露天礦山炸藥車智能裝藥的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：在露天礦深孔爆破中，混裝炸藥車裝藥的準(zhǔn)確性對(duì)降低成本和控制爆破效果尤為重要，通過打通智能爆破設(shè)計(jì)、智能鉆機(jī)布孔、智能炮孔測(cè)量、智能炸藥車裝藥、智能網(wǎng)絡(luò)起爆等工藝流程，重點(diǎn)對(duì)高精度炮孔定位、炮孔智能測(cè)量、混裝炸藥車精準(zhǔn)裝藥等關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)混裝炸藥車智能裝藥，以打造具有示范效應(yīng)的安全、高效、綠色、智能的露天礦山。

關(guān)鍵詞：高精定位 ?智能測(cè)量 ?機(jī)器人 ?智能裝藥??無人機(jī) ?自主導(dǎo)航 ?AI識(shí)別

中圖分類號(hào)：TD23 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??文章編號(hào)：1672-3791（2022）02（a）-0000-00

Research on the Key Technology of Intelligent Charge of Explosive Truck in

Open-pit Mine

Abstract： In deep-hole blasting in open-pit mines， the accuracy of mixed explosive vehicle charging is particularly important for reducing costs and controlling the blasting effect. Through intelligent blasting design， intelligent drilling rig hole layout， intelligent blast hole measurement， and intelligent explosive vehicle charging ， intelligent network initiation and other technological processes， focusing on the research of key technologies such as high-precision blast hole positioning， blast hole intelligent measurement， and precise charging of mixed explosives vehicles， to realize the intelligent charging of mixed explosives vehicles， and create a safe and efficient demonstration effect. ， Green and smart open-pit mine.

Key Words： High-precision positioning; Intelligent measurement; Robot; Intelligent charge; Unmanned aerial vehicle; Autonomous navigation;?AI recognition

深孔爆破是露天礦山開采的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，爆破效果的好壞直接關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)的效率和成本，進(jìn)而影響生產(chǎn)流程連續(xù)性，是礦山生產(chǎn)的重中之重。大型露天礦山普遍采用牙輪轉(zhuǎn)機(jī)穿孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了爆區(qū)面大、多排、微差、深孔爆破，近年來我國露天礦山對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)果、充填方法、起爆順序、微差間隔時(shí)間等方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了可喜的成績，隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，有效提高了采礦作業(yè)的綜合效率。目前，我國露天礦高臺(tái)階爆破的技術(shù)水平已躋身世界先進(jìn)技術(shù)行列，展望今后露天礦山爆破必將向著精準(zhǔn)化、規(guī)?；⒆詣?dòng)化、智能化和安全高效化的方向發(fā)展。

通過對(duì)智能裝藥技術(shù)進(jìn)行研究，應(yīng)用智能化孔深測(cè)定裝置和混裝炸藥車自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)，對(duì)炮孔（水）深度及孔底溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而指導(dǎo)混裝炸藥車智能裝藥，有效控制爆破作業(yè)效果，提升爆破作業(yè)質(zhì)量，降低炸藥消耗成本，使爆破作業(yè)更加智能化。

通過將爆破參數(shù)調(diào)整、爆破設(shè)計(jì)、鉆機(jī)布孔、炮孔測(cè)量、炸藥車裝藥、網(wǎng)絡(luò)起爆等環(huán)節(jié)打通，實(shí)現(xiàn)爆破工藝自動(dòng)化、智能化，使布孔工作量減少2/3，有效拋擲率提至35%。

對(duì)現(xiàn)有爆破工藝下，煤層爆破后各體積下煤礦量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，掌握煤層爆破塊度分布特征，結(jié)合室內(nèi)沖擊載荷作用下煤巖力學(xué)試驗(yàn)，建立爆破參數(shù)與塊度分布之間的聯(lián)系，通過調(diào)整爆破參數(shù)，有效地調(diào)控爆破塊度，從而最大限度地提高最佳尺寸煤塊，減少二次搬運(yùn)及破碎帶來的成本投入，同時(shí)有效控制細(xì)粉顆粒的比例，達(dá)到爆破粉塵污染有效控制的目的。

綜合利用面向?qū)ο螅∣OP）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（CIS）、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、多維數(shù)據(jù)庫理論和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，自主開發(fā)爆破數(shù)字化綜合處理系統(tǒng)和爆破設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)、安全分析、效果模擬、仿真分析的智能化。

基于北斗高精度定位技術(shù)，利用定位主機(jī)和智能布孔軟件，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)智能布孔定位和自動(dòng)導(dǎo)航等功能，對(duì)鉆機(jī)布孔的深度控制在小于5?cm的精度，實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)的可視化、自動(dòng)化和智能化。

采用履帶式機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)，完成炮孔位置智能巡航。通過機(jī)械臂上的高清攝像頭，完成圖像識(shí)別自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)孔位，然后進(jìn)行炮孔孔深、水深、孔溫等數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)量，并將整個(gè)爆區(qū)炮孔數(shù)據(jù)，通過4G網(wǎng)上傳至服務(wù)器，為后續(xù)裝藥提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

對(duì)混裝炸藥車進(jìn)行升級(jí)改造，利用自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)，通過4G網(wǎng)從服務(wù)器自動(dòng)獲取炮孔相關(guān)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算炮孔的裝藥種類和數(shù)量，并進(jìn)行智能裝藥。裝藥作業(yè)完成后將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，形成裝藥數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

采用數(shù)碼電子雷管，實(shí)現(xiàn)延期范圍寬、延時(shí)精度高、使用安全高效、能完全避免非電網(wǎng)絡(luò)雷管跳段的可能性，解決了炮孔盲炮和拒爆現(xiàn)象，使爆破起爆技術(shù)更加科學(xué)、可控、精確。

在露天礦、炸藥廠等生產(chǎn)現(xiàn)場部署智能裝藥系統(tǒng)：包括炸藥車自動(dòng)裝藥控制裝置26套、智能孔深測(cè)定儀及軟件3套、機(jī)械臂與控制裝置3套、履帶車3臺(tái)，炸藥車PLC模塊改造1套、PLC軟件升級(jí)1套，Phantom 4無人機(jī)1臺(tái)、北斗基準(zhǔn)站1套、服務(wù)器及軟件1臺(tái)、交換機(jī)2臺(tái)、4G CPE 30臺(tái)、UPS后備電源1套等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦山高精度炮孔定位、炮孔智能測(cè)量、混裝炸藥車精準(zhǔn)裝藥等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。

通過無人機(jī)攜帶的高清攝像機(jī)對(duì)擬爆區(qū)鉆孔進(jìn)行圖像采集，結(jié)合無人機(jī)上的GNSS-RTK高精度北斗定位系統(tǒng)和北斗基準(zhǔn)站，可標(biāo)定擬爆區(qū)炮孔坐標(biāo)參數(shù)，經(jīng)標(biāo)定后的炮孔坐標(biāo)信息發(fā)送給孔深測(cè)量裝置和混裝炸藥車自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)，孔深測(cè)量裝置和混裝炸藥車按照炮孔坐標(biāo)開展下一步工序。

精靈Phantom4是一款小型多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)，面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，能夠全面提升航測(cè)效率，同時(shí)集成全新RTK模塊，擁有更強(qiáng)大的抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位數(shù)據(jù)，顯著提升圖像元數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度。飛行器持續(xù)記錄衛(wèi)星原始觀測(cè)值、相機(jī)曝光文件等數(shù)據(jù)，在作業(yè)完成后，用戶可直接通過DJI云PPK服務(wù)器解算出高精度位置信息。定位系統(tǒng)支持連接D-RTK 2高精度GNSS移動(dòng)站，并可通過4G無線網(wǎng)卡與NTRIP連接，實(shí)現(xiàn)飛控、相機(jī)與RTK的時(shí)鐘系統(tǒng)微秒級(jí)同步，相機(jī)成像時(shí)刻毫秒級(jí)誤差。通過對(duì)相機(jī)鏡頭光心位置和RTK天線中心點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，減少位置信息與相機(jī)的時(shí)間誤差，為影像提供更精確的位置信息。

爆破設(shè)計(jì)人員通過爆破數(shù)字化綜合處理系統(tǒng)（Ksbp）及基于Auto CAD平臺(tái)下的爆破設(shè)計(jì)軟件完成臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)，確定擬爆區(qū)的位置、孔數(shù)、編號(hào)、計(jì)劃裝藥種類、數(shù)量等參數(shù)。鉆機(jī)完成炮孔鉆進(jìn)作業(yè)后，無人機(jī)按照規(guī)劃區(qū)域路徑對(duì)擬爆區(qū)進(jìn)行圖像采集，一般擬爆區(qū)的面積較大，拍攝高度要達(dá)到50?m，需要拍攝10～50張照片不等來覆蓋整個(gè)擬爆區(qū)，通過圖像拼接軟件處理，把多張照片拼成一張完整的炮孔圖，并在這張圖上對(duì)每個(gè)炮孔的自動(dòng)圖像識(shí)別。

根據(jù)無人機(jī)測(cè)定的中心坐標(biāo)和高空攝影比例尺，找到每個(gè)炮孔的坐標(biāo)，并通過RTK修正，得到每個(gè)炮孔的高精度坐標(biāo)，形成擬爆區(qū)的孔位坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫。這樣擬爆區(qū)每個(gè)炮孔都有自己的精確坐標(biāo)，炮孔智能測(cè)量機(jī)器人按照坐標(biāo)規(guī)劃路徑，自動(dòng)尋找孔位進(jìn)行測(cè)量。

一般露天礦的臺(tái)階鉆孔深度在12～20 m之間，有也更深的鉆孔，所以鉆孔作業(yè)存在時(shí)間差，對(duì)于已鉆完的炮孔，等到最后裝藥時(shí)，可能因?yàn)榭妆谒?、孔?nèi)滲水等原因，已經(jīng)達(dá)不到爆破設(shè)計(jì)要求，需要再次穿孔或重新計(jì)算裝藥種類和數(shù)量，在裝藥前，需要對(duì)每個(gè)炮孔測(cè)量。目前，爆破技術(shù)人員只能拿測(cè)繩，竹竿等簡易的工具進(jìn)行測(cè)量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，通過對(duì)炮孔智能測(cè)量機(jī)器人可以解決這一難題。炮孔智能測(cè)量機(jī)器人由六軸機(jī)械臂、差分RTK天線、控制器、孔深測(cè)定儀、履帶車五部分組成，能夠自動(dòng)行走、定位、伸展、控制，最終達(dá)到智能測(cè)量的功能，圖1為炮孔智能測(cè)量機(jī)器人組成示意圖。

露天礦采礦場地凸凹不平，地形復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)在所有炮孔旁的任意位置，將機(jī)械臂上的孔深測(cè)定儀按要求自動(dòng)移動(dòng)到炮孔上方，機(jī)械臂必須做到按照時(shí)間最優(yōu)地規(guī)劃歸集在三維空間范圍內(nèi)自由活動(dòng)，因此采用六軸智能機(jī)械臂是最佳選擇，機(jī)械臂設(shè)計(jì)有6個(gè)關(guān)節(jié)，包括基座、肩部、肘部、腕部1、腕部2和腕部3，腕部3是終端關(guān)節(jié)，可以連接工具等設(shè)備。機(jī)械臂通過編程平臺(tái)，按照現(xiàn)場實(shí)際需要，進(jìn)行位移計(jì)算，控制器驅(qū)動(dòng)三級(jí)電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的三維空間的快速位移和精準(zhǔn)控制。

智能機(jī)械臂在完成一個(gè)炮孔的測(cè)量過程中，必須遵循以下原則：履帶車移動(dòng)過程中機(jī)械臂始終處于收攏狀態(tài)，從而減少因移動(dòng)過程中顛簸、震動(dòng)對(duì)機(jī)械臂產(chǎn)生破壞。到達(dá)炮孔附近時(shí)，因炮孔的渣堆有一定的高度，所以機(jī)械臂應(yīng)該從高處作為初始點(diǎn)，防止刮碰炮孔的渣堆，保證設(shè)備的正常使用。機(jī)械臂需要通過圖像識(shí)別技術(shù)完成中心定位功能，以便設(shè)備自動(dòng)將測(cè)量重錘準(zhǔn)確投入炮孔。在孔深測(cè)定儀重錘下降或上升期間，機(jī)械臂應(yīng)該停在原來的位置上，避免因移動(dòng)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。炮孔測(cè)量完畢后，機(jī)械臂恢復(fù)到原始收攏狀態(tài)。

大型直流電驅(qū)動(dòng)履帶車可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，無人駕駛等功能。采用工程橡膠履帶組合式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，不易脫帶，適用于礦山泥濘坑洼路面;采用一體式高強(qiáng)鋼板底盤，車體強(qiáng)度高，防護(hù)等級(jí)IP65;采用組合滾軸式驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)，有效減少摩擦，降低噪音;采用5*2擺臂克里斯蒂減震結(jié)構(gòu)懸掛部分，可有效過濾震動(dòng)，降低地形對(duì)上裝設(shè)備的影響;采用行星減速機(jī)，整機(jī)效率高續(xù)航時(shí)間大幅提高;采用全密封結(jié)構(gòu)輪系，軸承壽命大幅提高，維護(hù)簡單;采用差速滑移轉(zhuǎn)向，可以原地360°轉(zhuǎn)向，機(jī)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)向空間小。

智能化路徑自動(dòng)規(guī)劃控制器安裝在履帶車內(nèi)，是履帶車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛的中心決策單元，控制器通過接收已有炸藥混裝車監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的導(dǎo)航地圖，同時(shí)通過自身攜帶的高精度GNSS-RTK衛(wèi)星定位模塊和多軸陀螺儀模塊，結(jié)合核心軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶車電機(jī)的控制，指導(dǎo)履帶車行走路線、導(dǎo)航和動(dòng)作決策，通過CANopen通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)控制器與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

通過圖像識(shí)別-人工調(diào)整的方法，設(shè)計(jì)完成履帶車最優(yōu)的移動(dòng)路徑規(guī)劃，形成移動(dòng)路線圖。履帶車控制器接收服務(wù)器下發(fā)的履帶車規(guī)劃路徑、炮區(qū)炮孔坐標(biāo)信息、電子圍欄信息、障礙物范圍信息和禁止進(jìn)入?yún)^(qū)域信息后，逐行逐排完成炮孔自動(dòng)巡航，并對(duì)每一個(gè)炮孔進(jìn)行測(cè)量，最后獲得炮孔相關(guān)數(shù)據(jù)。

為提高爆破工藝的精確裝藥，有效控制爆破效果，降低爆破作業(yè)成本，需要對(duì)炮孔孔深、孔內(nèi)水深及孔底溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并通過礦區(qū)4G專網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，爆破工程師根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)炮孔的裝藥種類和裝藥量進(jìn)行核算和修訂，最終到達(dá)精準(zhǔn)裝藥。

孔深測(cè)定儀采用鋁合金外殼或碳纖維外殼，由炮孔識(shí)別攝像頭、孔深測(cè)量吊墜重錘、控制器、電機(jī)等組成，通過RS485或其他異步通信模式與主控設(shè)備通訊，接收主控板給出命令，發(fā)送測(cè)定的結(jié)果數(shù)據(jù)。步進(jìn)電機(jī)具有啟動(dòng)、加速、勻速自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，到達(dá)底部和地面時(shí)可以及時(shí)減速、停轉(zhuǎn)。

通過對(duì)露天礦的炮孔進(jìn)行大量的圖像建模，建立炮孔識(shí)別模型，采用圖像AI識(shí)別技術(shù)，將實(shí)際炮孔與炮孔識(shí)別模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算、快速識(shí)別、比較，最終獲得炮孔中心點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)智能AI算法完成炮孔中心定位后，發(fā)送指令給主控板，主控板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，孔深測(cè)定儀吊墜重錘開始下降，并進(jìn)行測(cè)量，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中編碼器記錄轉(zhuǎn)動(dòng)的位移量，并換算成深度值。同時(shí)重錘到底后，與重錘連接的溫度傳感器記錄孔底溫度。

吊墜重錘相連的吊繩與重力傳感器連接，重錘在運(yùn)行過程中的各種敏感信息，都能夠被傳感器捕捉到，無論是達(dá)到孔底還是遇到水面。當(dāng)重錘遇到水面時(shí)，重力傳感器的信息發(fā)生小幅度變化，程序判斷此炮孔有水，并記錄重錘在水中下降的距離，實(shí)時(shí)傳送到控制器內(nèi);當(dāng)重錘下降到孔底時(shí)，重力傳感器的信息發(fā)生大幅度變化，程序判斷重錘到底，控制器自動(dòng)發(fā)出請(qǐng)求，電機(jī)反轉(zhuǎn)，重錘上升。

混裝炸藥車經(jīng)過升級(jí)改造，能夠自動(dòng)識(shí)別每個(gè)炮孔的精確位置，并按照自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)發(fā)出的指令完成精準(zhǔn)裝藥。改造后的混裝炸藥車具備高精度GNSS微型定位系統(tǒng)，采用RTK高精度差分定位，精度在厘米級(jí)，擁有高速主控版和顯示器，能夠自動(dòng)顯示接近的孔位。對(duì)炸藥車的PLC模塊硬件進(jìn)行升級(jí)，增加RS485通信接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)與炸藥車PLC之間互相通訊，同時(shí)升級(jí)軟件功能，增加控制協(xié)議。采用CPE-4G無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)炮孔數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，安裝了轉(zhuǎn)角傳感器，在混裝炸藥車裝藥筒拉動(dòng)過程中，自動(dòng)計(jì)算最近炮孔的位置，并顯示在屏幕上。

通過礦區(qū)4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在北斗基準(zhǔn)站、無人機(jī)、炮孔智能測(cè)量機(jī)器人、混裝炸藥車和服務(wù)器之間地進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。混裝炸藥車獲取炮孔智能測(cè)量機(jī)器人測(cè)量的孔深、水深等數(shù)據(jù)后，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)炮孔裝藥的種類和數(shù)量，并向炸藥車PLC模塊發(fā)送裝藥指令。裝藥作業(yè)完成后，自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)將該炮孔的孔（水）深、孔底溫度、炸藥種類、裝藥數(shù)量、炸藥車車號(hào)、爆破工程師姓名、駕駛員姓名等詳細(xì)數(shù)據(jù)整理、上傳到服務(wù)器，形成炮孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，供相關(guān)部門使用。

為保證安全，在裝藥過程中，炸藥車4G發(fā)射器處于暫停發(fā)射狀態(tài)，當(dāng)離開炮孔一定的距離后，重新開始工作。

（1）炮孔智能測(cè)量機(jī)器人測(cè)量的炮孔數(shù)據(jù)精度高、誤差小，參數(shù)更加準(zhǔn)確，自動(dòng)裝藥控制系統(tǒng)計(jì)算的裝藥種類及數(shù)量更加準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)裝藥。裝藥效率更加高效，炸藥消耗更加節(jié)省，爆破質(zhì)量更加優(yōu)質(zhì)，二次爆破數(shù)量明顯減少，爆堆粒度分布均勻，大塊率明顯降低，大大減少了電鏟啃根底，提高了運(yùn)輸效率，對(duì)于采剝總量在上億立方米的特大型露天煤礦，每年可帶來數(shù)百萬元以上的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過高精度炮孔定位和炮孔智能測(cè)量技術(shù)將裝藥前單孔測(cè)量時(shí)間縮短為1?min，機(jī)器人作業(yè)替代了人工測(cè)量，大大減少了爆破現(xiàn)場的作業(yè)人員數(shù)量，降低了人工成本投入，現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)有效降低，安全效益顯著提高。

（3）通過炸藥車智能裝藥技術(shù)，提升了生產(chǎn)現(xiàn)場的自動(dòng)化和智能化水平，結(jié)合一體化生產(chǎn)執(zhí)行平臺(tái)、一張圖等先進(jìn)應(yīng)用，可以有效提升煤礦的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、計(jì)劃編制、調(diào)度指揮和作業(yè)管理效率，實(shí)現(xiàn)以效益為中心的煤炭生產(chǎn)科學(xué)化管理。

準(zhǔn)能集團(tuán)通過“數(shù)字礦山”項(xiàng)目的實(shí)施，已經(jīng)構(gòu)建了初步的“智能露天煤礦”總體架構(gòu)，下一步將加快應(yīng)用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等先進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)實(shí)施鉆機(jī)的無人駕駛，最終達(dá)到降本、增效、減人、保安的目的。

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作者簡介：郭文馨（1985—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榈V山智能化與無線通信。

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