一种基于离散元的爆堆及块度分布的三维模拟方法与流程

本申请涉及爆破效果评价技术领域，尤其涉及一种基于离散元的爆堆及块度分布的三维模拟方法。

背景技术：

露天台阶深孔爆破形成的爆堆及其块度分布规律的研究是评价爆破效果的重要手段，用三维模拟方法直观表达爆堆块度分布规律是露天岩土爆破的重要发展方向。由于露天台阶深孔爆破形成的爆堆及其块度分布具有规模大、堆形复杂、岩块形状不规则、重叠粘连、离散性大等特点，建立爆堆及其块度分布的三维模型难度较大，研究成果较少。本专利涉及的相关技术有：(1)爆堆岩块形态的等效模拟方法；(2)爆堆三维形态几何模型构建；(3)爆堆岩块的三维模拟。技术(1)主要研究爆堆岩块的形态和尺寸等效，将不规则岩岩等效规则岩块；技术(2)主要建立符合技术(3)要求的模型；技术(3)主要采用国外开发的大型离散元商业软件，如采用3dec离散元软件模拟台阶爆破的动态破碎和抛掷过程。爆堆三维虚拟的岩块等效模拟。

该类成果用来建立爆堆及其块度分布的三维模型存在的主要问题是：技术(1)研究的等效岩块是否适合构建爆堆三维模拟岩块单元，未开展相关的研究工作；技术(3)开发的主要商业软件及其相关技术均受国外专利保护，国内无自主知识产权。

为此，本申请借助散体理论与离散元方法，构建爆堆及其块度分布的三维模型。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种基于离散元的爆堆及块度分布的三维模拟方法，包括：

该爆堆三维模拟算法分为两步，第一步为生成整个爆堆表面的岩块；第二步就是把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充；

第一步：

步骤1、分别随机生成8个球体记录半径，并把它随机赋予12条边，即球心位于边的端点；

步骤2、对12条边分别按照各自箭头的方向进行处理，使之除去端点球半径之后的剩余部分被球体填充，即球心位于边上；

步骤3、根据图1中的规定，分别提取相关边组成6个面，统计6个面上的球体直径分布，并把面1作为当前面；注意为了形成的封闭链，此时需依据图中信息对相关边进行方向处理，使之整个面上边缘的球体按照顺时针或者逆时针排列，并在此基础上对面上所有球体按照顺序赋值，即每个球体都有相应的序列号；

步骤4、随机寻找当前面中的一点作为终点，如面的中心点，并对当前面上的球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

步骤5、计算构成初始封闭链的球体中距终点最远的球作为球1，并按照序列号寻找其两个相邻球体，把两个相邻球体中距终点最远的球作为球2；当在寻找球1和球2时，如果出现多个最远球体，则在多个最远球体中随机抽取一个球作为最远球体；

步骤6、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

步骤7、根据球1和球2和已有的新球体的半径计算新球体的位置，注意球体球心位于面上；

步骤8、判断新球体与当前面上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回步骤7；直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行步骤9；

步骤9、根据新球体与球1、球2相邻的球的关系更新封闭链，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭链时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据，返回步骤5；

步骤10、当当前面被填满，即步骤8生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，当前面填充流程停止；

步骤11、判断6个面是否都被填满，如果否，则把下个面设置成当前面，返回步骤4；如果是，则进行步骤12；

步骤12、对6个面根据所在相应位置进行旋转构成三维爆堆表面；

第二步：

步骤13、依据爆堆近似的梯形柱体计算爆堆的中心坐标作为中心点，并对爆堆表面的所有球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

步骤14、计算构成初始封闭面的球体中距中心点最远的球体作为球1，以与球1相邻的球体中距中心点最远的球体作为球2，以与球1和球2均相邻的球体中距中心点最远的球体作为球3；

步骤15、依据块度分布曲线和已有球体的位置，注意球体球心位于爆堆内部；

步骤16、根据球1、球2、球3和已有的新球体的半径计算新球体的位置；注意球体球心位于爆堆内部；

步骤17、判断新球体与爆堆上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回步骤16；直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行步骤18；

步骤18、在新球体、球1、球2、球3之间会有较小的空隙，可以在中间空隙处填充一个较小的球体，使之与四球体互相切；

步骤19、根据新球体与球1、球2、球3相邻的球的关系更新封闭面并把新球体直径加入已有球体尺寸数据；如果在更新封闭面时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据，返回步骤15；

步骤20、当爆堆内部被填满，即步骤17生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，则爆堆内部填充流程停止。

本申请实施例采用下述技术方案：在执行爆堆三维模拟算法前还包括步骤：爆堆形态主要参数的获取。

本申请实施例采用下述技术方案：在爆堆形态主要参数的获取前还包括步骤：爆堆三维形态模型的构建。

本申请实施例采用下述技术方案：在爆堆三维形态模型的构建前还包括步骤：爆堆岩块形状的等效虚拟。

本申请实施例采用下述技术方案：在爆堆岩块形状的等效虚拟前还包括步骤：爆堆岩块形态虚拟。

本申请实施例采用下述技术方案：所述爆堆岩块形态虚拟包括岩块尺寸和形状的等效虚拟。

本申请实施例采用下述技术方案：步骤1中，注意在相接边端点的球相同。

本申请实施例采用下述技术方案：步骤12中，三维爆堆表面即为第二步中的封闭面。

本申请实施例采用下述技术方案：步骤18中，爆堆会有许多不能识别的细小颗粒，可以对此作为一个补充。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

(1)用球体代替爆破岩块；

(2)把爆堆简化成以梯形为爆堆剖面的梯形柱体，并提出爆堆堆形测量方法；

(3)首次提出露天深孔台阶爆破的爆堆及块度分布的三维模拟方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于离散元的爆堆及块度分布的三维模拟方法中爆堆规定示意图；

图2为本发明基于离散元的爆堆及块度分布的三维模拟方法中爆堆三维模拟算法的简易流程图

图3为本发明实施例中不同角度的爆堆三维模拟效果图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例

1.爆堆岩块形态虚拟

爆堆岩块形态虚拟包括岩块尺寸和形状的等效虚拟：

(1)爆堆岩块形态；

爆堆岩块形态各异且不规则，受岩体的结构面及岩石性质影响。主要有球体、椭球体、长方体、针头、片状等。

(2)爆堆岩块形状的等效虚拟；

为了实现爆堆岩块的统计和模拟，需将不规则岩块等效虚拟成规则的岩块采用图像识别技术对爆堆图像识别，统计出各个部分(岩块)的像素面积、最大弦长和周长后，通常按照岩块的实际形状将岩块虚拟成圆、椭圆、方形、多边形等，按照面积和周长不变的原则，将爆堆岩块进行虚拟，并进而转化成三维的球形、椭球和多面体等。

爆堆三维虚拟的岩块等效模拟：

爆堆三维虚拟过程是岩块颗粒的堆积过程，颗粒接触算法随着颗粒形状的变化，计算工作量呈级数变化。实际工程中，露天台阶深孔爆破的爆堆长达几十到几百米，为了实现爆堆的三维仿真，需选择颗粒接触算法最简单的颗粒形态进行模拟，考虑到工程适用性，本专利用球体来代替爆堆岩块进行爆堆表面三维模拟。

2.爆堆三维形态模型；

露天深孔台阶爆破的爆堆表面有四部分组成：坡面、顶面及两端的侧面。其中爆堆的坡面近似一个斜面，爆堆顶面由于存在爆破漏斗段，近似于一个抛物面。由于爆堆的侧面通常存在约束，近似于一个垂直地面的面。考虑到四个爆堆表面，同时为了模型计算的简化，因此把爆堆顶面的爆破漏斗段进行简化，把爆堆整体近似于以梯形为爆堆剖面的梯形堆体。如图1所示。

简化的爆堆梯形柱体由12条边和8个顶点组成，每条边与两个面相关，每个顶点和三个面相关，因此，需按照点、边、面、体的顺序进行模拟。根据爆堆三维形态模型，对爆堆的6个面、12个边进行规定，规定如图1所示：

如图1所示，前面为面1，左面为面2，右面为面3，后面为面4，底面为面5，顶面为面6。箭头为边的方向。图中标示的顶点为该面在二维坐标系中的(0,0)点，也就是面的起点。

3.爆堆形态主要参数的获取；

由于把整个爆堆简化成了以梯形为爆堆剖面的梯形柱体，如图1。因此只需获得爆堆剖面和爆堆长度的相关信息，即图1中边1、边2、边7和边10。其中边1长度只需利用rtk对爆堆两侧进行多次测量后求平均值即可。实际爆堆的坡底(边1)是一条曲线，因此边2的长度不一，需要在坡底不同位置进行测量，计算到待爆区与已爆区分界线的距离，然后求距离的平均值作为边2的长度。采用同样的方法计算坡顶与坡面的交界线到分界线的距离即为边10。实际爆堆坡顶形似抛物线，因此为了减少爆堆方量的误差，对爆堆坡顶面进行多次测量，求出距爆堆底面的平均高差作为边7。以此构成整个爆堆表面。

4.爆堆三维模拟算法；

该爆堆三维模拟算法分为两步。第一步为生成整个爆堆表面的岩块；第二步就是把整个爆堆表面作为封闭的初始面，以此为基础对整个爆堆内部进行填充。

爆堆三维模拟的整体算法步骤如下：

第一步：

步骤1、分别随机生成8个球体记录半径，并把它随机赋予12条边，即球心位于边的端点。注意在相接边端点的球相同；

步骤2、对12条边分别按照各自箭头的方向进行处理，使之除去端点球半径之后的剩余部分被球体填充，即球心位于边上；

步骤3、根据图1中的规定，分别提取相关边组成6个面，统计6个面上的球体直径分布。并把面1作为当前面。注意为了形成的封闭链，此时需依据图中信息对相关边进行方向处理，使之整个面上边缘的球体按照顺时针或者逆时针排列，并在此基础上对面上所有球体按照顺序赋值，即每个球体都有相应的序列号；

步骤4、随机寻找当前面中的一点作为终点，如面的中心点，并对当前面上的球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

步骤5、计算构成初始封闭链的球体中距终点最远的球作为球1，并按照序列号寻找其两个相邻球体，把两个相邻球体中距终点最远的球作为球2。当在寻找球1和球2时，如果出现多个最远球体，则在多个最远球体中随机抽取一个球作为最远球体。

步骤6、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

步骤7、根据球1和球2和已有的新球体的半径计算新球体的位置。注意球体球心位于面上。

步骤8、判断新球体与当前面上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回步骤7。直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行步骤9。

步骤9、根据新球体与球1、球2相邻的球的关系更新封闭链，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据。如果在更新封闭链时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据。返回步骤5。

步骤10、当当前面被填满，即步骤8生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，当前面填充流程停止。

步骤11、判断6个面是否都被填满，如果否，则把下个面设置成当前面，返回步骤4。如果是，则进行步骤12

步骤12、对6个面根据所在相应位置进行旋转构成三维爆堆表面，即第二步的封闭面。

第二步：

步骤13、依据爆堆近似的梯形柱体计算爆堆的中心坐标作为中心点，并对爆堆表面的所有球体直径进行统计形成已有球体尺寸数据；

步骤14、计算构成初始封闭面的球体中距中心点最远的球体作为球1，以与球1相邻的球体中距中心点最远的球体作为球2，以与球1和球2均相邻的球体中距中心点最远的球体作为球3；

步骤15、依据块度分布曲线和已有球体尺寸数据生成新的球体的直径；

步骤16、根据球1、球2、球3和已有的新球体的半径计算新球体的位置。注意球体球心位于爆堆内部。

步骤17、判断新球体与爆堆上已有的球的关系，如果存在重合，则利用原先球体的直径减去某个较小的随机数形成新的直径，并返回步骤16。直至新球体与当前面上已有的球体不重合，进行步骤18。

步骤18、在新球体、球1、球2、球3之间会有较小的空隙，可以在中间空隙处填充一个较小的球体，使之与四球体互相切。爆堆会有许多不能识别的细小颗粒，可以对此作为一个补充

步骤19、根据新球体与球1、球2、球3相邻的球的关系更新封闭面，并把新球体直径加入已有球体尺寸数据。如果在更新封闭面时某个球体被剔除，则统计剔除的球体形成总的球体数据。返回步骤14。

步骤20、当爆堆内部被填满，即步骤17生成的球体半径小于某个较小的随机数，并不成功次数超过允许的尝试次数后，则爆堆内部填充流程停止。

综上所述：

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。