基于智能巖性識(shí)別的爆破巖體三維實(shí)體模型建立

陳應(yīng)顯，王鵬飛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

露天礦的爆破作業(yè)是露天開采工藝的重要業(yè)務(wù)流程之一，關(guān)系著露天礦的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益[1]。露天礦數(shù)字爆破的關(guān)鍵就是爆破施工作業(yè)的數(shù)字化，露天礦爆破施工作業(yè)中具體內(nèi)容有：鉆孔設(shè)計(jì)、爆破裝藥設(shè)計(jì)、爆破裝藥等過程[2]。我國大部分露天礦山的穿孔爆破設(shè)計(jì)主要基于設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)以及CAD 等軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，但是CAD 不是專業(yè)的爆破設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中還會(huì)存在設(shè)計(jì)人員的主觀因素[3-5]。

對(duì)于鉆機(jī)智能巖性識(shí)別，國內(nèi)外學(xué)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(fā)了一套更加精確的鉆孔智能巖性識(shí)別技術(shù)，在鉆機(jī)上安裝了鉆孔搜尋定位和鉆孔巖性感知終端系統(tǒng)，能初步實(shí)現(xiàn)了巖性識(shí)別的數(shù)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(xué)習(xí)與智能識(shí)別分析方法，該方法不僅能有效識(shí)別巖石巖性分類，還能初步給出巖石表面強(qiáng)度，有利于提高地質(zhì)勘探的工作效率；韓啟迪等[8]用GBDT 算法進(jìn)行巖性識(shí)別研究，具有更高的巖性識(shí)別精度，可以作為巖性識(shí)別的參考技術(shù)。隨著智能鉆機(jī)和智能巖性識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以獲得炮孔精確的巖性分布數(shù)據(jù)，如何利用炮孔精確的巖性數(shù)據(jù)來建立爆破巖體的三維模型是一個(gè)亟需解決的問題。三維實(shí)體建模方面，Song Renbo 等[9]提出了一種半自動(dòng)的復(fù)雜地質(zhì)體三維建模方法，該方法能夠快速構(gòu)建地層、斷層等地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜的地質(zhì)體三維模型；CHE Defu 等[10]使用加權(quán)克里金(WK)方法對(duì)硬數(shù)據(jù)和軟數(shù)據(jù)進(jìn)行插值并提出了斷層建模方法來建立斷層的幾何結(jié)構(gòu)及其對(duì)煤層表面模型的影響。部分學(xué)者對(duì)基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)體建模進(jìn)行研究，能快速準(zhǔn)確地確定各地層層序和充分利用鉆孔數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜地層三維建模亦具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[11-13]。綜上所述，國內(nèi)外在復(fù)雜地質(zhì)的三維實(shí)體建模方面已經(jīng)取得了許多成果，但是，由于之前智能鉆機(jī)巖性識(shí)別發(fā)展還不成熟，目前還沒有學(xué)者對(duì)爆破巖體三維實(shí)體建模進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)工作大多是基于勘探鉆孔的巖性數(shù)據(jù)來進(jìn)行三維建模，由于勘探鉆孔的分布密度小，導(dǎo)致爆破區(qū)域的實(shí)體模型不精確，往往給爆破設(shè)計(jì)帶來較大的誤差。而基于智能巖性識(shí)別對(duì)爆破巖體進(jìn)行實(shí)體建模能更精確地反映爆破巖體的空間形態(tài)，為爆破設(shè)計(jì)提供良好的基礎(chǔ)，能有效降低爆破成本，提高爆破效率。

1 建模數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫建立

從智能鉆機(jī)采集的礦巖炮孔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件中，為了進(jìn)一步對(duì)炮孔數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和應(yīng)用，建立數(shù)據(jù)庫對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[14]。

1.1 炮孔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從智能鉆機(jī)采集的數(shù)據(jù)前7 行分別記錄了炮孔編號(hào)、鉆機(jī)狀態(tài)、鉆機(jī)號(hào)、開機(jī)時(shí)間、經(jīng)度、緯度和高程。從第8 行到第16 行是對(duì)一段巖柱的記錄，這些數(shù)據(jù)包括：炮孔編號(hào)、炮孔深度、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)壓差、加壓壓力1、加壓壓力2、鉆進(jìn)速度、風(fēng)壓和識(shí)別巖性。以后每一個(gè)巖柱都循環(huán)這樣的記錄數(shù)據(jù)，直到完成這個(gè)炮孔，表1 所列的數(shù)據(jù)為智能鉆機(jī)采集炮孔編號(hào)為0620171118170059 的一段巖柱的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)就構(gòu)成了炮孔數(shù)據(jù)文件，但這些數(shù)據(jù)文件不便于管理和進(jìn)一步應(yīng)用，需要建立數(shù)據(jù)庫對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

表1 炮孔數(shù)據(jù)Table 1 Blast hole data

1.2 炮孔數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

使用Access 建立炮孔數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中分別建立3 個(gè)數(shù)據(jù)表：炮孔表(hole)、炮孔數(shù)據(jù)表(data)和巖性表(rock)，用來存儲(chǔ)從智能鉆機(jī)采集的數(shù)據(jù)。這3 個(gè)數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系如圖1 所示，炮孔表(hole)通過炮孔號(hào)(hole_id)與炮孔獲取數(shù)據(jù)表(data)相關(guān)聯(lián)，巖性表(rock)通過巖性號(hào)(rock_id)與炮孔獲取數(shù)據(jù)表(data)相關(guān)聯(lián)。

圖1 數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系Fig.1 Relationship of data table

1.3 炮孔數(shù)據(jù)提取

在將數(shù)據(jù)文件中的炮孔數(shù)據(jù)提取到炮孔數(shù)據(jù)庫中時(shí)，需要將經(jīng)緯度炮孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成x，y坐標(biāo)。得到的炮孔表、炮孔獲取數(shù)據(jù)表和巖性表，分別見表2、表3和表4。

表2 數(shù)據(jù)庫中的炮孔基本信息Table 2 Basic information table of blast hole in database

表3 數(shù)據(jù)庫中的炮孔數(shù)據(jù)Table 3 Data table of blast hole in database

表4 數(shù)據(jù)庫中的巖性數(shù)據(jù)Table 4 Lithology data table in database

2 爆破巖體三維實(shí)體模型建立

2.1 空間插值方法選取

空間插值的理論假設(shè)是空間位置距離決定點(diǎn)值的相似性，隨著距離增大，其估計(jì)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(duì)于生成復(fù)雜地形DEM 常用的插值方法。但是，眾多的插值方法沒有絕對(duì)最優(yōu)，且不同插值方法的擬合精度有很大差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)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(guān)的插值方法，在計(jì)算插值點(diǎn)取值時(shí)按距離越近權(quán)重值越大的原則，用若干臨近點(diǎn)的線性加權(quán)來擬合估計(jì)點(diǎn)的值。計(jì)算公式[20]為：

式中：g為估計(jì)值；gi為第i個(gè)樣本；di為距離；p為距離的冪次，其大小顯著影響估計(jì)值的結(jié)果。

2.2 模型建立

以炮孔巖性分布數(shù)據(jù)為樣本，使用距離平方反比法對(duì)在爆破區(qū)域范圍內(nèi)按一定的長、寬和高劃分的長方體實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行插值，生成巖體三維實(shí)體模型，再使用爆破區(qū)域范圍多邊形和采場(chǎng)臺(tái)階三角網(wǎng)先后對(duì)巖體三維實(shí)體模型進(jìn)行裁切，得到裁切后的爆破區(qū)域巖體三維實(shí)體模型。

2.2.1 插值生成巖體三維實(shí)體模型

按照給定的實(shí)體單元的長、寬和高尺寸，對(duì)爆破區(qū)域范圍空間進(jìn)行實(shí)體單元?jiǎng)澐?，得到整個(gè)爆破區(qū)域的實(shí)體單元集E0={e1,e2,···,ei,···,en}，其中，ei為第i個(gè)實(shí)體單元，i∈[1,n]，n為爆破區(qū)域的實(shí)體單元總數(shù)；以炮孔巖性分布數(shù)據(jù)為樣本，使用距離平方反比法對(duì)實(shí)體單元集E0中的每個(gè)實(shí)體單元進(jìn)行巖性插值，為每個(gè)實(shí)體單元賦上巖性，生成巖體三維實(shí)體模型。

2.2.2 爆破區(qū)域范圍多邊形裁切

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

2.2.3 采場(chǎng)臺(tái)階三角形裁切

對(duì)采場(chǎng)的臺(tái)階線進(jìn)行三角形剖分，得到三角形集Tc={t1,t2,···,tj,···,tm}，其中，tj為采場(chǎng)臺(tái)階的第j個(gè)三角形，j∈[1,m]，m為采場(chǎng)臺(tái)階的三角形總數(shù)；使用采場(chǎng)三角形集Tc裁 切爆破范圍內(nèi)部的巖體三維實(shí)體集E1，保留采場(chǎng)臺(tái)階三角形以下部分的巖體三維實(shí)體，即完成爆破區(qū)域巖體三維實(shí)體模型建立，記為E={e1,e2,···,ej,···,ek}，其中，ej為第j個(gè)實(shí)體單元，j∈[1,k]，k為裁切后的爆破區(qū)域?qū)嶓w單元總數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 爆破數(shù)據(jù)操作

3.1.1 爆破作業(yè)范圍

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

圖2 爆破作業(yè)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(nèi)的炮孔展繪到圖形中，圖中的點(diǎn)為炮孔的位置，并對(duì)炮孔號(hào)進(jìn)行標(biāo)注。展繪結(jié)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(yè)范圍內(nèi)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(jìn)行展示，能清晰看到炮孔內(nèi)部的礦巖層結(jié)構(gòu)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(shí)體充填，并在三維巖柱旁標(biāo)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(shí)體模型插值

在爆破范圍內(nèi)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(shí)體，每個(gè)正方體實(shí)體作為三維實(shí)體模型的圖元。以炮孔巖性數(shù)據(jù)為樣本，使用距離平方反比法對(duì)每個(gè)正方體圖元的巖性進(jìn)行插值。在進(jìn)行插值前，應(yīng)根據(jù)圖元的位置確定參與插值的炮孔，分兩步進(jìn)行：

第一步，根據(jù)搜尋范圍找到范圍內(nèi)的所有炮孔，獲取炮孔的巖性；

第二步，對(duì)第一步得到的炮孔，按離圖元位置的距離從近到遠(yuǎn)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(shí)體模型的程序界面，通過此界面實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)設(shè)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(shí)體模型，共有51 975 個(gè)實(shí)體，如圖7 所示，圖中實(shí)體的巖性由顏色表示。

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

圖7 插值三維實(shí)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(shí)體模型，裁切掉范圍多邊形外部的實(shí)體，保留內(nèi)部實(shí)體。裁切結(jié)果如圖8 所示。

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

3.2.3 采場(chǎng)表面三角網(wǎng)裁切

對(duì)采場(chǎng)臺(tái)階線和測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行三角網(wǎng)剖分，建立采場(chǎng)表面的三角網(wǎng)，如圖9 所示。

圖9 采場(chǎng)表面三角網(wǎng)Fig.9 Surface triangulation of the bench

使用采場(chǎng)表面三角網(wǎng)裁切三維實(shí)體模型，生成爆破三維實(shí)體模型，模型由17 006 個(gè)實(shí)體組成，如圖10所示。

圖10 爆破三維實(shí)體模型Fig.10 Blasting 3D solid model

以上的爆破巖體三維實(shí)體模型建立應(yīng)用實(shí)例使用Visual C++2012 編程得以實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1) ACCESS 數(shù)據(jù)庫操作

使用ADO 方式連接ACCESS 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)炮孔數(shù)據(jù)庫的操作。

2) 爆破巖體三維實(shí)體模型建立及可視化

使用C++編程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)表面三角網(wǎng)先后對(duì)爆破巖體三維實(shí)體模型的裁切工作?；贠bject ARX 2016 對(duì)AutoCAD 2016 進(jìn)行二次開發(fā)，使用AcDbSolid 類實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破巖體三維實(shí)體模型的可視化。

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

4 結(jié) 論

a.建立炮孔數(shù)據(jù)庫，對(duì)智能巖性識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

b.以炮孔巖性數(shù)據(jù)為樣本，使用距離平方反比法對(duì)爆破區(qū)域范圍內(nèi)的實(shí)體單元進(jìn)行插值，生成爆破巖體三維實(shí)體模型；再使用爆破區(qū)域范圍多邊形和采場(chǎng)臺(tái)階三角網(wǎng)先后對(duì)巖體三維實(shí)體模型進(jìn)行裁切，得到裁切后的爆破巖體三維實(shí)體模型。

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