黑岱沟露天煤矿抛掷爆破智能设计系统的研究.pdf

I 电 子 科 技 大 学 UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA 专业学位硕士学位论文 MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE （电子科技大学图标） 论文题目 黑岱沟露天煤矿抛掷爆破黑岱沟露天煤矿抛掷爆破智能智能 设计系统的研究设计系统的研究 专业学位类别 工程硕士工程硕士 学 号 201291100116201291100116 作 者 姓 名 狐为民狐为民 指 导 教 师 何国良何国良 万方数据 II 分类号 TD824.2 密级 UDC 学 位 论 文 黑岱沟露天煤矿抛掷爆破智能黑岱沟露天煤矿抛掷爆破智能 设计系统的研究设计系统的研究 （题名和副题名） 狐为民 （作者姓名） 指导教师 何国良何国良 教授教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 姜延丰姜延丰 高级工程师高级工程师高工高工 华北科技学院华北科技学院 河北河北 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士硕士 专业学位类别 工程硕士工程硕士 工程领域名称 软件工程软件工程 提交论文日期 2013.09.25 论文答辩日期2013.11.23 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 2013 年 12 月 24 日 答辩委员会主席 评阅人 注 1注明国际十进分类法 UDC的类号。 万方数据 3 HEIDAIGOU OPEN-PIT COAL MINE THROWING BLASTING INTELLIGENT DESIGN SYSTEM’S STUDY A Master Thesis ted to University of Electronic Science and Technology of China Major Software Engineering Author HU Wei-Min Advisor HE Guo-Liang School School of Mathematical Sciences 万方数据 I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名 日期 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘 要 神华集团准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿是我国最大的露天煤矿， 年开采能力超过 3000 万吨，其岩石剥离采用世界上最先进的抛掷爆破-拉斗铲倒 堆开采工艺。该工艺直接将剥离物倒堆排弃于露天采空区内，生产效率高成本低 生产能力大等优势特点，是露天矿重要开采工艺。 抛掷爆破和爆破设计是该工艺的首个环节，设计质量和爆破效果对后期施工 产生最直接影响。通过开发适合露天矿抛掷爆破设计技术的计算机智能软件，旨 在指导现场抛掷爆破设计，以期获得更好的爆破效果，降低剥离成本。 经过两年的设计，我们成功开发了露天矿抛掷爆破计算机智能设计系统。 该系统是一个功能强大、结构复杂的大型智能设计软件。主要功能包括结合地 质地形数据准确确定设计参数、三维效果图形平台的研究开发、爆破智能设计与 优化、爆破模拟和效果分析、爆破设计文档的生成和输出等功能。 系统具有地质地形数据处理功能，结合地质地形，系统可以准确确定爆破设 计参数，该功能在同类软件中首次实现。系统建立了地质地形数据库，存储了地 质钻探数据及矿岩的各种地质属性参数，在爆破设计过程中对采场内给定区域的 矿岩类别及其分布范围、各种岩矿的物理力学参数进行自动查询、识别和处理， 针对不同的岩矿智能计算并给定爆破设计参数。 针对露天矿，专门开发了三维图形平台，该平台所有功能都从最底层开发， 不嵌入任何第三方插件，具有独立的知识产权。 系统建立了爆破参数知识库、智能设计知识库、装药模板和火工品模板等， 实现了智能布孔、智能孔位调整、智能孔长调整、延时自动调整、药量自动调整 等功能，具有极强的自动设计、智能设计功能，系统还实现了爆破过程模拟，炸 药及火工品消耗计算等功能。 系统对爆破效果可以进行准确模拟和分析，针对抛掷爆破，开发了爆堆形态 模拟功能，可以模拟各断面的爆堆形态曲线，并可以计算松动系数、有效抛掷率 等。 关键词关键词黑岱沟露天矿，抛掷爆破，智能设计，效果模拟 万方数据 ABSTRACT II ABSTRACT Zhunger Energy corp Heidaigou surface coal mine is Chinas largest, it can mine c-oal more than 30 million tons per year, it uses the worlds most advanced casting blast-pull shovel crafts which can pour stripped directly into the discard pile alongside mined in open areas,and it has a production capacity of production efficiency,low cost advantags and so on. It is important to open-pit mining technology. Casting blast and blasting design is the first link, design quality and blasting effect produces a direct impact on the later construction production. Through the developing intelligent software which is suitable for open pit Casting blast design technology, casting blast site design can be guided, a better blasting effect can be getted and the cost of stripped can be reduced. We have successfully developed a “pit Casting blast computer intelligent design system“ through two years. This system is a powerful large-scale intelligent design software which has complex structure . The system has these functions which can accurately determine the design parameters with the geological terrain data， can be developed and researched by three-dimensional effects graphics plat， can design and optimize blasting intelligent,can simulate blasting and analyze the blasting effect,can generate and output the blasting design documents and so on. System can handle geological and topographical data with the orographic and geologic condition， it can accurately determine the design parameters and this function is realized for the first time for the same sofeware. This system establishes terrain database, geological drilling data and Mine rock attribute parameters are stored,in the blasting design process it can automatically query, identify and deal with the data with the rock and minerals category.distribution and physical and mechanical parameters in given area,it can intelligently compute and set blasting design parameters for different rock and mineral. For coal mine,three-dimensional graphics plat is specially developed,all functions are developed from the ground up,not embed any third party plug-ins， this system has our own intellectual property right. Blasting parameters established knowledge base systems,intelligent design knowledge base,charge templates and pyrotechnics templates,etc. to achieve a smart 万方数据 ABSTRACT III Hole, smart hole position adjustment, smart hole length adjustment, delay automatic adjustment function automatically adjusts the dose, automatic design with a strong, intelligent design features, the system also achieved a blasting process simulation, explosives and pyrotechnics consumption calculation. Blasting system can be accurately simulated and analyzed for cast blasting, rock pile developed morphological analog functions, each section can be simulated curve shape rock pile and loosen coefficient can be calculated, effectively throwing rate. Keywords Heidaigou open pit, cast blasting, intelligent design, effect simulation 万方数据 目录 IV 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 ............................................................................................................ 1 1.1 课题简介 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外进展 ......................................................................................................... 2 1.3 研究目标 ............................................................................................................. 3 1.4 研究的意义和价值 ............................................................................................. 3 第二章第二章 抛掷爆破理论分析抛掷爆破理论分析 ............................................................................................ 4 2.1 平面药包爆破岩石抛掷机理 ............................................................................ 4 2.1.1 平面药包爆破的特点 .................................................................................4 2.1.2 平面药包法爆破岩石抛掷原理 .................................................................5 2.1.3 平面药包法平行抛掷条件 .........................................................................7 2.2 微差爆破岩石抛掷机理 .................................................................................... 7 2.2.1 排间微差爆破的必然性 .............................................................................7 2.2.2 孔间微差爆破岩石抛掷机理 .....................................................................8 2.3 抛掷爆破效果影响因素分析 ............................................................................ 9 2.3.1 抛掷爆破影响因素分类 .............................................................................9 2.3.2 爆破参数对抛掷爆破效果的影响 ........................................................... 11 第三章第三章 需求分析需求分析 .......................................................................................................... 20 3.1 系统功能分析 ................................................................................................... 20 3.2 可行性分析 ....................................................................................................... 20 第四章第四章 数据库设计数据库设计 ...................................................................................................... 22 4.1 数据总体设计 ................................................................................................... 22 4.2 主要数据库表介绍 ........................................................................................... 23 第五章第五章 软件开发软件开发 .......................................................................................................... 28 5.1 开发环境 ........................................................................................................... 28 5.2 运行环境 ........................................................................................................... 28 5.3 主要模块设计 .................................................................................................. 31 5.3.1 三维可视化图形平台的开发 ...................................................................31 5.3.2 地质信息管理系统的开发 .......................................................................33 5.3.3 台阶爆破智能设计 ...................................................................................36 万方数据 目 录 V 5.3.4 分析计算和设计图表的输出 ....................................................................37 5.4 快速设计 ........................................................................................................... 37 5.4.1 登陆界面设计 ............................................................................................37 5.4.2 快速设计 ....................................................................................................38 5.4.3 快速设计施工报告 ....................................................................................39 5.5 精确设计 .......................................................................................................... 41 5.5.1 爆破区域设计 ............................................................................................41 5.5.2 布孔、装药 ................................................................................................42 5.5.3 快速连线设计 ............................................................................................45 5.5.4 设计图的显示 ............................................................................................46 5.5.5 设计结果、图表和施工文档的输出 ........................................................48 5.6 辅助设计 ........................................................................................................... 51 5.6.1 系统基础数据的导入 ................................................................................51 5.6.2 基本图形编辑 ............................................................................................53 5.6.3 视图操作 ....................................................................................................55 5.6.4 辅助设计 ....................................................................................................58 5.7 智能设计 ........................................................................................................... 67 5.7.1 前排孔位置自动调整 ................................................................................67 5.7.2 短孔（炮孔交叉）自动调整 ....................................................................68 5.7.3 爆破延时智能设计 ....................................................................................69 5.8 爆破效果分析 .................................................................................................. 69 5.8.1 爆破模拟 ....................................................................................................69 5.8.2 爆破延时模拟 ............................................................................................70 5.8.3 爆破药量时间图 ........................................................................................70 5.8.4 有效抛掷率和松动系数 ............................................................................71 第六章第六章 创新研究创新研究 .......................................................................................................... 72 第七章第七章 设计示例设计示例 .......................................................................................................... 73 致致 谢谢 ............................................................................................................................ 77 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 78 攻硕期间取得的研究成果攻硕期间取得的研究成果 ............................................................................................ 81 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 课题简介课题简介 抛掷爆破拉斗铲剥离倒堆是先进的露天矿开采工艺，它集开采、运输于一体， 将岩石等剥离物直接倒堆排弃于采空区之内，该工艺具有设备投入少，生产成本 低，作业效率高，产煤能力大，安全可靠等显著优点，在国际上，已成为露天矿 主要的开采工艺。最近二十多年来，国际上采用该技术将抛掷相当大的一部分剥 离物直接抛入采空区内，减少工作量约百分之二十到百分之五十，大幅降低了剥 离成本，使剥离倒堆工艺有质的提升。目前此项技术在澳大利亚、美国、加拿大、 印度、南非、约旦等国得到了广泛运用。 随着我国对能源的需求不断增长，神华集团准格尔能源有限责任公司及时做 出了扩大黑岱沟露天煤矿生产能力的战略决策，通过多种方案详细对比分析，决 定采用抛掷爆破拉斗铲倒堆剥离工艺扩大生产能力。改扩建以后，神华准格 尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿年设计原煤生产能力将超过 2000 万吨。这一 决策使神华集团准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿一举成为我国最大的露 天煤矿生产企业。 抛掷爆破技术对黑岱沟露天煤矿的经济效益产生了巨大影响，抛掷爆破和爆 破设计是该工艺的首个环节，设计质量和爆破效果对后期施工产生最直接影响。 因实际生产的需要，2006 年 7 月神华准格尔能源有限责任公司从澳大利亚澳瑞凯 有限公司引进了抛掷爆破计算机设计系统（Shotplus-sv），目前已成功进行了 60 余次抛掷爆破，有效抛掷率达到了 30～35，抛掷爆破效果良好。 但使用 Shotplus-sv 软件每年需要向澳瑞凯澳大利亚有限公司支付软件租赁 费 280 万元（软件按每季度 70 万元交租用费），Shotplus-sv 是全英文界面，矿 山技术人员使用时存在一定的困难，在使用中出现的一些技术问题该公司技术服 务周期较长、且沟通有一定困难，有些问题澳瑞凯公司一直未予回应，因此使用 Shotplus-sv 软件虽然解决了露天矿的爆破设计问题，但确实存在很大不便，多年 来，准能集团一直希望开发一套具有自主知识产权，技术性能先进的抛掷爆破计 算机智能设计系统。 我工作的单位是华北科技学院，我院是国家安全生产监督管理总局惟一直属 的普通高等学校，主体专业是煤矿安全和生产，学院与国内各大煤矿密切合作， 长期服务于生产一线。我本人与黑岱沟露天煤矿有着较长时间的技术合作，此前 曾研究开发了具有自主知识产权的三维图形平台，此次主要针对黑岱沟露天煤矿 所使用的澳瑞凯公司产品进行消化、吸收、再创新，开发一套具有自主知识产权， 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 2 技术性能先进、实用效果显著、经济效益突出、市场范围广泛、具有良好发展及 应用前景的抛掷爆破计算机智能设计系统。 本文将对黑岱沟露天煤矿前期的抛掷爆破设计进行分析研究，结合现场工作 人员的设计经验，研究一套适合我国露天矿抛掷爆破设计技术的计算机智能软件。 通过此项研究旨在指导矿山抛掷爆破设计，以获得更好的爆破效果，降低剥离成 本，提高矿山的经济效益。 该项研究成果对适合采用抛掷爆破工艺的其他矿山，如哈尔乌素露天矿、 胜利 1 号矿、改扩建后的神东武家塔露天煤矿等矿山具有推广应用价值，同时也 对其它新建露天矿具有应用价值。 1.2 国内外进展国内外进展 由于露天矿爆破工程的复杂性、不可重复性、非确定性等，长期以来爆破设 计一直依靠技术人员积累的个人经验，并结合现场地质地形条件采用手工设计方 式进行设计和施工（到目前为止，国内除黑岱沟外几乎所有露天矿山都仍是采用 经验设计方式生产）。 爆破设计和施工作为采矿作业的核心工艺，并非无规律可循，经过长期研究 和经验积累，实践中在岩石特性、爆破器材、炸药类型、爆破工艺等方面积累了 丰富的经验。将这些技术和经验与计算机技术、人工智能技术相结合，实现爆破 设计的自动化、智能化是完全有可能的。事实上国内外在计算机辅助爆破设计方 面业已进行了有益的尝试和探索，并取得了一些的积极进展，但遗憾的是相关研 究成果却鲜有能应用于实际生产的。 国内现状 目前国内尚未有成型的爆破设计应用软件。国内一些矿山研究机构、大专院 校，如中国矿业大学曾多次研究露天矿的爆破设计系统，这些研究基本都是在 Cad 的基础上二次开发，由于爆破系统的复杂性，大多数在研究后期均以失败告终， 均未形成成型的应用软件。 2009 到 2012 年，中国矿业大学（北京）刘剑书教授组织研究的露天矿爆破设 计系统曾经在露天矿进行试验性应用。该系统以 AutoCAD Map 3D 为平台，利用 Visual C.net 二次开发完成。主要完成了地形生成、布孔、装药、炮堆模拟等 功能，另外，该系统在炮堆模拟和预测方面做了有益探索，该技术建立在 weibull 数学模型的基础上，利用 BP 神经网络进行模拟预测，模拟软件在大量爆破数据分 析计算的基础上，进行训练，然后再进行模拟计算，最后输出图形及分析结果， 但遗憾的是该模型仅仅只进行了典型断面的模拟预测，即一次爆破只有一个预测 结果，无法得到炮堆的整体结构，但其在模拟预测方面的探索是值得肯定的。该 系统不完善的功能较多，如没有数据的分析与统计、无爆破顺序的模拟、数据的 录入也非常复杂等。该系统距离实际应用尚有一定距离。 万方数据 第一章 绪论 3 国外现状 国外在露天矿爆破设计方面的研究也很有限，目前最好的爆破设计系统是澳 瑞凯澳大利亚有限公司研究的 shotplus-sv 软件。该系统运行在 windows 环境下， 是专门针对露天矿大规模及复杂条件下的爆破设计系统。系统功能丰富，计算准 确可靠，可以完成日常工作的基本需求。 不足之处是，该软件为全英文界面，在国内矿山应用有一定难度；软件实行 季度租金使用，每季度租金高达 70 万元人民币；另外该公司对客户提出的软件技 术问题服务周期较长，有时直接影响生产；该软件在爆破设计时未有将地质条件 考虑在内，而是针对每个矿给出特定的设计参数，对精确爆破控制有一定影响。 由于以上原因该软件在国内的推广一直有限。 1.3 研究目标研究目标 针对神华准格尔能源公司和代购露天煤矿，研究开发具有独立知识产权的抛 掷爆破计算机智能设计系统，替代 Shotplus-s 软件。通过该项目的研究，达到提 高爆破质量、提高工作效率、降低炸药单耗、节约人力物力的目的。 1.4 研究的意义和价值研究的意义和价值 研究具有自主知识产权的抛掷爆破计算机智能设计系统，具有十分重要的现 实意义 1、研究抛掷爆破智能设计系统，可以提高抛掷爆破设计质量和爆破效果，充 分发挥拉斗铲倒堆剥离工艺的作用，大幅度提高露天矿生产效率，降低生产成本， 提高露天矿山的经济效益。 2、本次课题研究的核心内容是计算机智能优化设计部分，智能优化设计将针 对不同的地质、地形条件确定不同的设计参数，这对确保预期的爆破效果，具有 十分重要的意义。软件全中文界面，操作简单方便，更适合矿山技术人员的操作 习惯，使设计效率更高。 3、每年可直接为黑岱沟露天煤矿节省抛掷爆破设计软件租赁费 280 万元（70 万元/3