2019年度江苏省科学技术奖申报项目公示

项目名称

工程爆破优化设计方法

完成人

刘军，谢先启，喻君，赵明生，贾永胜，李想，单鹏，刘强，姚颖康，池恩安，孙磊

完成单位

河海大学，武汉爆破有限公司，保利新联爆破工程集团有限公司

成果类别

应用类

拟申报奖项

科学技术奖

项目简介

爆破具有效率高、成本低的优点，在矿山开采、水利工程、交通工程、拆除工程等领域应用广泛。目前，我国年均炸药使用量约450万吨，每年爆破土石方量10亿多方，每年拆除建（构）筑物近4.6亿平方，爆破公司4000多家，爆破工程市场容量已达到2000多亿元。然而，由于爆炸过程、岩体结构、拆除对象与周边环境的复杂性及其对环保要求越来越高，对工程爆破技术提出了新挑战。目前，工程爆破设计主要以半经验半理论的计算公式为主，理论研究和实际应用尚存在较大的差异，制约了工程爆破行业数字化、信息化与智能化的发展进程。因此，综合多领域的先进技术，实现工程爆破优化设计，是精细爆破的重要研究内容，也是我国工程爆破行业发展的迫切需要。

近十年来，项目研究团队以大量复杂环境下工程爆破实践和科研项目为依托，采用理论分析、试验研究、软件开发与工程应用相结合的综合研究方法，开展了以岩土爆破、拆除爆破优化设计方法为核心的系统研究，主要成果为：

（1）为了解决岩土爆破主要依据经验设计的问题，提出了炮孔装药最大化的概念，并依此推导出最优孔网参数的解析计算方法；提出了针对给定区域的炮孔自适应布置方法；提出了基于Voronoi图的炮孔装药量与逐孔爆破起爆顺序的计算方法；开发了岩土爆破优化设计软件。实现了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别的最优化、自动化与智能化。

（2）针对拆除爆破主要依据经验与工程类比法设计施工的问题，提出了针对不同结构类型的结构快速建模方法；研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；揭示了拆除爆破结构倒塌过程中构件荷载动态演化的力学机制，开发了拆除爆破优化设计软件。为实现拆除爆破的精细化设计奠定了基础。

（3）为了解决工程爆破效果评估与有害效应控制的难题，提出了工程爆破效果综合评价方法；提出了岩土爆破振动效应时域波形叠加预测方法；提出了基于非线性泛函级数的结构倒塌触地振动效应预测评估方法。开发了工程爆破效果综合评价与振动效应预测评估软件。为工程爆破的安全实施提供了保障。

研究成果已在矿山、城建、交通的13项工程爆破中得到应用，改变了工程爆破主要依据经验与工程类比法设计、施工的现状，显著提高了设计与施工效率，有效控制了爆破有害效应，为保障工程爆破的安全可靠实施发挥了重要作用，取得了显著的经济和社会效益，近四年仅2家主要应用单位就取得直接经济效益10.7亿元。

项目实施期间，培养博士生5人，硕士生37人，培养了一大批工程爆破技术人才。依托项目研究成果，获授权发明专利4项、实用新型专利10项、软件著作权10项；出版专著1部；发表学术论文30余篇，其中SCI收录15篇；获中国工程爆破协会科技进步一等奖2项、二等奖1项。项目成果推动了我国工程爆破行业的科技进步与发展。

主要知识产权目录

1、专利情况（发明专利2项，实用新型专利2项，已授权且在有效期内）

（1）发明专利：一种露天台阶爆破智能化设计方法，专利号：ZL 2017 1 0108109.0

（2）发明专利：一种模拟不同倾角岩体开挖的多级加载试验装置，专利号：ZL 2017 1 0274095.x

（3）实用新型专利：一种模拟岩体爆破开挖的试验装置，专利号：ZL 2017 2 0175597.2

（4）实用新型专利：一种节理岩体应力波衰减实验装置，专利号：ZL 2017 2 0214708.6

2、软件著作权

（1）计算机软件著作权登记证书：拆除爆破设计系统软件，登记号：2017SR081335

（2）计算机软件著作权登记证书：拆除爆破结构倒塌模式预测软件，登记号：2017SR087804

（3）计算机软件著作权登记证书：拆除爆破切口辅助设计软件，登记号：2017SR081592

（4）计算机软件著作权登记证书：台阶爆破装药量计算软件，登记号：2016SR082114

（5）计算机软件著作权登记证书：台阶爆破炮孔自适应布置软件，登记号：2016SR082118

（6）计算机软件著作权登记证书：台阶爆破逐孔起爆顺序确定软件，登记号：2016SR082112

代表性论文论著

代表性论文：

（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）刘军,吴敏,云斌,赵长冰,李堂堂. 环境激励下结构振动效应预测方法研究. 固体力学学报, 2010, 31: 143-151.

应用情况与经济社会效益

河海大学等3家单位合作研发的“工程爆破优化设计方法”整体技术已经过两年以上实施应用，项目成果已先后应用于13项工程爆破工程中，在青海桥头铝电5×12.5万千瓦机组主厂房、烟囱、冷却塔爆破拆除工程、武汉大学工学部第1教学楼爆破拆除工程、汉口滨江国际商务区19栋楼房爆破拆除工程、贵阳电厂1号冷却塔爆破拆除工程、新疆别斯库都克露天煤矿剥离及采煤工程施工项目、新疆吉朗德露天煤矿剥离及采煤工程施工项目、贵阳龙洞堡国际机场三期扩建工程飞行区场道工程等多项工程项目中得到了成功应用，新增产值106993.32万元、利税27370.37万元。

主要完成人情况

1、刘军，排名第1，教授（博导），河海大学，项目负责人。对技术创新点1、2、3做出创造性贡献。主持研发了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别方法，主持开发了岩土爆破优化设计软件；提出了针对不同结构类型的结构快速建模方法；研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；开发了拆除爆破优化设计软件。获发明专利授权1项、实用新型专利授权2项，获软件著作权6项，获科研奖励3项，发表5篇SCI论文。

2、谢先启，排名第2，教授级高工，院士，武汉爆破有限公司，项目负责人。负责制定项目的整体研究方向与技术路线，对技术创新点1、2、3做出创造性贡献。主持研究了不同结构类型的结构快速建模方法；主持研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；主持开发了拆除爆破优化设计软件；主持研发了工程爆破效果评估与有害效应控制方法。获软件著作权3项，发表1篇SCI论文。

3、喻君，排名第3，副教授，河海大学，项目参与人。对技术创新点2做出创造性贡献。揭示了拆除爆破结构倒塌过程中构件荷载动态演化的力学机制。发表1篇SCI论文。

4、赵明生，排名第4，研究员，保利新联爆破工程集团有限公司，项目参与人。对技术创新点1、2、3做出创造性贡献。参与研发了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别方法；参与开发了岩土爆破优化设计软件。获发明专利授权1项，获软件著作权3项，发表2篇SCI论文。

5、贾永胜，排名第5，教授级高工，武汉爆破有限公司，项目参与人。对技术创新点2、3做出创造性贡献。参与研究了不同结构类型的结构快速建模方法；参与研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；参与结构倒塌触地振动效应预测评估方法研究；参与开发了拆除爆破优化设计软件。获软件著作权3项，发表1篇SCI论文。

6、李想，排名第6，工程师，保利新联爆破工程集团有限公司，项目参与人。对技术创新点1做出创造性贡献。参与了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别优化方法研究。获发明专利授权1项。

7、单鹏，排名第7，博士生，河海大学，项目参与人。对技术创新点1、2做出创造性贡献。参与了逐孔爆破起爆顺序的计算方法研究；参与研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法。获发明专利授权1项，实用新型专利授权2项，获科研奖励1项。

8、刘强，排名第8，博士生，保利新联爆破工程集团有限公司，项目参与人。对技术创新点1、2做出创造性贡献。参与了炮孔自适应布置算法的开发。获发明专利授权1项。

9、姚颖康，排名第9，高级工程师，武汉爆破有限公司，项目参与人。对技术创新点2、3做出创造性贡献。参与研究了不同结构类型的结构快速建模方法；参与结构倒塌触地振动效应预测评估方法研究；参与开发了拆除爆破优化设计软件。获软件著作权3项，发表1篇SCI论文。

10、池恩安，排名第10，研究员，保利新联爆破工程集团有限公司，项目参与人。对技术创新点1做出创造性贡献。参与了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别优化方法研究。获发明专利授权1项，发表1篇SCI论文。

11、孙磊，排名第11，硕士生，河海大学，项目参与人。对技术创新点3做出创造性贡献。参与开发了工程爆破效果综合评价与振动效应预测评估软件。获实用新型专利授权1项。

主要完成单位及创新推广贡献

第一完成单位：河海大学

主要创新推广贡献：河海大学是项目的牵头单位，部署协调了各项工作，确定总体研究方向、技术路线和工作方法。主持创新点1、2、3的研发和研究成果应用推广工作。

（1）为了解决岩土爆破主要依据经验设计的问题，提出了炮孔装药最大化的概念，并依此推导出最优孔网参数的解析计算方法；提出了针对给定区域的炮孔自适应布置方法；提出了基于Voronoi图的炮孔装药量与逐孔爆破起爆顺序的计算方法；开发了岩土爆破优化设计软件。实现了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别的最优化、自动化与智能化。

（2）针对拆除爆破主要依据经验与工程类比法设计施工的问题，提出了针对不同结构类型的结构快速建模方法；研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；揭示了拆除爆破结构倒塌过程中构件荷载动态演化的力学机制，开发了拆除爆破优化设计软件。为实现拆除爆破的精细化设计奠定了基础。

（3）为了解决工程爆破效果评估与有害效应控制的难题，提出了工程爆破效果综合评价方法；提出了岩土爆破振动效应时域波形叠加预测方法；提出了基于非线性泛函级数的结构倒塌触地振动效应预测评估方法。开发了工程爆破效果综合评价与振动效应预测评估软件。为工程爆破的安全实施提供了保障。

第二完成单位：武汉爆破有限公司

主要贡献：武汉爆破有限公司是参与单位，参与创新点1、2、3的研发，负责研究成果的应用推广工作。主持研究了不同结构类型的结构快速建模方法；主持研发了拆除爆破结构倒塌最优方向选择与切口设计算法；主持结构倒塌触地振动效应预测评估方法研究，主持开发了拆除爆破优化设计软件。负责研究成果在青海桥头铝电5×12.5万千瓦机组主厂房、烟囱、冷却塔爆破拆除工程、武汉大学工学部第1教学楼爆破拆除工程、汉口滨江国际商务区19栋楼房爆破拆除工程等多项工程项目中的应用。

第三完成单位：保利新联爆破工程集团有限公司

主要贡献：保利新联爆破工程集团有限公司是参与单位，参与创新点1、3研发，负责研究成果的应用推广工作。参与研发了炮孔布置、孔网参数优选、装药量计算与起爆顺序识别方法，参与开发了岩土爆破优化设计软件。负责研究成果在贵阳电厂1号冷却塔爆破拆除工程、新疆别斯库都克露天煤矿剥离及采煤工程施工项目、新疆吉朗德露天煤矿剥离及采煤工程施工项目、贵阳龙洞堡国际机场三期扩建工程飞行区场道工程等多项工程项目中的应用。