李蘭彬，趙 力，何 帥，丁 文

（1.本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)有限責(zé)任公司 石灰石礦，遼寧 本溪 117100；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；4.遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

露天礦穿爆作業(yè)是礦山開(kāi)采的重要工序之一，其成本占礦山生產(chǎn)總成本的25%～35%[1]。穿爆效果的好與壞，直接影響著后續(xù)開(kāi)采工序的作業(yè)效率及礦山生產(chǎn)總成本變化，爆破作業(yè)帶來(lái)的飛石、盲炮等也對(duì)人身和設(shè)備安全造成威脅，需要采取技術(shù)措施避免事故發(fā)生。

智能、綠色的資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)理念正在逐年提升，機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人成為智能礦山建設(shè)的目標(biāo)。當(dāng)前智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在開(kāi)采環(huán)節(jié)數(shù)字化、采掘裝備自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營(yíng)管理信息化[2]。智能穿爆作業(yè)能夠利用先進(jìn)的自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，減少人員在危險(xiǎn)區(qū)域的暴露時(shí)間；通過(guò)對(duì)巖石物理特性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化爆破參數(shù)和方案，實(shí)現(xiàn)高效、精確的穿孔和爆破作業(yè)，減少能量浪費(fèi)和環(huán)境污染，降低成本，提高爆破作業(yè)的安全性和可靠性；由此提升整個(gè)礦山的運(yùn)營(yíng)效率和生產(chǎn)效益。

楊林兵等[3]開(kāi)發(fā)了一套智能化臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)軟件，提高了設(shè)計(jì)和鉆孔的準(zhǔn)確度，降低大塊率，改善爆破效果；李萍豐等[4]提出了智能臺(tái)階爆破定義，分析了智能臺(tái)階爆破層次間關(guān)系、建設(shè)原則和分期建設(shè)的智能臺(tái)階爆破系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)爆破行業(yè)的本質(zhì)安全、高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展具有借鑒意義；何茂林[5]為解決爆破設(shè)計(jì)中布孔手段單一，難以處理不規(guī)則邊界等問(wèn)題，提出了利用智能算法實(shí)現(xiàn)爆破參數(shù)計(jì)算、孔位智能設(shè)計(jì)的方法；馬瑞[6]以委內(nèi)瑞拉CHOCO－10 金礦臺(tái)階爆破為研究對(duì)象，選擇Maptek公司的Vulcan－11 三維礦山設(shè)計(jì)軟件對(duì)CHOCO－10金礦進(jìn)行地質(zhì)建模與爆破優(yōu)化設(shè)計(jì)；趙明生等[7]基于自適應(yīng)炮孔布置算法進(jìn)行炮孔布置，并根據(jù)Volterra泛函級(jí)數(shù)的臺(tái)階爆破振動(dòng)效應(yīng)非線性預(yù)測(cè)方法對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估及預(yù)測(cè)。

綜上，結(jié)合南芬露天礦的穿爆作業(yè)現(xiàn)狀，基于高精度定位技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穿爆環(huán)節(jié)的智能化系統(tǒng)建設(shè)；通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)鉆機(jī)的監(jiān)控、合理的布孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穿爆的智能作業(yè)。

1 礦山概況

本鋼南芬露天鐵礦位于遼寧省本溪市南25 km處，該礦屬前震旦紀(jì)鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，由黑背溝區(qū)、鐵山區(qū)和黃柏峪區(qū)構(gòu)成，其中以鐵山區(qū)為最大。礦體由太古界鞍山群含鐵石英巖中的3 個(gè)鐵層組成，屬于單斜構(gòu)造。鐵礦層走向西北，傾向南西，傾角40°～55°。地表露出全長(zhǎng)3 400 m，工業(yè)礦段總長(zhǎng)2 900 m。磁鐵貧礦石鐵量31.82%，磁鐵富礦石鐵量50%。

南芬露天礦現(xiàn)有鉆機(jī)13 臺(tái)，以衡陽(yáng)鉆機(jī)為主，分穿孔作業(yè)區(qū)和爆破作業(yè)區(qū)，爆破作業(yè)區(qū)負(fù)責(zé)孔位設(shè)計(jì)和放樣，穿孔作業(yè)區(qū)負(fù)責(zé)操作鉆機(jī)打孔。

由于鉆機(jī)設(shè)備未安裝數(shù)字化設(shè)備，在穿孔作業(yè)時(shí)，司機(jī)仍然采用經(jīng)驗(yàn)方式進(jìn)行打孔，孔位的引導(dǎo)以副司機(jī)在地面指引主司機(jī)將鉆機(jī)開(kāi)至設(shè)計(jì)點(diǎn)位，穿孔作業(yè)無(wú)法實(shí)時(shí)掌握鉆機(jī)的狀態(tài)、位置、當(dāng)前鉆孔信息等，鉆孔深度也無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法指導(dǎo)司機(jī)鉆至設(shè)計(jì)孔深。導(dǎo)致效率低下。

爆破作業(yè)仍然采用人工布孔方式，作業(yè)員通過(guò)GPS、皮尺等測(cè)量?jī)x器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)孔位進(jìn)行布置，這個(gè)過(guò)程比較耗時(shí)且需要2 個(gè)作業(yè)員配合。布孔密度依賴于鉆孔工人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，因此布孔的精度和一致性可能存在較大的差異，且現(xiàn)場(chǎng)擺放標(biāo)記受雨雪天氣影響大[8-10]。

2 智能穿爆系統(tǒng)

智能穿爆系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)應(yīng)滿足：①系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)布孔的自動(dòng)化和數(shù)字化，可以記錄鉆孔的海拔高度、深度、位置、鉆孔時(shí)間等生產(chǎn)信息；②系統(tǒng)要滿足輔助鉆機(jī)司機(jī)完成導(dǎo)航尋找孔位；③系統(tǒng)要將詳細(xì)記錄鉆機(jī)鉆孔的詳細(xì)信息，將孔位坐標(biāo)及深度上傳，便于爆破設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)；④系統(tǒng)要能監(jiān)測(cè)、記錄鉆機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，并有歷史回放，便于事后分析，同時(shí)可以根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的報(bào)表，統(tǒng)計(jì)鉆機(jī)產(chǎn)量情況和生產(chǎn)臺(tái)時(shí)，便于司機(jī)考核。

系統(tǒng)由4 部分組成，分別是：車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、差分定位系統(tǒng)和調(diào)度中心布孔及生產(chǎn)系統(tǒng)。車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由車載主機(jī)、GPS 高精度定位天線、通訊天線、專用軟件等幾部分組成，完成設(shè)備的實(shí)時(shí)信息的采集，包括位置信息、狀態(tài)信息、故障信息等。4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要解決車載終端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳輸?shù)秸{(diào)度中心的問(wèn)題。差分定位系統(tǒng)主要通過(guò)建立差分基準(zhǔn)站將差分信息傳輸至各分站，實(shí)現(xiàn)定位精度的提升；根據(jù)露天礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，車載終端需要接收礦區(qū)自建CORS 站的差分信息，利用CORS 站的差分信息完成各鉆機(jī)的差分定位，以提高定位精度。調(diào)度中心布孔及生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行鉆機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)接收與分析，布孔設(shè)計(jì)，設(shè)備效率的統(tǒng)計(jì)，由布孔設(shè)計(jì)模塊、驗(yàn)孔模塊和報(bào)表模塊組成；布孔設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件生成孔位設(shè)計(jì)圖，鉆孔包括鉆孔號(hào)，鉆孔位置，所處平面，計(jì)劃深度，完成情況等信息，并能夠?qū)D下傳給鉆機(jī)設(shè)備；驗(yàn)孔模塊利用手持驗(yàn)孔設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)孔位的深度、屬性等信息進(jìn)行核驗(yàn)，實(shí)時(shí)修改最終成孔的孔位信息；報(bào)表模塊實(shí)現(xiàn)穿爆系統(tǒng)數(shù)據(jù)的表格化展示。

系統(tǒng)功能包括：

1）自動(dòng)布孔?？梢杂涗涖@孔的海拔高度、深度、位置、鉆孔時(shí)間等生產(chǎn)信息。

2）統(tǒng)一礦區(qū)自定義坐標(biāo)系。系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并可轉(zhuǎn)換國(guó)家坐標(biāo)。

3）導(dǎo)航自動(dòng)尋孔。通過(guò)液晶屏向司機(jī)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，司機(jī)根據(jù)這些反饋數(shù)據(jù)調(diào)整作業(yè)。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到任務(wù)要求，系統(tǒng)將提示司機(jī)。在鉆孔過(guò)程中，系統(tǒng)將檢測(cè)到的鉆孔數(shù)據(jù)展現(xiàn)給司機(jī)，并在實(shí)時(shí)顯示鉆孔效率。

4）鉆孔詳細(xì)信息的實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)能夠?qū)⒖孜蛔鴺?biāo)及深度實(shí)時(shí)上傳，便于爆破設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。

5）定制化報(bào)表。系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的報(bào)表，統(tǒng)計(jì)鉆機(jī)產(chǎn)量情況和生產(chǎn)臺(tái)時(shí)，便于司機(jī)考核。

6）監(jiān)測(cè)、記錄鉆機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，并有歷史回放，便于事后分析。以二維采剝工程位置圖／總平面布置圖為基礎(chǔ)，真實(shí)顯示設(shè)備的位置和狀態(tài)，并為調(diào)度員提供相應(yīng)的監(jiān)控和管理工具，存儲(chǔ)時(shí)間360 d以上。

7）調(diào)度圖表。采用圖表的形式直觀得顯示每臺(tái)設(shè)備在任一班次的狀態(tài)，不同的狀態(tài)通過(guò)顏色來(lái)區(qū)分。其中，黃色代表交接班狀態(tài)，橙色表示除交接班外的其他延時(shí)狀態(tài)，綠色表示作業(yè)狀態(tài)，藍(lán)色表示備用狀態(tài)，紅色表示故障狀態(tài)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)孔深的計(jì)算

一般穿區(qū)范圍內(nèi)地形會(huì)呈現(xiàn)高低起伏，并不完全水平，若是遇到上次爆破效果差的影響，可能會(huì)產(chǎn)生根底，使穿區(qū)內(nèi)平面高程相差較大，在采集穿區(qū)邊界數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)對(duì)地形變化較大的區(qū)域進(jìn)行高程離散點(diǎn)采集，而在實(shí)際布孔設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)孔位位置并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)高程，從而無(wú)法計(jì)算設(shè)計(jì)孔深，需要進(jìn)行高程插值。假設(shè)設(shè)計(jì)孔位H 的坐標(biāo)為（Hx，Hy，Hz），H 附近的采集離散點(diǎn)的坐標(biāo)為（xi，yi，zi），i＝1，2，…，n。則孔位H 的高程Hz插值公式為：

式中：Pi為距離加權(quán)值。

式中：ε 為一極小常數(shù)。

本方法適用的前提是穿區(qū)的離散點(diǎn)采集要均勻，對(duì)高程起伏特征點(diǎn)周圍采集密度要加密，由于穿區(qū)范圍一般不會(huì)過(guò)大，所以此方法計(jì)算速度快，均勻采點(diǎn)的情況下，精度較高，適合現(xiàn)場(chǎng)布孔設(shè)計(jì)。

3.2 實(shí)際孔深的采集

露天礦山穿孔深度的采集一般采用人工測(cè)量的方式，即在成孔后，由專門技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)吊繩的方式進(jìn)行孔深測(cè)量，這是一種事后測(cè)量的方式，無(wú)法滿足鉆機(jī)作業(yè)人員實(shí)時(shí)了解鉆孔孔深的目的，也無(wú)法讓鉆機(jī)作業(yè)人員通過(guò)實(shí)時(shí)孔深數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)孔深。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種孔深采集裝置，通過(guò)在牙輪鉆機(jī)A 型架軸中心位置的凸起固定架上安裝孔深傳感器，孔深傳感器接入車載數(shù)據(jù)采集終端的485 串口，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集孔深傳感器測(cè)量的鉆孔深度，無(wú)線通信終端通過(guò)TCP 的網(wǎng)絡(luò)通信方式將孔深數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心，以方便管理人員查看，鉆機(jī)作業(yè)人員可直接通過(guò)車載數(shù)據(jù)采集終端查看實(shí)時(shí)孔深數(shù)據(jù)。

實(shí)際孔深的計(jì)算方式可用公式：L＝C×P 求解。

式中：L 為實(shí)際深度，m；C 為孔深傳感器的讀數(shù)，P 為轉(zhuǎn)換參數(shù)。

轉(zhuǎn)換參數(shù)P 的求解公式如下：

式中：P 為轉(zhuǎn)換參數(shù)；Li為第i 次測(cè)量的實(shí)際深度，m；Ci為第i 次孔深傳感器測(cè)量的讀數(shù)；n 為測(cè)量次數(shù)。

利用孔深傳感器監(jiān)測(cè)鉆桿的實(shí)時(shí)鉆進(jìn)情況，幫助鉆機(jī)作業(yè)人員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前的鉆孔孔深米數(shù)，并通過(guò)設(shè)計(jì)孔深指導(dǎo)作業(yè)人員按規(guī)定完成鉆孔鉆探，有效地避免了根底的產(chǎn)生，改變了傳統(tǒng)的穿孔作業(yè)方式，解放了進(jìn)米統(tǒng)計(jì)人員，提高鉆機(jī)的作業(yè)效率和人員的工作效率。

4 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)作業(yè)流程如圖1。

圖1 系統(tǒng)作業(yè)流程

1）布孔設(shè)計(jì)。礦山采用高精度手持測(cè)量?jī)x，針對(duì)即將爆破的穿區(qū)范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括坡頂線形狀、邊排線方向等，為了更好布孔設(shè)計(jì)，坡頂線應(yīng)盡量采集反映實(shí)際形狀的離散點(diǎn)，根據(jù)穿區(qū)內(nèi)的礦巖分布確定行距、孔距參數(shù)以及坡頂線的布孔方式，將布孔參數(shù)通過(guò)軟件在穿區(qū)上進(jìn)行輸入，自動(dòng)生成穿區(qū)鉆孔的平面布置圖，受臨空自由面限制，常分單自由面布孔和雙自由面布孔。

2）穿孔過(guò)程。通過(guò)布孔設(shè)計(jì)模塊完成布孔計(jì)劃后，穿孔設(shè)備司機(jī)可將計(jì)劃下載至機(jī)臺(tái)，司機(jī)按終端提示指引尋找孔位，進(jìn)行穿孔作業(yè)。穿孔過(guò)程一般由車載終端、高精度定位、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸、調(diào)度中心4部分配合完成，布孔計(jì)劃通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下載，差分?jǐn)?shù)據(jù)由車載終端通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)礦山自建的CORS 站獲取，結(jié)合終端自身的定位系統(tǒng)完成當(dāng)前位置的計(jì)算和目標(biāo)孔位的尋找，調(diào)度中心能夠?qū)崟r(shí)掌握穿孔設(shè)備的作業(yè)過(guò)程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。

3）驗(yàn)孔過(guò)程。驗(yàn)孔過(guò)程是當(dāng)布孔計(jì)劃由穿孔設(shè)備全部作業(yè)完成后，需要技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已完成鉆孔的基本信息進(jìn)行核驗(yàn)的過(guò)程，基本信息包括回填米數(shù)、實(shí)際孔深、水深、驗(yàn)孔狀態(tài)、控屬性等，只需要輸入實(shí)際孔深和水深即可，由于作業(yè)完成后鉆孔可能存在塌孔情況，實(shí)際孔深與穿孔孔深并不一致，當(dāng)鉆孔有水的情況下，水位信息也需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，驗(yàn)孔數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)同步至調(diào)度中心。

5 結(jié)語(yǔ)

南芬露天礦智能穿爆系統(tǒng)是利用信息化手段，實(shí)現(xiàn)穿爆過(guò)程的數(shù)字化、智能化應(yīng)用，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多個(gè)穿區(qū)的實(shí)際驗(yàn)證，整體定位精度滿足現(xiàn)實(shí)穿爆要求，考慮司機(jī)操作因素，系統(tǒng)水平定位精度達(dá)到10 cm以內(nèi)，垂直定位精度小于20 cm，系統(tǒng)利用數(shù)字化手段替代以前的人工作業(yè)，將經(jīng)驗(yàn)結(jié)合布孔軟件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)布孔設(shè)計(jì)、尋孔、穿孔、驗(yàn)孔工作的智能化，有效地提高了穿爆作業(yè)的工作效率，同時(shí)降低了穿爆成本。