我國(guó)地下礦山鑿巖裝備應(yīng)用現(xiàn)狀與鑿巖智能化發(fā)展方向

吳昊駿 紀(jì)洪廣 龔 敏 劉翔宇

（北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083）

近年來(lái)，隨著安全要求與環(huán)保意識(shí)的提升［1］，部分礦山企業(yè)已逐步引入鑿巖臺(tái)車等大型自動(dòng)化設(shè)備［2］，以取代人工粗放的作業(yè)模式。同時(shí)行業(yè)層面，也在尋求將自動(dòng)采礦模式進(jìn)一步發(fā)展為智能采礦模式［3］。對(duì)于需要采用鉆爆法施工實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)目的的礦山而言，采用數(shù)字化、智能化的鑿巖臺(tái)車［4］更能達(dá)到精度高、效率高、安全經(jīng)濟(jì)的目的。

鑿巖臺(tái)車是主要用于井巷、隧道鉆爆掘進(jìn)時(shí)鉆鑿炮孔和錨桿孔的大型掘進(jìn)設(shè)備。根據(jù)掘進(jìn)斷面尺寸及巖石性質(zhì)的不同，配備數(shù)量及尺寸不等的鉆臂，鉆臂負(fù)責(zé)支承、推進(jìn)、移動(dòng)對(duì)應(yīng)等級(jí)的鑿巖機(jī)。按照自動(dòng)化水平的不同，可粗略分為普通的鑿巖臺(tái)車（液壓手動(dòng)控制）和鑿巖機(jī)器人（電腦控制）兩類。一般而言，鑿巖臺(tái)車主要由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。普通鑿巖臺(tái)車通過(guò)人工控制閥組的方式實(shí)現(xiàn)鉆臂的運(yùn)動(dòng)和鑿巖機(jī)的正常工作；而鑿巖機(jī)器人可以通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)向控制系統(tǒng)發(fā)送指令的方式實(shí)現(xiàn)炮孔自動(dòng)定位和自動(dòng)鉆進(jìn)，人工干預(yù)程度較少，這是今后鑿巖爆破的發(fā)展方向。

國(guó)外企業(yè)從20世紀(jì)60年代末開始，已研發(fā)、生產(chǎn)、銷售了多代鑿巖臺(tái)車［5］，基本占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要份額，國(guó)際大型企業(yè)主要有Atlas Copco、Sandvik等。國(guó)內(nèi)由于研發(fā)試驗(yàn)時(shí)間短，且國(guó)外公司對(duì)設(shè)計(jì)、控制技術(shù)嚴(yán)格保密，導(dǎo)致我國(guó)研發(fā)的鑿巖臺(tái)車在推廣應(yīng)用層面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。工程建設(shè)單位也往往傾向于應(yīng)用進(jìn)口產(chǎn)品，但無(wú)法獲得其高端功能的使用授權(quán)。從公開報(bào)道來(lái)看，國(guó)外學(xué)者在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)［6-9］，普遍采用自動(dòng)化水平較高的鑿巖臺(tái)車，或直接對(duì)鑿巖臺(tái)車在施工中暴露出的問(wèn)題提出改進(jìn)或升級(jí)建議。國(guó)內(nèi)鮮有這樣的報(bào)道，主要是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車尚未成為主要的掘進(jìn)裝備，更深層的問(wèn)題有待發(fā)掘。

本研究總結(jié)了鑿巖臺(tái)車在國(guó)內(nèi)金屬礦山、煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀，定量化評(píng)價(jià)了鑿巖臺(tái)車在鉆孔精確度、鉆孔效率、人員安全性、環(huán)保指標(biāo)等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；根據(jù)應(yīng)用中體現(xiàn)出的優(yōu)缺點(diǎn)歸納得出巷道掘進(jìn)工程中采用鑿巖臺(tái)車時(shí)需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題；結(jié)合目前國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平提出了相應(yīng)建議，就定位精度及補(bǔ)償、電液控制、孔序規(guī)劃、鉆孔參數(shù)自動(dòng)匹配及卡釬處理，以及無(wú)線通信等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了具體闡述；最后分析了進(jìn)一步研發(fā)、推廣國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車面臨的不足與挑戰(zhàn)，總結(jié)并展望了國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的發(fā)展路線。

1 鑿巖臺(tái)車應(yīng)用現(xiàn)狀

巷道掘進(jìn)是礦山建設(shè)的重要組成部分，本研究分別對(duì)鑿巖臺(tái)車在金屬礦山和煤礦巷道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1 鑿巖臺(tái)車在金屬礦的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

金屬礦主要包括露天開采和地下開采兩種［10］。近20年來(lái)，隨著高強(qiáng)度開采的持續(xù)，已有大量的大中型露天礦轉(zhuǎn)入地下開采［11］。金屬礦地下開采一般有4個(gè)步驟，即開拓、采準(zhǔn)、切割以及回采。雖然學(xué)者們更關(guān)注采礦方法［12］及能夠施作扇形孔的潛孔鉆機(jī)［13-14］等大型機(jī)械，但隨著越來(lái)越多新地下礦的開發(fā)，為了滿足未來(lái)礦山智能化、無(wú)人化［15-16］的發(fā)展要求，開拓巷道掘進(jìn)技術(shù)及掘進(jìn)裝備的研究應(yīng)得到更多的重視。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，匯總了各類金屬礦山在21世紀(jì)前20年在開拓巷道掘進(jìn)實(shí)踐中使用的鑿巖設(shè)備及相應(yīng)的爆破工藝信息，結(jié)果如表1所示。

注：帶“*”數(shù)值表示該鉆孔深度超出了常規(guī)2.0 m左右的鉆孔深度，疑似現(xiàn)場(chǎng)采用了靈活多變的鉆孔技術(shù)。

由表1可知：有7個(gè)案例使用了鑿巖臺(tái)車，型號(hào)以Boomer 281居多（4例）；其余20個(gè)案例使用的鑿巖設(shè)備為氣動(dòng)鑿巖機(jī)，型號(hào)主要為YT28和7655。因此，使用鑿巖臺(tái)車的案例占到總案例的26%?？傮w上，金屬礦山鑿巖臺(tái)車應(yīng)用案例較少。

所調(diào)查案例中，使用鑿巖臺(tái)車的金屬礦山信息匯總?cè)绫?所示。由表2可知：由于使用鑿巖臺(tái)車或氣動(dòng)鑿巖機(jī)主要取決于企業(yè)綜合實(shí)力、生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益等因素，總體來(lái)說(shuō)，東部地區(qū)鑿巖臺(tái)車機(jī)械化、自動(dòng)化程度高于中西部地區(qū)。

由于各礦山使用的鑿巖設(shè)備可能不止一種，對(duì)案例中各設(shè)備出現(xiàn)的頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以得出：鑿巖臺(tái)車占所有鑿巖設(shè)備的25.8%，與其案例占比非常接近，所有類型鑿巖臺(tái)車中，由Atlas售出的至少占總份額的3/4。而在氣動(dòng)鑿巖機(jī)中，YT28占到56.5%，其余各類型氣動(dòng)鑿巖機(jī)如7655等，占比不到1/2。

在表1內(nèi)所有27個(gè)案例中，有23個(gè)案例提供了巖石堅(jiān)固性系數(shù)數(shù)據(jù)。有數(shù)據(jù)的案例中，自上而下第5、6、17、20、21號(hào)為使用鑿巖臺(tái)車鉆孔案例。圖2（a）為案例中巖石堅(jiān)固性系數(shù)分布情況，根據(jù)各系數(shù)區(qū)間的出現(xiàn)次數(shù)繪制了直方圖，如圖2（b）所示。

由圖2（b）可知：金屬礦巷道巖石堅(jiān)固性系數(shù)分布在10～15范圍的較多。有案例證明，在該堅(jiān)固性系數(shù)區(qū)間內(nèi)，鑿巖臺(tái)車仍然有較好的適應(yīng)性，證明堅(jiān)固性系數(shù)差異不是阻礙使用鑿巖臺(tái)車替換氣動(dòng)鑿巖機(jī)的主要因素。

2002—2020年我國(guó)礦山企業(yè)應(yīng)用鑿巖設(shè)備的情況如圖3所示。由圖3可知：20年內(nèi)氣動(dòng)鑿巖機(jī)和鑿巖臺(tái)車一直處于共存的狀態(tài)，并無(wú)相互取代的明顯趨勢(shì)，但不論使用哪種掘進(jìn)設(shè)備，單循環(huán)進(jìn)尺均處于上升趨勢(shì)?？傮w上，使用鑿巖臺(tái)車時(shí)的進(jìn)尺要整體高于使用氣動(dòng)鑿巖機(jī)，這是因?yàn)殍弾r臺(tái)車裝備的釬桿較長(zhǎng)，例如Atlas Boomer 281經(jīng)常配備3.7 m長(zhǎng)的釬桿，而Atlas Boomer 282可以裝備5 m長(zhǎng)釬桿，鉆孔深度普遍為3.2～3.7 m。相比于YT28等氣動(dòng)鑿巖機(jī)使用的2.2 m或3 m長(zhǎng)釬桿，炮孔深度一般不超過(guò)2.5 m。總體上，鑿巖臺(tái)車的優(yōu)勢(shì)顯著。

對(duì)比斷面形狀和斷面尺寸數(shù)據(jù)，所鉆巷道斷面主要是直墻拱形，偶有矩形或異形巷道。但從斷面尺寸上看，鑿巖臺(tái)車所在巷道往往較寬，一般在4.8 m及以上；而使用氣動(dòng)鑿巖機(jī)的巷道寬度往往為3～4 m，也有大量寬度小于2 m的案例存在。可以看出，在選購(gòu)鑿巖臺(tái)車時(shí)，應(yīng)考慮其外形尺寸和作業(yè)范圍與開挖斷面的匹配程度，以充分發(fā)揮機(jī)械的作用［44］。由于金屬礦山存在大量斷面尺寸較小的巷道，掘進(jìn)時(shí)沒(méi)有體型較小的鑿巖臺(tái)車可選，則勢(shì)必將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用人工手持器械進(jìn)行鉆孔作業(yè)。有條件的礦山，例如巷道斷面尺寸大于4 m×4 m時(shí)，可考慮使用鑿巖臺(tái)車。

嵩縣山金礦業(yè)為提高井下生產(chǎn)效率和機(jī)械化作業(yè)水平，擬推廣使用鑿巖臺(tái)車［45］，并就鑿巖臺(tái)車和氣動(dòng)鑿巖機(jī)的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比。施工效率方面，鑿巖臺(tái)車鉆2.6 m深炮孔用時(shí)1.5 min，氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆2.2 m深炮孔用時(shí)8 min，可以計(jì)算出，鑿巖臺(tái)車的鉆進(jìn)速率已經(jīng)達(dá)到了氣動(dòng)鑿巖機(jī)的6.3倍，鑿巖臺(tái)車單個(gè)作業(yè)面的鑿巖耗時(shí)為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的1/4。對(duì)比二者的經(jīng)濟(jì)效益，從采礦量方面計(jì)算，每年節(jié)約46萬(wàn)元，從電費(fèi)、物資設(shè)備損耗方面計(jì)算，每年節(jié)約32萬(wàn)元?？梢?，在同一礦山同一巖性條件下，僅更換鑿巖裝備，便可取得較好的作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

本研究以文獻(xiàn)［41］為具體案例進(jìn)一步分析金屬礦山巷道使用鑿巖臺(tái)車發(fā)揮的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及可能存在的問(wèn)題。

安徽吳集鐵礦在硬巖巷道掘進(jìn)過(guò)程中，由于巖石具有高硬度和高阻抗特性，普氏系數(shù)達(dá)到12～18，導(dǎo)致鉆爆效率低下。在鉆孔速度、炸藥消耗、鉆孔工作量、圍巖成型質(zhì)量等方面效果均不佳。引入的掘進(jìn)設(shè)備Atlas Boomer 281尺寸達(dá)到10.7 m×3.1 m×2.8 m，鉆桿總長(zhǎng)為3.7 m，在3.8 m寬的巷道內(nèi)，體型相對(duì)龐大。與其他案例類似，選擇了直眼空孔掏槽方案，炮孔深度設(shè)計(jì)為2.8 m，而現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)單炮孔純鑿巖時(shí)間為2～3 min。

為了保證鉆孔質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)采用了人工事先標(biāo)記炮孔位置的方法。從側(cè)面證明了即使在金屬礦山，要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)自動(dòng)化的目標(biāo)尚需時(shí)間的投入和技術(shù)的積累。作者在文中還指出，在提升施工效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及改善作業(yè)環(huán)境、作業(yè)安全性的同時(shí)，火工品、配件、釬桿和油管等物品的消耗也很大。因此，要在巷道掘進(jìn)中普及鑿巖臺(tái)車，甚至具有自動(dòng)化功能的鑿巖臺(tái)車，不僅需要國(guó)內(nèi)科研人員在自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)算法研發(fā)上實(shí)現(xiàn)重大突破，還需要同步提升爆破技術(shù)、國(guó)產(chǎn)配件質(zhì)量、操作及維修人員技能，以及管理者水平。金屬礦山要進(jìn)一步提升機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)水平，還需要各方面共同努力。

1.2 鑿巖臺(tái)車在煤礦的應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題

與金屬礦山不同，煤礦往往存在瓦斯、粉塵、噪聲、有害氣體等突出問(wèn)題，因此在防水防爆等設(shè)備使用方面設(shè)置了極高的安全標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鑿巖臺(tái)車這種大型礦用設(shè)備，需要具備整體防爆水平并取得煤礦安全標(biāo)志的認(rèn)證。這就使得很多處于高精尖、前沿地位的優(yōu)勢(shì)儀器、裝備及技術(shù)手段還無(wú)法應(yīng)用到鑿巖臺(tái)車上。因此煤礦進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)時(shí)僅能選用通過(guò)認(rèn)證的鑿巖臺(tái)車，同時(shí)保留一定比例的手持氣動(dòng)鑿巖機(jī)，必要時(shí)還需要采用人工加機(jī)械的協(xié)同作業(yè)方式。常見的氣動(dòng)裝備型號(hào)有YT7655、YT24、YT26、YT28等。煤礦常見的鑿巖臺(tái)車型號(hào)有CMJ17［46-50］、CMJ17A［51］、CMJ17HT［52-54］、CMJ2-15［55］、CMJ2-17［56］（圖 4）、CMJ2-18［57］、CMJ2-27［58-60］、CMJ2-30［61］等。部分型號(hào)鑿巖臺(tái)車的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

注：b，h分別表示臺(tái)車工作范圍的寬度和高度；u，v，w分別表示臺(tái)車外形尺寸的長(zhǎng)，寬，高。

一般來(lái)說(shuō)，鑿巖臺(tái)車能夠適應(yīng)巖巷內(nèi)各種硬度的巖石。通過(guò)對(duì)大量公開的應(yīng)用案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知，巖巷內(nèi)巖石硬度在3～10范圍內(nèi)時(shí)，鑿巖臺(tái)車均能正常工作，在極硬巖巷（f=12～15）內(nèi)也有應(yīng)用成功案例［62］。這是在煤礦巖巷內(nèi)全面采用機(jī)械化鉆孔取代人工鉆孔的重要條件。同時(shí)，配合“鉆爆支排”的一整套機(jī)械化作業(yè)線［56］，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)工藝流程提速。

普通鑿巖臺(tái)車的鉆孔效率由鑿巖機(jī)自身的機(jī)械構(gòu)造和工人的熟練程度決定。不少學(xué)者和工程技術(shù)人員在煤礦巖巷內(nèi)進(jìn)行了大量的觀測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，使用普通鑿巖臺(tái)車鉆孔的工作效率為同等條件下使用氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔的 2～4倍［49，54，56，61-62］。

在單循環(huán)進(jìn)尺方面，當(dāng)使用普通鑿巖臺(tái)車時(shí)，由于鉆桿足夠長(zhǎng)，鉆進(jìn)速度快，且易于控制，在一個(gè)完整的工作周期內(nèi)，有足夠的時(shí)間鉆鑿較深的炮孔，所鉆炮眼的爆后實(shí)際進(jìn)尺往往能夠達(dá)到1.7～2.8 m；而采用氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)，爆后進(jìn)尺往往為1.5～2 m，很少超過(guò)2.1 m。有學(xué)者研究表明［52］：炮眼深度每增加1 m，鉆眼速度就會(huì)下降4%～10%，且隨著鉆眼深度的增大，鉆眼速度下降得更快。有時(shí)，受工作總時(shí)長(zhǎng)限制，為了完整地完成一到兩個(gè)爆破循環(huán)，工人會(huì)主動(dòng)選擇鉆2 m以下炮孔，而單循環(huán)爆破進(jìn)尺往往不足1.5 m。在月進(jìn)尺方面，分析已有案例可知，配合合理的爆破手段，能夠提高 50%～70%［46，50，54，56-57，59-60］。在人員安排上，鑿巖臺(tái)車能夠大幅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此一個(gè)班組配備的人員都有相應(yīng)的減少［51，56-57］。

在施工人員的作業(yè)安全方面，傳統(tǒng)氣動(dòng)鑿巖機(jī)施工時(shí)，作業(yè)人員需要貼近掌子面，落石、散落器材、粉塵、噪聲、廢氣等都對(duì)作業(yè)人員的身心健康造成不同程度的傷害；改用鑿巖臺(tái)車后，操作員位于鉆臂后方的作業(yè)平臺(tái)上，距離掌子面通常為5～8 m不等［56，61］，視野更開闊，能夠隨時(shí)觀察來(lái)自斷面和頂部圍巖的風(fēng)險(xiǎn)，相對(duì)更安全［57］。同時(shí)，由于操作空間后移，在100 dB以上噪聲區(qū)域及4 mg/m3以上粉塵區(qū)域等惡劣環(huán)境下作業(yè)的人員能減少60%［63］。

此外，使用鑿巖臺(tái)車，除了具有打眼速度快、安全，能夠改善環(huán)境條件的優(yōu)點(diǎn)外，還具備鉆孔質(zhì)量更好［56，61］、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低［49，57，61］的優(yōu)勢(shì)。由于我國(guó)煤礦巖巷掘進(jìn)大部分以鉆爆法為主［64］，考慮到上述因素，應(yīng)推廣使用全液壓鉆車。

馬力等［57］為提高祁東煤礦下山巖巷掘進(jìn)效率，引入了CMJ2-18雙臂鑿巖臺(tái)車，并對(duì)比了鑿巖臺(tái)車和7655氣動(dòng)鑿巖機(jī)的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示：7655氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆2 m深炮孔需用時(shí)7～10 min，而CMJ2-18鑿巖臺(tái)車鉆3.2 m深炮孔僅需1.5～2.5 m，使用7655氣動(dòng)鑿巖機(jī)時(shí)的施工人數(shù)和設(shè)備后撤時(shí)間分別是6～8人，20～30 min，而使用CMJ2-18鑿巖臺(tái)車僅為2人，5～10 min。月進(jìn)尺方面，能從40～50 m提升至91 m。上述數(shù)據(jù)都證明了鑿巖臺(tái)車具有明顯優(yōu)勢(shì)。

煤礦巖巷應(yīng)用鑿巖臺(tái)車時(shí)需要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）煤礦巖巷斷面尺寸對(duì)鑿巖臺(tái)車工作狀態(tài)的影響。煤礦巖巷斷面尺寸相對(duì)隧道而言較小，斷面凈寬一般為4.8 m或5 m，斷面凈高從3.4 m到4.5 m不等。也有其他尺寸的巷道，但較為少見。在相對(duì)狹窄的空間內(nèi)，采用何種形式的掏槽爆破方法，與鑿巖臺(tái)車能否成功完成預(yù)定的爆破方案關(guān)系極大。由于煤礦選購(gòu)鑿巖臺(tái)車的主要目的是提高單次循環(huán)進(jìn)尺，為此往往要求炮孔深度能夠達(dá)到2～2.5 m。采用楔形爆破方案時(shí)，在掏槽角度相同的前提下，炮孔孔口距必然比采用2 m以下鉆孔深度時(shí)大。由于鑿巖機(jī)和釬桿安裝在推進(jìn)器上，而推進(jìn)器的總長(zhǎng)度往往能夠達(dá)到3.5～4.5 m，炮孔孔口距過(guò)寬時(shí)，留給推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)的空間則更加狹窄甚至不足。嚴(yán)重時(shí)，推進(jìn)器無(wú)法運(yùn)動(dòng)到指點(diǎn)位置開鉆，或在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鑿巖機(jī)與側(cè)邊巖石發(fā)生剮蹭、碰撞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失（圖5）。因此，在設(shè)計(jì)楔形掏槽爆破方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)鑿巖臺(tái)車的推進(jìn)器長(zhǎng)度，審慎選擇合理的掏槽角度。掏槽角度受到限制時(shí)，必然也會(huì)影響到炮眼深度［62］。此時(shí)可選擇復(fù)式楔形掏槽方案等其他辦法。若采用直眼爆破方案［50，53，55，59，63］，則無(wú)需考慮掏槽角度的影響。但值得注意的是，直眼爆破需要的炮孔數(shù)多，鉆孔工作量相應(yīng)增加。部分學(xué)者對(duì)直眼掏槽進(jìn)行了大量有意義的改進(jìn)與嘗試值得參考。有學(xué)者還專門研制了能鉆鑿大直徑（100～110 mm）中心孔的鉆車［55］。

（2）作業(yè)人員的技術(shù)水平提升與設(shè)備維護(hù)。有學(xué)者對(duì)鉆孔作業(yè)人員的情況進(jìn)行了調(diào)查［57］，發(fā)現(xiàn)64%的人員為初中及以下學(xué)歷，同時(shí)，30歲以下員工數(shù)量不到40歲以上員工數(shù)量的10%。由于作業(yè)人員的技術(shù)水平參差不齊，當(dāng)鑿巖臺(tái)車在井下作業(yè)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法得到及時(shí)維護(hù)，從而影響了作業(yè)效率，進(jìn)而在一定程度上影響了鑿巖臺(tái)車技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。鑿巖臺(tái)車在鉆孔時(shí)，是通過(guò)鑿巖機(jī)的反復(fù)振搗、沖擊以實(shí)現(xiàn)釬桿的鉆進(jìn)。在該過(guò)程中，必然引起鑿巖臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)松弛、磨損，部分零部件貫通、漏水［61］、漏油的現(xiàn)象將不可避免地出現(xiàn)。此時(shí)，如果設(shè)備沒(méi)有及時(shí)得到養(yǎng)護(hù)，受損零部件無(wú)法得到及時(shí)更換，機(jī)械性能將不斷下降，甚至最終無(wú)法使用，造成極大的浪費(fèi)。同時(shí)在日常使用過(guò)程中還應(yīng)注意：相當(dāng)一部分工程技術(shù)人員傾向于采用打眼數(shù)量少的楔形掏槽方式，但爆破時(shí)拋碴距離遠(yuǎn)，起爆前應(yīng)當(dāng)將鑿巖臺(tái)車開至足夠遠(yuǎn)的位置躲避，避免被飛石砸壞［53］。因此，為了更好地保持鑿巖臺(tái)車良好的作業(yè)效果，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的培訓(xùn)，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的熟悉程度，提高安全意識(shí)，確保設(shè)備盡可能處于安全運(yùn)行狀態(tài)，提高井下作業(yè)效率。

2 鑿巖臺(tái)車自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，有學(xué)者總結(jié)了國(guó)內(nèi)外鑿巖臺(tái)車自動(dòng)化的發(fā)展歷程［65］。20世紀(jì)60年代，液壓鑿巖設(shè)備即已在歐洲問(wèn)世。1972年，挪威公司便開始了計(jì)算機(jī)控制定位和鉆孔的試驗(yàn)。隨后各大公司推出的設(shè)備已包含操作手柄、顯示器、傳感器、電液控制閥等方便工作的組件，操作工人只需承擔(dān)預(yù)設(shè)和調(diào)整爆破設(shè)計(jì)、監(jiān)控鑿巖過(guò)程的任務(wù)。經(jīng)過(guò)整個(gè)80年代，鉆臂的一次定位耗時(shí)已從30 s左右縮短至10 s左右，鉆孔精度從5 cm提升至1 cm，可以說(shuō)定位、鉆孔的過(guò)程均實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化。操作人員在操縱室內(nèi)通過(guò)顯示屏上展示的豐富信息，即可掌控全局。

國(guó)內(nèi)鑿巖臺(tái)車和鑿巖機(jī)的研制工作起步于1972年，但直到1998年，才由中南大學(xué)主持進(jìn)行具有自動(dòng)化功能的鑿巖臺(tái)車的研制和開發(fā)工作，并取得了一系列豐碩成果［66-67］；此后20年，國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域不斷進(jìn)取，堅(jiān)持探索。在人口紅利向人才紅利轉(zhuǎn)變［68］的今天，企業(yè)也表達(dá)出改造普通鑿巖臺(tái)車，升級(jí)為具有自動(dòng)化功能的鑿巖臺(tái)車的強(qiáng)烈愿望。同時(shí)由于國(guó)外進(jìn)口鑿巖臺(tái)車價(jià)格居高不下，配件與維修成本更高，均有利于發(fā)展國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車。

從目前鑿巖臺(tái)車在我國(guó)金屬礦山和煤礦巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，幾乎沒(méi)有采用自動(dòng)化、智能化鑿巖設(shè)備的案例。在這種情況下，宜采取逐級(jí)突破、分階段發(fā)展的方式開發(fā)滿足國(guó)內(nèi)礦山掘進(jìn)需求的國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車，先實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能，再實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的功能。具體思路（圖6）為：①開發(fā)裝配精度較高的國(guó)產(chǎn)液壓鑿巖臺(tái)車，便于純手動(dòng)化操作；②結(jié)合3D激光掃描技術(shù)［69］，在巷道輪廓自掃描的基礎(chǔ)上，將爆破方案輸入鑿巖臺(tái)車終端，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)爆破炮孔自動(dòng)定位，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車的半自動(dòng)化；③由鑿巖臺(tái)車控制終端集中管控，解決自主行走［70］、自動(dòng)定位、位姿控制等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車多鉆臂孔序規(guī)劃、鑿巖機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)、自動(dòng)換釬等，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車的全自動(dòng)化；④在自動(dòng)定位+自動(dòng)鉆進(jìn)等基礎(chǔ)功能可以穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，結(jié)合5G通信等智能化關(guān)鍵技術(shù)［71］，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車和鑿巖機(jī)故障自診斷、遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控等高端功能，可以稱之為全智能化階段。在裝備智能化水平達(dá)到極高的程度后，加入綠色、安全、高效的礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系［72-73］。

目前國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的研發(fā)正處于從純手動(dòng)階段向半自動(dòng)化、全自動(dòng)化階段躍升的過(guò)程。在純手動(dòng)階段，很多工程即使選用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆爆開挖作業(yè)，仍然需要工人手動(dòng)操作，僅相當(dāng)于替換了勞動(dòng)者手中的生產(chǎn)工具。炮孔的鉆進(jìn)速度及平直度雖有所提升，但就定位的精準(zhǔn)度以及鉆孔角度的控制而言，仍然需要測(cè)繪人員的輔助，不僅工作量大，而且作用效果有限。此外，操作人員在移動(dòng)鉆臂的過(guò)程中，選擇的鉆孔順序往往不是最優(yōu)順序，還要保證多個(gè)鉆臂以及巖壁之間不會(huì)發(fā)生碰撞。在遭遇卡釬問(wèn)題時(shí)，往往只能依靠老員工豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)調(diào)整鉆速，甚至反復(fù)敲打鉆釬加以解決。

需要注意的是：一方面，由于在鑿巖臺(tái)車上應(yīng)用自動(dòng)化、智能化技術(shù)需要解決很多復(fù)雜的問(wèn)題，需要爆破、礦建、自動(dòng)化、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域眾多從業(yè)者的共同參與、相互配合、相互協(xié)調(diào)。缺少其中任何一環(huán)，都會(huì)造成操作者在使用過(guò)程中體驗(yàn)不佳，從而造成具有高度智慧化的產(chǎn)品被現(xiàn)場(chǎng)棄置不用；另一方面，由于國(guó)內(nèi)鑿巖臺(tái)車的自動(dòng)化等相關(guān)技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間，而一款成熟產(chǎn)品的問(wèn)世，必然需要經(jīng)歷不斷的打磨與修正。設(shè)計(jì)者和使用者都應(yīng)該具備足夠的耐心，通過(guò)大量的投入和足夠多的試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行革新與驗(yàn)證。

2.1 控制系統(tǒng)

上述純手動(dòng)化階段存在的問(wèn)題通過(guò)計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，都能由控制系統(tǒng)［74-75］代替人工進(jìn)行決策、預(yù)判和處理，可降低工人操作的任務(wù)量和失誤概率?？刂葡到y(tǒng)是鑿巖臺(tái)車整機(jī)的核心，其主要作用是接收傳感器實(shí)時(shí)采集的信息和來(lái)自于計(jì)算機(jī)的指令，將匯總后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后安排各閥組定量執(zhí)行動(dòng)作以達(dá)到最終目的。

目前，由鐵建重工研發(fā)的ZYS系列全電腦控制的鑿巖臺(tái)車已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段［76-77］，能夠完成自動(dòng)定位、自動(dòng)鉆孔、超前地質(zhì)分析、爆后輪廓重建等工作，其中控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。雖然用于隧道的鑿巖臺(tái)車與礦山掘進(jìn)用的鑿巖臺(tái)車在使用條件（如斷面面積）和工作環(huán)境等方面存在諸多不同之處，但其成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

2.2 定位精度及補(bǔ)償

要實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車的自動(dòng)定位，需要首先建立鑿巖臺(tái)車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。按照求解目標(biāo)的不同，可以將運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題分為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。求解運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題以及運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的常見方法有D-H法、旋量法和四元數(shù)法等。

鑿巖臺(tái)車的自動(dòng)定位可以分為車體定位和鉆孔定位兩類，如圖7所示。車體定位是指鑿巖臺(tái)車在開始工作前先確定車體坐標(biāo)與隧道斷面坐標(biāo)的關(guān)系［78］，具體為通過(guò)計(jì)算得到車體坐標(biāo)與斷面坐標(biāo)的變換矩陣［79］，主要依賴正向運(yùn)動(dòng)學(xué)。停穩(wěn)后，其鉆臂的工作空間［80］應(yīng)能覆蓋所有目標(biāo)炮孔，避免為單獨(dú)某個(gè)或某幾個(gè)無(wú)法達(dá)到的炮孔再次移動(dòng)鑿巖臺(tái)車，進(jìn)而重新進(jìn)行車體定位而浪費(fèi)時(shí)間。鉆孔定位是指針對(duì)炮孔的目標(biāo)位姿，依靠機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向求解其各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量［81-83］，各關(guān)節(jié)按指定運(yùn)動(dòng)量運(yùn)動(dòng)到預(yù)定鉆孔位置，同時(shí)鉆釬在空間中的姿態(tài)角度也需符合預(yù)定要求。

鉆孔定位效果主要是通過(guò)考察其定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行衡量，其中重復(fù)定位精度往往能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性要求，而對(duì)定位精度往往還需要進(jìn)行補(bǔ)償［84-86］，補(bǔ)償后平均精度在5 cm以下，能夠達(dá)到施工要求。影響定位精度的主要誤差源有結(jié)構(gòu)參數(shù)、關(guān)節(jié)間隙［87］、撓度、傳感器［88］等。

值得注意的是：車體定位相當(dāng)于以鉆鑿斷面上一個(gè)直眼孔作為示范來(lái)指導(dǎo)全斷面所有炮孔的鉆孔定位任務(wù)。因此車體定位的結(jié)果將直接決定鉆孔定位的精度。車體定位過(guò)程中發(fā)生的偏差，將造成后續(xù)所有鉆孔定位的整體偏差。導(dǎo)致鉆孔定位偏差的誤差源對(duì)于車體定位而言同樣存在，且發(fā)揮作用的機(jī)制是完全相同的。因此在對(duì)鉆孔定位偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，如果不考慮車體定位的影響，則在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也難以發(fā)揮補(bǔ)償方案的最佳效果。

同時(shí)對(duì)于一個(gè)炮孔而言，僅僅關(guān)注孔口定位精度和釬桿軸線的角度精度是不夠的。在釬桿和鉆頭沒(méi)有配備任何傳感器的前提下，只能按照鉆桿沿直線深入巖石推算出鉆頭最終達(dá)到的位置。但實(shí)際鉆孔過(guò)程中，釬桿會(huì)發(fā)生彎曲，造成釬桿彎曲的主要因素有巖石地質(zhì)條件、鉆釬特性、鉆頭特性等［89］。再加上在半自動(dòng)模式（計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)控制自動(dòng)定位，不負(fù)責(zé)自動(dòng)鉆進(jìn)）下，每個(gè)炮孔的鉆進(jìn)深度由操作人員憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行把握，最終會(huì)導(dǎo)致爆后平面的不平整和超欠挖。不平整和超欠挖情況非常嚴(yán)重時(shí)，會(huì)給下個(gè)循環(huán)的鉆孔作業(yè)造成困難。有國(guó)外學(xué)者利用探針調(diào)查了炮孔發(fā)生偏差的情況，發(fā)現(xiàn)偏差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以達(dá)到（11±3）cm［90］。難以想象采用楔形掏槽爆破和光面爆破時(shí)存在這樣的鉆孔偏差還能取得良好的爆破效果。

2.3 電液控制

自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車最終能否精準(zhǔn)定位，有賴于鉆臂能否精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)定位置，而鉆臂的精準(zhǔn)到達(dá)依賴于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速工作［91-92］。運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，不出現(xiàn)鉆臂抖動(dòng)［93］。以往普通的鑿巖臺(tái)車依靠人工控制閥組［94］，通過(guò)控制各個(gè)液壓油缸的伸縮達(dá)到移動(dòng)鉆臂的目的。而在自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車上，往往安裝的是電磁比例閥，既可以通過(guò)手柄實(shí)現(xiàn)控制，也可以通過(guò)信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)控制。電磁比例閥的優(yōu)勢(shì)在于精確度高，在同一時(shí)刻可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)液壓缸進(jìn)出油量的調(diào)配，以達(dá)到快速運(yùn)動(dòng)的目的。

2.4 孔序規(guī)劃

鑿巖臺(tái)車多鉆臂共同工作，控制系統(tǒng)需代替人工決定各鉆臂如何分配所有炮孔，以及各臂所分得的炮孔按照怎樣的順序依次進(jìn)行才能最省時(shí)間，稱為孔序規(guī)劃。在此過(guò)程中還需保證各鉆臂不發(fā)生碰撞且鉆臂與墻體也不發(fā)生碰撞［95］，最好所有鉆臂能夠同時(shí)完成各自的任務(wù)。在規(guī)劃過(guò)程中，不能簡(jiǎn)單考慮成路徑最短問(wèn)題，還要考慮關(guān)節(jié)變量的變化時(shí)間。有學(xué)者針對(duì)雙臂鑿巖臺(tái)車提出了基于蟻群算法［96-97］的規(guī)劃辦法，還有學(xué)者針對(duì)區(qū)域劃分更加復(fù)雜的三臂鑿巖臺(tái)車提出了基于遺傳算法［98］的規(guī)劃辦法。

然而上述文獻(xiàn)均著眼于開發(fā)快速有效的求解算法，并未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中可能遇到的兩個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行充分討論，一是鉆孔過(guò)程會(huì)出現(xiàn)巖屑和懸?guī)r墜落情況，二是鉆孔過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)故障需要臨時(shí)解決的情況。

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，可以參考人工鉆孔時(shí)操作人員的習(xí)慣，即鉆完所有上部炮眼后，再鉆底板眼。如果順序逆轉(zhuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)墜落的巖屑和懸?guī)r堵塞底板眼孔口的情況，加上鉆孔的同時(shí)需要沖洗炮孔，整個(gè)斷面所有炮孔鉆鑿?fù)戤吅?，地板上沉積的大量泥水同樣可能會(huì)淹沒(méi)孔口，給后續(xù)裝藥作業(yè)造成極大不便。因此，在進(jìn)行孔序規(guī)劃時(shí)，首先應(yīng)將底板孔排除在外，其次，規(guī)劃孔序中最終鉆鑿的炮孔應(yīng)當(dāng)離底板孔足夠近，最后將底板孔添加到規(guī)劃孔序的后面。

針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，雖然學(xué)者們都在極力避免多個(gè)鉆臂同時(shí)出現(xiàn)在交集區(qū)域的情況，但實(shí)際工作中可能會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：當(dāng)本應(yīng)先完成該區(qū)域作業(yè)任務(wù)的鉆臂因?yàn)殡S機(jī)故障或其他原因?qū)е逻t遲不能撤出該區(qū)域時(shí)，其他鉆臂可能已經(jīng)以較快的速度完成了其他區(qū)域的工作，準(zhǔn)備進(jìn)入該區(qū)域，由此產(chǎn)生多鉆臂發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是爆破方案設(shè)計(jì)為直眼掏槽，而掏槽區(qū)恰好處于多鉆臂工作空間的交集內(nèi)的時(shí)候，上述問(wèn)題出現(xiàn)的概率很大。為此，首先應(yīng)在控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)模塊，當(dāng)檢測(cè)到碰撞即將發(fā)生時(shí)，控制鉆臂執(zhí)行避讓動(dòng)作；其次，針對(duì)規(guī)劃中未執(zhí)行部分重新進(jìn)行規(guī)劃，盡量使多個(gè)鉆臂同時(shí)完成任務(wù)。

2.5 鉆孔參數(shù)自動(dòng)匹配及卡釬處理

鑿巖機(jī)在沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖過(guò)程中，沖擊能量、鉆頭回轉(zhuǎn)壓力、鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力大小等因素均會(huì)對(duì)鉆進(jìn)效率產(chǎn)生影響。以往人工操縱手柄控制鑿巖過(guò)程時(shí)，鑿巖效率的維持以及卡釬的處理基本依賴工人的熟練程度。改用自動(dòng)匹配系統(tǒng)后，根據(jù)巖層情況的變化，鑿巖參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)匹配。有學(xué)者通過(guò)建模分析［99］指出，為維持同樣的鉆進(jìn)速度，巖石等級(jí)與沖擊壓力呈正相關(guān)，硬巖高沖擊，軟巖低沖擊，同時(shí)推進(jìn)力必須與沖擊壓力相匹配。

在鉆孔過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)變化可以預(yù)判卡釬發(fā)生，防卡釬系統(tǒng)［100］做出對(duì)應(yīng)響應(yīng)動(dòng)作。有學(xué)者［101］指出，卡釬主要表現(xiàn)為溶洞式、緩變式和裂隙式3種形式，不同形式的卡釬在回轉(zhuǎn)、推進(jìn)壓力信號(hào)變化上存在明顯差異。出現(xiàn)卡釬跡象后，輕推、輕打、減慢轉(zhuǎn)速都是有效的防卡措施。對(duì)鑿巖臺(tái)車而言，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的回轉(zhuǎn)、推進(jìn)壓力信號(hào)變化可自動(dòng)判別卡釬的發(fā)生及所屬形式，通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)施調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理，并保留手動(dòng)干預(yù)功能［102］。目前常見的防卡釬系統(tǒng)［103］包括：①推進(jìn)回路設(shè)置液控防卡閥；②回轉(zhuǎn)回路設(shè)置壓力繼電器；③推進(jìn)油路和回轉(zhuǎn)油路關(guān)聯(lián)。

2.6 無(wú)線通信

雖然采用自動(dòng)控制鑿巖臺(tái)車能夠大幅減少作業(yè)人員數(shù)量，減輕工人工作量，但以上技術(shù)均是基于有線通信技術(shù)。而要實(shí)現(xiàn)金屬礦山和煤礦的遠(yuǎn)程化、無(wú)人化施工，最終還需要無(wú)線通信技術(shù)的支持。有學(xué)者已經(jīng)在采礦用的鑿巖臺(tái)車［104-105］上開發(fā)了遠(yuǎn)程控制裝置，通過(guò)遙控單元實(shí)現(xiàn)定位、鉆孔的無(wú)線控制，能夠提高生產(chǎn)效率，保障員工安全，節(jié)約線纜成本。

山東黃金集團(tuán)三山島金礦早期使用Sandvik公司的DD310型鑿巖臺(tái)車［106］，近期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于5G技術(shù)［107］的遠(yuǎn)程遙控操作鑿巖臺(tái)車，遙控系統(tǒng)基于無(wú)線通訊、視頻傳輸、自動(dòng)化控制等最新技術(shù)，將操作人員的井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)變革為地表遠(yuǎn)程作業(yè)。操作人員工作熱情高漲，作業(yè)效率大幅度提高。

以上技術(shù)從理論上已經(jīng)達(dá)到了足夠的高度，但值得注意的是，國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車要最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要多方面的努力。先進(jìn)科技在真實(shí)的工作環(huán)境下能夠取得怎樣的應(yīng)用效果，發(fā)揮多大的潛力，僅靠模擬與仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)足夠多的試驗(yàn)檢驗(yàn)。畢竟除了在科技水平上要占據(jù)優(yōu)勢(shì)之外，現(xiàn)場(chǎng)還有適用性、安全性、耐久性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性的要求，之后可能還有環(huán)保的要求，因此，除了上述幾條具體的研究方向之外，還需兼顧設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)問(wèn)題。

3 研發(fā)、推廣鑿巖臺(tái)車面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

從上述現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，不論是金屬礦山還是煤礦，鑿巖臺(tái)車都有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，且能夠發(fā)揮重要的作用。從國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在部分研究方向上追平甚至趕超了國(guó)外進(jìn)口鑿巖臺(tái)車的水平。如能進(jìn)一步提升其自動(dòng)化、智能化水平，使之升級(jí)為全電腦控制的鑿巖臺(tái)車、鑿巖機(jī)器人［108-109］，將會(huì)獲得良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

從目前的報(bào)道來(lái)看，在直墻式、曲墻式、門洞式以及異形開挖斷面均有很好的使用案例。部分鑿巖臺(tái)車不僅能夠?qū)崿F(xiàn)爆破孔的施作，還能實(shí)現(xiàn)錨桿施作，一車多能。

產(chǎn)品類型方面，需要針對(duì)不同的工作環(huán)境選擇合適的產(chǎn)品型號(hào)。目前，金屬礦山多傾向于采用Atlas、Sandvik生產(chǎn)的進(jìn)口鑿巖臺(tái)車，煤礦由于安全認(rèn)證的原因只能采用國(guó)產(chǎn)自研型號(hào)。但即使是進(jìn)口鑿巖臺(tái)車，仍存在設(shè)備限制，使用者往往需要通過(guò)技術(shù)調(diào)整達(dá)到預(yù)定目的。例如斷面過(guò)大時(shí)，需要移動(dòng)鑿巖臺(tái)車；斷面空間狹窄時(shí)，炮孔尤其是斜孔掏槽炮孔受到限制（具體表現(xiàn)為掏槽角度、炮眼深度受限）。

自動(dòng)化程度方面，多采用全液壓型，偶見電腦控制型。大多仍需人工放線、找眼，利用手動(dòng)驅(qū)動(dòng)鉆孔。部分企業(yè)由于設(shè)備耗材消耗快，售后服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，成本高等原因，仍在使用氣腿式風(fēng)鉆。這是國(guó)外技術(shù)封鎖和國(guó)內(nèi)可選擇產(chǎn)品缺失共同導(dǎo)致的結(jié)果。企業(yè)對(duì)于普通鑿巖臺(tái)車的自動(dòng)化改造，并能夠使用成本低、質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)的替換元件［110-111］的期望很高。

由此可見，雖然需求迫切，但國(guó)內(nèi)機(jī)械化尚未全面普及，自動(dòng)化正處于起步狀態(tài)（純手動(dòng)階段向半自動(dòng)、全自動(dòng)化階段跨越），距離數(shù)字化、智能化、無(wú)人化施工的目標(biāo)尚有一段距離。有學(xué)者［112］全面分析對(duì)比了氣動(dòng)和液壓鑿巖設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，指出鑿巖臺(tái)車未能全面推廣的表面原因有人口紅利、現(xiàn)場(chǎng)管理、人員觀念、國(guó)產(chǎn)設(shè)備可靠性不足、進(jìn)口設(shè)備價(jià)格及維修保養(yǎng)成本高，且零配件更換周期長(zhǎng)等。同時(shí)指出其根本原因在于現(xiàn)有設(shè)備與國(guó)內(nèi)隧道施工實(shí)際結(jié)合差，國(guó)內(nèi)鑿巖臺(tái)車的研制仍有很多問(wèn)題需要解決。

本研究從硬件、軟件研發(fā)和推廣應(yīng)用兩個(gè)方面闡述目前國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的不足。

3.1 硬件、軟件研發(fā)不足

硬件研發(fā)方面，學(xué)者們?cè)陂_發(fā)國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車時(shí)，在控制器、電磁比例閥、傳感器等重要核心部件［113］的選擇上往往傾向于使用進(jìn)口產(chǎn)品，主要原因在于進(jìn)口產(chǎn)品通常都具備防護(hù)等級(jí)高、可靠性強(qiáng)、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但與此同時(shí)，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格也居高不下。作為核心部件，其價(jià)值總額對(duì)鑿巖臺(tái)車整機(jī)價(jià)格的影響非常大。與之對(duì)應(yīng)的是，國(guó)產(chǎn)同類型產(chǎn)品在質(zhì)量把控方面與進(jìn)口產(chǎn)品存在差距，盡管價(jià)格低廉，但難以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的需要。

在產(chǎn)品推廣初期，采用國(guó)內(nèi)研發(fā)技術(shù)加進(jìn)口核心部件的模式仍然能夠形成整機(jī)價(jià)格優(yōu)勢(shì)，可以先在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占領(lǐng)一席之地。隨著國(guó)內(nèi)核心部件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，有了能夠替代進(jìn)口產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)部件之后，可以進(jìn)一步降低國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的整機(jī)價(jià)格，再進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

除了核心部件的問(wèn)題之外，還有機(jī)體振動(dòng)的問(wèn)題。鉆臂的工作內(nèi)容主要包括運(yùn)動(dòng)和鑿巖兩個(gè)部分，在鑿巖方面，由于巖石硬度很高，鑿巖機(jī)需要通過(guò)快速?zèng)_擊達(dá)到破巖的目的。在破巖的過(guò)程中，鑿巖臺(tái)車車身抖動(dòng)也非常強(qiáng)烈，長(zhǎng)期的振動(dòng)不僅會(huì)造成機(jī)體關(guān)鍵部位的松動(dòng)、磨損，也會(huì)造成工作人員身體不適?？紤]到采用機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備的目的不僅在于提高生產(chǎn)效率，還有環(huán)保、健康、經(jīng)濟(jì)等方面的要求，應(yīng)當(dāng)針對(duì)振動(dòng)問(wèn)題，研究在機(jī)體適當(dāng)部位增設(shè)避震系統(tǒng)的可行性和具體方法。在鉆臂和車身連接處安裝避震系統(tǒng)，能夠保障工人健康和車體后部重要系統(tǒng)（控制、供水、供氣、電氣等）的運(yùn)行安全。在各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和傳感器周圍安裝避震系統(tǒng)，能夠確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。

軟件研發(fā)方面，盡管國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車在半自動(dòng)、全自動(dòng)階段需要解決的僅是基礎(chǔ)功能，但后臺(tái)運(yùn)行程序非常龐大、復(fù)雜。依靠小規(guī)模團(tuán)隊(duì)進(jìn)行開發(fā)已非常不易且后續(xù)維護(hù)運(yùn)營(yíng)將會(huì)非常困難。需要開發(fā)者從頂層全方位把握整個(gè)鑿巖臺(tái)車的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行整體規(guī)劃。目前國(guó)內(nèi)能夠從事這一工作的學(xué)者及團(tuán)隊(duì)較少，開發(fā)難度較大。

在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)操作界面僅需包括斷面顯示模塊、鉆臂運(yùn)動(dòng)模塊、車體定位模塊、孔序規(guī)劃模塊和鑿巖控制模塊，對(duì)于軟件研發(fā)的要求并不高，整體工作量并不足以聘請(qǐng)專業(yè)的軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。因此從經(jīng)濟(jì)角度和對(duì)后臺(tái)程序的熟悉程度這兩個(gè)方面出發(fā)，通常都直接由技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面有時(shí)不夠美觀，對(duì)設(shè)備的推廣存在一定影響。

3.2 設(shè)備推廣應(yīng)用不足

目前，由于大多數(shù)礦山使用的掘進(jìn)設(shè)備均處于純手動(dòng)階段，鑿巖臺(tái)車僅被作為施工工具。現(xiàn)場(chǎng)工程師及工人僅對(duì)液壓及鉆孔作業(yè)有較深刻的認(rèn)識(shí)，甚至部分人員由于接觸鑿巖臺(tái)車的時(shí)間較長(zhǎng)，已積累了大量的維修、改造方面的經(jīng)驗(yàn)［114］。但若將普通鑿巖臺(tái)車替換為帶有自動(dòng)化功能的升級(jí)版鑿巖臺(tái)車后，工人會(huì)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)，僅有少數(shù)工人參與度較高。這主要是因?yàn)槠胀ㄨ弾r臺(tái)車上控制單個(gè)鉆臂運(yùn)動(dòng)的閥組（圖8）只有不到10個(gè)閥桿，每個(gè)閥桿僅對(duì)應(yīng)單個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作；控制鉆釬鉆進(jìn)的閥桿也不多，基本只有給油、轉(zhuǎn)釬、沖擊、推進(jìn)等，工人全面掌握操作技術(shù)的難度不大。換成自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車后，就車體定位、孔序規(guī)劃、自動(dòng)定位等基本功能而言，需要工人通過(guò)鍵盤、多功能手柄和計(jì)算機(jī)進(jìn)行充分的交互。而遇到軟件問(wèn)題或文件拷貝、替換等需求時(shí)，操作則更為復(fù)雜。因此，自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車給工人帶來(lái)的是工作方式的全面轉(zhuǎn)變，需要經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間培訓(xùn)［115］后方可完全掌握。國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車在多大程度上便于企業(yè)和一線工人操作使用，反過(guò)來(lái)也決定了國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的被接受程度。

替換為自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車之后，管理內(nèi)容也需要進(jìn)行相應(yīng)的改變。管理內(nèi)容［116］主要包括：組織體系、施工組織、成本控制、標(biāo)準(zhǔn)化、技能培訓(xùn)、質(zhì)量控制、安全保障、設(shè)備維護(hù)等。具體到鑿巖臺(tái)車而言，管理內(nèi)容有：①原先使用氣動(dòng)鑿巖機(jī)時(shí)，整個(gè)斷面需要6～8名工人負(fù)責(zé)鉆孔，替換為鑿巖臺(tái)車后，整個(gè)斷面只需要2～3人。但鑿巖臺(tái)車只負(fù)責(zé)鉆孔，清碴、吹孔、裝藥、連線等工作還需要人工操作，在這種情況下，如何合理配置班組人員，以及采用“三八制”還是“四六制”［117］，需要深入考慮。②以往采用純手動(dòng)鉆孔時(shí)，施工班組往往會(huì)配備經(jīng)驗(yàn)豐富的維修工人隨時(shí)檢查機(jī)械的工作狀態(tài)，維修工人的水平高低往往能夠決定鑿巖臺(tái)車臺(tái)效的高低，而改用半自動(dòng)、全自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車后，維修工人的工作內(nèi)容及工作量也將發(fā)生變化，如何持續(xù)發(fā)揮維修工人的作用需要重點(diǎn)關(guān)注。③以往工人鉆孔時(shí)，需要安排專人對(duì)鉆孔位置及角度進(jìn)行管控，爆破設(shè)計(jì)方案方便隨時(shí)調(diào)整。改用鑿巖臺(tái)車之后，需要變更管控內(nèi)容為當(dāng)前爆破設(shè)計(jì)是否滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，在什么情況下采用何種預(yù)先設(shè)計(jì)的方案，以及進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整時(shí)需要滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些都需要形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

無(wú)論是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)的鑿巖臺(tái)車，都存在上述工作方式和管理內(nèi)容轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，通過(guò)足夠的培訓(xùn)就能夠較好解決。但除此之外，推廣國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車還面臨維修和售后的問(wèn)題。為了保證鑿巖臺(tái)車在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都能維持較好的工作狀態(tài)，需要提高整車的裝配制造精度，同時(shí)保證車載元器件具有較好的密封性和較高的耐久性。如果采用進(jìn)口元器件，聘請(qǐng)國(guó)外工程師進(jìn)行把關(guān)，相比于進(jìn)口鑿巖臺(tái)車，國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車無(wú)法形成價(jià)格優(yōu)勢(shì)，難以吸引工礦企業(yè)采購(gòu)。如果整機(jī)采用國(guó)產(chǎn)元器件，整條生產(chǎn)線都使用本國(guó)工程師和工人，則價(jià)格將整體下降，但要求國(guó)產(chǎn)元器件質(zhì)量達(dá)到或接近進(jìn)口元器件的水平。從圖9中可以看出，國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的市場(chǎng)發(fā)展好壞，與配套元器件市場(chǎng)的反映息息相關(guān)。

本研究在四川某礦開展國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)已發(fā)現(xiàn)，車載皮管、水密封經(jīng)常因工作強(qiáng)度大而出現(xiàn)因磨損導(dǎo)致漏油、漏水的現(xiàn)象。不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，增加成本，而且對(duì)于精密元器件較多、電纜密集的鑿巖臺(tái)車而言，也存在一定的安全隱患。

綜上所述，為了使國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車早日研發(fā)并推廣成功，進(jìn)而有力地支撐我國(guó)礦山巷道的快速掘進(jìn)［118］，既要解決好工作方式、管理模式轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，還要同步提高國(guó)產(chǎn)元器件的制造水準(zhǔn)。

4 總結(jié)與展望

以上從鑿巖臺(tái)車在國(guó)內(nèi)礦山巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車在自動(dòng)化技術(shù)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，以及鑿巖臺(tái)車在進(jìn)一步研發(fā)和推廣過(guò)程中的不足與挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為了使國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車早日取代氣動(dòng)鑿巖機(jī)及昂貴的進(jìn)口鑿巖臺(tái)車，需要努力提升國(guó)內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)的水平及配套產(chǎn)業(yè)，盡快建立支持國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用的全方位發(fā)展體系。未來(lái)國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車在自動(dòng)控制技術(shù)、配套爆破技術(shù)、配套產(chǎn)業(yè)以及企業(yè)管理和培訓(xùn)等方面的具體發(fā)展路線如圖10所示。

國(guó)產(chǎn)鑿巖臺(tái)車發(fā)展過(guò)程中有以下5個(gè)關(guān)鍵難題和發(fā)展方向值得特別關(guān)注：

（1）由于鑿巖臺(tái)車常年服務(wù)于地下礦山，需要強(qiáng)化其在惡劣環(huán)境下的適用性。學(xué)者們需就以下兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行專項(xiàng)研究：①在金屬礦山，尤其是磁鐵礦、富鐵礦，由于存在電磁干擾，如何保障通信線路穩(wěn)定和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞，維持智能化功能的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；②在煤礦，由于瓦斯、粉塵等均對(duì)鑿巖臺(tái)車的正常工作存在影響，采用何種安全有效的防水防爆措施能夠保障鑿巖臺(tái)車連續(xù)作業(yè)。

（2）無(wú)論國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口智能化鑿巖臺(tái)車，在礦山的應(yīng)用還不夠廣泛。為了避免微小細(xì)節(jié)影響到鑿巖臺(tái)車的推廣，應(yīng)著力解決所有可能出現(xiàn)的問(wèn)題。這些問(wèn)題在地面仿真環(huán)境下通常難以發(fā)現(xiàn)，甚至難以找出出現(xiàn)問(wèn)題的原因。因此，新的技術(shù)和產(chǎn)品研制成功后，應(yīng)實(shí)現(xiàn)在礦山井下的實(shí)際應(yīng)用。在真實(shí)環(huán)境中，檢測(cè)排查復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

（3）鑿巖臺(tái)車相比于氣動(dòng)鑿巖機(jī)的優(yōu)勢(shì)能否正常發(fā)揮，主要依賴于鑿巖臺(tái)車的精密元器件是否能正常穩(wěn)定的工作，以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)新型生產(chǎn)工具變革的接納程度。在正式投產(chǎn)前，需要降低產(chǎn)品的故障率，降低作業(yè)期間小配件的損壞概率，提高產(chǎn)品一次大修后持續(xù)發(fā)揮功效的總時(shí)長(zhǎng)；同時(shí)提高操作的便捷性，盡可能以最簡(jiǎn)單的操作完成工作任務(wù)。

（4）現(xiàn)階段鑿巖臺(tái)車電腦導(dǎo)向系統(tǒng)的研發(fā)已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔自動(dòng)定位幾乎不存在技術(shù)難度。當(dāng)務(wù)之急是實(shí)現(xiàn)鉆孔過(guò)程中鑿巖參數(shù)和巖石性質(zhì)的匹配。根據(jù)巖性識(shí)別結(jié)果合理選擇最佳鑿巖參數(shù)，達(dá)到快、準(zhǔn)、穩(wěn)鉆進(jìn)的目的。

（5）在研發(fā)出靈活穩(wěn)定、持續(xù)高效、適應(yīng)多工作環(huán)境的鑿巖臺(tái)車后，還需借助視覺輔助定位與導(dǎo)航方法指導(dǎo)鑿巖臺(tái)車的自主定位與路徑規(guī)劃；借助目前國(guó)內(nèi)5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高效可靠的實(shí)時(shí)通信；借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化礦山設(shè)備的智能調(diào)度、協(xié)同控制、故障診斷及預(yù)知維修等功能。相信隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來(lái)能實(shí)現(xiàn)全智能化鑿巖臺(tái)車的普及和應(yīng)用。