南芬露天礦智能穿爆系統(tǒng)

李蘭彬，趙 力，何 帥，丁 文

（1.本溪鋼鐵（集團）礦業(yè)有限責任公司 石灰石礦，遼寧 本溪 117100；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；4.遼寧省計量科學研究院，遼寧 沈陽 110004）

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

智能、綠色的資源開發(fā)與環(huán)境保護理念正在逐年提升，機械化換人、自動化減人成為智能礦山建設的目標。當前智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在開采環(huán)節(jié)數(shù)字化、采掘裝備自動化、生產過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡化和經營管理信息化[2]。智能穿爆作業(yè)能夠利用先進的自動化和機器人技術，減少人員在危險區(qū)域的暴露時間；通過對巖石物理特性、地質結構等數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化爆破參數(shù)和方案，實現(xiàn)高效、精確的穿孔和爆破作業(yè)，減少能量浪費和環(huán)境污染，降低成本，提高爆破作業(yè)的安全性和可靠性；由此提升整個礦山的運營效率和生產效益。

楊林兵等[3]開發(fā)了一套智能化臺階爆破設計優(yōu)化系統(tǒng)軟件，提高了設計和鉆孔的準確度，降低大塊率，改善爆破效果；李萍豐等[4]提出了智能臺階爆破定義，分析了智能臺階爆破層次間關系、建設原則和分期建設的智能臺階爆破系統(tǒng)，對促進爆破行業(yè)的本質安全、高質量和可持續(xù)發(fā)展具有借鑒意義；何茂林[5]為解決爆破設計中布孔手段單一，難以處理不規(guī)則邊界等問題，提出了利用智能算法實現(xiàn)爆破參數(shù)計算、孔位智能設計的方法；馬瑞[6]以委內瑞拉CHOCO－10 金礦臺階爆破為研究對象，選擇Maptek公司的Vulcan－11 三維礦山設計軟件對CHOCO－10金礦進行地質建模與爆破優(yōu)化設計；趙明生等[7]基于自適應炮孔布置算法進行炮孔布置，并根據(jù)Volterra泛函級數(shù)的臺階爆破振動效應非線性預測方法對爆破振動進行評估及預測。

綜上，結合南芬露天礦的穿爆作業(yè)現(xiàn)狀，基于高精度定位技術和無線通信技術，實現(xiàn)穿爆環(huán)節(jié)的智能化系統(tǒng)建設；通過實時對鉆機的監(jiān)控、合理的布孔設計，實現(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，該礦屬前震旦紀鞍山式沉積變質鐵礦床，由黑背溝區(qū)、鐵山區(qū)和黃柏峪區(qū)構成，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 個鐵層組成，屬于單斜構造。鐵礦層走向西北，傾向南西，傾角40°～55°。地表露出全長3 400 m，工業(yè)礦段總長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13 臺，以衡陽鉆機為主，分穿孔作業(yè)區(qū)和爆破作業(yè)區(qū)，爆破作業(yè)區(qū)負責孔位設計和放樣，穿孔作業(yè)區(qū)負責操作鉆機打孔。

由于鉆機設備未安裝數(shù)字化設備，在穿孔作業(yè)時，司機仍然采用經驗方式進行打孔，孔位的引導以副司機在地面指引主司機將鉆機開至設計點位，穿孔作業(yè)無法實時掌握鉆機的狀態(tài)、位置、當前鉆孔信息等，鉆孔深度也無法實時監(jiān)測，無法指導司機鉆至設計孔深。導致效率低下。

爆破作業(yè)仍然采用人工布孔方式，作業(yè)員通過GPS、皮尺等測量儀器對現(xiàn)場逐個孔位進行布置，這個過程比較耗時且需要2 個作業(yè)員配合。布孔密度依賴于鉆孔工人的經驗和技術水平，因此布孔的精度和一致性可能存在較大的差異，且現(xiàn)場擺放標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)的建設目標應滿足：①系統(tǒng)要能實現(xiàn)布孔的自動化和數(shù)字化，可以記錄鉆孔的海拔高度、深度、位置、鉆孔時間等生產信息；②系統(tǒng)要滿足輔助鉆機司機完成導航尋找孔位；③系統(tǒng)要將詳細記錄鉆機鉆孔的詳細信息，將孔位坐標及深度上傳，便于爆破設計軟件進行爆破設計；④系統(tǒng)要能監(jiān)測、記錄鉆機的生產過程數(shù)據(jù)，并有歷史回放，便于事后分析，同時可以根據(jù)客戶需求設計相應的報表，統(tǒng)計鉆機產量情況和生產臺時，便于司機考核。

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)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、差分定位系統(tǒng)和調度中心布孔及生產系統(tǒng)。車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由車載主機、GPS 高精度定位天線、通訊天線、專用軟件等幾部分組成，完成設備的實時信息的采集，包括位置信息、狀態(tài)信息、故障信息等。4G 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要解決車載終端的數(shù)據(jù)實時準確的傳輸?shù)秸{度中心的問題。差分定位系統(tǒng)主要通過建立差分基準站將差分信息傳輸至各分站，實現(xiàn)定位精度的提升；根據(jù)露天礦現(xiàn)場的實際情況，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的差分定位，以提高定位精度。調度中心布孔及生產系統(tǒng)進行鉆機設備的數(shù)據(jù)接收與分析，布孔設計，設備效率的統(tǒng)計，由布孔設計模塊、驗孔模塊和報表模塊組成；布孔設計模塊實現(xiàn)通過軟件生成孔位設計圖，鉆孔包括鉆孔號，鉆孔位置，所處平面，計劃深度，完成情況等信息，并能夠將圖下傳給鉆機設備；驗孔模塊利用手持驗孔設備實現(xiàn)現(xiàn)場對孔位的深度、屬性等信息進行核驗，實時修改最終成孔的孔位信息；報表模塊實現(xiàn)穿爆系統(tǒng)數(shù)據(jù)的表格化展示。

系統(tǒng)功能包括：

1）自動布孔?？梢杂涗涖@孔的海拔高度、深度、位置、鉆孔時間等生產信息。

2）統(tǒng)一礦區(qū)自定義坐標系。系統(tǒng)可以自動實現(xiàn)坐標轉換，并可轉換國家坐標。

3）導航自動尋孔。通過液晶屏向司機提供實時數(shù)據(jù)，司機根據(jù)這些反饋數(shù)據(jù)調整作業(yè)。當鉆孔深度達到任務要求，系統(tǒng)將提示司機。在鉆孔過程中，系統(tǒng)將檢測到的鉆孔數(shù)據(jù)展現(xiàn)給司機，并在實時顯示鉆孔效率。

4）鉆孔詳細信息的實時采集。系統(tǒng)能夠將孔位坐標及深度實時上傳，便于爆破設計軟件進行爆破設計。

5）定制化報表。系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求設計相應的報表，統(tǒng)計鉆機產量情況和生產臺時，便于司機考核。

6）監(jiān)測、記錄鉆機的生產過程數(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，真實顯示設備的位置和狀態(tài)，并為調度員提供相應的監(jiān)控和管理工具，存儲時間360 d以上。

7）調度圖表。采用圖表的形式直觀得顯示每臺設備在任一班次的狀態(tài)，不同的狀態(tài)通過顏色來區(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狀態(tài)，綠色表示作業(yè)狀態(tài)，藍色表示備用狀態(tài)，紅色表示故障狀態(tài)。

3 關鍵技術

3.1 設計孔深的計算

一般穿區(qū)范圍內地形會呈現(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，可能會產生根底，使穿區(qū)內平面高程相差較大，在采集穿區(qū)邊界數(shù)據(jù)時，會對地形變化較大的區(qū)域進行高程離散點采集，而在實際布孔設計中，設計孔位位置并沒有對應的離散點高程，從而無法計算設計孔深，需要進行高程插值。假設設計孔位H 的坐標為（Hx，Hy，Hz），H 附近的采集離散點的坐標為（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)的離散點采集要均勻，對高程起伏特征點周圍采集密度要加密，由于穿區(qū)范圍一般不會過大，所以此方法計算速度快，均勻采點的情況下，精度較高，適合現(xiàn)場布孔設計。

3.2 實際孔深的采集

露天礦山穿孔深度的采集一般采用人工測量的方式，即在成孔后，由專門技術人員在現(xiàn)場通過吊繩的方式進行孔深測量，這是一種事后測量的方式，無法滿足鉆機作業(yè)人員實時了解鉆孔孔深的目的，也無法讓鉆機作業(yè)人員通過實時孔深數(shù)據(jù)進行精準完成設計孔深。所以系統(tǒng)設計了一種孔深采集裝置，通過在牙輪鉆機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，進行實時采集孔深傳感器測量的鉆孔深度，無線通信終端通過TCP 的網(wǎng)絡通信方式將孔深數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心，以方便管理人員查看，鉆機作業(yè)人員可直接通過車載數(shù)據(jù)采集終端查看實時孔深數(shù)據(jù)。

實際孔深的計算方式可用公式：L＝C×P 求解。

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

轉換參數(shù)P 的求解公式如下：

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

利用孔深傳感器監(jiān)測鉆桿的實時鉆進情況，幫助鉆機作業(yè)人員實時了解當前的鉆孔孔深米數(shù)，并通過設計孔深指導作業(yè)人員按規(guī)定完成鉆孔鉆探，有效地避免了根底的產生，改變了傳統(tǒng)的穿孔作業(yè)方式，解放了進米統(tǒng)計人員，提高鉆機的作業(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）布孔設計。礦山采用高精度手持測量儀，針對即將爆破的穿區(qū)范圍進行數(shù)據(jù)采集，包括坡頂線形狀、邊排線方向等，為了更好布孔設計，坡頂線應盡量采集反映實際形狀的離散點，根據(jù)穿區(qū)內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)通過軟件在穿區(qū)上進行輸入，自動生成穿區(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）穿孔過程。通過布孔設計模塊完成布孔計劃后，穿孔設備司機可將計劃下載至機臺，司機按終端提示指引尋找孔位，進行穿孔作業(yè)。穿孔過程一般由車載終端、高精度定位、無線網(wǎng)絡傳輸、調度中心4部分配合完成，布孔計劃通過4G 無線網(wǎng)絡進行下載，差分數(shù)據(jù)由車載終端通過4G 網(wǎng)絡訪問礦山自建的CORS 站獲取，結合終端自身的定位系統(tǒng)完成當前位置的計算和目標孔位的尋找，調度中心能夠實時掌握穿孔設備的作業(yè)過程，對數(shù)據(jù)進行存儲和展示。

3）驗孔過程。驗孔過程是當布孔計劃由穿孔設備全部作業(yè)完成后，需要技術員現(xiàn)場對已完成鉆孔的基本信息進行核驗的過程，基本信息包括回填米數(shù)、實際孔深、水深、驗孔狀態(tài)、控屬性等，只需要輸入實際孔深和水深即可，由于作業(yè)完成后鉆孔可能存在塌孔情況，實際孔深與穿孔孔深并不一致，當鉆孔有水的情況下，水位信息也需要現(xiàn)場測量，驗孔數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集后，通過無線網(wǎng)絡自動同步至調度中心。

5 結語

南芬露天礦智能穿爆系統(tǒng)是利用信息化手段，實現(xiàn)穿爆過程的數(shù)字化、智能化應用，系統(tǒng)經過多個穿區(qū)的實際驗證，整體定位精度滿足現(xiàn)實穿爆要求，考慮司機操作因素，系統(tǒng)水平定位精度達到10 cm以內，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)，將經驗結合布孔軟件內，實現(xiàn)布孔設計、尋孔、穿孔、驗孔工作的智能化，有效地提高了穿爆作業(yè)的工作效率，同時降低了穿爆成本。