露天矿台阶爆破三维数字化设计系统研究
|
摘要
露天矿台阶爆破设计是矿山开采过程的一个重要环节,其方案的优劣直接影响矿山的生产安全和经济效益。本文在充分研究台阶爆破原理和爆破设计原则的基础上,结合计算机数字化技术,对露天矿台阶进行三维建模,实现爆破设计自动化,并对爆破效果进行仿真。该系统能够帮助技术人员轻松地进行爆破设计、快速生成方案、模拟爆破效果并对其进行分析与评价,能有效提升矿山开采的现代化程度,对提高矿山的经济效益具有非常重要的实用价值。
本文主要完成了以下几个方面的工作:
(1)在露天矿三维空间建模方面:通过对地质资料的整理,建立地质信息数据库,实现对露天矿台阶地质信息的数字化;采用Delaunay三角网技术建立台阶数字地表模型;提出结合凸包投影法与凸点逐步消除法建立地质体三维表面模型;结合八叉树技术与OBB树技术建立台阶三维实体模型。
(2)在台阶爆破设计方面:分别对台阶爆破中的布孔设计与爆破网络设计展开研究,介绍了毫秒延时微差爆破中的等时线与点燃阵面概念,实现爆破图纸绘制与文档报表设计。
(3)在爆破效果仿真方面:通过研究岩体应力状态实现对台阶爆破应力场的动态实时监控;依据KUZ-RAM模型计算台阶爆破的块度分布情况;基于岩石爆炸破碎机理建立台阶爆破理论模型;利用模糊综合评价法实现对台阶爆破效果评价。
(4)将本系统应用于河南省栾川县洛钼集团三道庄露天矿1414台阶北部爆破工程。工程应用表明,露天矿台阶爆破三维数字化设计系统能够提高工作效率、减少劳动量,为科学有效地设计爆破方案提供了指导方针和决策依据。
The bench blasting design is a very important job during the open-pit mine’s exploit procedure. A good design will ensure the safety of blasting project and enhance the economic benefit. This paper first builds up the three dimension geology model, then implements the automatic blasting design, at last emulates the result of bench blast.With this system’s help, the designer will complete their job easily and quickly, and will comprehend the blasting plan’s overall situation by the system’s emulate ability which can assist them in choosing optimal plan.
All the works accomplished in the article are as follows:
Builds up the geology database with most of the document materials and open-pit’s exploration data; builds up the bench surface’s 3D model by using delaunay triangulation method; builds up the geologic body’s exterior 3D model by using convex hull projection method and convex vertex gradually removing method; builds up the solid body’s 3D model by using octree and OBB-tree technique.
Incubrates the blastholes’arrangeing and detonate network design; introduces the concepts of time isoline and ignite front in the ms delayed blasting field; puts forward some thinking about blasting project charting and report forms design.
Implements the realtime dynamic monitoring of the rock mass’s stress field during the explosive processes process; calculats the fragment-size after the bench rock exploded by using KUZ-RAM model; builds up a bench blasting theoretical model on the basis of rock destroy mechanism; evaluates the bench blasting effect by using blurred overall evaluation.
Put this system into practical application in Luo Mu Group’s San Dao Zhuang 1414 bench northen part blasting project in Luanchuan county Henan province.
本文主要完成了以下几个方面的工作:
(1)在露天矿三维空间建模方面:通过对地质资料的整理,建立地质信息数据库,实现对露天矿台阶地质信息的数字化;采用Delaunay三角网技术建立台阶数字地表模型;提出结合凸包投影法与凸点逐步消除法建立地质体三维表面模型;结合八叉树技术与OBB树技术建立台阶三维实体模型。
(2)在台阶爆破设计方面:分别对台阶爆破中的布孔设计与爆破网络设计展开研究,介绍了毫秒延时微差爆破中的等时线与点燃阵面概念,实现爆破图纸绘制与文档报表设计。
(3)在爆破效果仿真方面:通过研究岩体应力状态实现对台阶爆破应力场的动态实时监控;依据KUZ-RAM模型计算台阶爆破的块度分布情况;基于岩石爆炸破碎机理建立台阶爆破理论模型;利用模糊综合评价法实现对台阶爆破效果评价。
(4)将本系统应用于河南省栾川县洛钼集团三道庄露天矿1414台阶北部爆破工程。工程应用表明,露天矿台阶爆破三维数字化设计系统能够提高工作效率、减少劳动量,为科学有效地设计爆破方案提供了指导方针和决策依据。
The bench blasting design is a very important job during the open-pit mine’s exploit procedure. A good design will ensure the safety of blasting project and enhance the economic benefit. This paper first builds up the three dimension geology model, then implements the automatic blasting design, at last emulates the result of bench blast.With this system’s help, the designer will complete their job easily and quickly, and will comprehend the blasting plan’s overall situation by the system’s emulate ability which can assist them in choosing optimal plan.
All the works accomplished in the article are as follows:
Builds up the geology database with most of the document materials and open-pit’s exploration data; builds up the bench surface’s 3D model by using delaunay triangulation method; builds up the geologic body’s exterior 3D model by using convex hull projection method and convex vertex gradually removing method; builds up the solid body’s 3D model by using octree and OBB-tree technique.
Incubrates the blastholes’arrangeing and detonate network design; introduces the concepts of time isoline and ignite front in the ms delayed blasting field; puts forward some thinking about blasting project charting and report forms design.
Implements the realtime dynamic monitoring of the rock mass’s stress field during the explosive processes process; calculats the fragment-size after the bench rock exploded by using KUZ-RAM model; builds up a bench blasting theoretical model on the basis of rock destroy mechanism; evaluates the bench blasting effect by using blurred overall evaluation.
Put this system into practical application in Luo Mu Group’s San Dao Zhuang 1414 bench northen part blasting project in Luanchuan county Henan province.
引文
[1] P.Favreau, P.Andrieux. BLASTCAD-Noranda’s three dimensional computer-aided underground blast design system[J]. Computer application, 1993, 86(967):62-68.
[2] Ghose A K, Dey A. Design of surface blast - a new expert system software [M].ICEBT, 1991:24-31.
[3] L.G.Margolin, T.F.Adams(美国).破坏的数值模拟[A].长沙:第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司, 1985:203-210.
[4]汪旭光,于亚伦.国外工程爆破的现状与发展[A].工程爆破文集(第六辑)[C].深圳:海天出版社,1997.
[5] Martin Smith, Robert L.Hautala. A coupled expert system approach to optimal blast design[J]. Proc Int. Symp. on Mining Planning and Equipment Selection.(Eds.singhal & Vavra), Balkem, 1990:481-487.
[6] Cheimanoff. N.etc Expertir:An Expert System for Rock Blasting Planning in Open-pit Mines[M].Proc 14th World Mining Congress,Beijing,1990:799-604.
[7] Preece.D.S, Chung.S.H. Development and application of a 3-D rock blast computer modeling capability using discrete elements-DMCBLAST-3D[A].Proc.of 27th Annual Conference on Explosive and Blasting Technique[C].2001(I).Orlando,Florida USA:11-18.
[8]熊代余,顾毅成.岩石爆破理论与技术新进展[M].北京:冶金工业出版社,2002.
[9] S.Valliappan等(澳大利亚).岩石破碎的数值模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:218-226.
[10] P.J,.Digby(瑞典).在脆性岩石中爆破引起的振动、破坏及破碎过程的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:227-233.
[11] Myers, Theodore. Computer aided design of ring blasting[A]. Proc Conference on Explosives and Blasting Technice[C]. Explosives Engineer. Solon. OH, USA, 1990:43-45.
[12] C.K.Mckenzie, etc. INSTRUMENTATION IN A PROGRAM OF BLAST DESIGN OPTIMISATION[J]. IFAC Automation in Mining, Mineral and Metal Processing. Helsinki. Finland.1933:725-783.
[13] Cater.C.L. Blast design system[A]. Third Large open Pit Mining Conference[C].Australian of Mining & Metallargy, Parkille, Aust, 1992:247-250.
[14] C.M.Lownds(南非).炮孔排列破碎的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:258-264.
[15] Stuart Mchugh(美国).动力引起破坏和破碎的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:PP234-243.
[16] Kai Nielsen(挪威).露天矿台阶爆破的优化[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:357-363.
[17] Chung, Stephen H, etc. Blast design analysis for optimiging productivity at INCO Limiteds Thompson Open Pit[A]. Proc of Conferece on Explosive and Blasting Technique[C].Soc of Explosives Engineers. Solon, OH, USA, 1991:119-127.
[18]陆广,史秀志,杨志强.露天矿高台阶爆破几个问题的探讨[J].采矿技术,2007,7(3):70-72.
[19]管志强,胡碧海,应海剑.露天台阶深孔爆破设计中应注意的几个问题[J].爆破,2007,24(3):70-72.
[20]张萌等.中国工程爆破的成就和展望[J].爆破,1992,9(2):1-5.
[21]工程兵工程学院.结构物拆除爆破的应用研究总结报告.特高型薄壁圆筒构筑物爆破拆除机理与技术研究(科研报告).1995, 5.
[22]韩光莹.电子计算机在露天药室爆破设计中的应用[J].爆破,1985,(4):26-29.
[23]陈亦望,龙源,戎晓利.峒室爆破计算机辅助设计软件的研究与开发[J].爆破,12(1),1995:60-63.
[24]宋晓天.VER采矿法凿岩爆破计算机模拟和优化[A].工程爆破文集(第三辑)[C].北京:冶金工业出版社,1988:75-87.
[25]汪浩等.钢筋混凝土框架结构的控制爆破设计程序研究[A].第二届全国岩石动力学学术会议(宜昌)[C].1990:198-204.
[26]高金石,张奇.爆破理论与爆破优化[M].西安:西安地图出版社,1993:261-276.
[27]吴剑峰,金人夔.80米高烟囱拆除爆破研究[A].工程爆破文集(第五辑)[C].北京:冶金工业出版社,1993:209-213.
[28]刘志祥.大中孔凿岩爆破计算机辅助设计软件开发与研究[J].矿冶研究与发展,1998,(6):34-39.
[29]霍永基等.工程爆破计算机辅助设计CAD系统研究[A].工程爆破文集(第四辑)[C].北京:冶金工业出版社,1993:70-76.
[30]璩世杰,庞永军等.水厂铁矿地质地形数据库及其在爆破设计中的应用[J].金属矿山,2001,(2):12-15.
[31]王国利,申英峰等.人工神经网络预测爆破效果[J].矿冶,2002,(2):12-16.
[32]左静.炮孔布置的计算机辅助设计系统开发[J].煤矿爆破,2008,(1):8-10.
[33] Lawson.C.L. Software for C surface interpolation [J]. Mathematical Software III, 1977.
[34]朱合华,郑国平,吴江斌.基于钻孔信息的地层数据模型研究[J].同济大学学报,2003,31(5):535-539.
[35]李艳,鲍玉斌,王恩德.面向钻孔数据的层状矿体三维建模及其可视化[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007,23(2):235-238.
[36]张煜,白世伟.一种基于三棱柱体体元的三维地层建模方法及应用[J].中国图像图形学报,2001,6(3): 285-290.
[37]陈永锋,陈晓鹏,魏丽英.基于钻孔数据的地质面Delaunay三角剖分[J].金属矿山,2009,(9):120-122.
[38]周佳文,薛之昕,万施.三角剖分综述[J].计算机与现代化,2010,(7):75-78.
[39] Graham R L.An efficient algorithm for determine the convex hull of a finite planar set[J].Information Processing Letters, 1972, (1):132-133.
[40]荆永滨,王李管,毕林等.复杂矿体的块段模型建模算法[J].华中科技大学学报,2010,(2):97-100.
[41]刘亚静,姚纪明,李梅等.非层状矿体构模关键技术研究[J].湖南科技大学学报,2007,(4):19-22.
[42]刘亚静,李梅,姚纪明.三维普通克里格插值建立三维非层状矿体块段模型的研究[J].金属矿山,2008,(7):92-95.
[43] Gottschalk S, Lin M C, Manocha D. OBB Tree:a hierarchical structure for rapid interference detection[A].Proceedings of the 23rd Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques[C].New York, ACM, 1996:171-180.
[44]吴慧欣,薛惠锋.基于块段模型的三维GIS混合数据结构模型研究[J].计算机应用研究,2007,(10):273-275.
[45]何鑫,王李管.一种基于八叉树的地质体三维网格剖分方法[J].金属矿山,2008,(11):66-70.
[46]修群业,王军,高兰等.云南金顶矿床矿体三维模型的建立及其研究意义[J].矿床地质,2005,(5):501-505.
[47]戴俊.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2005.224-225.
[48]程平.爆破起爆网络设计中的点燃阵面[J].金属矿山,2008,(11):31-32.
[49]张猛,张金刚,汪幸等.孟家沟极贫矿中深孔爆破数值模拟与应用[J].有色金属,2008,60(4):44-47.
[50] Cunningham C.V.B.Fragmentation estimates and the KUZ-RAM model[A].2nd Int.Symp Rock Fragmentation by Blasting[C].Keystone Colarado,1987:475-486.
[51] Harries G. Amathematical model of cratering and blasting[A]. In: National Symposium on Rock Fragmentation[C],Adelaide, 1973:41~45.
[52] Starfield A M, Pugliese J M. Compression waves generated in rock by cylindrical explosive charges: A comparison between a computer model and field measurements[J]. International Journal Rock Mechanics and Mining Sicences, 1968,(5):65-77.
[53]滕山邦久,佐佐宏一,伊藤一郎.论光面爆破中导向孔的作用[A].见:阜新矿业学院,译.光面爆破:煤矿掘进技术译文集[C].北京:煤炭工业出版社,1979.
[54]刘思峰等.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学技术出版社,1999.
[2] Ghose A K, Dey A. Design of surface blast - a new expert system software [M].ICEBT, 1991:24-31.
[3] L.G.Margolin, T.F.Adams(美国).破坏的数值模拟[A].长沙:第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司, 1985:203-210.
[4]汪旭光,于亚伦.国外工程爆破的现状与发展[A].工程爆破文集(第六辑)[C].深圳:海天出版社,1997.
[5] Martin Smith, Robert L.Hautala. A coupled expert system approach to optimal blast design[J]. Proc Int. Symp. on Mining Planning and Equipment Selection.(Eds.singhal & Vavra), Balkem, 1990:481-487.
[6] Cheimanoff. N.etc Expertir:An Expert System for Rock Blasting Planning in Open-pit Mines[M].Proc 14th World Mining Congress,Beijing,1990:799-604.
[7] Preece.D.S, Chung.S.H. Development and application of a 3-D rock blast computer modeling capability using discrete elements-DMCBLAST-3D[A].Proc.of 27th Annual Conference on Explosive and Blasting Technique[C].2001(I).Orlando,Florida USA:11-18.
[8]熊代余,顾毅成.岩石爆破理论与技术新进展[M].北京:冶金工业出版社,2002.
[9] S.Valliappan等(澳大利亚).岩石破碎的数值模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:218-226.
[10] P.J,.Digby(瑞典).在脆性岩石中爆破引起的振动、破坏及破碎过程的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:227-233.
[11] Myers, Theodore. Computer aided design of ring blasting[A]. Proc Conference on Explosives and Blasting Technice[C]. Explosives Engineer. Solon. OH, USA, 1990:43-45.
[12] C.K.Mckenzie, etc. INSTRUMENTATION IN A PROGRAM OF BLAST DESIGN OPTIMISATION[J]. IFAC Automation in Mining, Mineral and Metal Processing. Helsinki. Finland.1933:725-783.
[13] Cater.C.L. Blast design system[A]. Third Large open Pit Mining Conference[C].Australian of Mining & Metallargy, Parkille, Aust, 1992:247-250.
[14] C.M.Lownds(南非).炮孔排列破碎的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:258-264.
[15] Stuart Mchugh(美国).动力引起破坏和破碎的计算机模拟[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:PP234-243.
[16] Kai Nielsen(挪威).露天矿台阶爆破的优化[A].第一届爆破破岩国际会议论文集[C].中国长沙岩石力学工程技术咨询公司,1985:357-363.
[17] Chung, Stephen H, etc. Blast design analysis for optimiging productivity at INCO Limiteds Thompson Open Pit[A]. Proc of Conferece on Explosive and Blasting Technique[C].Soc of Explosives Engineers. Solon, OH, USA, 1991:119-127.
[18]陆广,史秀志,杨志强.露天矿高台阶爆破几个问题的探讨[J].采矿技术,2007,7(3):70-72.
[19]管志强,胡碧海,应海剑.露天台阶深孔爆破设计中应注意的几个问题[J].爆破,2007,24(3):70-72.
[20]张萌等.中国工程爆破的成就和展望[J].爆破,1992,9(2):1-5.
[21]工程兵工程学院.结构物拆除爆破的应用研究总结报告.特高型薄壁圆筒构筑物爆破拆除机理与技术研究(科研报告).1995, 5.
[22]韩光莹.电子计算机在露天药室爆破设计中的应用[J].爆破,1985,(4):26-29.
[23]陈亦望,龙源,戎晓利.峒室爆破计算机辅助设计软件的研究与开发[J].爆破,12(1),1995:60-63.
[24]宋晓天.VER采矿法凿岩爆破计算机模拟和优化[A].工程爆破文集(第三辑)[C].北京:冶金工业出版社,1988:75-87.
[25]汪浩等.钢筋混凝土框架结构的控制爆破设计程序研究[A].第二届全国岩石动力学学术会议(宜昌)[C].1990:198-204.
[26]高金石,张奇.爆破理论与爆破优化[M].西安:西安地图出版社,1993:261-276.
[27]吴剑峰,金人夔.80米高烟囱拆除爆破研究[A].工程爆破文集(第五辑)[C].北京:冶金工业出版社,1993:209-213.
[28]刘志祥.大中孔凿岩爆破计算机辅助设计软件开发与研究[J].矿冶研究与发展,1998,(6):34-39.
[29]霍永基等.工程爆破计算机辅助设计CAD系统研究[A].工程爆破文集(第四辑)[C].北京:冶金工业出版社,1993:70-76.
[30]璩世杰,庞永军等.水厂铁矿地质地形数据库及其在爆破设计中的应用[J].金属矿山,2001,(2):12-15.
[31]王国利,申英峰等.人工神经网络预测爆破效果[J].矿冶,2002,(2):12-16.
[32]左静.炮孔布置的计算机辅助设计系统开发[J].煤矿爆破,2008,(1):8-10.
[33] Lawson.C.L. Software for C surface interpolation [J]. Mathematical Software III, 1977.
[34]朱合华,郑国平,吴江斌.基于钻孔信息的地层数据模型研究[J].同济大学学报,2003,31(5):535-539.
[35]李艳,鲍玉斌,王恩德.面向钻孔数据的层状矿体三维建模及其可视化[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007,23(2):235-238.
[36]张煜,白世伟.一种基于三棱柱体体元的三维地层建模方法及应用[J].中国图像图形学报,2001,6(3): 285-290.
[37]陈永锋,陈晓鹏,魏丽英.基于钻孔数据的地质面Delaunay三角剖分[J].金属矿山,2009,(9):120-122.
[38]周佳文,薛之昕,万施.三角剖分综述[J].计算机与现代化,2010,(7):75-78.
[39] Graham R L.An efficient algorithm for determine the convex hull of a finite planar set[J].Information Processing Letters, 1972, (1):132-133.
[40]荆永滨,王李管,毕林等.复杂矿体的块段模型建模算法[J].华中科技大学学报,2010,(2):97-100.
[41]刘亚静,姚纪明,李梅等.非层状矿体构模关键技术研究[J].湖南科技大学学报,2007,(4):19-22.
[42]刘亚静,李梅,姚纪明.三维普通克里格插值建立三维非层状矿体块段模型的研究[J].金属矿山,2008,(7):92-95.
[43] Gottschalk S, Lin M C, Manocha D. OBB Tree:a hierarchical structure for rapid interference detection[A].Proceedings of the 23rd Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques[C].New York, ACM, 1996:171-180.
[44]吴慧欣,薛惠锋.基于块段模型的三维GIS混合数据结构模型研究[J].计算机应用研究,2007,(10):273-275.
[45]何鑫,王李管.一种基于八叉树的地质体三维网格剖分方法[J].金属矿山,2008,(11):66-70.
[46]修群业,王军,高兰等.云南金顶矿床矿体三维模型的建立及其研究意义[J].矿床地质,2005,(5):501-505.
[47]戴俊.爆破工程[M].北京:机械工业出版社,2005.224-225.
[48]程平.爆破起爆网络设计中的点燃阵面[J].金属矿山,2008,(11):31-32.
[49]张猛,张金刚,汪幸等.孟家沟极贫矿中深孔爆破数值模拟与应用[J].有色金属,2008,60(4):44-47.
[50] Cunningham C.V.B.Fragmentation estimates and the KUZ-RAM model[A].2nd Int.Symp Rock Fragmentation by Blasting[C].Keystone Colarado,1987:475-486.
[51] Harries G. Amathematical model of cratering and blasting[A]. In: National Symposium on Rock Fragmentation[C],Adelaide, 1973:41~45.
[52] Starfield A M, Pugliese J M. Compression waves generated in rock by cylindrical explosive charges: A comparison between a computer model and field measurements[J]. International Journal Rock Mechanics and Mining Sicences, 1968,(5):65-77.
[53]滕山邦久,佐佐宏一,伊藤一郎.论光面爆破中导向孔的作用[A].见:阜新矿业学院,译.光面爆破:煤矿掘进技术译文集[C].北京:煤炭工业出版社,1979.
[54]刘思峰等.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学技术出版社,1999.