基于智能巖性識別的爆破巖體三維實體模型建立

陳應顯，王鵬飛

(遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

露天礦的爆破作業是露天開采工藝的重要業務流程之一，關系著露天礦的生產能力和經濟效益[1]。露天礦數字爆破的關鍵就是爆破施工作業的數字化，露天礦爆破施工作業中具體內容有：鉆孔設計、爆破裝藥設計、爆破裝藥等過程[2]。我國大部分露天礦山的穿孔爆破設計主要基于設計人員的工作經驗以及CAD 等軟件進行輔助設計，但是CAD 不是專業的爆破設計軟件，同時在設計的過程中還會存在設計人員的主觀因素[3-5]。

對于鉆機智能巖性識別，國內外學者為此提出了不同解決方法。北京礦冶研究院的段云等[6]開發了一套更加精確的鉆孔智能巖性識別技術，在鉆機上安裝了鉆孔搜尋定位和鉆孔巖性感知終端系統，能初步實現了巖性識別的數字化；李明超等[7]提出一種耦合巖石圖像與錘擊音頻的巖性分類深度學習與智能識別分析方法，該方法不僅能有效識別巖石巖性分類，還能初步給出巖石表面強度，有利于提高地質勘探的工作效率；韓啟迪等[8]用GBDT 算法進行巖性識別研究，具有更高的巖性識別精度，可以作為巖性識別的參考技術。隨著智能鉆機和智能巖性識別技術的發展，已經可以獲得炮孔精確的巖性分布數據，如何利用炮孔精確的巖性數據來建立爆破巖體的三維模型是一個亟需解決的問題。三維實體建模方面，Song Renbo 等[9]提出了一種半自動的復雜地質體三維建模方法，該方法能夠快速構建地層、斷層等地質構造十分復雜的地質體三維模型；CHE Defu 等[10]使用加權克里金(WK)方法對硬數據和軟數據進行插值并提出了斷層建模方法來建立斷層的幾何結構及其對煤層表面模型的影響。部分學者對基于鉆孔數據的三維地質體建模進行研究，能快速準確地確定各地層層序和充分利用鉆孔數據，對復雜地層三維建模亦具有較強的適應性[11-13]。綜上所述，國內外在復雜地質的三維實體建模方面已經取得了許多成果，但是，由于之前智能鉆機巖性識別發展還不成熟，目前還沒有學者對爆破巖體三維實體建模進行研究。

傳統的爆破設計工作大多是基于勘探鉆孔的巖性數據來進行三維建模，由于勘探鉆孔的分布密度小，導致爆破區域的實體模型不精確，往往給爆破設計帶來較大的誤差。而基于智能巖性識別對爆破巖體進行實體建模能更精確地反映爆破巖體的空間形態，為爆破設計提供良好的基礎，能有效降低爆破成本，提高爆破效率。

1 建模數據及數據庫建立

從智能鉆機采集的礦巖炮孔數據存儲在文件中，為了進一步對炮孔數據進行管理和應用，建立數據庫對這些數據進行存儲[14]。

1.1 炮孔數據結構

從智能鉆機采集的數據前7 行分別記錄了炮孔編號、鉆機狀態、鉆機號、開機時間、經度、緯度和高程。從第8 行到第16 行是對一段巖柱的記錄，這些數據包括：炮孔編號、炮孔深度、回轉速度、回轉壓差、加壓壓力1、加壓壓力2、鉆進速度、風壓和識別巖性。以后每一個巖柱都循環這樣的記錄數據，直到完成這個炮孔，表1 所列的數據為智能鉆機采集炮孔編號為0620171118170059 的一段巖柱的數據。這些數據就構成了炮孔數據文件，但這些數據文件不便于管理和進一步應用，需要建立數據庫對這些數據進行存儲和管理。

表1 炮孔數據Table 1 Blast hole data

1.2 炮孔數據庫設計

使用Access 建立炮孔數據庫，在數據庫中分別建立3 個數據表：炮孔表(hole)、炮孔數據表(data)和巖性表(rock)，用來存儲從智能鉆機采集的數據。這3 個數據表之間的關系如圖1 所示，炮孔表(hole)通過炮孔號(hole_id)與炮孔獲取數據表(data)相關聯，巖性表(rock)通過巖性號(rock_id)與炮孔獲取數據表(data)相關聯。

圖1 數據表之間的關系Fig.1 Relationship of data table

1.3 炮孔數據提取

在將數據文件中的炮孔數據提取到炮孔數據庫中時，需要將經緯度炮孔坐標轉換成x，y坐標。得到的炮孔表、炮孔獲取數據表和巖性表，分別見表2、表3和表4。

表2 數據庫中的炮孔基本信息Table 2 Basic information table of blast hole in database

表3 數據庫中的炮孔數據Table 3 Data table of blast hole in database

表4 數據庫中的巖性數據Table 4 Lithology data table in database

2 爆破巖體三維實體模型建立

2.1 空間插值方法選取

空間插值的理論假設是空間位置距離決定點值的相似性，隨著距離增大，其估計值相似的可能性越小[15]。在插值中越多、分布越均勻、高程值變化越平緩則擬合精度越高[16]。目前距離平方反比法[17]、克里金法[18]是對于生成復雜地形DEM 常用的插值方法。但是，眾多的插值方法沒有絕對最優，且不同插值方法的擬合精度有很大差異，應根據實際情況選擇合理的空間插值方法。

距離平方反比插值法具有很好的普適性，在地層有缺失和鉆孔分布極不均勻的情況下都適用，且插值誤差比較小，所以采用距離平方反比插值法[19]。距離平方反比法是一種與空間距離有關的插值方法，在計算插值點取值時按距離越近權重值越大的原則，用若干臨近點的線性加權來擬合估計點的值。計算公式[20]為：

式中：g為估計值；gi為第i個樣本；di為距離；p為距離的冪次，其大小顯著影響估計值的結果。

2.2 模型建立

以炮孔巖性分布數據為樣本，使用距離平方反比法對在爆破區域范圍內按一定的長、寬和高劃分的長方體實體網格進行插值，生成巖體三維實體模型，再使用爆破區域范圍多邊形和采場臺階三角網先后對巖體三維實體模型進行裁切，得到裁切后的爆破區域巖體三維實體模型。

2.2.1 插值生成巖體三維實體模型

按照給定的實體單元的長、寬和高尺寸，對爆破區域范圍空間進行實體單元劃分，得到整個爆破區域的實體單元集E0={e1,e2,···,ei,···,en}，其中，ei為第i個實體單元，i∈[1,n]，n為爆破區域的實體單元總數；以炮孔巖性分布數據為樣本，使用距離平方反比法對實體單元集E0中的每個實體單元進行巖性插值，為每個實體單元賦上巖性，生成巖體三維實體模型。

2.2.2 爆破區域范圍多邊形裁切

使用爆破范圍多邊形生成三角形網格，得到爆破范圍三 角形集Tb={tb1,tb2,···,tbi,···,tbl}，其中，tbi為第i個 三角形，i∈[1,l]，l為爆破范圍多邊形的三角形總數；使用爆破范圍三角形集Tb裁切爆破區域的實體單元集E0，保留爆破范圍內部的巖體三維實體，記為E1。

2.2.3 采場臺階三角形裁切

對采場的臺階線進行三角形剖分，得到三角形集Tc={t1,t2,···,tj,···,tm}，其中，tj為采場臺階的第j個三角形，j∈[1,m]，m為采場臺階的三角形總數；使用采場三角形集Tc裁 切爆破范圍內部的巖體三維實體集E1，保留采場臺階三角形以下部分的巖體三維實體，即完成爆破區域巖體三維實體模型建立，記為E={e1,e2,···,ej,···,ek}，其中，ej為第j個實體單元，j∈[1,k]，k為裁切后的爆破區域實體單元總數。

3 應用實例

3.1 爆破數據操作

3.1.1 爆破作業范圍

此次爆破作業范圍位于內蒙古自治區錫林浩特某露天煤礦的918 平盤，作業范圍長125 m，寬65 m，共有165 個有效炮孔，爆破位置及范圍如圖2 所示。

圖2 爆破作業范圍Fig.2 Blasting operation scope

3.1.2 炮孔位置展繪

在圖上選擇范圍，將所選擇范圍內的炮孔展繪到圖形中，圖中的點為炮孔的位置，并對炮孔號進行標注。展繪結果如圖3 所示，圖中顯示的炮孔為錫林浩特某露天煤礦918 平盤爆破炮孔。

圖3 作業范圍內炮孔位置Fig.3 Blast hole location in operation range

3.1.3 炮孔柱狀繪制

二維柱狀以立體的形式進行展示，能清晰看到炮孔內部的礦巖層結構分布和具體的厚度尺寸。單一炮孔三維柱狀如圖4 所示，不同巖性的巖層用不同顏色三維實體充填，并在三維巖柱旁標注巖層厚度和巖性名稱，該圖為ZK2032 炮孔的三維柱狀，共有6 層巖層，從孔口到孔底巖層名稱和厚度如圖4 所示。圖5 為錫林浩特某露天煤礦918 平盤所有爆破炮孔三維柱狀。

圖4 單一炮孔三維柱狀圖Fig.4 Three dimensional histogram of single blast hole

圖5 爆破炮孔三維柱狀圖Fig.5 Three dimensional columnar shape of blasting hole

3.2 爆破巖體三維模型

3.2.1 三維實體模型插值

在爆破范圍內按2 m 間距(長度、寬度和高度均為2 m)劃分成若干正方體實體，每個正方體實體作為三維實體模型的圖元。以炮孔巖性數據為樣本，使用距離平方反比法對每個正方體圖元的巖性進行插值。在進行插值前，應根據圖元的位置確定參與插值的炮孔，分兩步進行：

第一步，根據搜尋范圍找到范圍內的所有炮孔，獲取炮孔的巖性；

第二步，對第一步得到的炮孔，按離圖元位置的距離從近到遠及屏蔽角的大小確定是否參與插值。

圖6 所示為插值三維實體模型的程序界面，通過此界面實現各種參數設定、參與插值炮孔的搜索等過程操作，使用距離平方反比法生成三維實體模型，共有51 975 個實體，如圖7 所示，圖中實體的巖性由顏色表示。

圖6 插值三維實體模型程序界面Fig.6 Program interface of interpolation 3D solid model

圖7 插值三維實體模型Fig.7 Three dimensional interpolation solid model

3.2.2 爆破范圍多邊形裁切

使用爆破范圍多邊形裁切插值三維實體模型，裁切掉范圍多邊形外部的實體，保留內部實體。裁切結果如圖8 所示。

圖8 爆破范圍多邊形裁切三維實體模型Fig.8 3D solid model of polygon cutting in blasting range

3.2.3 采場表面三角網裁切

對采場臺階線和測量點進行三角網剖分，建立采場表面的三角網，如圖9 所示。

圖9 采場表面三角網Fig.9 Surface triangulation of the bench

使用采場表面三角網裁切三維實體模型，生成爆破三維實體模型，模型由17 006 個實體組成，如圖10所示。

圖10 爆破三維實體模型Fig.10 Blasting 3D solid model

以上的爆破巖體三維實體模型建立應用實例使用Visual C++2012 編程得以實現，具體實現方法如下：

1) ACCESS 數據庫操作

使用ADO 方式連接ACCESS 數據庫實現對炮孔數據庫的操作。

2) 爆破巖體三維實體模型建立及可視化

使用C++編程實現對正方體圖元的巖性插值工作，以及使用爆破范圍多邊形和采場表面三角網先后對爆破巖體三維實體模型的裁切工作。基于Object ARX 2016 對AutoCAD 2016 進行二次開發，使用AcDbSolid 類實現對爆破巖體三維實體模型的可視化。

將爆破巖體三維實體模型用于炮孔裝藥量計算，經過計算，炮孔總裝藥量為22 849.147 kg，比通過單孔巖性計算炮孔裝藥量成本降低了4.59%，結果表示，通過爆破巖體三維實體模型計算炮孔裝藥量能有效地降低爆破成本，提高爆破效率。

4 結 論

a.建立炮孔數據庫，對智能巖性識別數據進行存儲和管理。

b.以炮孔巖性數據為樣本，使用距離平方反比法對爆破區域范圍內的實體單元進行插值，生成爆破巖體三維實體模型；再使用爆破區域范圍多邊形和采場臺階三角網先后對巖體三維實體模型進行裁切，得到裁切后的爆破巖體三維實體模型。

c.以內蒙古錫林浩特某露天礦918 平盤為例，使用C++編程實現了爆破巖體三維實體模型的可視化，并基于爆破巖體三維實體模型計算了炮孔裝藥量，比單孔巖性計算裝藥量成本降低了4.59%。下一步，基于智能巖性識別的爆破巖體三維實體模型還需要從爆破設計等方面深化研究。