露天钻机数字钻孔系统研究

赵向伟　张旭坡　蔡洪浩

摘要：针对当前露天台阶爆破作业时依靠人工放样、人工对孔的钻孔方式导致大块率偏高的问题，设计了露天钻机数字钻孔系统。该系统高效精确地控制了爆破孔的3个几何参数（孔位、角度、深度）：通过自动找平功能确保钻机快速准确地进入水平状态，通过高精度GPS定位功能确定孔的精确水平位置，通过孔深测量功能得到精确孔深，有效降低了大块率，减少了后续采装运输及机械破碎的工作量。

关键词：露天钻机;大块率;自动找平;高精度定位

中图分类号：U455.3+2  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）05-0030-04

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

引言

台阶爆破作业是露天采矿的重要环节，其成本占矿山生产成本的15%～20%。在深孔爆破中，大块率偏高是各露天矿普遍存在的问题，这不仅影响了后续采装运输，还增加了二次爆破或机械破碎的工作量。研究表明，爆破孔的3个几何参数（孔位、角度、深度）都是造成露天爆破大块率高的主要因素[1-3]。

目前在国内露天矿山主要采用以下钻孔方式：

（1）放样：现场人员利用卷尺拉线方式，按照行距、孔距，在现场摆放标记物。利用GPS流动站获取各个标记物的位置，在计算机上展点形成钻孔计划。

（2）对孔：司机按钻孔计划根据标记逐一进行钻孔。

这种工作方式虽然不受传统测量仪器只有在良好通视条件下才能正常工作的限制，但存在人工对孔误差大、劳动强度大的缺点。

为了解决上述人工放样及人工对孔的问题，有必要采取高精度定位技术，对露天钻机穿孔作业进行高精度定位[4]。

1    系统设计

露天钻机数字钻孔系统由钻机控制模块、GPS定位模块、无线通信模块以及远程数据处理与监控系统组成。

在钻机开始钻孔任务之前，通过远程数据处理与监控系统制订钻孔计划，将钻孔计划通过无线通信模块下发到钻机控制模块的控制器中，并通过钻机控制系统的显示器显示;钻机控制模块根据GPS定位模块提供的GPS接收器位置信息计算当前钻头位置，并和钻孔计划信息一起在钻机控制系统中呈现，操作者操作机器按照指定的钻孔计划逐一钻孔。钻孔过程中，钻机控制系统收集钻孔信息，如定位精度、钻孔深度、穿孔效率等，并通过无线通信模块，回传到远程数据处理与监控系统中。

1.1    钻机控制模块

钻机控制模块主要由钻机控制子模块、钻机参数监控子模块、钻机效率评估子模块组成。

（1）钻机控制子模块主要完成发动机启停及转速调节，千斤顶、电缆卷筒、行走/钻孔、塔举升以及回转头的上下移动等动作的控制。

（2）钻机参数监控子模块主要完成发动机转速、整机的倾斜角度、塔的倾斜角度、下压力、动力头回转扭矩等参数的收集与显示。

（3）钻孔效率评估子模塊主要负责在钻机钻孔时，记录行走时间、钻孔时间，计算穿孔效率。

1.2    GPS定位模块

GPS定位模块主要实现爆破孔的平面定位。

1.3    远程数据处理与监控系统、无线通信模块

钻孔前，通过远程操控平台中的相关软件生成钻孔计划，通过无线交换机将钻孔计划传输给钻机控制系统。

钻孔后，钻机控制系统通过无线交换机将包括设计钻孔位置、钻孔角度、孔深、穿孔率、岩石特性等信息的钻孔日志回传给远程操控平台，为后续数字化爆破做准备。

2    系统实现

2.1    钻机控制模块

钻机控制模块硬件主要由发动机、控制器、显示器、编码器、倾角传感器、IO模块等组成。其中倾角传感器为双轴倾角传感器，用于自动找平;编码器为增量式编码器，用于孔深测量。各个节点之间通过CAN总线实现通信，其网络结构如图1所示。

自动找平功能是钻机控制模块的重要功能。

由于钻机水平度的精度决定了孔倾角的精度，因此当钻机开始钻孔前，一般需要调节水平度。对于小吨位的钻机，一般采用三支腿找平，每个液压支腿上都带有液压锁。对于大吨位的钻机，一般采用四支腿找平，其中两个支腿各带一个液压锁，其余两个支腿液压管路并联，并共用一个液压锁[5]。四支腿找平系统等效于三支腿找平系统，因此，钻机找平问题实际上都是三点找平的问题，如图2所示。

从控制误差量来讲，钻机的找平方法主要有位置误差找平法和角度误差找平法两种，位置误差找平法又可细分为逐高法、逐低法和几何中心不动法三种[6]。

采用位置误差找平法的系统优点是找平速度快，找平精度高;缺点是复杂度高，成本高。采用角度误差找平法的系统优点是简单，成本较低;缺点是找平速度慢，找平精度低。

钻机的三点找平对精度要求较高，因此选用位置误差找平法。由于钻机惯性较大，当支撑腿向下运动时会产生较大的惯性力，支撑平台会出现抖动情况，因此，逐低法和几何中心不动法不适用于钻机的找平;当采用逐高法找平时，支撑腿向上运动，加速度小，惯性力也小，整个找平过程比较平稳。

2.2    GPS定位模块

如图3所示，GPS定位模块由固定在钻机上的GPS天线和GPS接收器、RF天线以及安装在钻机作业区域附近的GPS基站组成。

理论上，三颗卫星分别向地面用户发送其空间位置信息，即（xi，yi，zi，ti），如图4所示。地面用户通过收到报文的时间，计算出卫星与地面用户的距离。

通过解析方程组，即可获得地面用户的空间位置信息（x，y，z，t），其中t为地面用户收到报文的时间。

但实际上，由于各个卫星以及地面用户时间基准不一致，通过上述方式获得的地面用户的空间位置与实际位置偏差较大。由于卫星控制中心可以告知用户时间与卫星时间的差值Δti，如此卫星向地面用户发送其空间位置信息，即（xi，yi，zi，ti+Δti），因此总共有4个变量[x，y，z，（t+Δt）]未知，其中Δt是地面用户与卫星控制中心的时间差值，必须额外引入一颗卫星，即共4颗卫星，如图5所示。

通过解析4个方程即可获得地面用户的位置信息：

整机坐标系定义如下：将钻杆轴线与车架上表面交点定义为原点，司机前方定义为x+，垂直于地面向上定义为z+。在钻机上安装有两个GPS天线p1、p2，其在空间坐标系中的位置分别为p1（x1，y1，z1）、p2（x2，y2，z2）。为便于后续数据处理，两个天线在整机坐标系中的高度是一致的，简化视图如图6所示。

假定整机坐标系原点在空间坐标系中的位置为（x，y，z），将p1、p2投影到xOy平面上，得到p1′、p2′，如图7所示。

通过如下方程组可以获得p1′、p2′在空间的位置信息，通过三维模型可以获得p1′、p2′与整机坐标系原点的距离d1、d2。通过解析下列方程获得整机坐标系原点在空间坐标系中的两个可能位置之后，再计算是否大于零，如果其值大于零，则是整机坐标系的原点。

2.3    孔深测量原理

根据上述描述，通过多于4颗卫星能够精确获得地面用户的位置，包括高度方向，但这个高度方向的数值不是基于用户当前所在地面的高度所得到的，因此该高度数值不能直接作为孔深测量的依据。为了测量孔深，需在进给系统中增加一套编码器。

为了便于描述，定义一次完整的钻孔过程：从冲击压力大于设置值开始，到冲击压力低于设置值结束，包含本次钻孔的起始点、本次钻孔的终止点、本次钻孔临时终止点（钻孔过程中，在控制器扫描周期中获得的编码器的值）。钻一个孔，由数个上述定義的完整钻孔过程组成，其间可能存在换杆以及洗孔等操作。

孔深测量主要算法流程如下：

（1）钻孔模式下，冲击压力大于设定值且编码器当前数值大于上次钻孔的终止点数值，将当前编码器数值记作本次钻孔的起始点数值。

（2）冲击压力小于设定值且编码器当前数值大于本次钻孔的起始点数值，将当前编码器数值记作本次钻孔的终止点数值。

钻孔深度=本次钻孔深度+本次钻孔之前的总钻孔深度

其中，本次钻孔深度=2π×链轮半径×（本次钻孔终止点数值-本次钻孔起始点数值）。

3    应用测试

系统采用安百拓建筑矿山设备有限公司生产的牙轮钻机DM75作为测试车辆，并在测试场地搭建了基站，以提高定位精度。测试车辆、测试场地及基站如图8所示。

3.1    自动找平测试

该测试对10 000次自动找平/自动收回、3 000次手动找平/手动收回所需时间进行比较，前者比后者快平均10.7 s。

3.2    GPS定位精度测试

为了能够在有限的测试区域内尽可能测试GPS定位精度，在测试场地按照S形采集6个点。为了提高测试点的定位精度，通过GPS静态测量的方式获得基站以及待测点的精确位置。

通过专用软件根据所采集定位信息生成钻孔计划，将其导入露天钻机数字钻孔系统;并根据GPS定位模块所提供的信息驱动钻机，使得钻杆与目标点重合。

表1是实际钻孔坐标与设计坐标的比较，实际钻孔坐标与设计坐标基本偏差约为10 mm，这主要是GPS定位精度、电液控制精度以及人为因素所致。总体来说，GPS定位精度符合露天采矿的需求。

3.3    孔深测量功能测试

经过工地测试，该孔深算法既能够在正常工况下实现孔深的高精度测量，又能够在如空洞、吸孔等特殊工况下实现孔深测量，孔的深度误差大约为20 mm。

4    结语

露天钻机数字钻孔系统，可以实现钻机的自动找平，较手动找平效率更高;可以实现钻机的精确定位，大幅减少现场测量工作量;炮孔布置精度高、时间短，可以实现孔深的精确测量，大幅减少超钻和欠钻现象，为制订出更好的爆破设计方案创造了条件。

[参考文献]

[1] 沈兴玉，崔光峰，任昌胜，等.露天爆破大块率高及根底产生的原因及降低措施[J].现代矿业，2010，26（7）：96-97.

[2] 雷化南，张建平.降低露天矿台阶爆破不合理大块率及根底率的有效办法[J].金属矿山，1992（7）：31-34.

[3] 郑华森.降低露天采矿台阶爆破大块率的几种方法[J].新疆有色金属，2010，33（S2）：46-47.

[4] 谭得健，徐希康，张申.浅谈自动化、信息化与数字矿山[J].煤炭科学技术，2006（1）：23-27.

[5] 刘庆修.车载钻机底盘自动调平系统研究[J].煤矿机械，2014，35（11）：70-72.

[6] 王超，高云国，乔健.三点支撑平台的快速调平研究[J].电子测量与仪器学报，2015，29（8）：1216-1223.

收稿日期：2021-12-31

作者简介：赵向伟（1985—），男，山东临沂人，硕士，工程师，主要从事钻机研发工作。