论文题目：露天矿爆破智能设计与模拟优化系统研发与应用研究
摘要：黑岱沟露天煤矿是我国超大型露天煤矿,现年产能已突破3000万吨。随着生产规模的快速提升,各生产环节均感到了前所未有的压力,生产效率和工程质量的提高与现有生产技术条件不足的矛盾日益突出。为保质保量完成生产任务,改善、提高现有生产技术条件成为迫切需要解决的首要任务。而爆破作为岩石剥离的首个环节,其爆破效果的好坏直接影响后续采装、运输的效率,因此爆破设计技术需要做进一步改进、优化。长期以来,国内绝大数露天矿没有专业设计软件,依靠CAD软件制图,WORD软件编辑,加之地质信息查看极其不方便,炮区岩石性质基本靠经验判断,导致爆破设计工作效率低下、设计不精细,从源头制约着爆破质量的进一步提高。2006年以来,黑岱沟露天煤矿租用奥瑞凯公司的Shotplus软件作为爆破设计平台,但囿于该系统的业务流程与我国矿山实际工作流程匹配程度不高,且爆破设计技术人员提出的新功能需求无法得到满足与提升。针对目前露天煤矿爆破设计中存在的技术落后、效率低下、功能不完备、灵活性差等问题,从2008年开始,借助“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA06Z131）支持,经过近五年的努力,笔者成功研发了“露天矿爆破智能设计与模拟优化系统”,主要包括:矿用三维图形处理平台、地质地形信息管理系统、爆破智能设计系统、抛掷爆破爆堆形态模拟系统和数据接口等。1.立足露天煤矿台阶深孔爆破设计的现实需求,摈弃AutoCAD面向对象型API模型进行二次开发的传统做法,采用三维显示技术从底层研究,开发了具有独立自主知识产权的露天煤矿通用三维图形处理系统,为实现爆破设计智能化、可视化与科学化提供了三维图形处理平台。该图形平台主要实现全三维条件下图形的绘制、编辑和显示功能:实现在三维空间下绘制基本设计图形单元,如点、线（直线与曲线）、形（多边形与文字）等;绘制爆破设计专用图元,如炮孔孔迹、设计连线、坡顶（底）线、坡面、煤顶（底）板等;实现在三维视图下查看各种投影图,如俯东西（南北）向俯视、东北-西南（西北-东南）向俯视等,以及手动设置任意角度的投影功能;实现三维空间内任意平移及旋转图形功能;实现在三维视图下任意缩放、查看图形全局及局部细节。2.针对矿山岩体非均质、不连续以及信息的不完整性,形成实时地质地形条件下的矿山爆破工程设计与爆破效果预测的数字化信息管理系统,实现对地质勘探时期的钻孔信息、地形等值线信息以及采矿生产过程中揭露的地质状况进行现场写实和素描,为爆破设计与施工组织提供重要参考依据,确保矿山生产爆破的高效与安全。该系统实现了地质地形信息数据库和图形库之间的实时动态更新,可以方便高效的将地质钻孔数据（如矿岩种类、物理力学性质和地质结构特征参数等）、采场现场实际测量数据（如制定区域内矿岩的地质属性参数和采场地表实测点坐标数据以及新剥露地质属性参数等）直接导入系统数据库中;在爆破智能设计过程中能对给定爆破设计区域内的地质地层属性参数进行自动查询、识别和计算处理;根据设计者的需求,提供地质属性自动查询与对比参考。3.基于地质地形信息管理系统提供的实时数据支撑,开发了台阶深孔爆破计算机智能设计子系统,实现岩石定向断裂爆破及矿山生产爆破的参数智能化选取、爆区的（抛掷、预裂、加密）布孔设计、装药结构设计、起爆网络（连线）设计、爆破参数影响系数分析与反馈调整、爆破过程模拟以及消耗火工品计算等功能;自动输出爆破方案的各种图表,如:布孔图、孔长图、等时线图、起爆网络图、装药结构图、岩石初始移动方向图、装药量计算表和设计说明书等施工组织文档等,极大的提高了爆破设计的可靠性和准确性,极大的提高了工作效率,基本达到实用化水平。4.围绕露天煤矿抛掷爆破设计的实际需求,开发了抛掷爆破爆堆形态模拟系统,模拟抛掷爆破设计区域的爆堆形态和抛掷率、松散系数等爆破参数,实现与实际爆破起爆顺序时间间隔相对应的模拟起爆过程,显示不同装药结构、起爆点和连线方式,显示不同爆破方案模拟起爆后所产生的不同位置的爆堆形状剖面图及炮区后冲和侧冲情况;同时通过调整模拟效果不理想的参数,反馈调整爆破设计参数,以达到矿山爆破设计优化的目的。5.围绕各个子系统之间数据交换的实际需求,开发了与外部数据连接的数据接口系统,软件的数据库采用access数据库,爆破基础数据可以直接从txt/xls文件中读取并导入至数据库中;数据库中的爆破设计数据和爆破结果统计数据可以导出到word文档或excel表格中,方便查看和编辑。软件与目前矿山最常用的绘图软件autocad实现对接,可实现图形数据的相互转化与显示功能;图片以jpg格式保存,普通的图像软件都可以打开、打印。黑岱沟露天矿实际工程应用表明,“露天矿爆破智能设计与模拟优化系统”的建立与应用,可以大大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效能,大幅度提高生产效率。该项技术研究成果基本达到国际先进和国内领先水平,形成以拉斗铲倒堆工艺为主的综合开采工艺设计理论、设计方法和关键技术,填补我国露天采煤领域的一项空白,大幅度提高露天煤矿爆破设计与爆破效果模拟优化的智能化水平;对进一步促进矿山信息分析与应用、矿山地质勘察与管理、矿山生产设计、评估与监控、矿山工程模拟与决策等方面的应用,对实现矿山数字化有深远的意义;可以在交通、建筑、水电、能源等领域的爆破工程中推广应用,有利于促进我国资源开发的顺利进行,进而对我国国民经济的持续、稳健的发展作出贡献,必将产生良好的经济效益和社会效益。
关键词：露天煤矿;智能设计;模拟优化;系统研发
学科专业：岩土工程
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 选题的目的与意义
1.2 研究现状
1.2.1 爆破机理研究现状
1.2.2 爆破设计研究现状
1.2.3 爆破技术研究现状
1.2.4 爆破设计系统研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 研究方法与技术路线
1.4.1 研究方法
1.4.2 技术路线
第二章 系统架构与功能结构
2.1 系统架构
2.1.1 系统总体流程及数据流设计
2.1.2 系统开发逻辑流程
2.2 系统功能结构
2.2.1 系统功能分析
2.2.2 系统功能结构图
2.3 用户界面与菜单设计
2.4 模块的开发原则
2.5 本章小结
第三章 三维图形处理系统
3.1 概论
3.2 三维显示技术
3.2.1 图形变换概念
3.2.2 二维图形的几何变换
3.2.3 三维图形的几何变换
3.2.4 三维图形的投影变换
3.2.5 三维显示与变换的函数库设计
3.3 功能设计与实现
3.3.1 逻辑流程与功能分析
3.3.2 部分模块的功能实现
3.4 本章小结
第四章 地质地形信息管理系统
4.1 概述
4.2 岩体可爆性分级方法研究
4.2.1 分级指标与分级标准
4.2.2 岩体可爆性分级模型
4.3 功能设计与实现
4.3.1 逻辑流程与功能分析
4.3.2 地质数据存储与管理
4.3.3 地质数据提取、插值与显示
4.3.4 爆破设计时地质数据的使用
4.3.5 图形与数据库信息交换
4.4 本章小结
第五章 台阶深孔爆破智能设计系统
5.1 概论
5.2 微差爆破岩石抛掷机理研究
5.2.1 排间微差爆破的必然性
5.2.2 孔间微差爆破的抛掷机理
5.2.3 影响抛掷爆破效果的因素
5.3 确定爆破设计参数
5.3.1 炸药单耗的确定
5.3.2 填塞长度与超深的确定
5.3.3 孔距、排距的确定
5.3.4 延时的确定
5.4 功能设计与实现
5.4.1 系统功能分析
5.4.2 布孔设计
5.4.3 自动连线设计
5.4.4 前排孔智能调整
5.4.5 短孔深度智能调整
5.4.6 爆破延时智能调整
5.4.7 爆破施工文档的自动输出
5.5 本章小结
第六章 抛掷爆破爆堆形态模拟系统
6.1 概论
6.2 抛掷爆破爆堆预测方法
6.2.1 计算非线性函数因子贡献值
6.2.2 一般非线性函数中各因子贡献值大小的判别方法
6.2.3 非线性函数的离散化和因子贡献值的计算
6.2.4 建立炮堆预测模型
6.2.5 实证分析
6.3 功能设计与实现
6.3.1 功能说明
6.3.2 爆破延时模拟
6.3.3 抛掷爆破爆堆形态模拟
6.4 本章小结
第七章 矿山爆破设计工程应用
7.1 概述
7.2 黑岱沟露天煤矿概况
7.2.1 地理位置及资源条件
7.2.2 开采现状
7.2.3 工程应用设计参数
7.3 设计实例
7.3.1 设计准备
7.3.2 爆破设计
7.3.3 设计修改与完善
7.3.4 爆破药量-时间图
7.3.5 爆破设计结果输出
7.3.6 爆破过程模拟
7.4 工程应用评价
7.5 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 主要结论
8.2 主要创新点
8.3 进一步研究方向
参考文献
致谢
A:系统菜单说明
B:系统窗体说明
C:系统模块说明