鉆孔數(shù)字化與鉆孔巖性自動識別技術(shù)

段 云 熊代余 徐國權(quán)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

鉆孔數(shù)字化與鉆孔巖性自動識別技術(shù)

段 云 熊代余 徐國權(quán)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

為實現(xiàn)露天礦山爆破鉆孔作業(yè)數(shù)字化和智能化，開發(fā)了一套更加精確、更加可靠的鉆孔數(shù)字化與鉆孔巖性自動識別技術(shù)，包括硬件和軟件兩個方面。硬件包括安裝在鉆機上的鉆孔搜尋定位和鉆孔巖性感知終端系統(tǒng)，以及礦區(qū)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。終端系統(tǒng)主要由GPS OEM板卡、PLC控制器、鉆機主要工作參數(shù)傳感器組成；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)字化爆破設(shè)計平臺、礦區(qū)專用無線傳輸設(shè)施組成。開發(fā)的軟件包括采用LabVIEW和VC++編程的定位尋孔軟件，基于C#語言調(diào)用AutoCAD接口編程開發(fā)地質(zhì)地形圖匹配的爆破孔網(wǎng)設(shè)計軟件。該項新技術(shù)應(yīng)用于江西德興銅礦，初步實現(xiàn)了鉆孔作業(yè)和爆區(qū)巖性識別的數(shù)字化。

爆破孔網(wǎng)設(shè)計 GPS OEM 牙輪鉆機 露天礦 巖性識別

應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，研究開發(fā)更加精確、更加可靠的礦山爆破設(shè)計、爆破作業(yè)以及爆破效果評價數(shù)字化和智能化技術(shù)，仍是礦山爆破技術(shù)開發(fā)中的一個主要方向。在國際巖石爆破技術(shù)領(lǐng)域以往同類研究開發(fā)工作的基礎(chǔ)上[1-4]，本研究基于高精度GPS RTK商用連續(xù)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，開發(fā)了一套由GPS OEM板卡、PLC控制器、鉆機主要工作參數(shù)傳感器等組成的露天礦山牙輪鉆機自動尋孔終端，并通過牙輪鉆機工作扭矩、軸壓、鉆進速率參數(shù)的連續(xù)采集，間接獲取鉆孔穿過礦巖的性質(zhì)[5]，力圖實現(xiàn)露天鉆孔設(shè)計、鉆孔作業(yè)和爆區(qū)巖性識別的數(shù)字化和智能化。研究開發(fā)的新系統(tǒng)已在江西德興銅礦進行了初步生產(chǎn)應(yīng)用試驗。

1 系統(tǒng)組成與功能

采用高精度GPS RTK技術(shù)實現(xiàn)鉆機精確定位，主要功能是根據(jù)爆破孔網(wǎng)設(shè)計軟件，設(shè)計出穿孔的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)上傳到爆破管理平臺數(shù)據(jù)庫，鉆機通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實時下載爆破管理平臺數(shù)據(jù)庫穿孔坐標(biāo)，并顯示安裝在鉆機駕駛室鉆機定位與巖性識別系統(tǒng)中的顯示器屏幕上，通過鉆機自動尋孔軟件的指導(dǎo)，輔助鉆機操作者開始穿孔，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)定時將穿孔數(shù)據(jù)上傳到爆破管理平臺數(shù)據(jù)庫，爆破設(shè)計者根據(jù)孔網(wǎng)設(shè)計坐標(biāo)與返回穿孔實際坐標(biāo)分析對比，確定后續(xù)的起爆網(wǎng)絡(luò)方式以及裝藥量的計算。

整個鉆機精確定位和監(jiān)測系統(tǒng)從組成上可分為3部分：鉆機終端定位監(jiān)測系統(tǒng)、無線通訊平臺、監(jiān)控中心上位機軟件控制平臺，如圖1、圖2所示。其中，鉆機終端定位系統(tǒng)由GPS接收機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式工控機以及觸摸屏顯示器等組成。監(jiān)控中心負責(zé)客戶端爆破設(shè)計與鉆機監(jiān)測系統(tǒng)的實時交互和數(shù)據(jù)存儲，由固定IP地址的計算機和爆破管理平臺軟件組成。鉆機終端定位監(jiān)測系統(tǒng)為整個監(jiān)測平臺的主體，主要安裝在礦區(qū)工作的鉆機操作室內(nèi)，用于輔助鉆機操作者實現(xiàn)鉆機精確定位和鉆孔，同時記錄鉆機鉆孔工作過程參數(shù)。

圖1 鉆機終端監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 監(jiān)控中心

2 配套軟件開發(fā)

2.1 鉆機終端監(jiān)測軟件開發(fā)

以Labview8.5軟件作為主要開發(fā)平臺軟件，開發(fā)一套鉆機終端監(jiān)測軟件[6-7]，主要功能模塊有串口與GPS設(shè)備通信讀取模塊、GPGGA、GPRMC等信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度識別模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、研華PCM3718H數(shù)據(jù)卡采集傾角模塊、串口與PLC控制器的通信模塊、GPRS DTU無線接收/發(fā)送模塊等。軟件具有實時顯示鉆機穿孔位置信息，記錄回放、自動定位、鷹眼圖以及電子地圖管理等多種功能，圖3是鉆機工作參數(shù)監(jiān)測界面。

鉆機輔助尋孔功能主要實現(xiàn)輔助鉆機司機完成尋找孔位的功能，爆破設(shè)計人員通過爆破設(shè)計軟件設(shè)計出爆破區(qū)域孔網(wǎng)坐標(biāo)，上傳到服務(wù)器供鉆機使用，鉆機司機通過任務(wù)獲取模塊將孔網(wǎng)坐標(biāo)下載到鉆機顯示終端。鉆機司機可使用鍵盤或自動導(dǎo)航尋孔模式，確定鉆孔孔位，如圖4所示。

圖3 鉆機工作參數(shù)監(jiān)測界面

圖4 輔助尋孔頁

鉆機輔助監(jiān)測軟件尋孔功能分為手動和自動2種模式。手動模式下，選擇孔號，軟件提示鉆機所處位置到達該孔的導(dǎo)航信息，并可以對地圖進行縮放、平移等操作進行查看；自動模式下，軟件根據(jù)鉆機和炮孔的相對位置，自動將其顯示在屏幕中央，直至鉆機距離炮孔在20 cm 范圍內(nèi)，炮孔顏色變黃，可以進行穿孔作業(yè)。圖5是鉆機輔助尋孔示意圖。

圖5 鉆機輔助尋孔示意

2.2 露天爆破孔網(wǎng)設(shè)計軟件開發(fā)

爆破設(shè)計系統(tǒng)軟件主要包括孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計、與服務(wù)器數(shù)據(jù)通訊交互、炮孔顯示、巖性識別和打印報表等功能。爆破設(shè)計軟件可實現(xiàn)露天礦爆破各項參數(shù)的下載和上傳；該軟件對AutoCAD進行二次開發(fā)[8-9]，實現(xiàn)與真實地質(zhì)測繪系統(tǒng)相結(jié)合的可視化顯示及編輯功能；該軟件能根據(jù)現(xiàn)場測得的眉線或者鉆機上次已穿孔信息和用戶設(shè)定的布孔參數(shù)，進行自動優(yōu)化布孔，如圖6所示。

圖6 自動布孔參數(shù)配置界面

爆破設(shè)計軟件還具有根據(jù)鉆機穿孔過程中的采集數(shù)據(jù)，進行爆區(qū)地形、穿孔情況及隨鉆巖性信息的顯示。根據(jù)鉆機實際穿孔信息，爆破設(shè)計軟件反饋調(diào)整爆破設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)礦山爆破最優(yōu)設(shè)計的目標(biāo)。爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)軟件操作主要包括以下7個部分：

(1)安裝爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計軟件到本地計算機，以管理員身份運行。

(2)通過遠程連接服務(wù)器，登陸服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，將服務(wù)器中爆破相關(guān)參數(shù)讀取到本地計算機，主要提供眉線數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆機已布孔位置信息的下載。其中下載過程中可選擇相對應(yīng)的鉆機及相對應(yīng)的時間，輔助設(shè)計人員合理安排穿孔爆破工期。

(3)在設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)的過程中，點擊顯示眉線，便將現(xiàn)場測得的眉線數(shù)據(jù)顯示到地形圖中。為了保證自動布孔的準(zhǔn)確性及實際實用性，軟件采用人工繪制標(biāo)準(zhǔn)線的自動布孔標(biāo)準(zhǔn)，繼而設(shè)計人員配置自動布孔參數(shù)模塊，包括布孔方向、間距、排距、孔數(shù)和布孔區(qū)域形狀等信息，軟件通過計算，得出自動布孔的位置信息，并將其顯示在地質(zhì)測繪的CAD圖上，使設(shè)計人員能夠清楚地看到孔位信息?？筛鶕?jù)實際情況進行修改，尤其是前排孔的繪制。該功能的客戶端界面如圖6所示，點擊窗口任意位置，有控件占據(jù)的位置除外，推薦數(shù)據(jù)可自動刷新。爆破設(shè)計人員可根據(jù)爆區(qū)地形的變化，生成不同布孔區(qū)域。圖7是自動布孔效果圖。

(4)設(shè)計完成后，設(shè)計人員可將設(shè)計的孔位信息保存在本地計算機中，也可以將其上傳到數(shù)據(jù)庫中，供爆破區(qū)域鉆機司機穿孔時使用。

(5)穿孔三維顯示。三維顯示功能主要用于顯示爆區(qū)的地形起伏變化，形象具體地顯示炮孔的穿孔狀態(tài)以及炮孔屬性的查詢，為爆破設(shè)計人員提供參考，三維顯示中所需的參數(shù)來之服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。該功能提供可操作的工具模塊：顯示選擇模塊(可選擇顯示地形曲面圖和鉆機穿孔圖)、查看視角調(diào)整模塊(可分別調(diào)整方位角和視角對三維圖形全方位查看)、縮放模塊(點擊+/-進行縮放調(diào)整)、炮孔屬性查詢模塊(可選擇所要查詢的孔號，點擊查詢，可顯示該炮孔前視/右視的傾角以及該炮孔的所有屬性信息)。另外，鼠標(biāo)拖拽三維顯示圖形可移動圖片。圖8是炮孔三維顯示界面。

(6)隨鉆巖性顯示。巖性識別及顯示模塊主要是針對鉆孔完成后，根據(jù)鉆孔過程中采集的參數(shù)，進行分析處理，得到爆區(qū)的巖性參數(shù)，并對其進行顯示。

圖7 自動布孔效果圖

圖8 炮孔三維顯示

其主要為爆破設(shè)計人員裝藥設(shè)計時調(diào)整裝藥量，根據(jù)不同炮孔的不同巖性信息進行裝藥調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)化爆破。巖性參數(shù)是通過鉆機穿孔過程中的各項參數(shù)計算獲取得到，圖9是巖性巖石堅固性系數(shù)識別圖。

圖9 巖石堅固性系數(shù)示意

(7)本軟件提供打印報表功能。報表中顯示本次設(shè)計的爆區(qū)孔位信息、設(shè)計時間、設(shè)計人員等相關(guān)的信息，打印出來便于管理和存檔。一切操作完成，可使用文件操作功能，對設(shè)計圖紙進行保存或其他相關(guān)記錄處理，結(jié)束后，退出系統(tǒng)。

2.3 爆破一體化綜合管理平臺開發(fā)

建立監(jiān)控中心服務(wù)器，即在固定IP地址計算機上開發(fā)監(jiān)控軟件，架起GPRS、客戶端與服務(wù)器之間的通信橋梁，固定IP地址計算機設(shè)在企業(yè)的服務(wù)器機房。采用這種方案，實現(xiàn)鉆機與爆破設(shè)計之間的實時通信，可以實現(xiàn)管理多臺鉆機的無線通信。實現(xiàn)了管理或控制中心人員對鉆機穿孔狀態(tài)的實時監(jiān)控，為管理人員能夠準(zhǔn)確高效地指揮、調(diào)度、管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，圖10是爆破一體化綜合管理平臺界面。本綜合管理系統(tǒng)也為其他相關(guān)研發(fā)人員提供了爆破設(shè)計相關(guān)參數(shù)，通過設(shè)計布孔位置、實際打孔位置、轉(zhuǎn)速、穿孔率、鉆機回轉(zhuǎn)電機工作參數(shù)等數(shù)據(jù)，分析巖性信息，為優(yōu)化設(shè)計后續(xù)的布孔和裝藥提供有力的參考；實現(xiàn)了信息發(fā)布實時更新，利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，平臺信息和數(shù)據(jù)共享，為數(shù)字化礦山爆破提供了安全有效的管理平臺。

3 在江西德興銅礦的應(yīng)用試驗

江西德興銅礦是中國最大的露天銅礦，在1998年引進美國Modular公司調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了GPS的卡車調(diào)度系統(tǒng)、GPS電鏟調(diào)度，鉆機精確定位系統(tǒng)由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，定位誤差大，不能滿足穿孔要求。牙輪鉆機穿孔還是按照爆破員插竹簽、竹簽引導(dǎo)鉆機穿孔、人工驗收炮孔質(zhì)量的落后局面，鉆機穿孔質(zhì)量差，無法實現(xiàn)鉆機精確施工。根據(jù)礦山爆破對穿孔的要求，聯(lián)合開發(fā)了數(shù)字化鉆機定位系統(tǒng)。

通過一年多的現(xiàn)場試驗，鉆機定位精確可以達到10 cm精確要求，能滿足振動和電壓要求(鉆機電壓比較高，實測251 V以上)，自動尋孔導(dǎo)航軟件簡單方便，便于操作人員使用。

圖10 爆破一體化綜合管理平臺

4 結(jié) 論

本研究開發(fā)的露天鉆機精確定位與隨鉆實時識別巖石參數(shù)系統(tǒng)技術(shù)，硬件系統(tǒng)能夠滿足礦山鉆機惡劣環(huán)境要求，具有可靠、使用穩(wěn)定等優(yōu)點，軟件系統(tǒng)主要結(jié)合爆破設(shè)計人員和鉆機穿孔人員要求開發(fā)，具有使用方便、操作簡單等特點。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了鉆機穿孔巖性的自動識別，爆破孔網(wǎng)設(shè)計參數(shù)與鉆機穿孔的有機結(jié)合；鉆機穿孔的精細化和可視化，對于提高爆破設(shè)計水平、完善精細爆破、減少爆破技術(shù)現(xiàn)場測量人員及其工作強度具有重要作用。

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(責(zé)任編輯 石海林)

A New Technology for Digital Drilling and Automatic Lithology Identification

Duan Yun Xiong Daiyu Xu Guoquan

(BeijingGeneralResearchInstituteofMining&Metallurgy，Beijing100160，China)

In order to achieve the digitization and intelligence of rotary drilling in surface mines，a more accurate and reliable digital drilling and automatic lithology identification technology was developed，which includes both hardware and software system.The hardware consists of a positioning，navigation and lithology perception terminal system，and a wireless data transmission system.The terminal system mainly consists of GPS OEM board，Programmable Logic Controller and sensors of measuring major parameters，and and a wireless data transmission system combines digital blasting platform and wireless transmission facilities.The software includes the navigation software of locating blast holes using LabView and VC++，and the blasthole network design software using AutoCAD ActiveX (C#) technologies.This new technology is applied in Jiangxi Dexing Copper Mine，initially realizing the digitization of drilling and lithology identification in blasting zone.

Design process of holes network，GPS OEM，Rotary drill rig，Open-pit mine，Lithology identification

2015-06-21

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51104018)，北京市西城區(qū)優(yōu)秀人才培養(yǎng)基金項目(編號：20120071)。

段 云(1978—)，男，高級工程師，博士。

TD422，O381

A

1001-1250(2015)-10-125-05