馬連成 王懷遠(yuǎn) 鐘浩 曹洋 蔣昌斌

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山鐵礦；2.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司）

金屬露天礦爆破鉆孔的主要設(shè)備為牙輪鉆機(jī)，該設(shè)備尋孔定位精度以及作業(yè)方式直接影響礦巖松碎效果。傳統(tǒng)穿孔環(huán)節(jié)的工作方式存在著鉆孔難以自動布孔，孔深難以自動識別，巖性難以隨鉆判別，并且不能按照巖性調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，設(shè)計(jì)了金屬露天礦鉆機(jī)數(shù)字化穿孔系統(tǒng)，以提升穿孔作業(yè)數(shù)字化和信息化程度。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

金屬露天礦鉆機(jī)數(shù)字化穿孔系統(tǒng)主要由導(dǎo)航定位模塊和信息管理與操作模塊組成，具備牙輪鉆的自動布孔、穿孔規(guī)劃、精確尋孔定位、孔深實(shí)時(shí)記錄、穿孔回放、報(bào)表自動生成等功能，確保牙輪鉆進(jìn)行作業(yè)時(shí)，操作人員能夠?qū)崟r(shí)對鉆頭進(jìn)行定位，同時(shí)還能夠有效地完成鉆孔環(huán)境與鉆孔深度的分析。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

馬連成（1970—），男，高級工程師，114000 遼寧省鞍山市。

2 模塊功能

2.1 導(dǎo)航定位模塊

如果在鉆孔的過程中不能準(zhǔn)確掌握鉆頭的位置，就會讓后續(xù)的采裝運(yùn)輸工作的難度加大，造成資源的浪費(fèi)和成本的提升。在以往的作業(yè)過程中，大多會通過經(jīng)緯儀與全站儀來完成爆破孔位的測量放樣，但是受到通視分析的限制，作業(yè)范圍比較局限。而且此項(xiàng)工作還必須是雙人搭配完成，人力成本較高?，F(xiàn)在我國的部分金屬露天礦山都是鉆機(jī)司機(jī)根據(jù)現(xiàn)場施工人員利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所選定的現(xiàn)場放樣點(diǎn)標(biāo)志物的位置來進(jìn)行鉆孔作業(yè)［4］。此種方法雖然能夠有效地保證鉆孔位置的準(zhǔn)確性，但是也不可避免有著一定的局限性，一是整個(gè)工作過程十分繁瑣，而且對人員與機(jī)械的消耗比較大；二是此種方法只能確定鉆孔的位置，而無法準(zhǔn)確把握鉆孔的深度，增加了作業(yè)的不確定性。

導(dǎo)航定位主要包括水平面與垂直面定位。水平面的定位主要是用來指導(dǎo)鉆機(jī)選擇鉆孔的位置，垂直面的定位主要是明確鉆孔的深度。所以在逐個(gè)進(jìn)行鉆孔操作的時(shí)候，都要先根據(jù)水平面的鉆孔坐標(biāo)移動鉆機(jī)，到達(dá)指定位置后再根據(jù)垂直面定位完成最終的鉆孔作業(yè)。

在牙輪鉆機(jī)電柜倉頂部、駕駛艙頂部、鉆桿頂部分別安裝一個(gè)GPS，有效掌握鉆機(jī)這三點(diǎn)的空間方位，如圖2所示。分別通過平面定位模型和垂直面定位模型對鉆頭在鉆孔過程中的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，確切掌握鉆頭的實(shí)際位置，完成對鉆孔的準(zhǔn)確定位。

2.1.1 水平面定位模型

在鉆孔過程中使用水平面定位，主要是為了掌握鉆頭當(dāng)前的平面位置，并與設(shè)定的炮孔水平面位置進(jìn)行比較，通過比較分析結(jié)果，能夠有效指導(dǎo)鉆機(jī)司機(jī)進(jìn)行機(jī)身方位的調(diào)整，最終使鉆頭不斷接近設(shè)計(jì)炮孔位置，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在整個(gè)鉆孔的過程中，鉆頭的位置不是一成不變的，會隨著深度的增加而出現(xiàn)變化，這也就使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)處在一個(gè)不斷變化的過程中。但是在實(shí)際鉆孔時(shí)，鉆孔應(yīng)始終保持垂直于地面，在平面位置上不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)變化，因此，向?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)傳輸?shù)钠矫嫖恢米鴺?biāo)應(yīng)始終保持不變。平面定位幾何關(guān)系見圖3。

圖10為兩種開挖順序頂板中部下沉位移分布，由圖可見，先開挖小斷面時(shí)巷道頂部表面位移量比先開挖大斷面時(shí)小約7.0%（約3.0mm），向頂板深部發(fā)展兩種開挖方法引起的位移量逐漸趨于一致，由此可知，兩種開挖方法引起的位移差別主要集中在巷道頂部附近。在頂板深部4m處煤與上部巖層交界面，兩種開挖順序引起的頂板位移量曲線斜率均發(fā)生明顯變化，位移增加率開始變小，表明煤與直接頂在此處發(fā)生離層，因此頂板支護(hù)應(yīng)該以頂部煤層為重點(diǎn)。

如圖3 所示，設(shè)定3 個(gè)定位天線的坐標(biāo)分別為（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3），在整個(gè)鉆孔過程中，這3個(gè)坐標(biāo)不間斷傳回；鉆頭O為待定點(diǎn)，其坐標(biāo)為（x，y）。按照平面后方交會原理，可以列出3 個(gè)平面距離的計(jì)算公式：

通過方程能夠求得3 個(gè)鉆頭水平面坐標(biāo)，（x，y）代表鉆頭位置的坐標(biāo)組，這在數(shù)學(xué)層面是完全合理的。在實(shí)際測量的過程中考慮到測量的誤差以及計(jì)算的誤差，因此，將方程進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)變后利用最小二乘方的計(jì)算方法來使得鉆頭的平面坐標(biāo)更為準(zhǔn)確。

2.1.2 孔深定位模型

孔深定位目的是實(shí)時(shí)獲取爆孔深度，當(dāng)鉆機(jī)平面定位完成，開始鉆孔作業(yè)時(shí)，安裝在鉆架頂端的激光測距儀會實(shí)時(shí)測量鉆架頂端與桿頂端的距離，即為當(dāng)前鉆進(jìn)深度［5］，若激光測距不發(fā)生偏斜，測量準(zhǔn)確度極高，但是由于鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中振動過大，很可能造成激光測距發(fā)生偏斜，一旦發(fā)生偏斜，產(chǎn)生的誤差極大，測量的孔深會明顯大于或小于實(shí)際孔深。因此，在提升抱閘處安裝接觸式編碼器，用于記錄轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動距離，根據(jù)轉(zhuǎn)輪與齒輪的半徑比，對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動距離進(jìn)行比例縮小，即為鉆進(jìn)深度。由于鏈條容易受力拉伸，因此，該方式測量的孔深會略小于真實(shí)孔深，但是不會偏差太大。對比激光測距和編碼器數(shù)據(jù)，若激光測距所測孔深與編碼器所測孔深偏差大于一定數(shù)值，說明激光測距發(fā)生了偏斜，孔深數(shù)據(jù)作廢，此時(shí)將編碼器所測孔深加上適當(dāng)修正值作為孔深?？咨疃ㄎ粠缀侮P(guān)系見圖4。在鉆孔過程中，激光測距會記錄鉆架頂端距鉆桿頂端的距離h，與鉆頭鉆進(jìn)深度h1相等，即h=h1。待鉆孔深h2=H-h1，H為設(shè)計(jì)鉆孔深度。

2.2 信息管理與操作模塊

該模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，承擔(dān)了定位導(dǎo)航、信息采集、數(shù)據(jù)匯總報(bào)告等多種功能。中心監(jiān)控軟件必須安裝在工程的實(shí)際控制中心，確保完成對定位基站以及所有監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控工作，同時(shí)還承擔(dān)著數(shù)據(jù)導(dǎo)入、位置回放、定位精度等實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。其中，數(shù)據(jù)導(dǎo)入的主要工作是將企業(yè)設(shè)計(jì)的炮孔位置通過系統(tǒng)與設(shè)備的接口完成數(shù)據(jù)的上傳，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)自身可識別信息；實(shí)時(shí)監(jiān)控是對鉆頭在整個(gè)鉆孔過程中位置進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)能夠自動完成整個(gè)運(yùn)動過程的記錄，并且還要支持后臺隨時(shí)調(diào)用復(fù)查，完成相關(guān)數(shù)據(jù)在存儲服務(wù)器中的記錄與備份，出現(xiàn)丟失的時(shí)候能夠自主恢復(fù)。除此之外，還具有地質(zhì)巖層識別、自動布孔兩大模塊。

2.2.1 地質(zhì)巖層識別模塊

該模塊設(shè)計(jì)是選擇一組振動傳感器來完成相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作，并將這些數(shù)據(jù)上傳到設(shè)定好的系統(tǒng)算法中，從而得出巖性參數(shù)，并指出巖層振動的位置，實(shí)時(shí)地將巖層振動特性圖提供給操作者，幫助計(jì)算每個(gè)鉆孔內(nèi)應(yīng)放入的藥量以及整體孔洞情況。實(shí)時(shí)獲取的振動數(shù)據(jù)和系統(tǒng)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果會通過機(jī)載設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心的服務(wù)器中，同時(shí)在機(jī)載設(shè)備內(nèi)記錄下日志以備后續(xù)查看。

2.2.2 自動布孔模塊

通過利用NewTest 自動布孔軟件來完成站點(diǎn)選擇、參數(shù)輸入等操作，形成布孔計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)作業(yè)計(jì)劃功能。

鉆機(jī)上所配備的高精度定位設(shè)備能夠準(zhǔn)確幫助鉆機(jī)選擇鉆孔，對偏移的數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，同時(shí)通過車載設(shè)備完成實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)的上傳。在控制中心，技術(shù)人員在執(zhí)行原定爆破計(jì)劃的基礎(chǔ)上，更需要參考傳回的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)算法內(nèi)的計(jì)算結(jié)果，調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，以此得到最佳的爆破參數(shù)［6-9］，形成最終的穿孔計(jì)劃。然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將已經(jīng)生成的鉆孔計(jì)劃下發(fā)到鉆機(jī)的車載設(shè)備上，這樣鉆機(jī)司機(jī)就可以根據(jù)下發(fā)的鉆孔計(jì)劃，配合高精度定位設(shè)備和實(shí)時(shí)監(jiān)控校驗(yàn)功能進(jìn)行準(zhǔn)確鉆孔作業(yè)。整個(gè)計(jì)劃包含了鉆孔過程中需要的孔徑、孔深、孔距、排距等鉆孔數(shù)據(jù)，鉆機(jī)依據(jù)此計(jì)劃內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行穿孔作業(yè)，就可以保證成孔質(zhì)量。

3 結(jié)語

針對露天礦牙輪鉆機(jī)的定位、尋孔、鉆進(jìn)3 個(gè)主要工作流程，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了數(shù)字化穿孔系統(tǒng)，系統(tǒng)分為導(dǎo)航定位和信息管理與操作兩大模塊，具有平面定位、孔深定位、地質(zhì)巖層識別、自動布孔四大功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無人化布孔、高精度尋孔、鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而減少礦山現(xiàn)場惡劣場所操作人員數(shù)量，提高穿孔效率，對于金屬露天礦開采具有很強(qiáng)的可操作性和現(xiàn)實(shí)意義。