項目名稱

工程爆破優(yōu)化設計方法

完成人

劉軍，謝先啟，喻君，趙明生，賈永勝，李想，單鵬，劉強，姚穎康，池恩安，孫磊

完成單位

河海大學，武漢爆破有限公司，保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司

成果類別

應用類

擬申報獎項

科學技術(shù)獎

項目簡介

爆破具有效率高、成本低的優(yōu)點，在礦山開采、水利工程、交通工程、拆除工程等領(lǐng)域應用廣泛。目前，我國年均炸藥使用量約450萬噸，每年爆破土石方量10億多方，每年拆除建（構(gòu)）筑物近4.6億平方，爆破公司4000多家，爆破工程市場容量已達到2000多億元。然而，由于爆炸過程、巖體結(jié)構(gòu)、拆除對象與周邊環(huán)境的復雜性及其對環(huán)保要求越來越高，對工程爆破技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。目前，工程爆破設計主要以半經(jīng)驗半理論的計算公式為主，理論研究和實際應用尚存在較大的差異，制約了工程爆破行業(yè)數(shù)字化、信息化與智能化的發(fā)展進程。因此，綜合多領(lǐng)域的先進技術(shù)，實現(xiàn)工程爆破優(yōu)化設計，是精細爆破的重要研究內(nèi)容，也是我國工程爆破行業(yè)發(fā)展的迫切需要。

近十年來，項目研究團隊以大量復雜環(huán)境下工程爆破實踐和科研項目為依托，采用理論分析、試驗研究、軟件開發(fā)與工程應用相結(jié)合的綜合研究方法，開展了以巖土爆破、拆除爆破優(yōu)化設計方法為核心的系統(tǒng)研究，主要成果為：

（1）為了解決巖土爆破主要依據(jù)經(jīng)驗設計的問題，提出了炮孔裝藥最大化的概念，并依此推導出最優(yōu)孔網(wǎng)參數(shù)的解析計算方法；提出了針對給定區(qū)域的炮孔自適應布置方法；提出了基于Voronoi圖的炮孔裝藥量與逐孔爆破起爆順序的計算方法；開發(fā)了巖土爆破優(yōu)化設計軟件。實現(xiàn)了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別的最優(yōu)化、自動化與智能化。

（2）針對拆除爆破主要依據(jù)經(jīng)驗與工程類比法設計施工的問題，提出了針對不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；揭示了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌過程中構(gòu)件荷載動態(tài)演化的力學機制，開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。為實現(xiàn)拆除爆破的精細化設計奠定了基礎(chǔ)。

（3）為了解決工程爆破效果評估與有害效應控制的難題，提出了工程爆破效果綜合評價方法；提出了巖土爆破振動效應時域波形疊加預測方法；提出了基于非線性泛函級數(shù)的結(jié)構(gòu)倒塌觸地振動效應預測評估方法。開發(fā)了工程爆破效果綜合評價與振動效應預測評估軟件。為工程爆破的安全實施提供了保障。

研究成果已在礦山、城建、交通的13項工程爆破中得到應用，改變了工程爆破主要依據(jù)經(jīng)驗與工程類比法設計、施工的現(xiàn)狀，顯著提高了設計與施工效率，有效控制了爆破有害效應，為保障工程爆破的安全可靠實施發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，近四年僅2家主要應用單位就取得直接經(jīng)濟效益10.7億元。

項目實施期間，培養(yǎng)博士生5人，碩士生37人，培養(yǎng)了一大批工程爆破技術(shù)人才。依托項目研究成果，獲授權(quán)發(fā)明專利4項、實用新型專利10項、軟件著作權(quán)10項；出版專著1部；發(fā)表學術(shù)論文30余篇，其中SCI收錄15篇；獲中國工程爆破協(xié)會科技進步一等獎2項、二等獎1項。項目成果推動了我國工程爆破行業(yè)的科技進步與發(fā)展。

主要知識產(chǎn)權(quán)目錄

1、專利情況（發(fā)明專利2項，實用新型專利2項，已授權(quán)且在有效期內(nèi)）

（1）發(fā)明專利：一種露天臺階爆破智能化設計方法，專利號：ZL 2017 1 0108109.0

（2）發(fā)明專利：一種模擬不同傾角巖體開挖的多級加載試驗裝置，專利號：ZL 2017 1 0274095.x

（3）實用新型專利：一種模擬巖體爆破開挖的試驗裝置，專利號：ZL 2017 2 0175597.2

（4）實用新型專利：一種節(jié)理巖體應力波衰減實驗裝置，專利號：ZL 2017 2 0214708.6

2、軟件著作權(quán)

（1）計算機軟件著作權(quán)登記證書：拆除爆破設計系統(tǒng)軟件，登記號：2017SR081335

（2）計算機軟件著作權(quán)登記證書：拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌模式預測軟件，登記號：2017SR087804

（3）計算機軟件著作權(quán)登記證書：拆除爆破切口輔助設計軟件，登記號：2017SR081592

（4）計算機軟件著作權(quán)登記證書：臺階爆破裝藥量計算軟件，登記號：2016SR082114

（5）計算機軟件著作權(quán)登記證書：臺階爆破炮孔自適應布置軟件，登記號：2016SR082118

（6）計算機軟件著作權(quán)登記證書：臺階爆破逐孔起爆順序確定軟件，登記號：2016SR082112

代表性論文論著

代表性論文：

（1）Liu Jun,ZhaoChangbing, Yun Bin. Numerical study on explosion-induced fractures of reinforced concrete structure by beam-particle model. Science China, Technological Sciences, 2011, 54(2): 412–419.

（2）Jun Liu, Bin Yun, Changbing Zhao. An improved specimen generation method for DEM based on local Delaunay tessellation and distance function.. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2012, 36:653–674.

（3）Jun Liu, Yu Zhang, Bin Yun. A new method for predicting nonlinear structural vibrations induced by ground impact loading. Journal of Sound and Vibration, 2012, 331: 2129–2140.

（4）Jun Liu, Pinyu Sun, Fangxue Liu, Mingsheng Zhao. Design and optimization for bench blast based on Voronoi diagram. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014, 66: 30–40.

（5）Enan Chi, Mingsheng Zhao, Jun Liu and Qiang Kang. Numerical modeling of rock fractureand fragmentation under impact loading using discrete element method. Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(6): 1–5.

（6）Yu J, Rinder T, Stolz A, et al. Dynamic Progressive Collapse of an RC Assemblage Induced by Contact Detonation. Journal of Structural Engineering, 2014, 140(6): 1-13.

（7）XianqiXie,YingkangYao,GuiYang,YongshengJia. Large-Scale Field Experiments on Blast-induced Vibration and Crater in Sand Medium.International Journal of Geomechanics:2017, 17(8):.1943-5622.

（8）劉軍,吳敏,云斌,趙長冰,李堂堂. 環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)振動效應預測方法研究. 固體力學學報, 2010, 31: 143-151.

應用情況與經(jīng)濟社會效益

河海大學等3家單位合作研發(fā)的“工程爆破優(yōu)化設計方法”整體技術(shù)已經(jīng)過兩年以上實施應用，項目成果已先后應用于13項工程爆破工程中，在青海橋頭鋁電5×12.5萬千瓦機組主廠房、煙囪、冷卻塔爆破拆除工程、武漢大學工學部第1教學樓爆破拆除工程、漢口濱江國際商務區(qū)19棟樓房爆破拆除工程、貴陽電廠1號冷卻塔爆破拆除工程、新疆別斯庫都克露天煤礦剝離及采煤工程施工項目、新疆吉朗德露天煤礦剝離及采煤工程施工項目、貴陽龍洞堡國際機場三期擴建工程飛行區(qū)場道工程等多項工程項目中得到了成功應用，新增產(chǎn)值106993.32萬元、利稅27370.37萬元。

主要完成人情況

1、劉軍，排名第1，教授（博導），河海大學，項目負責人。對技術(shù)創(chuàng)新點1、2、3做出創(chuàng)造性貢獻。主持研發(fā)了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別方法，主持開發(fā)了巖土爆破優(yōu)化設計軟件；提出了針對不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。獲發(fā)明專利授權(quán)1項、實用新型專利授權(quán)2項，獲軟件著作權(quán)6項，獲科研獎勵3項，發(fā)表5篇SCI論文。

2、謝先啟，排名第2，教授級高工，院士，武漢爆破有限公司，項目負責人。負責制定項目的整體研究方向與技術(shù)路線，對技術(shù)創(chuàng)新點1、2、3做出創(chuàng)造性貢獻。主持研究了不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；主持研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；主持開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件；主持研發(fā)了工程爆破效果評估與有害效應控制方法。獲軟件著作權(quán)3項，發(fā)表1篇SCI論文。

3、喻君，排名第3，副教授，河海大學，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點2做出創(chuàng)造性貢獻。揭示了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌過程中構(gòu)件荷載動態(tài)演化的力學機制。發(fā)表1篇SCI論文。

4、趙明生，排名第4，研究員，保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點1、2、3做出創(chuàng)造性貢獻。參與研發(fā)了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別方法；參與開發(fā)了巖土爆破優(yōu)化設計軟件。獲發(fā)明專利授權(quán)1項，獲軟件著作權(quán)3項，發(fā)表2篇SCI論文。

5、賈永勝，排名第5，教授級高工，武漢爆破有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點2、3做出創(chuàng)造性貢獻。參與研究了不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；參與研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；參與結(jié)構(gòu)倒塌觸地振動效應預測評估方法研究；參與開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。獲軟件著作權(quán)3項，發(fā)表1篇SCI論文。

6、李想，排名第6，工程師，保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點1做出創(chuàng)造性貢獻。參與了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別優(yōu)化方法研究。獲發(fā)明專利授權(quán)1項。

7、單鵬，排名第7，博士生，河海大學，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點1、2做出創(chuàng)造性貢獻。參與了逐孔爆破起爆順序的計算方法研究；參與研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法。獲發(fā)明專利授權(quán)1項，實用新型專利授權(quán)2項，獲科研獎勵1項。

8、劉強，排名第8，博士生，保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點1、2做出創(chuàng)造性貢獻。參與了炮孔自適應布置算法的開發(fā)。獲發(fā)明專利授權(quán)1項。

9、姚穎康，排名第9，高級工程師，武漢爆破有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點2、3做出創(chuàng)造性貢獻。參與研究了不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；參與結(jié)構(gòu)倒塌觸地振動效應預測評估方法研究；參與開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。獲軟件著作權(quán)3項，發(fā)表1篇SCI論文。

10、池恩安，排名第10，研究員，保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點1做出創(chuàng)造性貢獻。參與了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別優(yōu)化方法研究。獲發(fā)明專利授權(quán)1項，發(fā)表1篇SCI論文。

11、孫磊，排名第11，碩士生，河海大學，項目參與人。對技術(shù)創(chuàng)新點3做出創(chuàng)造性貢獻。參與開發(fā)了工程爆破效果綜合評價與振動效應預測評估軟件。獲實用新型專利授權(quán)1項。

主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻

第一完成單位：河海大學

主要創(chuàng)新推廣貢獻：河海大學是項目的牽頭單位，部署協(xié)調(diào)了各項工作，確定總體研究方向、技術(shù)路線和工作方法。主持創(chuàng)新點1、2、3的研發(fā)和研究成果應用推廣工作。

（1）為了解決巖土爆破主要依據(jù)經(jīng)驗設計的問題，提出了炮孔裝藥最大化的概念，并依此推導出最優(yōu)孔網(wǎng)參數(shù)的解析計算方法；提出了針對給定區(qū)域的炮孔自適應布置方法；提出了基于Voronoi圖的炮孔裝藥量與逐孔爆破起爆順序的計算方法；開發(fā)了巖土爆破優(yōu)化設計軟件。實現(xiàn)了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別的最優(yōu)化、自動化與智能化。

（2）針對拆除爆破主要依據(jù)經(jīng)驗與工程類比法設計施工的問題，提出了針對不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；揭示了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌過程中構(gòu)件荷載動態(tài)演化的力學機制，開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。為實現(xiàn)拆除爆破的精細化設計奠定了基礎(chǔ)。

（3）為了解決工程爆破效果評估與有害效應控制的難題，提出了工程爆破效果綜合評價方法；提出了巖土爆破振動效應時域波形疊加預測方法；提出了基于非線性泛函級數(shù)的結(jié)構(gòu)倒塌觸地振動效應預測評估方法。開發(fā)了工程爆破效果綜合評價與振動效應預測評估軟件。為工程爆破的安全實施提供了保障。

第二完成單位：武漢爆破有限公司

主要貢獻：武漢爆破有限公司是參與單位，參與創(chuàng)新點1、2、3的研發(fā)，負責研究成果的應用推廣工作。主持研究了不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)快速建模方法；主持研發(fā)了拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌最優(yōu)方向選擇與切口設計算法；主持結(jié)構(gòu)倒塌觸地振動效應預測評估方法研究，主持開發(fā)了拆除爆破優(yōu)化設計軟件。負責研究成果在青海橋頭鋁電5×12.5萬千瓦機組主廠房、煙囪、冷卻塔爆破拆除工程、武漢大學工學部第1教學樓爆破拆除工程、漢口濱江國際商務區(qū)19棟樓房爆破拆除工程等多項工程項目中的應用。

第三完成單位：保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司

主要貢獻：保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司是參與單位，參與創(chuàng)新點1、3研發(fā)，負責研究成果的應用推廣工作。參與研發(fā)了炮孔布置、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)選、裝藥量計算與起爆順序識別方法，參與開發(fā)了巖土爆破優(yōu)化設計軟件。負責研究成果在貴陽電廠1號冷卻塔爆破拆除工程、新疆別斯庫都克露天煤礦剝離及采煤工程施工項目、新疆吉朗德露天煤礦剝離及采煤工程施工項目、貴陽龍洞堡國際機場三期擴建工程飛行區(qū)場道工程等多項工程項目中的應用。