逐孔台阶爆破设计与优化软件开发.pdf

第2 7 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．2 7N o 1 2 0 1 0 年3 月 B L A S T I N GM a r ．2 0 1 0 - _ _ - _ - - m i i__ _m ●l _ _ - _ _ ●_ ●l ●I ●l l - _ _ _ _ I _ - I _ ●_ _ _ l _ I _ - I _ - l - l _ ●_ ●_ D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 1 ．0 0 9 逐孑L 台阶爆破设计与优化软件开发 余东晓，颜钦武，张正文，周晓东，肖方，谭元，赵如庆 武汉钢铁集团矿业有限责任公司乌龙泉矿，武汉4 3 0 2 1 3 摘要利用V o r o n o i 网格技术，给出了逐孔台阶爆破起爆顺序的确定方法，很好的改善了爆破效果。以 V o r o n o i 网格剖分技术为理论基础，结合优化理论在V i s u a lC 平台下开发了一款台阶爆破设计与优化软 件。可以实现台阶爆破布孔设计、爆堆矿岩决度分布、爆破效果评价等功能。软件应用简便，界面友好，适合 于露天矿及其他台阶爆破工程。 关键词逐孔爆破；V o r o n o i 网格；V i s u a lC ；O p e nG L ， 中图分类号T D 2 3 5 ．4 7 文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 l 一0 0 3 7 0 4 S o f t w a r eD e v e l o p m e n to fD e s i g na n dO p t i m i z a t i o n f o rH o l e - - b y - h o l eB e n c hB l a s t i n g Y - UD o n g - x i a o 。Y A NQ i n 一伽，Z H A N GZ h e n g 一乱吼，Z H O U Ⅺ∞- d o n g ，X I A OF a n g ，T A NY u a n ，Z H A OP a t q i n g W u l o n g q u a nM i n i n g ，W u h a nI r o na n dS t e e lG r o u pM i n e r a l sC oL T D ，W u h a n4 3 0 213 ，C h i n a A b s t r a c t U t i l i z i n gt h eV o r o n o im e s ht e c h n o l o g y ，t h ed e t e m i n a t i o no ff i r i n go r d e ro fh o l e b y h o l ei nb e n c hb l a s t i n g W a Sg i v e n ．“i c hw e l li m p r o v st h eb l a s t i n gr e s u l t s ．F 0 rV o r o n o im e s hg e n e r a t i n gt e c h n i q u e 鹤t h e o r e t i c a lb a s i s ，a n dw i t h o p t i m i z a t i o nt h e o r y ．ad e s i g na n do p t i m i z a t i o ns o f t w a r ef o rb e n c hb l a s t i n gw a sd e v e l o p e do nt h eV i s u a lC p l a t f o r m ， w h i c hc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fh o l e sd i s t r i b u t i o nd e s i g n ．d i s t r i b u t i o no fe x p l o d e dO r ea n df r a g m e n t a t i o n ，b l a s tr e s u l t se - v a l u a t i o na n dS Oo n ．T h i ss o f t w a r ei ss i m p l ea n du s e r - f r i e n d l y ，a n ds u i t a b l ef o ro p e np i tb l a s t i n ga n do t h e r s ． K e yw o r d s h o l e - b y - h a l ef i r i n g ；V o r o n o i 咖d ；V i s u a lC ；O p e nG L 0引言 国内矿山施工目前广泛采用排间微差起爆的台 阶爆破方法。由于排问炮孔没有充分的自由面，爆 炸应力波不能充分反射【1 ．2 】，造成爆破振动大、爆破 根块率大、爆堆前冲大、爆堆形状不规整、块度不均 匀等后果，不但会严重影响后续工艺的工作效率，而 且由于爆破块度的加大，导致了采装、运输和二次破 碎成本的增加，使得采矿成本提高。同时排间微差 起爆引起的爆破振动对采场重要建筑物及边坡的稳 定也会产生不良影响。 为解决以上问题，一些矿山开始采用逐孔爆破 收稿日期2 0 0 9 一1 0 2 0 作者简介余东晓 1 9 7 0 一 ，男，高工，从事采矿爆破．E m a i l 1 3 0 9 8 8 6 8 1 9 8 l a b l 6 5 。1 3 0 1 1 1 。 技术。逐孑L 起爆微差爆破技术是充分利用最小抵抗 线原理和台阶爆破空间补偿原理，采用高精度导爆 雷管实现爆区内炮孔在时间上和空间上按一定顺序 起爆。工程实践表明，逐孔爆破技术显著可以提高 炸药能量利用率，并能显著降低振动对矿山及建筑 物的影响。 逐孔爆破施工的技术核心是孔网参数和爆破参 数的确定。孔网参数和爆破参数的确定与岩石性 质、岩石节理裂隙的发育程度以及预期爆破目标有 关系。2 种参数是相互影响相互制约的，到目前为 止还没有一种模型能明确的描述两者之间的关系， 目前主要凭借工程技术人员的经验确定。因而虽然 逐孔爆破技术有着很多优点，但由于在实际应用中 比较复杂制约了该技术的广泛应用。 在逐孔爆破施工时爆破参数一般可以根据技术 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 人员的经验或小范围试爆来确定，但是如何实现在 给定区域内炮孔的自适应布置以及起爆顺序的确定 方法还是个难题，目前主要凭借技术人员的手工计 算或基于半经验半自动的软件确定，这对于大规模 的台阶爆破显然是不现实的。因而，本文提出了在 给定区域内炮孔的自适应布置方法、爆破参数计算、 基于V o r o n o i 网格技术确定起爆顺序方法、爆破效 果评估以及台阶爆破优化方法，并开发了相应软件。 2 逐孔台阶爆破理论 2 ．1 V o r o n o i 网格技术理论模型 V o r o n o i 网格技术是1 9 世纪5 0 年代，D i f i c h l e t 提出了将空间S 分解为一系列V o r o n o i 凸多面体的 理论．5 】。对于空问S 内任意给定点集{ P i } ，i 1 ， 2 ，⋯，k ，可以将空间S 分解为一组凸几何体{ K } ， i l ，2 ，⋯，k ，K 包含只，称之为只的领域，P i 称为邻 域K 的特征点。凸几何体结构称为D i r i e h l e t 镶嵌， 又称为V o r o n o i 图。连接S 内所有的具有共同 V o r o n o i 边界的镶嵌点，将构成另外一种几何结构， 称为D e l a u n a y 体。D i r i e h l e t 镶嵌与V o r o n o i 图满足 如下性质邻域K 靠近P 。最密切，即 K { P d P ，P i d P ，P ， J ≠i ，P ∈S } D i f i c h l e t 镶嵌与V o r o n o i 图理论对于任意J 7 、r 维欧式 空间成立。对于二维欧氏空间，V o r o n o i 图将平面分 解为一系列凸多边形，连接所有的具有共同V o r o n o i 边界的镶嵌点而形成的几何结构，称为D e l a u n a y 三 角形。镶嵌点．P i 的邻域K 的V o r o n o i 边界垂直平分 只与位于边界另外一侧的相邻镶嵌点的连线； V o r o n o i 边界的各个顶点分别是对应的D e l a u n a y 三 角形的外接圆的圆心。图l 为平面内随机分布的l O 个节点构成的D i r i e h l e t 镶嵌，将平面分解成若干 V o r o n o i 凸多边形，虚线几何结构为V o r o n o i 图，实线 几何结构为D e l a u n a y 三角形。 根据上述理论，每个随机点到该点所在V o r o n o i 网格区域边界最近，因此可以近似地把每个随机点 认为是炮孑L ，而划分的V o m n o i 网格区域即为每个 炮孔破坏区域范围。然后，在确定每个炮孔爆破的 先后顺序时，按是否遵循以下原则来判定 a 是否 具有最小抵抗线； b 对于将要爆的炮孔所在块体 是否具有最大自由面； c 后继爆破的炮孑L 是否满 足上述2 个条件。上述过程是一个复杂的计算几何 与优化问题，根据上述条件，在起爆顺序的每个时步 上，在所有炮孔中进行搜索、比较计算，最后得出起 爆顺序方案。 2 ．2 延时间隔的确定 确定合理的延时间隔对改善爆破质量和降低地 震效应具有十分重要的作用。爆破延时间隔对爆破 效果的影响是不可忽视的，延时间隔取值直接影响 着大块率和爆堆松散度等技术指标。在这里我们把 延时间隔分为孑L 间延期和排间延期。确定延时间隔 主要应考虑岩石性质、孔网参数等因素。否则延时 间隔过长相当于单孔爆破漏斗发挥作用；微差时间 过短，前爆炮孑L 未为后爆炮孔形成充分的自由面。 根据O R I C A 公司提出的经验曲线№J ，得出孔间延期 延时间隔在3 8m s ／m 之间，排间延期间隔在8 1 5m s ／m 范围内，爆破块度达到最优效果。 图1 ．平面内随机分布的1 0 个节点 构成的D i r i e h l e t 镶嵌 2 ．3 逐孔起爆顺序的确定 起爆顺序的确定不仅要遵循V o r o n o i 网格的起 爆原则，而且要根据孑L 间和排间延期时间来共同确 定，具体流程见图2 。在划分完V o m n o i 网格，确定 了各炮孔的爆破顺序后，必须结合孔间和排间的时 差，进行二次起爆顺序确定。 输入原始资料 ● 确定网孔参数 ● 划分V o r o n o i 网络 ● 确定炮孔破坏区域 及初步起爆顺序 ● 确定孔间、排问延期时间 t 2 次起爆顺序确定 ● 实现爆破质量改善月的 图2 确定起爆顺序的应用流程图 3 逐孑L 台阶爆破软件设计 上面详细介绍了基于V o r o n o i 网格剖分技术确 定逐孑L 爆破顺序的理论，依照此原理在V i s u a l c 平台下对其进行软件开发设计。 3 ．1 程序设计平台 计算程序采用V i s u a lS t u d i o2 0 0 3 ．n e t V i s u a l C 7 ．O 开发工具，并且在程序中充分利用高效的 S T L 资源。C 语言是目前世界上应用最广泛的面 万方数据 第2 7 卷第l 期 余东晓，颜钦武，张正文，等逐孑L 台阶爆破设计与优化软件开发 3 9 向对象的程序设计语言之一，运用C 编程可以方 便的实现程序的开发工作。而S T L 资源的运用不仅 能保证程序高效运行，而且简化了程序代码，使程序 更具有可读性和不易出错性。在程序的后处理方面， 采用O p e nG L 图形库来实现程序的编制。 3 ．2 程序结构设计 在整个程序中有3 个模块，分别是台阶爆破设 计模块、爆破效果统计模块、爆破效果评价模块。3 个模块互为因果、相互支持。 台阶爆破设计模块根据原始资料，计算出孔 距、排距、最小抵抗线等孔网参数，选取适当值，模拟 出基于V o r o n o i 网格技术的起爆顺序图以及导出相 关参数。 爆破效果统计模块根据爆破形成的爆堆，运用 照相统计的方法进行块度分布分析，为后面的爆破 效果评价提供必要数据。 爆破效果评价模块根据块度分布以及安全可 靠、技术合理、经济角度出发的各项指标值对该次爆 破施工进行综合评价。 各模块之间相互关系如图3 。 输入原始资料 孔网计算模块 二二二[ 二 V o r o n o i 网格划分 确定破坏区域 二二二[ 二二 确定起爆顺序图 二二二[ 二二 现场工业试验 二二二[ 二 块度分析模块 二二二[ 二 爆破效果评价模块 陌丽孤藻雨潦 图3 爆破分析软件流程图 1 台阶爆破设计模块 这里的台阶爆破设计是基于V o r o n o i 网格剖分 技术来确定逐孔起爆顺序的，对其模拟最后给出相 关爆破准备所需的参数。首先需要选择爆破方法和 布孔算法，然后导人爆区台阶轮廓，再对孔网相关参 数以及炸药和矿岩参数进行设定，给出布孔图和 V o r o n o i 图和装药结构图，最后按照V o r o n o i 网格剖 分技术理论给出起爆顺序图。 台阶爆破设计过程如图4 所示。 该模块里有若干子模块，分别是布孔图、 V o r o n o i 图、起爆顺序图、装药结构图、参数列表的导 出，这些子模块丰富了爆破设计的功能，模块界面如 图5 所示。 图4 台阶爆破设计流程图 图5 台阶爆破设计模块界面 该模块在布孔图、V o r o n o i 图、装药结构图以及 起爆顺序图都采用了O p e nG L 图形库进行了后处 理，显示出的图像标记清楚、划分准确，还可以根据 需要对图像效果进行改变，充分发挥了O p e nG L 在 图像处理方面的优势。如图6 所示的起爆顺序图， 图像显示下方区域就是图像编辑区。 图6 基于V o r o n o i 网格的起爆顺序图 2 爆破效果统计模块 露天矿爆堆矿岩块度分布是评价爆破效果最重 要的指标，但其分布参数非常难以获得。如何准确 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 地的获得爆堆各级岩块的组成是国内外众多采矿界 学者研究的重要课题之一。采用摄像测量的方法去 获得求算爆堆块度分布，既能避免现场统计大量的 劳动，又能提高工作效率。 在整个程序中，爆破效果统计模块主要有2 个 作用一是爆破效果评估的依据；二是爆破参数优化 的前提。爆破效果统计模块本身又包含了2 个子模 块一个是粒度分析模块；一个是粒度分析曲线输出 模块。爆破粒度分析程序的分析过程如图7 所示。 否 加载到爆破分析模块 申 - 输入爆区信息，定义参照 I 编辑照片，启动照片分析模块 I 一获取单张照片分布曲线 命是I 输出爆区粒度分布曲线 图7 爆破粒度分析程序流程图 爆破效果统计模块主要是对爆堆图像进行处 理，这里采用了阂值分割的方法来求块体面积，最后 对尺寸分布统计，如图8 所示。 3 爆破效果评价模块 爆破效果评价主要是从安全可靠性、技术合理 性、经济效益3 个方面对整个爆破工程进行合理评 价，并作出综合评价。在此，以赋权的形式来确定各 个项目的重要程度。实际评判中，将安全性、技术可 行性和经济性作为约束条件，爆破效果作为评判目 标。约束条件和目标函数用语言变量来描述，并根 据实际的经验和推理，加上凸现方案优、劣的原则， 将语言变量转化为相应的隶属度。对于约束条件各 个方面的评价可以根据爆破现场来评定，同时也可 以使用该软件的爆破效果统计的块度分布来评定。 最后，软件可以给出各种评价的柱状图，使得更加直 观、清晰。如图9 所示。 4 结论 实践证明，通过V o r o n o i 网格技术确定的逐孔 爆破起爆顺序实现了布网参数和爆破参数的合理优 化，大大改善了爆破效果，提高了矿山的延米爆破量 和铲运效率，使后续施工生产工艺得以顺利进行，降 低了采矿成本，有效的改善了爆破效果，并且对有害 效应也有了较好控制。V o r o n o i 网格技术从理论上 通过几何方法实现了起爆顺序的确定。为逐孔爆破 孔网参数设计提供了理论依据，弥补了以往凭经验 确定的弊端。台阶爆破设计及优化软件的使用大大 减轻了工程技术人员的负担，并实现了对爆破效果 的快速统计与评价。 图8 爆破效果统计模块 图9 爆破效果评价模块 参考文献 [ 1 ] 蒲传金．逐孔爆破技术研究现状及存在的问题[ J ] ．化 工矿物与加工，2 0 0 7 1 1 3 1 ． [ 2 ] 付天光，张家权，葛勇，等．逐孔起爆微差爆破技术 的研究和实践[ J ] ．工程爆破，2 0 0 6 ，1 2 2 2 8 - 3 1 ． [ 3 ] 侯凤龙，蔡国飙．应用于D S M C 方法的二维V o r o n o i 网 格技术[ J ] ．北京航空航天大学学报，2 0 0 7 ，3 3 1 2 l3 9 5 ．13 9 9 ． [ 4 ]A U R E N H A M M E RF ．V o m n o iD i a g r a m s ．aS u r v e yo faF u n ． d a m e n t a lD a t aS t r u c t u r e [ J ] ．A C MC o m p u t i n gS u r v e y s ． 1 9 9 1 2 3 3 4 5 - 4 0 5 ． [ 5 ] 赵晔，张有会，赵志辉，等．关于一般图形V o r o n o i 图 的离散构造法的研究[ J ] ．计算机应用与软件， 2 0 0 4 6 7 6 - 7 8 ． [ 6 ] 王志华．澳瑞凯公司高精度导爆管雷管及逐孔爆破技 术的应用[ J ] ．矿业快报，2 0 0 5 ，4 3 7 1 1 4 3 犁． 万方数据