CN108256253A - 一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，首先针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，最后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置；整个设计方法，只需要对非规则爆破区域进行简单的二维三角形网格划分，即可构造出Voronoi多边形区域，能够获得合理的炮孔布置方案，在爆破范围内均匀布置炮孔，保证每个炮孔所控制的爆破区域相等，大大提高了炸药爆炸能量的利用率，改善爆破块度的均匀性，以及爆堆的松散度。

Description

一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法

技术领域

本发明涉及一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，属于岩土工程、爆破工程施工技术领域。

背景技术

在岩土工程施工中，爆破是土石方开挖最直接最有效和使用最为广泛的手段，而爆破中炮孔的布置形式在很大程度上决定了爆破效果的好坏，从而影响着后续一系列生产效率。传统的炮孔位置标定方法是利用采集到的爆破区域的参数，在现场进行炮孔位置标定，由于现场实际条件的有限性及复杂性，传统的炮孔布置方法存在很多弊端，例如：炮孔位置标定更多地凭经验完成，炮孔的间距和深度只能粗略估计等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，能够获得合理的炮孔布置方案，大大提高了炸药爆炸能量的利用率，改善爆破块度的均匀性，以及爆堆的松散度。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，用于针对目标爆破区域实现炮孔分布的布置，包括如下步骤：

步骤A.利用二维Delaunay化，按边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后进入步骤B；

步骤B.针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，由最外围的任意一个节点起，按顺时针方向或逆时针方向依次针对各个节点做如下操作：

针对该节点所在的各个正三角网格区域，将该各个正三角网格区域的中心点位置，按顺时针方向或逆时针方向依次串联，构成Voronoi多边形；

完成针对目标爆破区域内所有节点的操作后，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后进入步骤C；

步骤C.获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，利用二维Delaunay化，按预设边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C之后，还包括步骤D如下，执行完步骤C之后，进入步骤D；

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，根据目标爆破区域面积S，以及目标爆破区域预设炮孔数目n，按如下公式：

获得针对目标爆破区域进行三角形网格划分中、正三角形的边长a；

所述步骤C之后，还包括步骤D如下，执行完步骤C之后，进入步骤D；

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

作为本发明的一种优选技术方案：在获得目标爆破区域中各个炮孔开挖位置后，根据预设炮孔深度H，按如下公式：

获得各个炮孔所对应的岩石爆破体积V₀，进而根据V₀，获取各个炮孔的炸药填装量。

本发明所述一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，只需要对非规则爆破区域进行简单的二维三角形网格划分，即可构造出Voronoi多边形区域，能够获得合理的炮孔布置方案，在爆破范围内均匀布置炮孔，保证每个炮孔所控制的爆破区域相等，大大提高了炸药爆炸能量的利用率，改善爆破块度的均匀性，以及爆堆的松散度。

附图说明

图1是爆破区域结构示意图；

图2是利用二维Delaunay化生成Voronoi多边形原理图；

图3是实例中的对爆破区域进行三角形网格划分；

图4是实例中的利用Voronoi网格生成的炮孔均匀布置图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

Voronoi网格技术是19世纪50年代，Dirichlet提出的将空间S分解为一系列Voronoi凸多面体的理论。对于空间S内任意给定点集{Pi}，i＝1,2，…，k，可将空间S分解为一组凸几何体{Vi}，i＝1,2，…，k，其中，Vi包含Pi，称之为Pi的领域，Pi称为领域Vi的特征点，凸几何体结构称为Dirichlet镶嵌，又称为Voronoi图。Voronoi图满足如下性质，领域Vi靠近Pi最密切，即：

V_i＝{P:d(P,P_i)＜d(P,P_j),i≠j,P∈S}

其中，d(P,Pi)、d(P,Pj)分别表示P与Pi、P与Pj之间的欧几里得距离。

鉴于此，本发明所设计一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，能克服传统的炮孔位置布置方法的弊端，在很大程度上改善爆破效果，提高生产效率。

实际应用中，本发明设计了一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，用于针对目标爆破区域实现炮孔分布的布置，实际应用当中，设定炮孔间、排距大致相等，即要求每个炮孔所控制的平面面积相等；为了保证第一排炮孔爆破时自由面小于间距，将自由面线向已开挖区域法向平移一定距离(炮孔间距的20％)，如图1所示。并且就实际应用，具体可以划分为两套方案，其中，第一套方案具体包括如下步骤：

步骤A.利用二维Delaunay化，按预设边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后进入步骤B。

步骤B.针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，由最外围的任意一个节点起，按顺时针方向或逆时针方向依次针对各个节点做如下操作：

针对该节点所在的各个正三角网格区域，将该各个正三角网格区域的中心点位置，按顺时针方向或逆时针方向依次串联，构成Voronoi多边形；

完成针对目标爆破区域内所有节点的操作后，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后进入步骤C。

步骤C.获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置，然后进入步骤D。

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

第二套方案具体包括如下步骤：

步骤A.首先根据目标爆破区域面积S，以及目标爆破区域预设炮孔数目n，按如下公式：

获得针对目标爆破区域进行三角形网格划分中、正三角形的边长a；

然后利用二维Delaunay化，按边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后进入步骤B。

步骤B.针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，由最外围的任意一个节点起，按顺时针方向或逆时针方向依次针对各个节点做如下操作：

针对该节点所在的各个正三角网格区域，将该各个正三角网格区域的中心点位置，按顺时针方向或逆时针方向依次串联，构成Voronoi多边形；

完成针对目标爆破区域内所有节点的操作后，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后进入步骤C。

步骤C.获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置，然后进入步骤D。

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

基于上述分别所设计的两套技术方案，即可获得目标爆破区域中各个炮孔开挖位置，之后根据预设炮孔深度H，按如下公式：

即可获得各个炮孔所对应的岩石爆破体积V₀，进而根据V₀，获取各个炮孔的炸药填装量，完成针对目标爆破区域的爆破。

将上述所设计第一套方案应用到实际实施例中，如下：

以某露天矿山为例，岩石为白云岩矿石，硬度大，可爆性差，台阶高度12m，孔深14.5m，超深2.5m，炮孔直径170mm作为实施例，测量整个目标爆破区域沿长度方向尺寸为55.2m，沿宽度方向尺寸为36.8m，整个目标爆破区域面积为2031.36m²，设置炮孔间距参数a为2.0m，并以此参数a作为网格划分的单元尺寸。

步骤A.如图2所示，利用二维Delaunay化，按预设边长为a＝2.0m的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后进入步骤B。

步骤B.针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，由最外围的任意一个节点起，按顺时针方向或逆时针方向依次针对各个节点做如下操作：

针对该节点所在的各个正三角网格区域，将该各个正三角网格区域的中心点位置，按顺时针方向或逆时针方向依次串联，构成Voronoi多边形；

完成针对目标爆破区域内所有节点的操作后，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后进入步骤C。即如图4所示，计算得到Voronoi多边形的边长为1.4m，Voronoi多边形节点数目np为610、单元数目ne为600，其中三角形单元数目为89、四边形数目为0、五边形数目为20、六边形数目为473、七边形数目为18，并记录每个节点的坐标和每个单元形心坐标。

步骤C.获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置，即如图4所示，Voronoi多边形的中心坐标就是要布置炮孔的位置，然后进入步骤D。

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

如图3所示，此时，每个炮孔控制的爆破面积假定炮孔深度为H＝14.5m，通过计算可得每个炮孔所爆除的岩石体积以该体积选择单孔炸药装药量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，用于针对目标爆破区域实现炮孔分布的布置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A.利用二维Delaunay化，按边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分，然后进入步骤B；

步骤B.针对目标爆破区域经三角形网格划分后的所有节点，由最外围的任意一个节点起，按顺时针方向或逆时针方向依次针对各个节点做如下操作：

针对该节点所在的各个正三角网格区域，将该各个正三角网格区域的中心点位置，按顺时针方向或逆时针方向依次串联，构成Voronoi多边形；

完成针对目标爆破区域内所有节点的操作后，获得目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后进入步骤C；

步骤C.获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

2.根据权利要求1所述一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，其特征在于：所述步骤A中，利用二维Delaunay化，按预设边长为a的正三角形，针对目标爆破区域进行三角形网格划分。

3.根据权利要求2所述一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，其特征在于：所述步骤C之后，还包括步骤D如下，执行完步骤C之后，进入步骤D；

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

4.根据权利要求1所述一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，其特征在于：所述步骤A中，根据目标爆破区域面积S，以及目标爆破区域预设炮孔数目n，按如下公式：

获得针对目标爆破区域进行三角形网格划分中、正三角形的边长a；

所述步骤C之后，还包括步骤D如下，执行完步骤C之后，进入步骤D；

步骤D.针对目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，删除其中边数小于4个的Voronoi多边形，更新目标爆破区域中的各个Voronoi多边形，然后获得目标爆破区域中各个Voronoi多边形的中心点位置，即为目标爆破区域中各个炮孔开挖位置。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种基于Voronoi网格剖分的等面积炮孔布置方法，其特征在于，在获得目标爆破区域中各个炮孔开挖位置后，根据预设炮孔深度H，按如下公式：

获得各个炮孔所对应的岩石爆破体积V₀，进而根据V₀，获取各个炮孔的炸药填装量。