三维空间模型的露天台阶爆破专家系统及应用

王根涛， 何成龙， 杨 军，3， 邹宗山，3

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；3.北京理工北阳爆破工程技术有限责任公司，北京100081）

三维空间模型的露天台阶爆破专家系统及应用

王根涛1， 何成龙2， 杨 军2，3， 邹宗山2，3

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036000；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；3.北京理工北阳爆破工程技术有限责任公司，北京100081）

传统人工布孔设计的爆破模式效率较低，无法适用于大规模的爆破工程，因此，研制了露填台阶爆破专家系统。把爆破台阶地形转化为三维空间模型，将台阶爆破设计原理和智能设计相结合，研制出智能系统，实现了自动布孔、多种装药结构选择及快速爆破网络设计等目标，并应用于中煤集团平朔东露天矿的台阶爆破。结果表明：专家系统所设计方案与人工方案相比较，实现了减少大块率，控制前冲、后翻，控制飞石距离，减少爆破冲击等目的，实际应用中验证了露天台阶爆破专家系统可行。

台阶爆破设计；三维模型；爆破参数优化

0　引 言

在露天矿山爆破生产过程中，爆破设计的具体方式与方法是影响爆破效果的重要因素之一。多年来，有关爆破软件系统设计原理及程序设计成为国内外爆破研究领域的一项重要课题。

目前，我国爆破理论和爆破技术的发展状况，理论研究落后于实际应用［1］。国内开发的爆破设计软件主要有：郑爽英等［2-3］结合台阶爆破设计原理，研制了台阶爆破设计智能专家系统（IESBBD），实现了炮孔的自适应布置。天津大学的赵黎明等［4］综合利用人工智能原理、模糊数学、数据库理论及多目标决策理论，不仅能够进行爆破设计，同时可以用来训练爆破技术人员。国外的爆破设计软件研究比国内起步早，而且取得了显著的进展。美国爱达荷矿业学院Martin Smith和Robert L.Hautala［5］开发出将专家知识推理和露天爆破方案优化设计集于一身的爆破专家系统。法国巴黎高等矿业学院Cheimanoff研制出“Expertir”［6］爆破设计专家系统，该系统使岩石得到最佳破碎。Preece和Chung等开发的三维离散元模型DMCBLAST-3D［7］是将二维模型沿Z轴方向扩展而得到的。南非的C.M. Lownds设计研发的FRAC模型［8］将岩石破碎和岩石一级断裂联系在一起，能准确地估算爆破后的碎块大小与炸药单耗的依赖情况，并得出对应的经验公式，其结果与实际爆破的数值十分相近。诺兰达公司技术中心的P.Favreau和P.Andrieux从1990年就开始了BLASTCAD（爆破计算机辅助设计）系统的项目研发工作［9-10］。BLASTCAD在流行的商品计算机辅助绘图和设计软件包（CADD）的基础上，开发一个三维地下矿（后来发展为露天矿）的爆破设计系统。针对露天矿的台阶爆破问题，笔者研制了基于三维空间模型的露天台阶爆破专家系统。

1　系统设计

基于三维空间模型的专家系统，在地形生成部分遵循的原理是将GPS收集到的三维坐标转化成可视的三维立体地形，进而方便后续的爆破设计。设计软件在Visual C++6.0软件开发平台上，选用OpenGL作为3D图形引擎，使用树结构为数据结构，准确、精细地表达了三维实体地形。数据结构采用四叉树表示，其基本思想是把整个地形作为根节点，把根节点分割成四等分的子块，检查到某个子块的所有格网都达到所要求的渲染精度，即不需要再分割。四叉树结构可天然的模拟规则地形的层次，对地形进行分块划分相当方便，便于对地形表面进行纹理映射。使用金字塔是连续多分辨率层次模型，即通过使用不同的层次细节来表示一个三维场景，其中的层次细节级别取决于区域与视点的关系，并随视点的移动实时更新各个区域的层次细节级别，模型如图1所示。

图1　连续多分辨率层次模型Fig.1 Continuousmulti-resolu tion hierarchicalmodel

地形坐标数据采集由GPS全球定位系统完成。GPS技术在一般的地形条件下，对半径10 km范围内的区域，移动站可以一次性完成测量，既减少了所需要的控制点和测量仪器的数量，也避免设备多次移动。测量完成后，经过简单的数据处理，再结合三维建模软件，即可生成三维矿山模型。

爆破网络参数设计是至关重要的一个环节，必须合理确定台阶要素和爆破参数，才能达到理想的爆破效果。当底盘抵抗线较大时，会造成残留根底多、爆破的大块率高、爆破振动大、冲击作用强等问题；过小的底盘抵抗线，又会产生浪费炸药、增大钻孔作业量、岩块易抛散、产生飞石和增大噪声等有害效应。因此，需要根据台阶高度h和钻孔直径d和计算系数k（见表1）综合确定。

表1　系数k的经验选取值Table 1 Select k by experiencemethod

式中：W11——由台阶高度（h）计算得出底盘抵抗线，m；

W12——由台钻孔直径（d）计算得出底盘抵抗线，mm。

根据岩石特性选择相应炸药类别及型号，将其添加到方案设计对话框中。该选项包含炸药名称、密度、爆热、比容（爆容）和单位炸药计算威力，并根据需求增加/删除单种或多种炸药。

深孔台阶爆破采用的装药结构，主要有连续耦合装药、连续不耦合装药以及间隔装药。装药结构对话框包括堵塞长度、装药长度、超深长度及单孔装药量4个参数。不同的装药设计如图2所示。

图2　不同装药结构设计Fig.2 Design different blasting structure

起爆网路连接是利用爆破器材对整个爆破工作面的炮孔，进行起爆顺序的安排。不同起爆方式如图3所示。四通复式网路对爆破环境要求简单，操作方便，使用安全；逐排起爆是依照炮孔布置以一个临空自由面为首排，依次按照爆破网路设计的起爆时差，逐排顺序爆破；逐孔起爆主要是利用孔内和孔外不同延期时间的高精度导爆管雷管配合使用，使每个炮孔按照爆破设计的延期时间顺序起爆。

图3　不同的起爆方式设计Fig.3 Design different ways of initiatio

2　方案设计

中煤平朔东露天矿采用单斗-移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺，这种工艺在我国露天矿剥离开采技术方面尚属首次。为了使其高效工作，对爆破工艺提出了更高的要求：首先，要减小爆堆前冲后翻距离、控制爆破后爆堆的前冲距离小于50 m，后翻距离小于15 m，以保证传送皮带不受损坏；其次，改善爆破质量，降低大块率，减少大块及根底的产生，提高装运效率、降低破碎成本；第三，保证皮带、电铲等机械设备安全，控制爆破飞石、爆破地震等有害效应，降低爆破冲击的危害程度，保证半连续工艺系统中的设备安全连续运行。

选取安家岭矿1315平台进行智能设计并完成爆破试验。平台煤层煤种具有低-中低灰、特低硫、低磷、高-特高热值、富油煤、抗碎强度高等特点。地质情况：岩石主要为砂岩及泥岩，岩石呈灰色、褐色。岩石属次次硬类型，裂隙节理较发育，降低了围岩的强度。软件的自动布孔设计主要为以下几步：爆破区域确定→岩石性质分类→钻孔设备规则→炸药类型选择→布孔方式选择→装药结构选择→爆破参数计算→炮孔布置→起爆方式选择→微差时间确定→起爆网络确定。

将GPS所测台阶的原始数据进行分析、整理后，将所有测量边界点连线，与现场草图进行对比，对边界线中缺失的离散点进行人工创建，创建规则是根据附近点的水平坐标、高程值及现场草图。将数据导入地形生成软件内，并结合现场草图与地图手动绘制功能，得到三维模型台阶，选择爆破区域。参数为：台阶宽度约40 m，台阶长度约为110 m，台阶平均高度为17 m，爆破区域的眉线与后排线为不规则形状，如图4所示。

图4　GPS所测原始数据及生成的三维地形Fig.4 Original GPSm easured data and generate 3D terrain

根据矿山的岩性及地质特征，选取岩性相关参数、爆破使用的炸药类型、钻孔机、布孔方式等相应的参数。选取爆破岩性硬度为6级，岩石特性为中等硬度的泥灰岩，炸药类型为露天乳化炸药等。根据所选参数软件智能计算并生成设计方案，具体方案为：孔网参数约为ab=8 m×7.5 m，从实地的GPS测量数据分析，其误差基本控制在±0.5 m，符合经验布孔方案。第一排孔的超深为1.45 m，相比较后排超深较大，这是由于台阶边坡较缓，根部负担破碎岩石较多。阻塞长度及单耗在合理范围之内。智能设计方案符合经验设计要求，具体信息见图5。

图5　智能设计方案Fig.5 Intelligent design

由于爆破台阶的边坡陡缓及高低走势不均匀，所以爆破时容易产生飞石和大块。为了配合皮带的半连续生产，减小飞石大块数量，爆破智能软件采取单位药量担负爆破体积和距眉线合理距离两种方法，对第一排孔的设计进行优化，智能地调节第一排

图6　不同坡度台阶面第一排孔智能设计Fig.6 Intelligent design on first row for d ifferent slope surface

孔与眉线之间的距离。第一排布孔由眉线的走向来控制，第二、第三排通过调节孔位和装药量使后排拉平，进而产生整齐的后冲线。先排孔和二三排布孔设计如图6所示，加减药量孔用不同颜色来区分，用三维坐标和普通孔装药量倍数来表示调节的孔。

爆破试验选取澳瑞凯依可赛高精度雷管。共选取三种雷管，分别为17 ms地表连接雷管、65 ms地表连接管，炮孔内为一根600 ms超强型雷管，连接方式采取斜线起爆。根据显示的爆破时间对爆破网络进行优化，孔内填塞长度约为6 m，如图7所示。对于其他的爆破也可以另选孔内装药方式，如间隔装药等。用户可以选择人孔编辑或者自动生成设计方案，用户可以自定义公式等，可以输出方案的相关设计图形，如图8所示。

图7　起爆网络设计Fig.7 Prim ing network design

图8　智能方案输出信息Fig.8 Output information of smart p lan

3　爆破效果

通过爆破参数智能设计优化，不仅实现了快速合理的布孔方案，而且爆破效果良好，实现了控制台阶爆破前冲小于50 m，后翻小于15 m的目标。

与人工布孔相比，专家系统设计方案快速、高效，炮孔分布均匀合理，方案充分考虑了前排孔的设计，使产生的飞石、大块减少。通过对第二、三排孔位进行调节和增减药量等方法，在不增加孔数的前提下，拉平排线。最后一排孔爆破所形成明显的沉降沟深度约为1.5 m，为后续爆破作业提供了有利条件。爆破效果见图9。

用间接测定法来测定爆破大块率，拍照取样。每个爆区选取10 m×10 m取样区域，采样10～15张照片，对典型照片进行网格化，如图10所示。计算块度分布，系确定120 cm以上者为不合格大块。

大块体积测量采用多向三维卡点法测得各方向的尺寸，然后取其平均值作为大块的当量尺寸。则单体大块的当量体积为

式中：V0——岩块的当量体积，m3；

l——单体大块的当量边长，m；

a——与大块形状有关的修正系数。

图9　爆破效果Fig.9 Blasting effect

图10　大块率计算取样图像Fig.10 Big rate calculation samp le image

当大块为准立方体或柱形体时，a=1.0；当大块形状为似球体时，a为0.6～1.0。120～150 cm取当量值130 cm，150～180 cm取当量值160 cm，180 cm以上取当量值180 cm，修正系数a取0.85。通过对取样图像统计分析可得：

由此，可推断系统专家设计的台阶爆破方案的整体大块率基本在10%左右，低于矿山的平均大块率。

4　结束语

爆破智能系统在东露天煤矿爆破试验成功，验证了露天台阶爆破专家系统可行，该系统优化了布孔设计网络，尤其针对前排孔与眉线距离进行计算，减小爆堆前冲后翻距离、控制爆破后爆堆的前冲距离小于50 m，后翻距离小于15 m，保证传送皮带不受损坏；降低大块率到10%，减小了二次破碎量和破碎成本，提高装运效率，有效控制爆破飞石、爆破地震等有害效应，保证皮带、电铲等机械设备安全。

工程应用表明，基于三维空间模型的露天台阶爆破专家系统能够设计符合现场实际情况的爆破方案，可以高效便捷地为爆破技术人员提供具体指导和决策依据，也能够为未来数字化矿山建设提供支持。

［1］ 唐 勇.专家系统在拆除爆破中的应用［J］.工程爆破，1996，2（1）：56-59.

［2］ 郑爽英，常 春，张继春.台阶爆破设计智能专家系统的结构［J］.爆破，2002，19（3）：13-16.

［3］ 常 春，杨尚进，张继春.台阶爆破设计专家系统结构与原理［J］.辽宁工程技术大学学报，2004，23（2）：194-196.

［4］ 赵黎明，段利忠.专家系统在确定露天台阶爆破参数的应用［J］.天津大学报，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.

［7］ PREECE D S，GHUNG SH.Development and application of a3-D rock blast computermodeling capability using discrete elements-DMCBLAST-3D［C］//Proc of 27thAnnual Conference on Explosive and Blasting Technique.Florida：［s.n.］，2001：11-18.

［8］ LOWNDSC M.炮孔排列破碎的计算机模拟［C］//第一届爆破破岩国际会议论文集，长沙：中国长沙岩石力学工程技术咨询公司，1985：258-264.

［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.

（编辑徐 岩）

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

王根涛（1982-），男，河南省登封人，工程师，研究方向：采矿工程，E-mail：wgt701@126.com。