大直径深孔爆破参数智能识别辅助设计.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 013 大直径深孔爆破参数智能识别辅助设计* 周科平， 史文超， 王明政， 柯 波 （ 中南大学资源与安全工程学院， 长沙410083） 摘 要 针对大直径深孔爆破在实际生产操作过程中工作量大、 操作繁琐、 结果易错等特点， 通过对该种爆 破工艺流程和分段装药、 分层间隔装药结构的分析， 采用Visual Lisp二次开发了一款辅助设计软件。该辅助 设计软件基于Visual Lisp对Auto CAD进行二次开发， 形成交互式用户界面操作模式， 通过用户选取图形中 的图元， 智能识别大直径深孔爆破分段装药、 分层间隔的孔内药包数量、 装填界限、 雷管段数等关键结构参 数， 结合Microsoft Active Automation的接口进行数据读写， 自动实现图纸上的图形几何参数的提取与Excel 电子表格的交互操作。该软件成功应用于凡口铅锌矿采场生产爆破， 实现了图到表转换工作的高效性和可 靠性， 减轻了技术人员的劳动强度， 提高了整个爆破设计施工过程的工作效率。 关键词 大直径深孔采矿；爆破设计；Visual Lisp；二次开发；辅助设计 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0073 －07 Intelligent Identification and Auxiliary Design for Blasting Parameters of Large Diameter Deep Hole ZHOU Ke-ping，SHI Wen-chao，WANG Ming-zheng，KE Bo （School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China） Abstract For heavy workload，tedious and error-prone characteristics in the actual operation process of large di- ameter longhole blasting，an assisted design software was developed by Visual Lisp. The structure of the staged charge and the stratified charge，the interactive user interface operation mode were ed by this assisted design based on the secondary development of Auto CAD by Visual Lisp. The user can select the graphic elements in the graph to in- telligently identify the key ination including the filling boundaries and the number of packs and detonators of the large-diameter deep-hole blasting segmented charge. Combining with Microsoft Active Automation interface for data reading and writing，an interactive operation between the drawings on the extraction of geometric parameters and Ex- cel spreadsheet was automatically achieved. This was successfully applied to the Fankou lead-zinc mine stope blasting production，which achieved a conversion among map，table efficiently and reliably. The reduces the labor intensity of the technical staff and improves the efficiency of blasting design and construction. Key words large diameter longhole mining；blasting design；Visual Lisp；secondary development；aided de- sign 收稿日期2017 －12 －10 作者简介周科平（1964 －） ， 男， 教授、 博士生导师， 主要从事金属矿 安全高效开采研究， （E-mail）kpzhou＠263. net。 通讯作者史文超（1991 －） ， 男， 硕士研究生， 主要从事金属矿深部 开采技术研究， （E-mail）wcshi313＠126. com。 基金项目国家“ 十二五” 科技支撑项目计划（2013BAB02B05） ； 中南 大学研究生自主探索创新项目（2017zzts570） 近年来， 大直径深孔采矿法因其效率高、 成本低、 安全性好等优点在地下金属矿山得到广泛应 用［ 1］。然而， 由于该法采用分段装药、 分层间隔的 大直径深孔爆破进行落矿， 单次爆破炮孔数量多、 装 药量大， 前期的爆破设计任务十分繁重， 导致爆破设 计环节占用了较大的时间和人力。随着计算机辅助 设计技术的兴起， 通过开发专门的辅助设计软件以 万方数据 提高爆破设计工作效率， 在国内外各种工程爆破设 计中得到广泛应用。自从国外出现了BLAST-CODE 等较为成功的爆破数学模型和台阶爆破辅助设计系 统等［ 2-4］； 国内众多学者在也相继开发了一些成功 的爆破设计软件， 张继春等开发了用于隧道掘进爆 破的智能设计系统以及用于露天矿台阶爆破设计的 智能专家系统［ 5，6］；余东晓等利用 Voronoi网格技 术， 结合Visual C ＋ ＋平台下开发了一款台阶爆破 设计与优化软件［ 7］； 杨仁树等基于 CAD二次开发， 实现了煤矿巷道爆破工程图表自动绘制［ 8］； 杨秋奎 基于ObjectARX和Visual C ＋ ＋的硐室爆破CAD设 计系统开发， 解决了硐室爆破设计中部分关键技 术［ 9］； 王李管等基于 Dimine数字矿山软件， 应用计 算机图形学、 面向对象编程技术， 开发了一种智能化 的井巷掘进工程炮孔设计系统［ 10］； 任占营成功研发 了露天矿爆破智能设计与模拟优化系统， 极大的提 高了爆破设计的可靠性与准确性，提高了生产效 率［ 11］； 在大直径深孔爆破方面， 黄宣东等利用 Excel VBA开发了用于自动计算药面参数的辅助设计插 件， 很大程度上提高了装药单的制作效率［ 12］。但是， 从爆破设计图纸到装药施工明细单的转化仍然依靠 人工逐个量取相应图元获取爆破参数， 这将严重影响 爆破施工组织准备工作的效率。因此， 进一步完善更 高效的大直径深孔爆破的辅助设计软件， 以提高爆破 设计工作效率和精细化程度， 是高效大直径深孔采矿 法的重要课题， 也是地下矿山精细化爆破技术的需要 以及采矿智能化、 信息化的发展趋势。 1 需求分析 大直径深孔采矿法由下向球状药包阶段矿房法 （VCR） 采矿法演变而来［ 13］， 自采场上部凿岩硐室用 潜孔钻机穿凿大直径下向深孔（φ ＝ 110 165 mm） 贯穿整个采场， 每个采场布置4 5排炮孔， 排、 列之 间间隔2. 0 2. 4 m。回采包括拉槽、 破顶与侧向崩 矿三个过程， 借助采场端部的切割天井或拉槽区布 设的若干空孔， 经过掏槽爆破形成足够的补偿空间 与良好的自由面条件， 经过破顶爆破破穿采场上部 矿体后， 余下矿石经过2 4次侧向爆破进行崩落， 崩落的矿石在下部出矿硐室经遥控铲运机装运出 矿［ 14］。 大直径深孔爆破设计施工流程分为炮孔设计与 施工、 爆破设计和爆破施工3个阶段， 如图1所示。 炮孔设计是采场爆破设计的基础， 爆破设计阶段具 有爆破装药量大， 炮孔数目多， 孔内、 孔间微差段别 复杂， 采用分层间隔装药， 多种装药结构并存等特 点， 大直径深孔爆破设计相对一般爆破而言相对要 复杂。爆破施工阶段是根据设计的爆破参数用于指 导现场爆破施工， 需要制作装药明细单， 爆破设计图 纸与现场爆破施工装药单分开设计， 爆破设计与爆 破施工往复循环进行， 直至崩落采场全部矿石。 图1 大直径深孔爆破设计施工流程图 Fig. 1 The flow of large diameter deep hole blasting design and operation 大直径深孔爆破工艺必须采用分段装药分层填 塞工艺， 每层布置1 3条柱状药包， 每层药包放置 双发导爆管雷管控制微差时间， 层与层之间以河沙 或竹筒进行间隔（1. 2 1. 5 m） ， 炮孔底部用水泥坨 堵孔， 堵孔位置以满足最小抵抗线要求为宜， 炮孔顶 部用河沙或水袋进行填塞， 具体装药结构参数如图 2所示。 虽然大直径深孔采矿法采用大爆破崩矿， 在厚 大矿体回采中凸显了其效率高、 机械化程度高的优 点， 但是， 从上述对大直径深孔爆破工艺流程和装药 结构可以看出， 爆破作业之前需要进行炮孔设计、 以 及多次的爆破设计与制作装药清单的循环往复， 因 此， 前期设计与准备工作是比较繁琐和重复的。在 繁琐而重复的爆破工艺中， 一般在已有的炮孔设计 图纸上， 通过Auto CAD等辅助设计软件进行绘制爆 破设计， 在排、 列间的剖面上， 可以很直观的看到药包 的布置是否合理。但是打印出的爆破设计图纸很难 满足现场装药作业的需求， 在爆破设计完成后， 需要 制作装药明细单， 包含所有炮孔内每层药柱的位置、 药包数目和雷管段数等信息， 以便技术人员指导现场 47爆 破 2017年12月 万方数据 装药作业。一次大直径深孔爆破施工的炮孔数目一 般大于50个， 每个炮孔深度均在10 m以上， 炮孔内 每层药柱的药包数为1 3条， 所以， 每个炮孔至少有 3层药柱。上百条的药柱信息， 依靠手工从平面图纸 上量取， 记录到Excel电子表格中， 首先工作量比较 大， 其次， 繁琐的人工操作难免出错， 结果的准确性难 以保障。因此， 爆破设计图纸到装药施工明细单的转 化工作占用了爆破设计工作大部分的工作量， 具有重 复性、 结果易错和劳动效率低下的特点。 图2 大直径深孔爆破分层装药结构图（ 单位m） Fig. 2 The charge structure of large diameter deep hole blasting（unitm） 针对爆破设计图纸到装药施工明细单的转化工 作存在的问题， 采用Visual Lisp对Auto CAD进行二 次开发， 形成交互式界面操作模式， 通过用户选取， 获得包含炮孔内所有药包、 炮孔界限以及雷管段数 等图元， 进而获取图元类型属性以及其他几何特征 的判断， 在此基础上对图元进行筛选和分类， 排除用 户误选的与装药结构信息无关的图元之后， 解算图 元的装药结构参数， 结合Microsoft的接口进行数据 读写， 实现图纸上的图形几何参数的提取与Excel 电子表格的交互， 将可以大大减少爆破施工前期工 作繁琐的工作量， 提高整个爆破工艺环节的劳动 效率。 2 大直径深孔爆破辅助设计工具 2. 1 Visual Lisp的Auto CAD二次开发 Auto Lisp是为二次开发Auto CAD而专门设计 的编程语言。它起源于LISP语言，嵌套在Auto CAD的内部， 是LISP语言和Auto CAD有机结合的 产物［ 15］。Auto Lisp既具有 LISP语言人工智能的特 性， 又具有Auto CAD强大的图形编辑功能， 可以把 Auto Lisp程序和Auto CAD的绘图命令透明地结合 起来， 使设计和绘图完全融为一体， 还可以实现对 Auto CAD图形数据库的直接访问和修改。为了加 速Auto Lisp程序开发，Visual Lisp（VLISP）软件工 具应运而生， 其集成开发环境提供了很多方便测试、 调试程序的功能［ 16］。作为新一代的 Auto Lisp语 言， 在Visual Lisp集成环境下可以便捷、 高效地开发 Auto Lisp程序， 可以经过编译得到运行效率高、 代 码紧凑、 源代码收到保护的应用程序。 Visual Lisp对Auto Lisp语言的功能进行了扩 展， 可以通过Microsoft Active Automation接口与Au- to CAD对象交互， 通过实现反应器函数， 拓展了Au- to Lisp相应事件的能力［ 15］。基于 VLISP语言自身 的优势， 结合大直径深孔爆破设计工程自身存在的 问题， 对Auto CAD进行二次开发， 不仅可以方便灵 活的调用Auto CAD内部的命令， 而且可以使用与 Microsoft的接口进行数据读写。通过对图纸上的图 形几何参数的提取， 实现与Excel电子表格的交互 需求， 很好的解决爆破设计图纸到装药施工明细单 的转化工作。 2. 2 程序流程 图3为图形信息提取工具的工作流程图。打开 爆破设计图纸并加载应用程序插件，即可在Auto CAD的Command命令栏中启动智能辅助设计软 件。爆破参数的识别与输出的流程大致如下 （1） 通过用户选取， 获得所有包含炮孔内所有药包数、 炮 孔界限以及雷管段数等图形对象； （2）对图元类型 属性以及其他几何特征进行筛选和分类， 判断并排 除用户误选的与装药结构信息无关冗余信息， 获取 关键图元； （3） 解算装药结构参数， 即程序根据炮孔 边界线的多段线长度、 药包边界线、 炮孔及雷管段位 识别标志， 并对每层药柱高度、 间隔长度等参数进行 必要的计算， 得到完整的装药结构信息； （4）用户确 定信息无误后， 通过Microsoft ActiveX Automation接 口， 连接到Excel. Application， 生成Excel文件， 并定 位目标工作表以及起始写入的行与列； （5）按顺序 依次写入各炮孔的装药结构信息， 包括炮孔号、 雷管 段号、 实际爆破深度、 填塞后孔深、 层装药量、 层面深 度、 间隔类型与尺寸以及导爆索长度等参数， 并对炸 药、 雷管、 填塞等材料进行统计， 即完成装药明细单 的制作工作。 57第34卷 第4期 周科平， 史文超， 王明政， 等 大直径深孔爆破参数智能识别辅助设计 万方数据 图3 辅助设计软件流程图 Fig. 3 The work flow of software 2. 3 装药结构参数求解算法 爆破设计图纸由技术人员按照一定技术指标绘 制的一系列最基本的图形单元组成， 通过以下关键 算法， 可以从Auto CAD图形库中获取图形的几何 特征， 通过单个图元的位置、 大小、 端点等信息和图 元之间的位置关系， 求解出炮孔的装药层数、 药包 数、 间隔等装药结构参数。 算法 将图纸上某个已经完成设计的炮孔装药 的几何信息进行提取， 自动计算出对应的装药结构 参数。 输入 包含炮孔内药包的图元选择集list＿user ［ ］以及柱状药包长度length of charge bag等相关 参数。 输出 孔内装药信息表list＿of＿charge＿num［ ］ 。 1.通过用户选取， 获得图元选择集list＿user［ ］ ； 2. list＿of＿point［］←centerpoint＿of＿charge；／ ／计 算中心点坐标并放入点集 3. ordered＿list＿point［ ］←list＿of＿point［］ ；／ ／通 过冒泡排序， 将所有中心点按高程排序 4. j ＝0；／ ／计数变量 5. charge＿num＿in＿layer ＝1； 6. Do while（j ＜ length of ordered＿list＿point［ ］ ） 7. If（ （distance of ordered＿list＿point［j］between ordered＿list＿point［j ＋ 1］ ）＞ 1. 2*length of charge bag） 8. charge＿num＿in＿layer ＝ charge＿num＿in＿ layer ＋1； 9. else 10. list＿of＿charge＿num［］←charge＿num＿in＿ layer；／ ／将该层药包数放入集合 11. charge＿num＿in＿layer ＝1； 12. End if 13. j ＝ j ＋1； 14. End while 15. list＿of＿charge＿num［］←charge＿num＿in＿ layer；／ ／将最后一层药包数放入集合 16. Return list＿of＿charge＿num［ ］ 通过以上的转化算法， 将设计人员绘制完成的 药包分布的几何信息， 通过计算、 整合， 最终得到可 以表达孔内装药结构的一些关键参数， 将参数表list ＿of＿charge＿num［］中的参数与孔深、 药包长度等固 定常量结合， 进行简单的运算， 很容易即可得到方便 指导现场施工的装药明细单的相关数据。 3 工程实例 3. 1 爆破工程背景 凡口铅锌矿位于广东省韶关市， 是国内最早成 功使用VCR采矿法的矿山， 几年来， 大直径深孔采 矿法在该矿山也得到了较好的应用， 矿山每年出产 矿石量约120万t， 其中大直径深孔采矿法回采矿量 约50万t， 占总量的约40％。每年的爆破设计次数 多， 制作装药明细单尤其是技术人员的一项较为繁 重的工作。 Sh-550mN11＃采场为该矿山的一个大爆破采 场， 现要进行一次侧向爆破， 根据技术人员已经完成 的爆破设计图纸， 共有33个炮孔参与装药， 爆破量 预计6850 t。 3. 2 爆破设计及装药结构 图4为技术人员使用Auto CAD完成的部分炮 孔的装药结构， 参与爆破的炮孔大部分为下向垂直 孔， 中间孔装药6 7层， 每层药柱以两条药包为主， 每个炮孔在孔口和孔底布置两个起爆药包， 层与层 之间间隔河沙或竹筒。 3. 3 运行过程及软件界面 完成爆破设计后， 可以加载应用程序， 运行插 件， 开始制作装药明细单。在Auto CAD环境菜单 67爆 破 2017年12月 万方数据 栏中点击“ 工具” “Auto Lisp” “ 加载应用程序” ， 弹出相应的选择窗口， 找到插件所在的位置， 加载即 可运行， 如图5所示。 图4 大直径深孔爆破装药设计图 Fig. 4 The blasting design of large diameter deep hole blasting 图5 Auto CAD 2010外部程序加载界面图 Fig. 5 Interface diagram of external program loading（Auto CAD 2010） 图6为插件的用户界面， 输入预定的启动命令 即可启动界面窗口， 在界面上点击“选取炮孔”或 “ 点选装药范围”按钮， 自动返回Auto CAD图形界 面， 用户可根据提示拾取图元对象， 炮孔的装药结构 即完成解算， 求解的装药结构结果被显示在界面上， 用户确认无误后即可点击“导入到装药单” ， 此时爆 破辅助软件根据预先用户指定的工作路径， 自动关 联打开对应的Excel电子表格， 进行数据的写入。 全程方便快捷， 只需在图纸上依次点选炮孔， 省去了 原先的人工量取图纸中的长度、 逐个手动输入参数 以及在Auto CAD与Microsoft Excel之间反复切换 等过程， 实现了快速完成装药明细单的制作工作。 图6 大直径深孔爆破辅助设计软件工作界面图 Fig. 6 The GUI of large diameter deep hole blasting CAD software 3. 4 装药单 完成导入的装药明细单如下图7所示， 明细单 上列出了每个炮孔的名称、 孔深、 每条药包的药面高 度、 装药层数、 间隔以及雷管信息， 可以准确、 高效的 指导现场实施装药任务。 参与爆破的33个炮孔的信息的导入工作， 从开 始到完成校对， 技术人员耗时约15 min， 按照以往的 77第34卷 第4期 周科平， 史文超， 王明政， 等 大直径深孔爆破参数智能识别辅助设计 万方数据 人工制作方式， 至少需要1 h， 由此可见， 装药明细单 智能识别程序大大减少了该项工作的时间， 提高了 劳动生产效率。 图7 大直径深孔爆破装药明细单 Fig. 7 The list of critical info of charge structure 4 结语 大直径深孔爆破的前期准备工作量大， 爆破设 计任务繁重是影响大直径深孔爆破施工效率的重要 问题， 通过分析大直径深孔爆破工艺流程， 结合分段 装药、 分层间隔的特殊装药结构， 基于Visual Lisp开 发了一款辅助设计软件。通过图形算法与Auto CAD、Microsoft Excel程序接口， 可以快速提取绘制 完成的爆破设计图纸中的装药结构参数， 自动生成 方便现场施工的装药明细单。通过凡口铅锌矿采场 爆破工艺现场的工程应用， 该软件提高了由图到表 的转换工作的效率和可靠性， 大大减轻了技术人员 的劳动强度， 整个爆破设计施工过程的效率得到了 很大的提升。 参考文献（References） ［1］ 周国军， 黄志伟， 王宝山.地下采矿大直径深孔爆破研 究［J］.爆破，2006，23（4） 25-29. ［1］ ZHOU Guo-jun，HUANG Zhi-wei，WANG Bao-shan. 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