露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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)

露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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)計三維可視化技術(shù)和方法，對露天礦爆破計算機輔助設(shè)計技術(shù)和爆破機理進行了深入研究。以AutoCAD為開發(fā)平臺，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對三維地質(zhì)模型軟件SMCAD進行了再次開發(fā)，研究出露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用軟件。通過在神寶能源公司一號露天煤礦的應(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，而且具有較強的適應(yīng)性和擴展性，極大地提高了露天礦企業(yè)的爆破管理水平和設(shè)計效率，減輕設(shè)計人員的勞動強度，為爆破設(shè)計方案的有效決策及露天礦臺階爆破三維可視化設(shè)計的科學(xué)化、規(guī)范化提供了依據(jù)。

露天礦 計算機輔助設(shè)計 三維可視化 爆破設(shè)計 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，穿孔爆破費用約占開采直接成本的20%～30%[1]。礦巖的爆破效果如何，將對其后各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如采裝及運輸設(shè)備工作效率，采、運、排生產(chǎn)的安全和成本、礦山生產(chǎn)能力、開采效率、經(jīng)濟效益、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)計工作具有勞動強度大、流程復(fù)雜、耗時周期長[2]，巖體的復(fù)雜性及爆破影響因素的多樣性等特點[3]。因此，露天礦山穿孔爆破設(shè)計工作引起了國內(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，并且在計算機輔助爆破設(shè)計領(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算機自動化軟件[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)計系統(tǒng)[11]，西安近代化學(xué)研究所對AutoCAD進行二次開發(fā)后研制出了炮孔計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)[12]等。這些軟件可以大幅縮短設(shè)計周期，極大地提高了工作效率和設(shè)計準確率，而且能隨時對設(shè)計方案進行修改和優(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。但開發(fā)的這些軟件具有需要事先準備大量難于獲取的數(shù)據(jù)、對爆破模型的建立研究不足、建立的模型與實際模型存在著差距等缺陷，需要進一步改進。因此如何開發(fā)適合中國國情、具有自主知識產(chǎn)權(quán)、科學(xué)有效、實用可靠、操作簡單、數(shù)據(jù)容易獲取的露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(tǒng)，已成為了當今爆破技術(shù)的主要發(fā)展方向和研究熱點。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)計技術(shù)走向現(xiàn)代化進程的重要一步，軟件的研制開發(fā)及應(yīng)用研究將對我國礦山數(shù)字化建設(shè)的實現(xiàn)產(chǎn)生極其深遠的影響。露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(tǒng)是一套計算機CAD輔助爆破設(shè)計軟件，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)合爆破專家的實踐經(jīng)驗開發(fā)的，該系統(tǒng)解決了在爆破設(shè)計中從原始數(shù)據(jù)搜集到數(shù)據(jù)庫的建立、布孔方式設(shè)計、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計、爆破區(qū)域圈定、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計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、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計以及爆破設(shè)計文件的生成與管理。與傳統(tǒng)的爆破設(shè)計軟件相比，該系統(tǒng)具有實用性強、可操作性好、三維可視化程度高、功能界面操作簡單方便等特點，可以大大縮短設(shè)計時間，提高爆破設(shè)計的質(zhì)量，提高了工作效率，降低設(shè)計人員的勞動強度。

1 軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺及工具選擇

AutoCAD是一種成熟的、開放的、通用的繪圖軟件，它的功能強大、應(yīng)用范圍廣、操作靈活方便，具有完善的漢化環(huán)境、強大的圖形編輯和數(shù)據(jù)管理能力。目前露天礦爆破設(shè)計文件普遍采用AutoCAD格式，露天礦現(xiàn)場工程技術(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，該系統(tǒng)軟件本著便于普遍推廣、操作簡單方便和適應(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[14]。

ObjectARX是另一個功能較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)不再是一個獨立的進程，因其包括了是一組動態(tài)鏈接庫(DLL)，ARX程序可與AutoCAD在同一地址空間運行，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展AutoCAD的功能[15]；使用ObjectARX進行應(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)人機交互操作，使得ObjectARX程序的運行速度大大提高、功能大大增強，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)計造成了很大困難，也是軟件開發(fā)設(shè)計的難點[17]。本系統(tǒng)以AutoCAD作為圖形處理平臺，ObjectARX作為二次開發(fā)工具，將爆破機理與專家經(jīng)驗相結(jié)合，開發(fā)了露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(tǒng)，該軟件能夠適應(yīng)不同地質(zhì)地形條件，提高了設(shè)計準確率和效果，提高了設(shè)計人員的工作效率。

露天礦爆破三維可視化設(shè)計系統(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)計三維可視化的需要，又增加了爆破設(shè)計參數(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階爆破設(shè)計需要的基礎(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)及臺階參數(shù)等根據(jù)不同地質(zhì)情況及要求，可采用人機交互的方式進行逐一輸入；軟件將爆破設(shè)計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，事先使用計算機Visual Studio 2008中的visual C++環(huán)境編制好固定的程序，只要將設(shè)計參數(shù)輸入后，計算機便可按照程序進行自動計算，輸出結(jié)果可通過人機交互式調(diào)整，重新計算，保證計算輸出后的結(jié)果滿足設(shè)計的精確性和合適性。露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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)資料變得簡單化、可視化，可以從模型中隨時提取煤巖等厚線圖、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)圖件能夠為露天開采設(shè)計和露天礦爆破設(shè)計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)模型是露天礦臺階爆破設(shè)計三維可視化系統(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)實體模型[18]。建立露天礦三維地質(zhì)模型的首要工作是進行地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集，然后對收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)資料進行預(yù)處理，把通過地質(zhì)勘探手段獲取的離散的、不規(guī)則的、不能真實描述礦床實際賦存狀況的數(shù)據(jù)，按照合適的插值技術(shù)計算出滿足精度的數(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、排土場、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)實體模型SOLID，為露天礦爆破設(shè)計三維可視化提供設(shè)計依據(jù)。露天礦三維地質(zhì)模型是在采場現(xiàn)狀實體模型和煤巖實體模型的基礎(chǔ)上建立的。首先以采場現(xiàn)狀實體模型為基態(tài)模型，與露天礦煤巖實體模型做布爾“差”運算后在采場現(xiàn)狀實體模型中就形成了煤巖實體模型。然后，把煤巖實體模型插入到現(xiàn)狀實體模型中，從而形成了露天礦三維地質(zhì)模型[20]。

4 工程應(yīng)用

神寶能源公司一號露天煤礦目前主要開采煤層為12號煤層，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，開采前不需要松動爆破，但由于一號露天礦所處區(qū)域冬季寒冷，局部需要進行松動爆破，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，為加快剝離工程進度，必須提高爆破設(shè)計工作的準確度和工作效率。

4.1 三維地質(zhì)模型建立

露天礦三維地質(zhì)模型的建立是進行爆破設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，為后續(xù)的設(shè)計工作提供依據(jù)。以神寶能源公司一號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)計圖紙為基礎(chǔ)圖形，建立了神寶能源公司一號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位置的剖面圖，通過生成的剖面圖能夠為露天礦爆破設(shè)計提供依據(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露天煤礦2013年9月份某一臺階局部的爆破工程為例，詳細介紹露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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、裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計以及爆破設(shè)計文件的生成與管理等。

4.2.1 露天爆破設(shè)計軟件界面

露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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)計需要增加了爆破設(shè)計功能，如參數(shù)輸入、炮孔布置、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和設(shè)計文件生成和管理等工具。露天礦爆破設(shè)計三維可視化系統(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)計參數(shù)輸入界面

在進行爆破設(shè)計前，根據(jù)現(xiàn)場的實際地質(zhì)地形情況輸入爆破設(shè)計參數(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；臺階高度和坡面角等設(shè)計參數(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)場的地形、地質(zhì)情況隨時調(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)計生成炮孔界面

根據(jù)圈定的爆破區(qū)域系統(tǒng)自動確定了爆破鉆孔的孔距和行距，并自動生成炮孔，充填長度、裝藥長度、超深可以用不同顏色柱狀標識，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

該系統(tǒng)內(nèi)的爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計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)計文件的生成與管理

爆破區(qū)域及爆破參數(shù)確定后，點擊確定鍵，軟件自動計算出爆破量、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)計說明書及實施細則等爆破設(shè)計文件，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，詳細計算結(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，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)計三維可視化設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單方便，只要將炮孔實際測量數(shù)據(jù)、炸藥單耗等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入計算機，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)計軟件具有較強的適應(yīng)性和擴展性，提高了露天礦企業(yè)的爆破管理水平和設(shè)計效率，減輕設(shè)計人員的勞動強度，為露天礦臺階爆破三維可視化設(shè)計的科學(xué)化、規(guī)范化提供了依據(jù)。

(3)以神寶能源公司一號露天煤礦為例，該系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)手工設(shè)計的做法，設(shè)計精度高，設(shè)計文件規(guī)范，能夠滿足現(xiàn)場的實際需求，促進了爆破管理的標準化、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)基金項目(編號：51304104)。

白潤才(1961—)，博士研究生導(dǎo)師，教授。

TD824

A

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