南芬露天礦智能穿爆系統

李蘭彬，趙 力，何 帥，丁 文

（1.本溪鋼鐵（集團）礦業有限責任公司 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，直接影響著后續開采工序的作業效率及礦山生產總成本變化，爆破作業帶來的飛石、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生。

智能、綠色的資源開發與環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。當前智能化發展主要體現在開采環節數字化、采掘裝備自動化、生產過程遙控化、信息傳輸網絡化和經營管理信息化[2]。智能穿爆作業能夠利用先進的自動化和機器人技術，減少人員在危險區域的暴露時間；通過對巖石物理特性、地質結構等數據的分析優化爆破參數和方案，實現高效、精確的穿孔和爆破作業，減少能量浪費和環境污染，降低成本，提高爆破作業的安全性和可靠性；由此提升整個礦山的運營效率和生產效益。

楊林兵等[3]開發了一套智能化臺階爆破設計優化系統軟件，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，對促進爆破行業的本質安全、高質量和可持續發展具有借鑒意義；何茂林[5]為解決爆破設計中布孔手段單一，難以處理不規則邊界等問題，提出了利用智能算法實現爆破參數計算、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Volterra泛函級數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現狀，基于高精度定位技術和無線通信技術，實現穿爆環節的智能化系統建設；通過實時對鉆機的監控、合理的布孔設計，實現穿爆的智能作業。

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、鐵山區和黃柏峪區構成，其中以鐵山區為最大。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%。

南芬露天礦現有鉆機13 臺，以衡陽鉆機為主，分穿孔作業區和爆破作業區，爆破作業區負責孔位設計和放樣，穿孔作業區負責操作鉆機打孔。

由于鉆機設備未安裝數字化設備，在穿孔作業時，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，穿孔作業無法實時掌握鉆機的狀態、位置、當前鉆孔信息等，鉆孔深度也無法實時監測，無法指導司機鉆至設計孔深。導致效率低下。

爆破作業仍然采用人工布孔方式，作業員通過GPS、皮尺等測量儀器對現場逐個孔位進行布置，這個過程比較耗時且需要2 個作業員配合。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，且現場擺放標記受雨雪天氣影響大[8-10]。

2 智能穿爆系統

智能穿爆系統的建設目標應滿足：①系統要能實現布孔的自動化和數字化，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系統要滿足輔助鉆機司機完成導航尋找孔位；③系統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系統要能監測、記錄鉆機的生產過程數據，并有歷史回放，便于事后分析，同時可以根據客戶需求設計相應的報表，統計鉆機產量情況和生產臺時，便于司機考核。

系統由4 部分組成，分別是：車載終端數據采集系統、4G 網絡數據傳輸系統、差分定位系統和調度中心布孔及生產系統。車載終端數據采集系統由車載主機、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、狀態信息、故障信息等。4G 網絡數據傳輸系統主要解決車載終端的數據實時準確的傳輸到調度中心的問題。差分定位系統主要通過建立差分基準站將差分信息傳輸至各分站，實現定位精度的提升；根據露天礦現場的實際情況，車載終端需要接收礦區自建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進行鉆機設備的數據接收與分析，布孔設計，設備效率的統計，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現場對孔位的深度、屬性等信息進行核驗，實時修改最終成孔的孔位信息；報表模塊實現穿爆系統數據的表格化展示。

系統功能包括：

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）統一礦區自定義坐標系。系統可以自動實現坐標轉換，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據，司機根據這些反饋數據調整作業。當鉆孔深度達到任務要求，系統將提示司機。在鉆孔過程中，系統將檢測到的鉆孔數據展現給司機，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。系統可以根據客戶需求設計相應的報表，統計鉆機產量情況和生產臺時，便于司機考核。

6）監測、記錄鉆機的生產過程數據，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，并為調度員提供相應的監控和管理工具，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，不同的狀態通過顏色來區分。其中，黃色代表交接班狀態，橙色表示除交接班外的其他延時狀態，綠色表示作業狀態，藍色表示備用狀態，紅色表示故障狀態。

3 關鍵技術

3.1 設計孔深的計算

一般穿區范圍內地形會呈現高低起伏，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，使穿區內平面高程相差較大，在采集穿區邊界數據時，會對地形變化較大的區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。

本方法適用的前提是穿區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，無法滿足鉆機作業人員實時了解鉆孔孔深的目的，也無法讓鉆機作業人員通過實時孔深數據進行精準完成設計孔深。所以系統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據采集終端的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 的網絡通信方式將孔深數據傳至監控中心，以方便管理人員查看，鉆機作業人員可直接通過車載數據采集終端查看實時孔深數據。

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，P 為轉換參數。

轉換參數P 的求解公式如下：

式中：P 為轉換參數；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；n 為測量次數。

利用孔深傳感器監測鉆桿的實時鉆進情況，幫助鉆機作業人員實時了解當前的鉆孔孔深米數，并通過設計孔深指導作業人員按規定完成鉆孔鉆探，有效地避免了根底的產生，改變了傳統的穿孔作業方式，解放了進米統計人員，提高鉆機的作業效率和人員的工作效率。

4 系統作業流程

系統作業流程如圖1。

圖1 系統作業流程

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范圍進行數據采集，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，根據穿區內的礦巖分布確定行距、孔距參數以及坡頂線的布孔方式，將布孔參數通過軟件在穿區上進行輸入，自動生成穿區鉆孔的平面布置圖，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。穿孔過程一般由車載終端、高精度定位、無線網絡傳輸、調度中心4部分配合完成，布孔計劃通過4G 無線網絡進行下載，差分數據由車載終端通過4G 網絡訪問礦山自建的CORS 站獲取，結合終端自身的定位系統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過程，對數據進行存儲和展示。

3）驗孔過程。驗孔過程是當布孔計劃由穿孔設備全部作業完成后，需要技術員現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、實際孔深、水深、驗孔狀態、控屬性等，只需要輸入實際孔深和水深即可，由于作業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，水位信息也需要現場測量，驗孔數據現場采集后，通過無線網絡自動同步至調度中心。

5 結語

南芬露天礦智能穿爆系統是利用信息化手段，實現穿爆過程的數字化、智能化應用，系統經過多個穿區的實際驗證，整體定位精度滿足現實穿爆要求，考慮司機操作因素，系統水平定位精度達到10 cm以內，垂直定位精度小于20 cm，系統利用數字化手段替代以前的人工作業，將經驗結合布孔軟件內，實現布孔設計、尋孔、穿孔、驗孔工作的智能化，有效地提高了穿爆作業的工作效率，同時降低了穿爆成本。