[发明专利]数字矿山中的爆破仿真方法

权利要求书

1. 数字矿山中的爆破仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1).选择爆破方式，

所述的爆破方式包括巷道掘进爆破、地下崩落采矿爆破、露天爆破；

步骤(2).设计爆破参数，根据步骤(1)所选择的爆破方式生成相应的爆破参数设计对话框，具体爆破参数设计步骤如下：

2-1.用户输入基本爆破参数，基本爆破参数包括岩石性能参数、断面参数、炸药参数、钻孔设备参数；

2-2.基本爆破参数设置好后，根据经验公式自动计算孔网参数，孔网参数包括各个类型炮孔的炮孔个数、炮孔深度、炮孔间距、炮孔排距、装药方式；

孔网参数计算模型如下：

炮孔总数计算公式为

                  （1）

其中，是炮孔总个数，为井巷断面面积，为岩石坚固性系数；

炮孔间距大小取决于两相邻炮孔之间矿岩坚固性系数和炸药威力，若两炮孔各自所在位置的矿岩坚固性系数相同，其计算公式为

                （2）

其中，为相邻两个炮孔的炮孔间距，为调整系数，在1016之间，矿岩坚固性系数越大，取大值，岩石较软取小值；为炮孔半径；

若两炮孔各自所在位置的矿岩坚固性系数不相同，其计算公式为

         （3）

其中，表示炮孔i至两孔之间分类岩体分界线的距离；可由下式计算得到：

      （4）

其中，为炮孔密集系数，为按炮孔i所在位置矿岩坚固性系数计算的单孔负担面积，即炮孔爆破有效作用范围的水平面面积； 

炮孔排距由炮孔密集系数与炮孔间距a计算得出，

       （5）

2-3.根据基本参数和孔网参数，自动生成不同类型炮孔的单位炸药消耗量和炮孔装药量；岩石越坚硬，单位炸药消耗量就越大；而巷道面积越大，单位炸药消耗量就越小；炮孔装药量计算公式如下：

      （6）

其中，为单位炸药消耗量，为炮孔深度；

2-4.根据爆破漏斗、最小抵抗线原理，得到最小抵抗线的参数值：

       （7）

其中，为单孔装药量；为爆破系数，取值为0.20.5； 

2-5.生成爆破效果参数，爆破效果参数包括飞石接近地面时的速度、爆破飞石最大距离、飞石飞行最大高度；

爆破飞石最大距离计算如下：

        （8）

飞石飞行最大高度计算如下：

     （9）

其中，为初速度方向与水平线的夹角；为重力加速度；为飞石得到的初速度；初速度计算如下：

    （10）

飞石接近地面时的速度为

      （11）

步骤(3). 确定爆区内各类炮孔中每个炮孔的参数后，生成三维炮孔布置可视化界面，炮孔布置可视化界面将孔网参数数据转换成几何图形、颜色分布显示在屏幕上；

步骤(4).生成爆破参数报表，该爆破参数报表包括步骤(2)中设计的所有爆破参数，供给用户制作各种数据表格、打印；

步骤(5).生成三维预测爆破效果动态仿真；

三维预测爆破效果动态仿真如下： 

5-1. 在三维预测爆破效果动态仿真前进行预处理：根据爆破参数中的炸药威力和炮孔装药量设置爆破效果动态仿真中的爆力大小；根据孔网参数，通过四面体网格剖分软件将矿块刚体预先离散化成一定大小分布的四面体；根据划分得到的四面体参数构建刚体数据结构和碰撞结构；

所述的四面体参数包括索引号、顶点位置、法向量、速度、加速度、质量、顶点数、顶点列表、三角面片数、三角面片网格列表、四面体网格数、四面体网格列表、作用力；

5-2.通过基于物理的三维流体来模拟爆破产生的气体及烟雾，在炸药爆炸的外力作用下，三维流体会自爆炸源向外流动；

三维流体模拟如下：

a．用Navier-Stokes方程（简称NS方程）表示不可压缩粘性流体，NS方程表示形式为

             （12）      

       （13）

其中，公式（12）表示质量守恒方程，表示当前时间步的流体速度；公式（13）表示流体的能量守恒方程，表示下一个时间步的流体速度，且公式（13）中为对流项，用半拉格朗日法求解；为扩散项，即直接相邻网格之间密度和速度的变化，为流体的粘性系数；为投射项，表示流体压力；最后为作用于流体的外力，由步骤5-1中所述的爆破参数决定；

其中，为哈米尔顿算子，一个一阶微分算子；表示速度项的散度，即，表示压力项的梯度，即，是一个拉普拉斯算子，一个二阶微分算子，定义为梯度的散度，即；

b．根据NS方程，密度的计算公式如下： 

    （14）

其中，为密度集合系数，为流体密度源；

温度的计算公式如下：

    （15）

通过外力表示来密度和温度对流体产生的作用力， 

    （16）

其中，z表示笛卡尔坐标系中z方向的单位向量（0,0,1），表示环境温度，和分别为两个正常系数；

c.通过涡流限制法解决数值模拟中产生的数值耗散问题，公式如下：

    （17）

     （18）

     （19）

其中，公式（17）为涡流表达式，表达式表示旋度算子，的数学表达为；公式（18）为计算涡流矢量表达式，为涡流矢量，为单位化后的涡流矢量，公式（19）中为涡流限制力，用于增加流体细节；为涡流细节量的可控系数参数，；为空间离散化高度值，；

5-3.模拟基于物理的三维矿块刚体运动，

三维矿块刚体模拟具体如下：

根据连续介质力学理论，物理系统运动方程如下

  （20）

其中，、、都是系数矩阵，分别表示物理系统的刚度矩阵、阻尼矩阵、质量矩阵；为每个四面体中每个结点位移的向量，上的点表示对时间的微分，即和分别表示为速度和加速度；表示作用在物体上的外力；

d．用Rayleigh阻尼模型简化物理系统运动方程，即将阻尼矩阵用刚度和质量的线性组合形式表达，公式如下

    （21）

其中，和是Rayleigh阻尼系数，简化后物理系统运动方程可表示成

  （22）

e．通过时间步算法，将物理系统运动方程用离散化求解下一时间步的位置，下一时间步的速度，下一时间步的加速度，公式如下：

    （23）

    （24）

将公式（23）、（24）代入公式（20）并整理，得到速度求解公式如下：

  （25）

计算得到更新的速度值、更新的位置值，然后根据下一时间步的位置值和速度值更新刚体当前状态；

5-4.处理流体与刚体之间的交互运动，再更新流体和刚体的运动状态，回到步骤5-2，直到程序结束；

所述的交互运动包括预处理后爆生气体产生压力作用在刚体上、分裂破碎后的刚体运动反馈于影响流体运动。