南芬露天矿智能穿爆系统

李兰彬，赵 力，何 帅，丁 文

（1.本溪钢铁（集团）矿业有限责任公司 石灰石矿，辽宁 本溪 117100；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；4.辽宁省计量科学研究院，辽宁 沈阳 110004）

露天矿穿爆作业是矿山开采的重要工序之一，其成本占矿山生产总成本的25%～35%[1]。穿爆效果的好与坏，直接影响着后续开采工序的作业效率及矿山生产总成本变化，爆破作业带来的飞石、盲炮等也对人身和设备安全造成威胁，需要采取技术措施避免事故发生。

智能、绿色的资源开发与环境保护理念正在逐年提升，机械化换人、自动化减人成为智能矿山建设的目标。当前智能化发展主要体现在开采环节数字化、采掘装备自动化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化[2]。智能穿爆作业能够利用先进的自动化和机器人技术，减少人员在危险区域的暴露时间；通过对岩石物理特性、地质结构等数据的分析优化爆破参数和方案，实现高效、精确的穿孔和爆破作业，减少能量浪费和环境污染，降低成本，提高爆破作业的安全性和可靠性；由此提升整个矿山的运营效率和生产效益。

杨林兵等[3]开发了一套智能化台阶爆破设计优化系统软件，提高了设计和钻孔的准确度，降低大块率，改善爆破效果；李萍丰等[4]提出了智能台阶爆破定义，分析了智能台阶爆破层次间关系、建设原则和分期建设的智能台阶爆破系统，对促进爆破行业的本质安全、高质量和可持续发展具有借鉴意义；何茂林[5]为解决爆破设计中布孔手段单一，难以处理不规则边界等问题，提出了利用智能算法实现爆破参数计算、孔位智能设计的方法；马瑞[6]以委内瑞拉CHOCO－10 金矿台阶爆破为研究对象，选择Maptek公司的Vulcan－11 三维矿山设计软件对CHOCO－10金矿进行地质建模与爆破优化设计；赵明生等[7]基于自适应炮孔布置算法进行炮孔布置，并根据Volterra泛函级数的台阶爆破振动效应非线性预测方法对爆破振动进行评估及预测。

综上，结合南芬露天矿的穿爆作业现状，基于高精度定位技术和无线通信技术，实现穿爆环节的智能化系统建设；通过实时对钻机的监控、合理的布孔设计，实现穿爆的智能作业。

1 矿山概况

本钢南芬露天铁矿位于辽宁省本溪市南25 km处，该矿属前震旦纪鞍山式沉积变质铁矿床，由黑背沟区、铁山区和黄柏峪区构成，其中以铁山区为最大。矿体由太古界鞍山群含铁石英岩中的3 个铁层组成，属于单斜构造。铁矿层走向西北，倾向南西，倾角40°～55°。地表露出全长3 400 m，工业矿段总长2 900 m。磁铁贫矿石铁量31.82%，磁铁富矿石铁量50%。

南芬露天矿现有钻机13 台，以衡阳钻机为主，分穿孔作业区和爆破作业区，爆破作业区负责孔位设计和放样，穿孔作业区负责操作钻机打孔。

由于钻机设备未安装数字化设备，在穿孔作业时，司机仍然采用经验方式进行打孔，孔位的引导以副司机在地面指引主司机将钻机开至设计点位，穿孔作业无法实时掌握钻机的状态、位置、当前钻孔信息等，钻孔深度也无法实时监测，无法指导司机钻至设计孔深。导致效率低下。

爆破作业仍然采用人工布孔方式，作业员通过GPS、皮尺等测量仪器对现场逐个孔位进行布置，这个过程比较耗时且需要2 个作业员配合。布孔密度依赖于钻孔工人的经验和技术水平，因此布孔的精度和一致性可能存在较大的差异，且现场摆放标记受雨雪天气影响大[8-10]。

2 智能穿爆系统

智能穿爆系统的建设目标应满足：①系统要能实现布孔的自动化和数字化，可以记录钻孔的海拔高度、深度、位置、钻孔时间等生产信息；②系统要满足辅助钻机司机完成导航寻找孔位；③系统要将详细记录钻机钻孔的详细信息，将孔位坐标及深度上传，便于爆破设计软件进行爆破设计；④系统要能监测、记录钻机的生产过程数据，并有历史回放，便于事后分析，同时可以根据客户需求设计相应的报表，统计钻机产量情况和生产台时，便于司机考核。

系统由4 部分组成，分别是：车载终端数据采集系统、4G 网络数据传输系统、差分定位系统和调度中心布孔及生产系统。车载终端数据采集系统由车载主机、GPS 高精度定位天线、通讯天线、专用软件等几部分组成，完成设备的实时信息的采集，包括位置信息、状态信息、故障信息等。4G 网络数据传输系统主要解决车载终端的数据实时准确的传输到调度中心的问题。差分定位系统主要通过建立差分基准站将差分信息传输至各分站，实现定位精度的提升；根据露天矿现场的实际情况，车载终端需要接收矿区自建CORS 站的差分信息，利用CORS 站的差分信息完成各钻机的差分定位，以提高定位精度。调度中心布孔及生产系统进行钻机设备的数据接收与分析，布孔设计，设备效率的统计，由布孔设计模块、验孔模块和报表模块组成；布孔设计模块实现通过软件生成孔位设计图，钻孔包括钻孔号，钻孔位置，所处平面，计划深度，完成情况等信息，并能够将图下传给钻机设备；验孔模块利用手持验孔设备实现现场对孔位的深度、属性等信息进行核验，实时修改最终成孔的孔位信息；报表模块实现穿爆系统数据的表格化展示。

系统功能包括：

1）自动布孔。可以记录钻孔的海拔高度、深度、位置、钻孔时间等生产信息。

2）统一矿区自定义坐标系。系统可以自动实现坐标转换，并可转换国家坐标。

3）导航自动寻孔。通过液晶屏向司机提供实时数据，司机根据这些反馈数据调整作业。当钻孔深度达到任务要求，系统将提示司机。在钻孔过程中，系统将检测到的钻孔数据展现给司机，并在实时显示钻孔效率。

4）钻孔详细信息的实时采集。系统能够将孔位坐标及深度实时上传，便于爆破设计软件进行爆破设计。

5）定制化报表。系统可以根据客户需求设计相应的报表，统计钻机产量情况和生产台时，便于司机考核。

6）监测、记录钻机的生产过程数据，并有历史回放，便于事后分析。以二维采剥工程位置图／总平面布置图为基础，真实显示设备的位置和状态，并为调度员提供相应的监控和管理工具，存储时间360 d以上。

7）调度图表。采用图表的形式直观得显示每台设备在任一班次的状态，不同的状态通过颜色来区分。其中，黄色代表交接班状态，橙色表示除交接班外的其他延时状态，绿色表示作业状态，蓝色表示备用状态，红色表示故障状态。

3 关键技术

3.1 设计孔深的计算

一般穿区范围内地形会呈现高低起伏，并不完全水平，若是遇到上次爆破效果差的影响，可能会产生根底，使穿区内平面高程相差较大，在采集穿区边界数据时，会对地形变化较大的区域进行高程离散点采集，而在实际布孔设计中，设计孔位位置并没有对应的离散点高程，从而无法计算设计孔深，需要进行高程插值。假设设计孔位H 的坐标为（Hx，Hy，Hz），H 附近的采集离散点的坐标为（xi，yi，zi），i＝1，2，…，n。则孔位H 的高程Hz插值公式为：

式中：Pi为距离加权值。

式中：ε 为一极小常数。

本方法适用的前提是穿区的离散点采集要均匀，对高程起伏特征点周围采集密度要加密，由于穿区范围一般不会过大，所以此方法计算速度快，均匀采点的情况下，精度较高，适合现场布孔设计。

3.2 实际孔深的采集

露天矿山穿孔深度的采集一般采用人工测量的方式，即在成孔后，由专门技术人员在现场通过吊绳的方式进行孔深测量，这是一种事后测量的方式，无法满足钻机作业人员实时了解钻孔孔深的目的，也无法让钻机作业人员通过实时孔深数据进行精准完成设计孔深。所以系统设计了一种孔深采集装置，通过在牙轮钻机A 型架轴中心位置的凸起固定架上安装孔深传感器，孔深传感器接入车载数据采集终端的485 串口，进行实时采集孔深传感器测量的钻孔深度，无线通信终端通过TCP 的网络通信方式将孔深数据传至监控中心，以方便管理人员查看，钻机作业人员可直接通过车载数据采集终端查看实时孔深数据。

实际孔深的计算方式可用公式：L＝C×P 求解。

式中：L 为实际深度，m；C 为孔深传感器的读数，P 为转换参数。

转换参数P 的求解公式如下：

式中：P 为转换参数；Li为第i 次测量的实际深度，m；Ci为第i 次孔深传感器测量的读数；n 为测量次数。

利用孔深传感器监测钻杆的实时钻进情况，帮助钻机作业人员实时了解当前的钻孔孔深米数，并通过设计孔深指导作业人员按规定完成钻孔钻探，有效地避免了根底的产生，改变了传统的穿孔作业方式，解放了进米统计人员，提高钻机的作业效率和人员的工作效率。

4 系统作业流程

系统作业流程如图1。

图1 系统作业流程

1）布孔设计。矿山采用高精度手持测量仪，针对即将爆破的穿区范围进行数据采集，包括坡顶线形状、边排线方向等，为了更好布孔设计，坡顶线应尽量采集反映实际形状的离散点，根据穿区内的矿岩分布确定行距、孔距参数以及坡顶线的布孔方式，将布孔参数通过软件在穿区上进行输入，自动生成穿区钻孔的平面布置图，受临空自由面限制，常分单自由面布孔和双自由面布孔。

2）穿孔过程。通过布孔设计模块完成布孔计划后，穿孔设备司机可将计划下载至机台，司机按终端提示指引寻找孔位，进行穿孔作业。穿孔过程一般由车载终端、高精度定位、无线网络传输、调度中心4部分配合完成，布孔计划通过4G 无线网络进行下载，差分数据由车载终端通过4G 网络访问矿山自建的CORS 站获取，结合终端自身的定位系统完成当前位置的计算和目标孔位的寻找，调度中心能够实时掌握穿孔设备的作业过程，对数据进行存储和展示。

3）验孔过程。验孔过程是当布孔计划由穿孔设备全部作业完成后，需要技术员现场对已完成钻孔的基本信息进行核验的过程，基本信息包括回填米数、实际孔深、水深、验孔状态、控属性等，只需要输入实际孔深和水深即可，由于作业完成后钻孔可能存在塌孔情况，实际孔深与穿孔孔深并不一致，当钻孔有水的情况下，水位信息也需要现场测量，验孔数据现场采集后，通过无线网络自动同步至调度中心。

5 结语

南芬露天矿智能穿爆系统是利用信息化手段，实现穿爆过程的数字化、智能化应用，系统经过多个穿区的实际验证，整体定位精度满足现实穿爆要求，考虑司机操作因素，系统水平定位精度达到10 cm以内，垂直定位精度小于20 cm，系统利用数字化手段替代以前的人工作业，将经验结合布孔软件内，实现布孔设计、寻孔、穿孔、验孔工作的智能化，有效地提高了穿爆作业的工作效率，同时降低了穿爆成本。