mar.2023Coal Mine Blasting第 41 卷第 1 期2023 年 3 月表 1系统各模块功能名称功能布孔选择模块自动匹配:三维扫描仪反馈断面数据，系统数据处理自动匹配符合当前断面的爆破方案手动匹配:高清摄像头反馈断面图片，用户根据巷道类型、面积手动选择符合当前断面的爆破方案孔位调整模块布孔方案的整体放缩、位移、角度旋转，个别或群组炮孔的移动、增加、删除等功能钻孔顺序优化模块布孔方案的炮孔删除、增加后钻孔顺序自动优化最佳路径炮孔信息统计模块炮孔类型及个数的统计，处理及导出爆破参数表等功能布孔数据库更新模块爆破基础数据库更新及输出相关文件等功能2爆破设计基础数据库2.1基础数据库结构爆破设计基础数据库是开发巷道掘进爆破辅助设计系统的基础，为辅助设计系统智能布孔提供基础数据。基础方案实例库是基本爆破设计方案，是根据理论分析和数值模拟优化，并通过现场试验调整后的爆破方案，主要特征参数为巷道类型、巷道面积、掏槽方式、炮孔布置图、炮孔类别及数量等。数据库结构如图 2 所示。图 2数据库结构2.2基础数据库建立基础数据库在 AutoCAD 软件平台进行二次开发，将图纸数据输出至外部其他文件(xls，csv，mdb，txt)。通过数据提取将炮孔布置图中的各个属性提取出来，经过处理转化为需求数据，创建爆破方案基础数据库，创建程序如图 3 所示，具体爆破方案基础数据库如图 4 所示。图 3爆破基础数据库创建示意图图 4爆破基础数据库示意图2.3钻孔自动排序钻孔自动排序是基于蚁群算法的路径规划系统，可利用蚁群算法实现路径规划，找到一条能够遍历所有节点的最短路径，指导凿岩台车钻孔的最优路径规划，属于内置系统模块。蚁群算法实现路径规划具体方法如下:1)假设共有 n 个节点，坐标为:(x1，y1)，(x2，y2)，(xn，yn)，计算 n 个节点之间的距离，其中节点到自身的距离设置为不可到达，用一个很大的数表示，如 99 999。不同节点之间的距离用公式距离表示，第 i 个和第 j 节点的距离可由公式(1)表示:xixj()2+yiyj()2(1)2)初始化参数，包括迭代次数(M)、蚂蚁数量(m)、选择操作的出错概率 bugp、信息素的消失速率(alpha)、初始的信息素浓度以及每只蚂蚁的起点。3)将每只蚂蚁遍历所有节点:从起点出发，找出所有可以访问的节点，在里面找到信息素浓度最大的一个或几个节点(信息素出现相同的情况)，产生一个 0 到 1