露天鉆機數(shù)字鉆孔系統(tǒng)研究

趙向偉　張旭坡　蔡洪浩

摘要：針對當前露天臺階爆破作業(yè)時依靠人工放樣、人工對孔的鉆孔方式導(dǎo)致大塊率偏高的問題，設(shè)計了露天鉆機數(shù)字鉆孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)高效精確地控制了爆破孔的3個幾何參數(shù)（孔位、角度、深度）：通過自動找平功能確保鉆機快速準確地進入水平狀態(tài)，通過高精度GPS定位功能確定孔的精確水平位置，通過孔深測量功能得到精確孔深，有效降低了大塊率，減少了后續(xù)采裝運輸及機械破碎的工作量。

關(guān)鍵詞：露天鉆機;大塊率;自動找平;高精度定位

中圖分類號：U455.3+2? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0030-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.008

引言

臺階爆破作業(yè)是露天采礦的重要環(huán)節(jié)，其成本占礦山生產(chǎn)成本的15%～20%。在深孔爆破中，大塊率偏高是各露天礦普遍存在的問題，這不僅影響了后續(xù)采裝運輸，還增加了二次爆破或機械破碎的工作量。研究表明，爆破孔的3個幾何參數(shù)（孔位、角度、深度）都是造成露天爆破大塊率高的主要因素[1-3]。

目前在國內(nèi)露天礦山主要采用以下鉆孔方式：

（1）放樣：現(xiàn)場人員利用卷尺拉線方式，按照行距、孔距，在現(xiàn)場擺放標記物。利用GPS流動站獲取各個標記物的位置，在計算機上展點形成鉆孔計劃。

（2）對孔：司機按鉆孔計劃根據(jù)標記逐一進行鉆孔。

這種工作方式雖然不受傳統(tǒng)測量儀器只有在良好通視條件下才能正常工作的限制，但存在人工對孔誤差大、勞動強度大的缺點。

為了解決上述人工放樣及人工對孔的問題，有必要采取高精度定位技術(shù)，對露天鉆機穿孔作業(yè)進行高精度定位[4]。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計

露天鉆機數(shù)字鉆孔系統(tǒng)由鉆機控制模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊以及遠程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)組成。

在鉆機開始鉆孔任務(wù)之前，通過遠程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)制訂鉆孔計劃，將鉆孔計劃通過無線通信模塊下發(fā)到鉆機控制模塊的控制器中，并通過鉆機控制系統(tǒng)的顯示器顯示;鉆機控制模塊根據(jù)GPS定位模塊提供的GPS接收器位置信息計算當前鉆頭位置，并和鉆孔計劃信息一起在鉆機控制系統(tǒng)中呈現(xiàn)，操作者操作機器按照指定的鉆孔計劃逐一鉆孔。鉆孔過程中，鉆機控制系統(tǒng)收集鉆孔信息，如定位精度、鉆孔深度、穿孔效率等，并通過無線通信模塊，回傳到遠程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)中。

1.1? ? 鉆機控制模塊

鉆機控制模塊主要由鉆機控制子模塊、鉆機參數(shù)監(jiān)控子模塊、鉆機效率評估子模塊組成。

（1）鉆機控制子模塊主要完成發(fā)動機啟停及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，千斤頂、電纜卷筒、行走/鉆孔、塔舉升以及回轉(zhuǎn)頭的上下移動等動作的控制。

（2）鉆機參數(shù)監(jiān)控子模塊主要完成發(fā)動機轉(zhuǎn)速、整機的傾斜角度、塔的傾斜角度、下壓力、動力頭回轉(zhuǎn)扭矩等參數(shù)的收集與顯示。

（3）鉆孔效率評估子模塊主要負責在鉆機鉆孔時，記錄行走時間、鉆孔時間，計算穿孔效率。

1.2? ? GPS定位模塊

GPS定位模塊主要實現(xiàn)爆破孔的平面定位。

1.3? ? 遠程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)、無線通信模塊

鉆孔前，通過遠程操控平臺中的相關(guān)軟件生成鉆孔計劃，通過無線交換機將鉆孔計劃傳輸給鉆機控制系統(tǒng)。

鉆孔后，鉆機控制系統(tǒng)通過無線交換機將包括設(shè)計鉆孔位置、鉆孔角度、孔深、穿孔率、巖石特性等信息的鉆孔日志回傳給遠程操控平臺，為后續(xù)數(shù)字化爆破做準備。

2? ? 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1? ? 鉆機控制模塊

鉆機控制模塊硬件主要由發(fā)動機、控制器、顯示器、編碼器、傾角傳感器、IO模塊等組成。其中傾角傳感器為雙軸傾角傳感器，用于自動找平;編碼器為增量式編碼器，用于孔深測量。各個節(jié)點之間通過CAN總線實現(xiàn)通信，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自動找平功能是鉆機控制模塊的重要功能。

由于鉆機水平度的精度決定了孔傾角的精度，因此當鉆機開始鉆孔前，一般需要調(diào)節(jié)水平度。對于小噸位的鉆機，一般采用三支腿找平，每個液壓支腿上都帶有液壓鎖。對于大噸位的鉆機，一般采用四支腿找平，其中兩個支腿各帶一個液壓鎖，其余兩個支腿液壓管路并聯(lián)，并共用一個液壓鎖[5]。四支腿找平系統(tǒng)等效于三支腿找平系統(tǒng)，因此，鉆機找平問題實際上都是三點找平的問題，如圖2所示。

從控制誤差量來講，鉆機的找平方法主要有位置誤差找平法和角度誤差找平法兩種，位置誤差找平法又可細分為逐高法、逐低法和幾何中心不動法三種[6]。

采用位置誤差找平法的系統(tǒng)優(yōu)點是找平速度快，找平精度高;缺點是復(fù)雜度高，成本高。采用角度誤差找平法的系統(tǒng)優(yōu)點是簡單，成本較低;缺點是找平速度慢，找平精度低。

鉆機的三點找平對精度要求較高，因此選用位置誤差找平法。由于鉆機慣性較大，當支撐腿向下運動時會產(chǎn)生較大的慣性力，支撐平臺會出現(xiàn)抖動情況，因此，逐低法和幾何中心不動法不適用于鉆機的找平;當采用逐高法找平時，支撐腿向上運動，加速度小，慣性力也小，整個找平過程比較平穩(wěn)。

2.2? ? GPS定位模塊

如圖3所示，GPS定位模塊由固定在鉆機上的GPS天線和GPS接收器、RF天線以及安裝在鉆機作業(yè)區(qū)域附近的GPS基站組成。

理論上，三顆衛(wèi)星分別向地面用戶發(fā)送其空間位置信息，即（xi，yi，zi，ti），如圖4所示。地面用戶通過收到報文的時間，計算出衛(wèi)星與地面用戶的距離。

通過解析方程組，即可獲得地面用戶的空間位置信息（x，y，z，t），其中t為地面用戶收到報文的時間。

但實際上，由于各個衛(wèi)星以及地面用戶時間基準不一致，通過上述方式獲得的地面用戶的空間位置與實際位置偏差較大。由于衛(wèi)星控制中心可以告知用戶時間與衛(wèi)星時間的差值Δti，如此衛(wèi)星向地面用戶發(fā)送其空間位置信息，即（xi，yi，zi，ti+Δti），因此總共有4個變量[x，y，z，（t+Δt）]未知，其中Δt是地面用戶與衛(wèi)星控制中心的時間差值，必須額外引入一顆衛(wèi)星，即共4顆衛(wèi)星，如圖5所示。

通過解析4個方程即可獲得地面用戶的位置信息：

整機坐標系定義如下：將鉆桿軸線與車架上表面交點定義為原點，司機前方定義為x+，垂直于地面向上定義為z+。在鉆機上安裝有兩個GPS天線p1、p2，其在空間坐標系中的位置分別為p1（x1，y1，z1）、p2（x2，y2，z2）。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，兩個天線在整機坐標系中的高度是一致的，簡化視圖如圖6所示。

假定整機坐標系原點在空間坐標系中的位置為（x，y，z），將p1、p2投影到xOy平面上，得到p1′、p2′，如圖7所示。

通過如下方程組可以獲得p1′、p2′在空間的位置信息，通過三維模型可以獲得p1′、p2′與整機坐標系原點的距離d1、d2。通過解析下列方程獲得整機坐標系原點在空間坐標系中的兩個可能位置之后，再計算是否大于零，如果其值大于零，則是整機坐標系的原點。

2.3? ? 孔深測量原理

根據(jù)上述描述，通過多于4顆衛(wèi)星能夠精確獲得地面用戶的位置，包括高度方向，但這個高度方向的數(shù)值不是基于用戶當前所在地面的高度所得到的，因此該高度數(shù)值不能直接作為孔深測量的依據(jù)。為了測量孔深，需在進給系統(tǒng)中增加一套編碼器。

為了便于描述，定義一次完整的鉆孔過程：從沖擊壓力大于設(shè)置值開始，到?jīng)_擊壓力低于設(shè)置值結(jié)束，包含本次鉆孔的起始點、本次鉆孔的終止點、本次鉆孔臨時終止點（鉆孔過程中，在控制器掃描周期中獲得的編碼器的值）。鉆一個孔，由數(shù)個上述定義的完整鉆孔過程組成，其間可能存在換桿以及洗孔等操作。

孔深測量主要算法流程如下：

（1）鉆孔模式下，沖擊壓力大于設(shè)定值且編碼器當前數(shù)值大于上次鉆孔的終止點數(shù)值，將當前編碼器數(shù)值記作本次鉆孔的起始點數(shù)值。

（2）沖擊壓力小于設(shè)定值且編碼器當前數(shù)值大于本次鉆孔的起始點數(shù)值，將當前編碼器數(shù)值記作本次鉆孔的終止點數(shù)值。

鉆孔深度=本次鉆孔深度+本次鉆孔之前的總鉆孔深度

其中，本次鉆孔深度=2π×鏈輪半徑×（本次鉆孔終止點數(shù)值-本次鉆孔起始點數(shù)值）。

3? ? 應(yīng)用測試

系統(tǒng)采用安百拓建筑礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的牙輪鉆機DM75作為測試車輛，并在測試場地搭建了基站，以提高定位精度。測試車輛、測試場地及基站如圖8所示。

3.1? ? 自動找平測試

該測試對10 000次自動找平/自動收回、3 000次手動找平/手動收回所需時間進行比較，前者比后者快平均10.7 s。

3.2? ? GPS定位精度測試

為了能夠在有限的測試區(qū)域內(nèi)盡可能測試GPS定位精度，在測試場地按照S形采集6個點。為了提高測試點的定位精度，通過GPS靜態(tài)測量的方式獲得基站以及待測點的精確位置。

通過專用軟件根據(jù)所采集定位信息生成鉆孔計劃，將其導(dǎo)入露天鉆機數(shù)字鉆孔系統(tǒng);并根據(jù)GPS定位模塊所提供的信息驅(qū)動鉆機，使得鉆桿與目標點重合。

表1是實際鉆孔坐標與設(shè)計坐標的比較，實際鉆孔坐標與設(shè)計坐標基本偏差約為10 mm，這主要是GPS定位精度、電液控制精度以及人為因素所致?？傮w來說，GPS定位精度符合露天采礦的需求。

3.3? ? 孔深測量功能測試

經(jīng)過工地測試，該孔深算法既能夠在正常工況下實現(xiàn)孔深的高精度測量，又能夠在如空洞、吸孔等特殊工況下實現(xiàn)孔深測量，孔的深度誤差大約為20 mm。

4? ? 結(jié)語

露天鉆機數(shù)字鉆孔系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆機的自動找平，較手動找平效率更高;可以實現(xiàn)鉆機的精確定位，大幅減少現(xiàn)場測量工作量;炮孔布置精度高、時間短，可以實現(xiàn)孔深的精確測量，大幅減少超鉆和欠鉆現(xiàn)象，為制訂出更好的爆破設(shè)計方案創(chuàng)造了條件。

[參考文獻]

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收稿日期：2021-12-31

作者簡介：趙向偉（1985—），男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事鉆機研發(fā)工作。