本發(fā)明涉及安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警領(lǐng)域，具體是基于bim的露天采空區(qū)裝藥安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、露天采空區(qū)爆破作業(yè)是礦山開(kāi)采中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的在于通過(guò)炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，破碎巖體以滿(mǎn)足開(kāi)采需求。隨著礦山開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大和開(kāi)采深度的增加，爆破作業(yè)的安全性和效率問(wèn)題日益凸顯，尤其是裝藥量的合理控制直接關(guān)系到爆破效果、成本投入以及作業(yè)人員的生命安全。

2、在傳統(tǒng)露天采空區(qū)爆破作業(yè)中，裝藥量的確定往往依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)公式或簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這種方法難以全面考慮地質(zhì)條件、巖體特性以及爆破環(huán)境等多重因素的綜合影響，導(dǎo)致裝藥量設(shè)定存在較大盲目性。一方面，裝藥量不足可能導(dǎo)致爆破效果不佳，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的巖體破碎塊度，進(jìn)而影響后續(xù)開(kāi)采作業(yè)的效率；另一方面，裝藥量過(guò)大則不僅造成炸藥資源的浪費(fèi)，更重要的是可能引發(fā)爆破飛石、振動(dòng)傳播等安全隱患，對(duì)周邊設(shè)施、人員以及環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。

3、盡管現(xiàn)有技術(shù)中已有一些嘗試通過(guò)數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)等手段來(lái)優(yōu)化裝藥量設(shè)計(jì)，但難以精確反映露天采空區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖體特性，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中仍存在較大局限性。特別是在處理具有復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)、高硬度巖體或特殊地形條件的露天采空區(qū)時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)往往難以在保證爆破效果的同時(shí)，有效減少炸藥使用量，從而無(wú)法從根本上解決安全風(fēng)險(xiǎn)控制的問(wèn)題。

4、因此，亟需一種能夠綜合考慮露天采空區(qū)地質(zhì)條件、巖體特性以及爆破環(huán)境等多重因素，通過(guò)科學(xué)方法確定最優(yōu)裝藥量，在保證爆破效果的前提下降低安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（1）要解決的技術(shù)問(wèn)題

2、本發(fā)明的目的在于提供基于bim的露天采空區(qū)裝藥安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法及系統(tǒng)，以解決如何在最小化炸藥用量的前提下，精準(zhǔn)平衡爆破效果與安全性的問(wèn)題。

3、（2）技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了基于bim的露天采空區(qū)裝藥安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法，所述方法包括：

5、s1、獲取露天采空區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)及歷史爆破數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)人機(jī)掃描和巖芯取樣構(gòu)建包含巖體硬度數(shù)據(jù)、節(jié)理密度及裂隙分布數(shù)據(jù)的三維bim地質(zhì)模型。

6、s2、根據(jù)三維bim地質(zhì)模型對(duì)露天采空區(qū)進(jìn)行巖體可爆性分區(qū)，根據(jù)巖體可爆性分區(qū)的巖體硬度和裂隙分布數(shù)據(jù)計(jì)算單孔爆破應(yīng)力波的有效覆蓋半徑，并根據(jù)相鄰孔之間的裂隙連通性確定應(yīng)力波疊加效應(yīng)的能量衰減系數(shù)；根據(jù)所述能量衰減系數(shù)和有效覆蓋半徑建立爆破孔間距優(yōu)化模型，根據(jù)所述爆破孔間距優(yōu)化模型生成初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)；將所述初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)輸入三維bim地質(zhì)模型中，采用離散元算法模擬單孔裝藥量梯度變化下的巖體破碎塊度分布，篩選出滿(mǎn)足預(yù)設(shè)破碎塊度均值的臨界裝藥量作為最小有效裝藥量；將所述最小有效裝藥量通過(guò)三維bim地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)模擬得到模擬結(jié)果，當(dāng)模擬結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的安全約束條件時(shí)，輸出最終裝藥量；所述模擬結(jié)果包括爆破飛石軌跡、振動(dòng)傳播范圍。

7、s3、根據(jù)所述最終裝藥量生成裝藥參數(shù)并與三維bim地質(zhì)模型的空間坐標(biāo)綁定，通過(guò)可視化界面輸出預(yù)警區(qū)域；所述裝藥參數(shù)包括單孔裝藥量、起爆順序及微差延期時(shí)間。

8、進(jìn)一步地，所述將所述最小有效裝藥量通過(guò)三維bim地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)模擬得到模擬結(jié)果，當(dāng)模擬結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的安全約束條件時(shí)，輸出最終裝藥量的方法包括：

9、根據(jù)爆破點(diǎn)坐標(biāo)的空間分布以及微差延期時(shí)間與應(yīng)力波傳播速率計(jì)算不同起爆順序下相鄰孔爆破應(yīng)力波的能量耦合效率，并選取能量耦合效率大于預(yù)設(shè)耦合效率閾值的起爆順序作為最優(yōu)時(shí)間協(xié)同方案。

10、當(dāng)模擬結(jié)果的爆破飛石軌跡或振動(dòng)傳播范圍超過(guò)預(yù)設(shè)安全閾值時(shí)，則重新計(jì)算最小有效裝藥量和能量耦合效率，直至模擬結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的安全約束條件。

11、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述能量衰減系數(shù)和有效覆蓋半徑建立爆破孔間距優(yōu)化模型，根據(jù)所述爆破孔間距優(yōu)化模型生成初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)的方法包括：

12、根據(jù)所述能量衰減系數(shù)和有效覆蓋半徑構(gòu)建以總裝藥量最小化和相鄰孔爆破應(yīng)力波疊加區(qū)域面積最大化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。

13、將所述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)通過(guò)遺傳算法迭代生成爆破孔間距的候選解集；從所述候選解集中提取帕累托前沿解，根據(jù)預(yù)設(shè)的裝藥量?jī)?yōu)先級(jí)權(quán)重從帕累托前沿解中篩選最優(yōu)爆破孔間距，將所述最優(yōu)爆破孔間距通過(guò)三維bim地質(zhì)模型的坐標(biāo)系統(tǒng)映射得到初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)。

14、將所述初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)三維bim地質(zhì)模型驗(yàn)證相鄰孔之間的裂隙連通性是否導(dǎo)致應(yīng)力波疊加效應(yīng)的能量衰減系數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)能量衰減閾值，若超過(guò)預(yù)設(shè)能量衰減閾值則調(diào)整爆破孔間距至滿(mǎn)足能量衰減系數(shù)約束。

15、進(jìn)一步地，所述驗(yàn)證相鄰孔之間的裂隙連通性是否導(dǎo)致爆破應(yīng)力波疊加效應(yīng)的能量衰減系數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)能量衰減閾值的方法包括：

16、根據(jù)三維bim地質(zhì)模型中的裂隙分布數(shù)據(jù)提取相鄰爆破孔之間裂隙走向及裂隙連通長(zhǎng)度，并計(jì)算裂隙連通性指數(shù)，所述裂隙連通性指數(shù)為裂隙連通長(zhǎng)度與相鄰孔間距的比值；將所述裂隙連通性指數(shù)和巖體硬度數(shù)據(jù)通過(guò)有限元分析法模擬爆破應(yīng)力波在裂隙巖體中的傳播路徑，并計(jì)算得到實(shí)際能量衰減系數(shù)。

17、若所述實(shí)際能量衰減系數(shù)大于預(yù)設(shè)能量衰減閾值，則根據(jù)裂隙走向與相鄰孔連線(xiàn)的夾角調(diào)整爆破孔間距并重新計(jì)算調(diào)整區(qū)域的裂隙連通性指數(shù)和實(shí)際能量衰減系數(shù)，若在預(yù)設(shè)次數(shù)的調(diào)整后實(shí)際能量衰減系數(shù)仍大于預(yù)設(shè)能量衰減閾值，則在三維bim地質(zhì)模型中標(biāo)記所述調(diào)整區(qū)域?yàn)楦吣芰繐p耗區(qū)，并觸發(fā)裝藥量補(bǔ)償指令。

18、進(jìn)一步地，所述根據(jù)裂隙走向與相鄰孔連線(xiàn)的夾角調(diào)整爆破孔間距并重新計(jì)算調(diào)整區(qū)域的裂隙連通性指數(shù)和實(shí)際能量衰減系數(shù)的方法包括：

19、根據(jù)三維bim地質(zhì)模型中裂隙走向與相鄰孔連線(xiàn)的三維空間幾何關(guān)系計(jì)算夾角的余弦值，若所述夾角的余弦值大于預(yù)設(shè)角度余弦值閾值，則沿垂直于裂隙走向的方向調(diào)整爆破孔間距；若所述夾角的余弦值小于或等于預(yù)設(shè)角度余弦值閾值，則沿平行于裂隙走向的方向調(diào)整爆破孔間距。

20、每次調(diào)整后，根據(jù)更新后的爆破孔坐標(biāo)重新計(jì)算相鄰孔間的裂隙連通性指數(shù)；若調(diào)整后的實(shí)際能量衰減系數(shù)大于預(yù)設(shè)能量衰減閾值，則根據(jù)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)遞增調(diào)整爆破孔間距。

21、進(jìn)一步地，所述根據(jù)爆破點(diǎn)坐標(biāo)的空間分布以及微差延期時(shí)間與應(yīng)力波傳播速率計(jì)算不同起爆順序下相鄰孔爆破應(yīng)力波的能量耦合效率，并選取能量耦合效率大于預(yù)設(shè)耦合效率閾值的起爆順序作為最優(yōu)時(shí)間協(xié)同方案的方法包括：

22、根據(jù)爆破孔間距優(yōu)化模型生成的爆破點(diǎn)坐標(biāo)的空間分布，根據(jù)所述爆破點(diǎn)坐標(biāo)的空間分布計(jì)算相鄰孔之間的三維空間距離矢量，并根據(jù)三維bim地質(zhì)模型中各巖體可爆性分區(qū)的巖體可爆性等級(jí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波傳播速率，確定相鄰孔間應(yīng)力波傳播的理論時(shí)間基準(zhǔn)。

23、根據(jù)所述理論時(shí)間基準(zhǔn)建立微差延期時(shí)間的動(dòng)態(tài)候選區(qū)間得到起爆順序排列組合的候選方案集合；將候選方案集合中每個(gè)起爆順序的排列組合根據(jù)所述三維空間距離矢量和應(yīng)力波傳播速率計(jì)算相鄰孔起爆時(shí)間差與應(yīng)力波傳播時(shí)間的匹配度，并通過(guò)數(shù)值模擬方法量化疊加應(yīng)力波峰值能量與單孔應(yīng)力波峰值能量的比值作為能量耦合效率。

24、若存在多個(gè)起爆順序的排列組合的能量耦合效率大于預(yù)設(shè)耦合效率閾值，則根據(jù)微差延期時(shí)間總和最小原則選取最優(yōu)時(shí)間協(xié)同方案。

25、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述理論時(shí)間基準(zhǔn)建立微差延期時(shí)間的動(dòng)態(tài)候選區(qū)間得到起爆順序排列組合的候選方案集合的方法包括：

26、根據(jù)動(dòng)態(tài)候選區(qū)間內(nèi)的微差延期時(shí)間范圍為每個(gè)爆破孔生成候選起爆時(shí)間點(diǎn)集合，所述候選起爆時(shí)間點(diǎn)集合根據(jù)應(yīng)力波傳播的理論時(shí)間基準(zhǔn)根據(jù)預(yù)設(shè)間隔均勻分布。

27、根據(jù)爆破點(diǎn)坐標(biāo)的空間分布拓?fù)潢P(guān)系建立起爆順序的鄰接約束規(guī)則，將所述鄰接約束規(guī)則和候選起爆時(shí)間點(diǎn)集合通過(guò)回溯算法遍歷所有起爆順序排列組合得到候選方案集合，并對(duì)所述候選方案集合中起爆順序排列組合進(jìn)行沖突檢測(cè)。

28、進(jìn)一步地，所述對(duì)所述候選方案集合中起爆順序排列組合進(jìn)行沖突檢測(cè)的方法包括：

29、根據(jù)三維bim地質(zhì)模型中爆破點(diǎn)的空間分布和應(yīng)力波傳播速率數(shù)據(jù)構(gòu)建爆破孔間的時(shí)空影響關(guān)系矩陣，所述時(shí)空影響關(guān)系矩陣中每個(gè)元素表示相鄰孔之間的起爆時(shí)間差是否小于應(yīng)力波傳播至相鄰孔所需的理論時(shí)間。

30、遍歷每個(gè)起爆順序排列組合，當(dāng)檢測(cè)相鄰孔的起爆時(shí)間差小于理論時(shí)間基準(zhǔn)導(dǎo)致應(yīng)力波疊加區(qū)域能量異常升高值大于預(yù)設(shè)的能量異常升高閾值，則判定為時(shí)間重疊沖突；根據(jù)三維bim地質(zhì)模型中爆破孔的空間坐標(biāo)計(jì)算不同起爆順序下相鄰孔應(yīng)力波傳播路徑的空間交叉區(qū)域，若交叉區(qū)域內(nèi)巖體破碎塊度均值超過(guò)預(yù)設(shè)破碎塊度均值，則判定為路徑交叉干擾沖突；對(duì)存在時(shí)間重疊沖突或路徑交叉干擾沖突的起爆順序排列組合進(jìn)行標(biāo)記并剔除。

31、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述最終裝藥量生成裝藥參數(shù)并與三維bim地質(zhì)模型的空間坐標(biāo)綁定的方法包括：

32、從三維bim地質(zhì)模型中提取各爆破孔的坐標(biāo)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的巖體可爆性分區(qū)，結(jié)合最終裝藥量生成單孔裝藥量參數(shù)，所述單孔裝藥量參數(shù)根據(jù)爆破孔所屬巖體可爆性分區(qū)的初始裝藥密度閾值和爆破孔間距動(dòng)態(tài)修正。

33、將所述單孔裝藥量參數(shù)與對(duì)應(yīng)的爆破孔坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，形成結(jié)構(gòu)化裝藥參數(shù)集并存儲(chǔ)至三維bim地質(zhì)模型的爆破參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

34、另一方面，基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了基于bim的露天采空區(qū)裝藥安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：三維bim地質(zhì)模型構(gòu)建模塊、最終裝藥量分析模塊、安全預(yù)警管理模塊，各模塊之間依次通信連接。

35、三維bim地質(zhì)模型構(gòu)建模塊，用于獲取露天采空區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)及歷史爆破數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)人機(jī)掃描和巖芯取樣構(gòu)建包含巖體硬度數(shù)據(jù)、節(jié)理密度及裂隙分布數(shù)據(jù)的三維bim地質(zhì)模型。

36、最終裝藥量分析模塊，用于根據(jù)三維bim地質(zhì)模型對(duì)露天采空區(qū)進(jìn)行巖體可爆性分區(qū)，根據(jù)巖體可爆性分區(qū)的巖體硬度和裂隙分布數(shù)據(jù)計(jì)算單孔爆破應(yīng)力波的有效覆蓋半徑，并根據(jù)相鄰孔之間的裂隙連通性確定應(yīng)力波疊加效應(yīng)的能量衰減系數(shù)；根據(jù)所述能量衰減系數(shù)和有效覆蓋半徑建立爆破孔間距優(yōu)化模型，根據(jù)所述爆破孔間距優(yōu)化模型生成初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)；將所述初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)輸入三維bim地質(zhì)模型中，采用離散元算法模擬單孔裝藥量梯度變化下的巖體破碎塊度分布，篩選出滿(mǎn)足預(yù)設(shè)破碎塊度均值的臨界裝藥量作為最小有效裝藥量；將所述最小有效裝藥量通過(guò)三維bim地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)模擬得到模擬結(jié)果，當(dāng)模擬結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的安全約束條件時(shí)，輸出最終裝藥量；所述模擬結(jié)果包括爆破飛石軌跡、振動(dòng)傳播范圍。

37、安全預(yù)警管理模塊，用于根據(jù)所述最終裝藥量生成裝藥參數(shù)并與三維bim地質(zhì)模型的空間坐標(biāo)綁定，通過(guò)可視化界面輸出預(yù)警區(qū)域；所述裝藥參數(shù)包括單孔裝藥量、起爆順序及微差延期時(shí)間。

38、（3）有益效果

39、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

40、1.通過(guò)構(gòu)建包含巖體硬度、節(jié)理密度及裂隙分布的三維bim地質(zhì)模型，并進(jìn)行巖體可爆性分區(qū)、計(jì)算爆破應(yīng)力波相關(guān)參數(shù)、確定最小有效裝藥量等操作，結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果輸出滿(mǎn)足安全約束條件的最終裝藥量，同時(shí)生成與空間坐標(biāo)綁定的裝藥參數(shù)，能夠精準(zhǔn)適配露天采空區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，有效降低爆破過(guò)程中飛石、振動(dòng)等安全風(fēng)險(xiǎn)，保障人員與設(shè)備安全。

41、2.利用能量衰減系數(shù)和有效覆蓋半徑建立爆破孔間距優(yōu)化模型，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和非支配排序遺傳算法生成初始爆破點(diǎn)坐標(biāo)，并驗(yàn)證相鄰孔裂隙連通性對(duì)能量衰減系數(shù)的影響，進(jìn)行局部調(diào)整直至滿(mǎn)足約束；同時(shí)，根據(jù)爆破點(diǎn)坐標(biāo)空間分布及應(yīng)力波傳播速率計(jì)算不同起爆順序下相鄰孔爆破應(yīng)力波的能量耦合效率，選取最優(yōu)時(shí)間協(xié)同方案，從而優(yōu)化爆破孔的布局和起爆順序，提高爆破效果，減少不必要的裝藥量。

42、3.將最終裝藥量生成的裝藥參數(shù)與三維bim地質(zhì)模型的空間坐標(biāo)綁定，形成結(jié)構(gòu)化裝藥參數(shù)集并存儲(chǔ)至爆破參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)可視化界面輸出預(yù)警區(qū)域，能夠直觀地了解爆破作業(yè)的安全范圍和潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提高爆破作業(yè)的安全管理水平和決策效率。