CN113223158B - 一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，涉及工程爆破技术领域。该方法首先以炮孔岩性分布数据为样本，在爆破区域范围内按长方体实体网格进行插值，生成岩体三维实体模型，再使用采场台阶三角形和爆破区域范围多边形先后对岩体三维实体模型进行裁切，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型；再建立炮孔点三角形网格，得到炮孔三角形集；并根据炮孔三角形集，得到炮孔影响多边形；继而根据炮孔影响多边形及裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，得到炮孔的影响实体单元；最后根据炮孔的岩性分层和影响实体单元，计算炮孔装药量。该方法充分利用爆破区域岩体三维实体模型，准确计算各类岩体的体积来提高炮孔装药量计算精度。

Description

一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法

技术领域

本发明涉及工程爆破技术领域，尤其涉及一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法。

背景技术

随着智能钻机的研发和使用，能够准确地获得爆破区域的岩层数据。如何充分利用爆破区域的岩层数据，建立岩体三维实体模型，准确计算各类岩体的体积，创新炮孔装药量计算方法，达到提高爆破效果和降低爆破成本，是一个急需研究和解决的问题。

目前普遍采用的计算炮孔装药量的方法中，炸药单耗主要依据地质勘探资料进行估计，炮孔的爆破体积由孔距、底盘抵抗线和段高相乘得到。在这个方法中，是将炮孔所在的区域做为一个整体，取同一个岩性的炸药单耗。由于所依据的地质勘探钻孔密度太大，往往无法准确提供炮孔的岩性分布，会对爆破效果和爆破成本产生较大的影响。为提高爆破效果和降低爆破成本，很多学者和工程技术人员在炮孔装药量辅助计算和爆破效果分析等方法已经做了很多研究。1985年，缪纯组研究了露天矿爆破采用体积公式计算炮孔装药量的偏差与调整。2005年，郑明焦使用排孔装药系数来计算炮孔装药量。这些研究由于技术的限制，均未涉及到建立岩体三维实体模型，准确计算各类岩体的体积来提高炮孔装药量计算精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，实现对炮孔装药量的计算。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立爆破区域岩体三维实体模型；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对在爆破区域范围内按一定的长、宽和高划分的长方体实体网格进行插值，生成岩体三维实体模型，再使用采场台阶三角形和爆破区域范围多边形先后对岩体三维实体模型进行裁切，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，具体的模型构建方法如下：

步骤1.1：插值生成岩体三维实体模型；

按照给定的实体单元的长、宽和高尺寸，对爆破区域范围空间进行实体单元划分，得到整个爆破区域的实体单元集E₀＝{e₁,e₂,…,e_i,…e_n}，其中，e_i为第i个实体单元，i∈[1,n]，n为爆破区域的实体单元总数；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对实体单元集E₀中的每个实体单元进行岩性插值，为每个实体单元赋上岩性，生成岩体三维实体模型；

步骤1.2：使用采场台阶三角形裁切岩体三维实体模型；

对采场的台阶线进行三角形剖分，得到三角形集T_c＝{t₁,t₂,…,t_j,…t_m}，其中，t_j为采场台阶的第j个三角形，j∈[1,m]，m为采场台阶的三角形总数；使用采场三角形集T_c裁切爆破区域的实体单元集E₀，保留采场台阶三角形以下部分的岩体三维实体，即为采场裁切的岩体三维实体模型，记为E₁；

步骤1.3：使用爆破区域范围多边形裁切采场裁切的岩体三维实体模型，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型；

使用爆破区域范围多边形生成三角形网格，得到爆破区域范围三角形集T_b＝{t_b1,t_b2,…,t_bi′,…t_bl}，其中，t_bi′为第i′个三角形，i′∈[1,l]，l为爆破区域范围多边形生成的三角形总数；使用爆破区域范围三角形集T_b裁切采场裁切的岩体三维实体模型E₁，保留爆破区域范围内部的岩体三维实体，即为裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，记为E＝{e₁,e₂,…,e_j′,…e_k}，其中，e_j′为第j′个实体单元，j′∈[1,k]，k为爆破区域范围内部的实体单元总数；

步骤2：计算炮孔的影响范围，具体方法为：

步骤2.1：建立炮孔点三角形网格，得到炮孔三角形集；

以炮孔位置点集P＝{p₁,p₂,…,p_f,…p_F}和爆破区域范围多边形顶点进行三角形剖分，得到炮孔三角形集T_r＝{t_r1,t_r2,…,t_rh,…t_rH}，其中，p_f为第f个炮孔位置点，f∈[1,F]，F为爆破区域范围多边形内炮孔位置点总数，t_rh为第h个剖分三角形，h∈[1,H]，H为通过炮孔位置点和爆破区域范围多边形顶点进行剖分得到的三角形的总数；

步骤2.2：根据炮孔三角形集，得到炮孔影响多边形；

对于每一个炮孔，从炮孔三角形集T_r中，得到所有与炮孔位置点相连接的三角形的边，这些边有的与其它炮孔相连，有的与爆破范围边界点相连，炮孔影响多边形就是由这些边的中点或顶点连接而成，如果边与其它炮孔相连，取边的中点，否则取边的顶点；所有炮孔影响多边形集记作PL＝{pl₁,pl₂,…,pl_m,…,pl_F}，其中，pl_m为第m个炮孔的影响多边形，m∈[1,F]；

步骤3：根据炮孔影响多边形及裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，得到炮孔的影响实体单元；

使用每一个炮孔影响多边形与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型求交集，得到每一个炮孔的影响实体单元；设第m个炮孔的影响多边形pl_m分别与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型E求相交，得到第m个炮孔的影响实体集C_m＝{c_m1,c_m2,…,c_my,…,c_mr}，其中，c_my为第m个炮孔的第y个影响实体单元，y∈[1,r]，r为第m个炮孔的影响实体单元总数；

步骤4：根据炮孔的岩性分层和影响实体单元，计算炮孔装药量，具体方法为：

按不同的岩性所需要的炸药单耗q_x分别计算炮孔的各影响实体单元所需的炸药量，将炮孔的所有影响实体单元所需炸药量相加得到炮孔装药量，如下公式所示：

其中，Q_m为第m个炮孔所需要的炸药量，v_y为第y个影响实体单元的爆破体积，q_x为第x类岩层的炸药单耗。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，为了准确计算各类岩体的体积，建立爆破区域岩体三维实体模型。以炮孔位置和爆破范围多边形顶点进行三角形剖分，得到炮孔影响多边形，从而得到炮孔影响范围。根据炮孔的岩性分层和影响范围，计算炮孔装药量。突破了现有炮孔装药量计算方法存在的缺陷，充分利用爆破区域岩体三维实体模型，准确计算各类岩体的体积来提高炮孔装药量计算精度，进而提高爆破效果和降低爆破成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的爆破区域岩体三维实体模型的示意图；

图3为本发明实施例提供的爆破范围三角形网的示意图；

图4为本发明实施例提供的炮孔影响范围多边形示意图；

图5为本发明实施例提供的炮孔三维岩体模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某露天煤矿的爆破区域岩性分布数据为基础，建立该爆破区域岩体的三维实体模型，通过本发明的基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法实现对炮孔装药量的计算。

本实施例中，一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立爆破区域岩体三维实体模型；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对在爆破区域范围内按一定的长、宽和高划分的长方体实体网格进行插值，生成岩体三维实体模型，再使用采场台阶三角形和爆破区域范围多边形先后对岩体三维实体模型进行裁切，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，具体的模型构建方法如下：

步骤1.1：插值生成岩体三维实体模型；

按照给定的实体单元的长、宽和高尺寸，对爆破区域范围空间进行实体单元划分，得到整个爆破区域的实体单元集E₀＝{e₁,e₂,…,e_i,…e_n}，其中，e_i为第i个实体单元，i∈[1,n]，n为爆破区域的实体单元总数；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对实体单元集E₀中的每个实体单元进行岩性插值，为每个实体单元赋上岩性，生成岩体三维实体模型；

步骤1.2：使用采场台阶三角形裁切岩体三维实体模型；

对采场的台阶线进行三角形剖分，得到三角形集T_c＝{t₁,t₂,…,t_j,…t_m}，其中，t_j为采场台阶的第j个三角形，j∈[1,m]，m为采场台阶的三角形总数；使用采场三角形集T_c裁切爆破区域的实体单元集E₀，保留采场台阶三角形以下部分的岩体三维实体，即为采场裁切的岩体三维实体模型，记为E₁；

步骤1.3：使用爆破区域范围多边形裁切采场裁切的岩体三维实体模型，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型；

使用爆破区域范围多边形生成三角形网格，得到爆破区域范围三角形集T_b＝{t_b1,t_b2,…,t_bi′,…t_bl}，其中，t_bi′为第i′个三角形，i′∈[1,l]，l为爆破区域范围多边形生成的三角形总数；使用爆破区域范围三角形集T_b裁切采场裁切的岩体三维实体模型E₁，保留爆破区域范围内部的岩体三维实体，即为裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，记为E＝{e₁,e₂,…,e_j′,…e_k}，其中，e_j′为第j′个实体单元，j′∈[1,k]，k为爆破区域范围内部的实体单元总数；

本实施例在爆破范围内按一定的间距(长度、宽度和高度)划分成若干长方体实体，其中长度为2m，宽度为2m，高度为2m，每个长方体实体作为爆破区域岩体三维实体模型的图元，以炮孔岩性数据对每个图元进行插值，得到图元的岩性。选用距离平方反比法对指定位置的图元的岩性进行插值。

在进行插值前，应根据图元的位置确定参与插值的炮孔，具体分两步进行：

第一步，根据搜寻范围40m，找到爆破范围内的所有炮孔；

第二步，对第一步得到的炮孔，按离图元位置的距离从近到远及夹角20度进行插值。

本实施例最终共生成51975个实体单元，如图2所示。

步骤2：在爆破范围多边形内，每个炮孔都在其位置附近具有一定影响范围，因此需要计算炮孔的影响范围，具体方法为：

步骤2.1：建立炮孔点三角形网格，得到炮孔三角形集；

以炮孔位置点集P＝{p₁,p₂,…,p_f,…p_F}和爆破区域范围多边形顶点进行三角形剖分，得到炮孔三角形集T_r＝{t_r1,t_r2,…,t_rh,…t_rH}，其中，p_f为第f个炮孔位置点，f∈[1,F]，F为爆破区域范围多边形内炮孔位置点总数，t_rh为第h个剖分三角形，h∈[1,H]，H为通过炮孔位置点和爆破区域范围多边形顶点进行剖分得到的三角形的总数；

步骤2.2：根据炮孔三角形集，得到炮孔影响多边形；

对于每一个炮孔，从炮孔三角形集T_r中，得到所有与炮孔位置点相连接的三角形的边，这些边有的与其它炮孔相连，有的与爆破范围边界点相连，炮孔影响多边形就是由这些边的中点或顶点连接而成，如果边与其它炮孔相连，取边的中点，否则取边的顶点；所有炮孔影响多边形集记作PL＝{pl₁,pl₂,…,pl_m,…,pl_F}，其中，pl_m为第m个炮孔的影响多边形，m∈[1,F]；

本实施例中，有165个有效炮孔，通过炮孔位置点和爆破区域范围多边形顶点进行剖分得到390个三角形，如图3所示，由这些三角形确定炮孔的影响范围，如图4所示。

步骤3：根据炮孔影响多边形及裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，得到炮孔的影响实体单元；

使用每一个炮孔影响多边形与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型求交集，得到每一个炮孔的影响实体单元；设第m个炮孔的影响多边形pl_m分别与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型E求相交，得到第m个炮孔的影响实体集C_m＝{c_m1,c_m2,…,c_my,…,c_mr}，其中，c_my为第m个炮孔的第y个影响实体单元，y∈[1,r]，r为第m个炮孔的影响实体单元总数；

本实施例以每个炮孔的影响范围多边形裁切爆破区域岩体三维模型，得到炮孔的影响实体集，即得到所有炮孔的三维岩体模型，如图5所示。

步骤4：根据炮孔的岩性分层和影响实体单元，计算炮孔装药量，具体方法为：

按不同的岩性所需要的炸药单耗q_x分别计算炮孔的各影响实体单元所需的炸药量，将炮孔的所有影响实体单元所需炸药量相加得到炮孔装药量，如下公式所示：

其中，Q_m为第m个炮孔所需要的炸药量，单位为kg，v_y为第y个影响实体单元的爆破体积，单位为m³，q_x为第x类岩层的炸药单耗，单位为kg/m³。

本实施例通过对每一个炮孔三维岩体模型中各影响实体单元所需炸药量计算，得到各炮孔所需炸药量如表1所示。

表1部分炮孔装药量

孔号	装药长度(m)	装药量(Kg)
			ZK2032	6.821	214.275
ZK2031	6.549	205.744
			ZK2030	6.31	198.228
ZK2051	5.665	177.96
			ZK2029	6.181	194.181
ZK2050	3.446	108.26
			ZK2028	6.202	194.854
ZK2071	3.863	121.373
			ZK2049	3.501	109.982
ZK2027	6.253	196.445
			...	...	...
合计	727.311	22849.147

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立爆破区域岩体三维实体模型；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对在爆破区域范围内按一定的长、宽和高划分的长方体实体网格进行插值，生成岩体三维实体模型，再使用采场台阶三角形和爆破区域范围多边形先后对岩体三维实体模型进行裁切，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型；

步骤1.1：插值生成岩体三维实体模型；

按照给定的实体单元的长、宽和高尺寸，对爆破区域范围空间进行实体单元划分，得到整个爆破区域的实体单元集E₀＝{e₁,e₂,…,e_i,…e_n}，其中，e_i为第i个实体单元，i∈[1,n]，n为爆破区域的实体单元总数；以炮孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对实体单元集E₀中的每个实体单元进行岩性插值，为每个实体单元赋上岩性，生成岩体三维实体模型；

步骤1.2：使用采场台阶三角形裁切岩体三维实体模型；

对采场的台阶线进行三角形剖分，得到三角形集T_c＝{t₁,t₂,…,t_j,…t_m}，其中，t_j为采场台阶的第j个三角形，j∈[1,m]，m为采场台阶的三角形总数；使用采场三角形集T_c裁切爆破区域的实体单元集E₀，保留采场台阶三角形以下部分的岩体三维实体，即为采场裁切的岩体三维实体模型，记为E₁；

步骤1.3：使用爆破区域范围多边形裁切采场裁切的岩体三维实体模型，得到裁切后的爆破区域岩体三维实体模型；

使用爆破区域范围多边形生成三角形网格，得到爆破区域范围三角形集T_b＝{t_b1,t_b2,…,t_bi′,…t_bl}，其中，t_bi′为第i′个三角形，i′∈[1,l]，l为爆破区域范围多边形生成的三角形总数；使用爆破区域范围三角形集T_b裁切采场裁切的岩体三维实体模型E₁，保留爆破区域范围内部的岩体三维实体，即为裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，记为E＝{e₁,e₂,…,e_j′,…e_k}，其中，e_j′为第j′个实体单元，j′∈[1,k]，k为爆破区域范围内部的实体单元总数；

在进行插值前，应根据图元的位置确定参与插值的炮孔，具体分两步进行：

第一步，根据搜寻范围，找到爆破范围内的所有炮孔；

第二步，对第一步得到的炮孔，按离图元位置的距离从近到远及预设夹角进行插值；

步骤2：计算炮孔的影响范围，具体方法为：

步骤2.1：建立炮孔点三角形网格，得到炮孔三角形集；

步骤2.2：根据炮孔三角形集，得到炮孔影响多边形；

步骤3：根据炮孔影响多边形及裁切后的爆破区域岩体三维实体模型，得到炮孔的影响实体单元；

步骤4：根据炮孔的岩性分层和影响实体单元，计算炮孔装药量；

按不同的岩性所需要的炸药单耗分别计算炮孔的各影响实体单元所需的炸药量，将炮孔的所有影响实体单元所需炸药量相加得到炮孔装药量，如下公式所示：

其中，Q_m为第m个炮孔所需要的炸药量，v_y为第y个影响实体单元的爆破体积，q_x为第x类岩层的炸药单耗。

2.根据权利要求1所述的一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，其特征在于：所述步骤2.1的具体方法为：

以炮孔位置点集P＝{p₁,p₂,…,p_f,…p_F}和爆破区域范围多边形顶点进行三角形剖分，得到炮孔三角形集T_r＝{t_r1,t_r2,…,t_rh,…t_rH}，其中，p_f为第f个炮孔位置点，f∈[1,F]，F为爆破区域范围多边形内炮孔位置点总数，t_rh为第h个剖分三角形，h∈[1,H]，H为通过炮孔位置点和爆破区域范围多边形顶点进行剖分得到的三角形的总数。

3.根据权利要求2所述的一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，其特征在于：所述步骤2.2的具体方法为：

对于每一个炮孔，从炮孔三角形集T_r中，得到所有与炮孔位置点相连接的三角形的边，所述三角形的边或者与其它炮孔相连，或者与爆破范围边界点相连，炮孔影响多边形就是由所述三角形的边的中点或顶点连接而成，如果边与其它炮孔相连，取边的中点，否则取边的顶点；所有炮孔影响多边形集记作PL＝{pl₁,pl₂,…,pl_m,…,pl_F}，其中，pl_m为第m个炮孔的影响多边形，m∈[1,F]。

4.根据权利要求3所述的一种基于爆破岩体三维实体模型的炮孔装药量计算方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

使用每一个炮孔影响多边形与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型求交集，得到每一个炮孔的影响实体单元；设第m个炮孔的影响多边形pl_m分别与裁切后的爆破区域岩体三维实体模型E求相交，得到第m个炮孔的影响实体集C_m＝{c_m1,c_m2,…,c_my,…,c_mr}，其中，c_my为第m个炮孔的第y个影响实体单元，y∈[1,r]，r为第m个炮孔的影响实体单元总数。