露天煤矿DM系列钻机智能化建设及应用

张耀武

（神华准格尔能源有限责任公司，内蒙古自治区 鄂尔多斯 010300）

随着信息化和自动化技术的发展，矿山开采越来越重视高精尖技术的应用。为实现矿山开采的精细化管理和高效生产，露天煤矿开采中已开始引入智能化、自动化的相关理念及技术应用。

1 露天煤矿钻爆开采现状

自“数字矿山”的概念被采矿业提出以来，国内大型露天煤矿数字矿山信息化建设工作便开始按安全生产、降本增效两条主线逐步开展。其中，信息化建设作为基础通讯信息平台，日益受到矿山的重视，成为发展的重点项目[1]。传统钻孔作业全部为人工操作，无自动化部分参与，完成的爆破孔以人工测量的方式检验是否合格。日常生产数据和耗材记录全部采用手工记录的方式，通过多年演化，逐步生成矿床地质模型及辅助优化设计系统、生产调度与监控系统两大系统，矿山MIS（信息管理）、ERP（企业资源规划）系统等一系列智能化矿山建设内容。

在矿山开采装备智能化方面，当前边坡远程智能监测、运输设备防碰撞、超速报警等相对独立的系统模块都已应用，钻机自动导航钻孔也开始在一些矿山测试和开展。按照露天矿山建设的“数字化、自动化、智能化”三阶段来看，未来钻孔与爆破重点研究方向应该按照以下步骤逐步推进：①穿孔环节智能化，包括钻机状态自动检测、钻机自动导航及钻进控制、地层岩性识别；②爆破环节智能化（装药车自动导航及装药、爆破效果自动评价)。研究露天煤矿钻爆智能化建设规划、整体目标，明确相关建设技术路径，对于提升露天煤矿智能化建设工作成果具有重要的理论指导和现实意义[2]。

2 建设露天煤矿智能化钻机的必要性

当前中国各行业正处于产业过渡的关键时期，由劳动密集型向技术集约型转变中，尤其是以各项技术为基础的采矿行业。各个制造业的迅速发展，加大了对矿产的需求。当今矿山主要生产方针为要求采矿企业整改过去高污染、低效益的传统开采模式。开采模式的转变，核心就是采矿工艺技术的改进和应用。要实现矿山的可持续发展，发展绿色矿山开采理念，以智能化矿山为代表的现代化矿物管理理念，及采矿技术已然成为矿山发展的趋势。作为关系中国经济命脉和能源安全重要基础产业的煤炭工业，智能化和数字化开采是其必经之路[3]。钻孔作为矿山开采的第一道工序，成孔精度和质量直接影响后续爆破、装运等环节。采用高自动化和高智能化的现代高新钻孔技术带动传统矿业升级，从本质上可以提高露天煤矿的竞争优势，实现露天煤矿开采科学化、现代化的管理，从而推动国内露天煤矿向安全、高效、经济、绿色与可持续的目标发展[4]。

目前，安百拓（原阿特拉斯科普柯）生产的DM系列大孔径牙轮钻机广泛应用于国内主要大型露天煤矿，如神华准能黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿、霍林河露天煤矿等，钻孔直径从200mm～311mm，深度涵盖13mm～-60m。DM系列钻机主要采用牙轮穿孔方式，在较硬岩层的矿山多选用F5，F6级别牙轮钻头，例如黑岱沟露天煤矿。在岩石较软矿山则多选择刮刀钻头，例如霍林河露天煤矿。DM系列钻机动力驱动方式分为燃动和电动，燃动机型有DM45，电动机型有DM75E、DMH等。本文将以在黑岱沟应用较多的DM75E系列钻机为例，来阐述DM系列钻机智能化建设及应用。

图1 CANBUS单台系统组成Fig.1 CANBUS single system composition

3 DM系列钻机智能化方案及应用

3.1 DM75E系列钻机工作原理概述

安百拓生产的DM75E系列主要以高压电为驱动单元，设计工作电压6000V，电机前端驱动3组液压泵，为全车运动部件包括行走、定位、钻孔、换杆等提供液压动力；电机后端驱动空压机，为穿孔时排渣提供压缩气流。从而一起完成牙轮钻孔工作三要素：回转、进给和排渣。

3.2 RCS系统原理

RCS（全称Rig Control System）为安百拓自主开发应用于所有设备上的一套智能化和自动化系统。其基于CANBUS技术，实现“一点对多点”控制。低阶段的系统可轻松实现设备工作的状态，工作参数显示，电气元件故障等；高阶段的系统则可实现设备预设定状态工作，数据的远程传输，生产数据的输入，实现单人多台、无人自动工作等高智能化功能。图1为CANBUS组成及控制原理。

3.3 RCS系统的安装

安装于DM75钻机上的RCS系统是介于基础和高端之间的配置，其主要组成部分如下：

1）加装到设备上需要采集数据及信号的硬件，主要有塔架上的传感器、回转机构传感器、液压系统等传感器和编码器等。

2）用于传递传感器和编码器等信号的电缆，集成信号解析、信号输入、信号输出等电器原件的处理器，简称为I/O模块。

图2 DM系列RCS系统组成Fig.2 DM series RCS system composition

图3 钻孔显示界面Fig.3 Drilling display interface

3）用于显示相关钻孔角度、油液温度、钻机速度等设备工作参数的触摸式显示器。该显示器除显示参数外，还可以进行参数的设定、工作状态的预设定，工作报告的生成与导出等。

4）可以选装用于高精度导航和通讯的其他硬件，在现场与GPS基站对接，以实现矿山整体自动化的需求。

图2为安装到DM75E上的RCS系统主要组成部分。

3.4 DM75系列RCS可实现功能

完成RCS相应硬件安装后，根据需求植入对应软件系统，可实现如下相关功能：

1）作业时实时显示孔深与穿孔效率、旋转速度与扭矩、进给与提升压力指示、排渣压力、水箱液位、钻架角度等。

2）自动找平：钻机在钻孔之前钻架及机身位置的调整。传统方式都需操作人员观察水平仪进行调整，RCS的自动找平功能可以自主完成操作，使钻机最终精准快速地调到水平，满足钻孔需求。

3）模块数据储存并传输到局域网，记录钻机工作过程中每时刻的状态、成孔的深度与角度、钻机发生过的一些非正常表现，例如故障、瞬时过载等，通过模块上的数据进行存储，并可根据需要传输到局域网。

4）地面管家软件高阶的模块中安装有安百拓公司独有的地面管家（Surface manager）软件，可以在计算机上实行远端数据的分析。完成自动钻孔前的孔位布置，孔深的提前设定等，完成后通过移动存储单元或无线信号的方式传送到钻机上。最终地面管家软件会根据需求将生成生产报告。对于钻机在日常生产中所有的消耗，也可以方便快捷地从软建中获取。

3.5 RCS系统工作功能演示

1）钻机在正常工作时，显示界面可以调整为显示以下部件状态：钻机转速、进给压力、旋转扭矩、排渣压力、水箱液位、空压机流量比例、储杆器位置、卡钳位置、回转机构位置及钻杆孔内互锁、孔深、穿孔效率。图3为对应状态。

2）钻架定位互锁时可以显示如下内容：钻架角度、钻机倾角、自动找平状态、钻机水平仪、发动机或电机转速。

3）地面管家部分功能演示，地面管家是RCS系统最重要的软件工具，可分区域显示不同部位当前作业状态，显示界面由上至下主要内容如下：

第一区域为钻孔信息、钻孔计划管理（仅导航版）、水箱液位、报警系统。

第二区域为使用期间数据统计。

第三区域为钻机使用时间明细、钻孔数量与米数、穿孔效率、消耗。

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第四区域为设计与实际模型对比（仅导航版），岩石硬度。

第五区域为每日日志记录。如图4。

4）钻孔耗材统计：进入界面后可以看到设备当前钻具消耗，包括钻杆、钻头以及联接装置等，用于统计钻具消耗情况，并可生成单机的消耗报告。

4 DM系列智能化钻机的应用效果

4.1 行走与自动找平

钻机完成钻孔，移动到下一位置并开始钻孔前的一系列动作称为定位。传统作业中定位操作主要依靠手动操作，这样在精度和效率把控上都依托于操作人员的经验。安装由RCS控制系统后，这部分操作则可由系统辅助或自动完成。

图4 地面管家系统Fig.4 Ground housekeeping system

图5 成孔质量分析界面Fig.5 Hole quality analysis interface

通过数以千万次的测试结果可以计算出自动找平对比手动找平：支千斤顶平均快10.7s，收千斤顶平均快5.8s。但从定位环节可有效提高设备生产效率，降低能耗，如图5。

4.2 钻孔计划管理

通过管理终端将地面管家导出的钻孔计划以无线或存储单元的方式输入钻机，钻机即可按照计划进行每个点的作业。对平台上计划作业的位置进行精准标记和分类，例如标记处区域、已完成装药区域、未完成作业、失效空位等。同时也可详细记录生产日志的变更，计划内容的变更，通过ID识别计划人员是否变更等。并且可以对未完成的计划所需时间进行精确估算，从而协助生产部门对整体钻爆工艺进行整体预判和规划。

4.3 钻孔精细化分析

4.4 成孔质量分析

对计划作业平台标定区域完成全部钻孔作业后，最终由软件生成一份详细的成孔质量报告，该报告可按照需求由2D或3D形式呈现给使用者。报告中详细罗列孔位坐标、深度，与计划深度偏差等，这样让使用者清晰快捷地获得钻孔计划与实际对比模型，从而可显示已完成的钻孔精确性与连续性。协助爆破工序提高准确性和精确的药量填充控制，使爆破效果能够最大程度上地接近预期。图5为计算机模拟显示某次作业模型，对应标记说明如下：蓝色为已完成的孔；空白为未完成的孔；红色为标定错误的孔；橙色为操作手失误导致。

4.5 钻孔生产耗材统计

钻孔作业中日常消耗最大的零部件即钻具。它是钻机中主要的生产成本，通常包括钻头、钻杆及相应联结装置。借助于RCS系统，可对每个钻具使用寿命及相关消耗信息进行精准记录和核算。特别是对于钻头消耗的计算，根据不同的工作位置精确计算出穿孔效率和使用寿命，可有助于操作人员判断当前岩石状况对穿孔效率的影响，更可以协助操作人员在不同岩石平台下选择最匹配的钻头，进而提高钻具使用寿命，降低生产成本。最终，生产周期、作业平台、操作人员等都可以按需形成相应的钻具耗材生产报告，协助生产部门分析消耗件的性能是否在最佳状态，从各个环节做到精细化管理。

4.6 协助维修

RCS系统信号及数据的采集和传输都通过电气元件来实现整体功能，因此可以协助做许多日常维护保养的监测提醒和故障诊断。

1）日常维护检测主要是通过采集准确的部件运行时间，如动力单元运行时间、执行单元运行时间。通过与设定为时间的比对，在达到预定保养时间时先进行提醒，如果超过设定时间20%则可能通过系统禁用相关功能，直到完成保养并重新给与相关指令。

2）故障主要是电气元件的传输信号和数据来诊断相应部件是否工作正常，可以快速判断在发生故障的部件是来源于软件故障、电器故障或者机械故障。通过地面管家系统的故障代码，维修人员可快速地诊断，且可以远程技术指导处理故障，迅速制定有效的维修方案。

5 智能化矿山的建设方向和前景

钻机作为矿山爆破开采设备的重要组成部分，其智能化必须和所有矿山设备同步进行，进而实现智能化矿山建设的完整性。

1）基于4G/5G网络通信平台建立整体开采工艺的可视化和精细化管理，通过搭建视频信号、数据信号以及图像信号将整体生产流程采用链式传播并共享到指定网络平台系统上[5]。

2）通过终端计算机相关软件管理系统，实现钻孔方案设计的模型化和可视化，为爆破工序提供准确的参考分析报告。

3）钻机完成智能化建设后，集成到整体设备网络内，可以实现不同平台统一调度，提高管理控制的综合化程度。另外，根据钻机工作状态形成的生产设备检测系统，可以将许多未知变量做预判，从而为矿山整体管理和控制系统提供协助联动预警机制[6]。

4）借助工业互联网，实现生产管理系统全面统一。同时，精细化的管理可以让生产人员、生产流程每个环节清晰呈现，从而实现矿山调控的智能化，实现矿山整体建设的智能化。

5）借助智能化钻机平台的建设，提前储备和培养专业性较强的技术人才。无论是依托于互联网技术矿山智能化，还是矿山设备所属相关系统的运行均离不开专业型技术人才，高专业性的技术人才是矿山整体运营的关键[7]。

6 结束语

该课题所提及智能化功能目前已在准能黑岱沟露天煤矿实现，但部分功能因受限于通讯、设备兼容性以及矿场环境等因素，无法达成预期目标，实现真正无人化或远程一人控制多机的功能还存在一定的距离，需要逐步提升设备环境适应性及智能化安全性。

智能化矿山的建设，短期看是提出了一个系统化的概念，本质上是一个动态化的过程，理念的设计是符合社会和行业发展的基本规律。数字智能化矿山的顺利建设，对煤炭产业结构的优化与重组，以及提高露天煤矿在行业内的市场竞争力具有十分重要的作用。