露天矿爆破设计三维可视化系统

白润才 邓 超 刘光伟

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

露天矿爆破设计三维可视化系统

白润才 邓 超 刘光伟

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

为提供一种科学化、规范化的露天矿爆破设计三维可视化技术和方法，对露天矿爆破计算机辅助设计技术和爆破机理进行了深入研究。以AutoCAD为开发平台，采用Visual Studio 2008中的visual C++环境，结合AutoCAD的二次开发工具ObjectARX对三维地质模型软件SMCAD进行了再次开发，研究出露天矿爆破设计三维可视化系统应用软件。通过在神宝能源公司一号露天煤矿的应用表明，该软件不仅可以通过多次演示，优化出最佳起爆顺序和爆堆形状，而且具有较强的适应性和扩展性，极大地提高了露天矿企业的爆破管理水平和设计效率，减轻设计人员的劳动强度，为爆破设计方案的有效决策及露天矿台阶爆破三维可视化设计的科学化、规范化提供了依据。

露天矿 计算机辅助设计 三维可视化 爆破设计 C++

穿孔爆破是露天矿山开采过程的重要工艺环节之一，穿孔爆破费用约占开采直接成本的20%～30%[1]。矿岩的爆破效果如何，将对其后各生产环节，例如采装及运输设备工作效率，采、运、排生产的安全和成本、矿山生产能力、开采效率、经济效益、矿石的损失贫化和生产的均衡性有着直接的影响，而且由于露天矿爆破设计工作具有劳动强度大、流程复杂、耗时周期长[2]，岩体的复杂性及爆破影响因素的多样性等特点[3]。因此，露天矿山穿孔爆破设计工作引起了国内外众多专家学者、工程技术人员及软件开发公司等的高度重视，并且在计算机辅助爆破设计领域做了许多尝试和探索[4-6]，取得了一定的科研成果。如国外的L.G.Margolin和T.F.Adames 研发了BCM模型[7]，澳大利亚的C.K.Mck-enzie等人开发了爆破优化系统[8]；国内的湖南长沙矿业集团有限公司利用AutoCAD中的二次开发语言Lisp研发了大中孔凿岩爆破的计算机自动化软件[9]，北京科技大学的璩世杰和庞永军等人研发出了Blast-Code模型[10]，北京矿冶研究总院研发出了露天矿爆破设计系统[11]，西安近代化学研究所对AutoCAD进行二次开发后研制出了炮孔计算机辅助设计系统[12]等。这些软件可以大幅缩短设计周期，极大地提高了工作效率和设计准确率，而且能随时对设计方案进行修改和优化，为我国爆破技术的发展积累了大量的技术和经验。但开发的这些软件具有需要事先准备大量难于获取的数据、对爆破模型的建立研究不足、建立的模型与实际模型存在着差距等缺陷，需要进一步改进。因此如何开发适合中国国情、具有自主知识产权、科学有效、实用可靠、操作简单、数据容易获取的露天矿爆破设计三维可视化系统，已成为了当今爆破技术的主要发展方向和研究热点。信息化、现代化、智能化、可视化与科学化发展是我国露天矿爆破设计技术走向现代化进程的重要一步，软件的研制开发及应用研究将对我国矿山数字化建设的实现产生极其深远的影响。露天矿爆破设计三维可视化系统是一套计算机CAD辅助爆破设计软件，是基于辽宁工程技术大学SMCD三维地质建模软件[13]，并结合爆破专家的实践经验开发的，该系统解决了在爆破设计中从原始数据搜集到数据库的建立、布孔方式设计、装药结构设计、爆破区域圈定、起爆网络设计及过程演示等一系列问题。主要功能包括软件界面、爆破区域的划分与确定、矿石及岩石物理力学指标的输入、炸药种类及其性能参数、炮孔布置方式，起爆网络设计、装药结构设计以及爆破设计文件的生成与管理。与传统的爆破设计软件相比，该系统具有实用性强、可操作性好、三维可视化程度高、功能界面操作简单方便等特点，可以大大缩短设计时间，提高爆破设计的质量，提高了工作效率，降低设计人员的劳动强度。

1 软件开发的基础平台及工具选择

AutoCAD是一种成熟的、开放的、通用的绘图软件，它的功能强大、应用范围广、操作灵活方便，具有完善的汉化环境、强大的图形编辑和数据管理能力。目前露天矿爆破设计文件普遍采用AutoCAD格式，露天矿现场工程技术人员不仅能够熟练使用该软件，而且能普遍掌握AutoCAD软件特点，该系统软件本着便于普遍推广、操作简单方便和适应工程制图人员绘图习惯为原则，采用AutoCAD作为开发平台[14]。

ObjectARX是另一个功能较AutoLisp、ADS、VBA等更加完善的二次开发工具，应用程序本身已经不再是一个独立的进程，因其包括了是一组动态链接库(DLL)，ARX程序可与AutoCAD在同一地址空间运行，方便了二次开发者利用AutoCAD的开放结构，可直接访问AutoCAD数据库图形系统以及几何造型核心扩展AutoCAD的功能[15]；使用ObjectARX进行应用程序的开发还可以与Windows系统集成，充分利用Windows资源，与其他Windows应用程序实现人机交互操作，使得ObjectARX程序的运行速度大大提高、功能大大增强，因此本系统选择了ObjectARX做为二次开发工具[16]。

2 爆破设计三维可视化系统的开发

露天矿爆破区域内受断层、节理等地质构造影响，岩石内部具有较多断层、节理、裂隙、层理等不连续层面，而且岩石是一种非连续性的介质，具有非均质性、各向异性；再加上爆炸是一种快速的、不可逆的过程，给爆破工程技术人员设计造成了很大困难，也是软件开发设计的难点[17]。本系统以AutoCAD作为图形处理平台，ObjectARX作为二次开发工具，将爆破机理与专家经验相结合，开发了露天矿爆破设计三维可视化系统，该软件能够适应不同地质地形条件，提高了设计准确率和效果，提高了设计人员的工作效率。

露天矿爆破三维可视化设计系统是在SMCD软件的基础上研发的，为了满足露天矿爆破设计三维可视化的需要，又增加了爆破设计参数输入子系统和爆破数据库管理子系统。爆破工程技术人员初次使用前只要将露天矿台阶爆破设计需要的基础数据，如炸药种类及参数、岩石种类及参数等一次性输入软件，保存后便可重复使用；而炮孔参数及台阶参数等根据不同地质情况及要求，可采用人机交互的方式进行逐一输入；软件将爆破设计过程中涉及的如布孔参数、图纸绘制、爆破区域确定、爆破网络设计及文档输出等要求，可以从数据库管理子系统中提取，事先使用计算机Visual Studio 2008中的visual C++环境编制好固定的程序，只要将设计参数输入后，计算机便可按照程序进行自动计算，输出结果可通过人机交互式调整，重新计算，保证计算输出后的结果满足设计的精确性和合适性。露天矿爆破设计三维可视化系统开发的总体流程见图1。

图1 总体流程

3 露天矿三维地质模型的建立

露天矿三维地质模型不仅能将复杂的、不规律的、抽象的工程地质资料变得简单化、可视化，可以从模型中随时提取煤岩等厚线图、剥采比等值线图和剖面图等地质图件，通过生成的地质图件能够为露天开采设计和露天矿爆破设计三维可视化提供依据，如爆堆形状和起爆顺序的模拟等。因此，露天矿三维地质模型是露天矿台阶爆破设计三维可视化系统研制开发的前提和基础。

本系统采用建模精度较高的封闭固化成体技术，构建露天矿三维地质实体模型[18]。建立露天矿三维地质模型的首要工作是进行地质数据的收集，然后对收集的地质数据资料进行预处理，把通过地质勘探手段获取的离散的、不规则的、不能真实描述矿床实际赋存状况的数据，按照合适的插值技术计算出满足精度的数据，再按照一定格式建立好地质数据库；然后采用带约束的Delaunay三角网凸包算法构建露天矿地形、采掘场、排土场、地质界面三维模型DEM[19]；采用基于多层DEM的包络面固化成体构模法，建立三维地质实体模型SOLID，为露天矿爆破设计三维可视化提供设计依据。露天矿三维地质模型是在采场现状实体模型和煤岩实体模型的基础上建立的。首先以采场现状实体模型为基态模型，与露天矿煤岩实体模型做布尔“差”运算后在采场现状实体模型中就形成了煤岩实体模型。然后，把煤岩实体模型插入到现状实体模型中，从而形成了露天矿三维地质模型[20]。

4 工程应用

神宝能源公司一号露天煤矿目前主要开采煤层为12号煤层，近水平赋存，平均厚度22 m。煤层上部岩土层厚度66.38 m。其中，第四系松散层厚度为20.55～39.55 m，平均28.9 m。年度剥离量约为120 Mm3，剥离层基本为中软岩石，开采前不需要松动爆破，但由于一号露天矿所处区域冬季寒冷，局部需要进行松动爆破，年度爆破量约为1 Mm3。剥离工程采取季节性施工，每年4月初剥离工程开工，10月底剥离工程竣工，11月初至次年3月底剥离工程处于停工状态，施工工期短，为加快剥离工程进度，必须提高爆破设计工作的准确度和工作效率。

4.1 三维地质模型建立

露天矿三维地质模型的建立是进行爆破设计的前提和基础，为后续的设计工作提供依据。以神宝能源公司一号露天煤矿为工程案例，按照封闭固化成体技术，以该露天矿采矿设计图纸为基础图形，建立了神宝能源公司一号露天煤矿的三维地质模型，见图2。不仅能将抽象的地质资料用直观的形式表现出来，而且可以获取需要的各个位置的剖面图，通过生成的剖面图能够为露天矿爆破设计提供依据。

图2 露天矿三维地质模型

4.2 系统的应用

以神宝能源公司一号露天煤矿2013年9月份某一台阶局部的爆破工程为例，详细介绍露天矿爆破设计三维可视化系统的主要功能，具体功能包括：软件界面、爆破区域的划分与确定、矿石和岩石物理力学指标的输入、炸药种类及其性能参数、炮孔布置，起爆网络设计、装药结构设计以及爆破设计文件的生成与管理等。

4.2.1 露天爆破设计软件界面

露天矿爆破设计三维可视化系统是在辽宁工程技术大学SMCAD三维地质建模软件功能的基础上，结合露天矿爆破设计需要增加了爆破设计功能，如参数输入、炮孔布置、起爆网络设计和设计文件生成和管理等工具。露天矿爆破设计三维可视化系统界面，见图3。

图3 爆破三维可视化系统界面

4.2.2 露天爆破设计参数输入界面

在进行爆破设计前，根据现场的实际地质地形情况输入爆破设计参数、炸药及岩石参数。在这里我们输入了炸药的种类、密度；岩石的种类、密度；钻孔直径；台阶高度和坡面角等设计参数，见图4。

4.2.3 爆破区域的确定

露天矿爆破工程技术人员可以通过“人机交互式”的方法确定爆破区域和设置自由面，也可以根据施工现场的地形、地质情况随时调整爆破区域来满足露天矿山生产的要求，本案例圈定的爆破区域，如图3所示。

图4 露天爆破参数输入界面

4.2.4 露天矿爆破设计生成炮孔界面

根据圈定的爆破区域系统自动确定了爆破钻孔的孔距和行距，并自动生成炮孔，充填长度、装药长度、超深可以用不同颜色柱状标识，三维可视化效果见图5。

图5 炮孔生成界面

4.2.5 起爆网络设计

该系统内的爆破网络设计包括了模拟排间起爆、模拟逐孔起爆及毫秒爆破等多种起爆方案，通过多次演示，优化出最佳起爆顺序，见图6，该案例选用了逐孔起爆方式。

图6 逐孔起爆

4.2.6 爆破设计文件的生成与管理

爆破区域及爆破参数确定后，点击确定键，软件自动计算出爆破量、炮眼长度、炸药单耗、装药量、充填长度、超深、起爆方法、爆破设计说明书及实施细则等爆破设计文件，确定无误后可根据使用要求保存成Word、Excel和PDF等文件格式，而且可以根据工程名称命名文件，便于工程技术人员查阅和管理，详细计算结果见图7。

图7 爆破参数说明

5 结 论

(1)以AutoCAD为基础平台，采用Visual Studio 2008中的visual C++环境，结合ObjectARX开发了露天矿爆破设计三维可视化设计系统，该系统操作简单方便，只要将炮孔实际测量数据、炸药单耗等基础数据输入计算机，就可以根据要求提供炮孔布置图、爆破网络图、爆破参数、单孔装药量及汇总数据和图纸，并可通过反复演示，优化出最佳起爆顺序和爆堆形状。

(2)该爆破设计软件具有较强的适应性和扩展性，提高了露天矿企业的爆破管理水平和设计效率，减轻设计人员的劳动强度，为露天矿台阶爆破三维可视化设计的科学化、规范化提供了依据。

(3)以神宝能源公司一号露天煤矿为例，该系统彻底改变了传统手工设计的做法，设计精度高，设计文件规范，能够满足现场的实际需求，促进了爆破管理的标准化、高效化和规范化，提高了爆破技术人员工作效率和钻孔精度；降低了爆破器材消耗，有效地控制了大块率和根底率，极大地提高了剥离工程进度。

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(责任编辑 徐志宏)

3D Visualization System of Blasting Design of Open-pit Mine1

Bai Runcai Deng Chao Liu Guangwei

(SchoolofGraduate，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，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

国家自然科学基金项目(编号：51304104)。

白润才(1961—)，博士研究生导师，教授。

TD824

A

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