摘" 要：為提升鉆孔爆破的智能化水平，降低人員工作強(qiáng)度，提高鉆孔質(zhì)量，礦山以現(xiàn)有的阿特拉斯科普柯D45露天潛孔鉆機(jī)為目標(biāo)進(jìn)行改造，通過在鉆機(jī)上安裝高精度定位系統(tǒng)、傾角儀、深度檢測(cè)傳感器和車載智能終端等設(shè)備，建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合布孔設(shè)計(jì)軟件、數(shù)字采礦軟件，融合智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)露天礦鉆機(jī)鉆孔的自動(dòng)化和無人化。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī);爆破設(shè)計(jì);質(zhì)量化驗(yàn);高精度定位;網(wǎng)絡(luò)通信;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量

中圖分類號(hào)：TD8" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0180-05

Abstract： In order to improve the intelligent level of drilling and blasting， reduce personnel work intensity， and improve the quality of drilling， the mine has transformed the existing Atlas Copco D45 open-pit down-the-hole drilling rig. By installing high-precision positioning systems on the drilling rig， inclinometers， depth detection sensors， vehicle-mounted intelligent terminals and other equipment， an accurate mathematical model has been established， combined with hole layout design software， digital mining software， and integrated with intelligent management and control platforms， realizing the automation and unmanned drilling of open-pit mine drilling rigs.

Keywords： drilling rig; blasting design; quality testing; high-precision positioning; network communication; real-time dynamic measurement

隨著智能制造相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及國家在礦山綠色、安全方面的規(guī)范和要求越來越高，國內(nèi)礦山企業(yè)都加大了信息化、數(shù)字化、智能化的建設(shè)。隨著行業(yè)的發(fā)展越來越成熟，水泥建材行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，近些年智能化建設(shè)方面也在飛速地發(fā)展。

湖州南方礦業(yè)有限公司下屬有3座水泥用石灰石礦山，分別是浙江省長(zhǎng)興縣煤山鎮(zhèn)大煤山礦、老虎塘礦和涼帽山礦毗鄰礦區(qū)綜合整治項(xiàng)目水泥用灰?guī)r礦，年生產(chǎn)能力1 600萬t，是浙江省最大的水泥用石灰?guī)r生產(chǎn)企業(yè)，公司在進(jìn)行“三礦融合”的過程，以“綠色、安全、智能”為核心，大力開展礦山的智能化建設(shè)。

1" 建設(shè)意義

在礦山數(shù)字化、智能化建設(shè)內(nèi)容中，鉆機(jī)鉆孔，作為爆破的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)爆破質(zhì)量的影響、炸藥的使用量控制、生產(chǎn)操作安全等方面都起著至關(guān)重要的作用。湖州南方的石灰石礦山離居民區(qū)距離比較近，在爆破管理、爆破振動(dòng)范圍、爆破效果等方面的要求格外高，因此，不管是從礦山生產(chǎn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性還是社會(huì)影響方面，鉆孔、爆破的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的建設(shè)都是非常必要的。

傳統(tǒng)的人工布孔方式：需要測(cè)量人員實(shí)地測(cè)量，標(biāo)注鉆孔位置，在測(cè)量好的孔位擺放標(biāo)志物，鉆機(jī)司機(jī)根據(jù)標(biāo)志物進(jìn)行孔位確定，容易受到外界因素干擾，布孔結(jié)束后，還要進(jìn)行繁瑣的驗(yàn)收工作。

人工對(duì)孔環(huán)節(jié)：2名司機(jī)，副司機(jī)在地面上指揮對(duì)孔，主司機(jī)在副司機(jī)的引導(dǎo)下操控鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)、鉆孔操作，效率低，誤差大，孔深只能根據(jù)操作員經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)確定，無法為后續(xù)的爆破環(huán)節(jié)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，影響爆破效果，而且過程還有安全風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)鉆孔爆破過程，鉆、爆相關(guān)的數(shù)據(jù)搜集無法自動(dòng)完成、部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)人工無法采集，后續(xù)利用創(chuàng)建爆破分析數(shù)學(xué)模型或者利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦石巖性分析、爆破效果分析等都無法實(shí)現(xiàn)，也就難以實(shí)現(xiàn)鉆爆過程的優(yōu)化。

在此次數(shù)字化智能礦山建設(shè)過程中，湖州南方礦業(yè)有限公司綜合應(yīng)用精確導(dǎo)航定位、高精度自動(dòng)布孔、高精度深度檢測(cè)和自動(dòng)高性能無線網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)進(jìn)行改造，安裝高精度定位終端及鉆孔狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，規(guī)范鉆孔爆破流程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鉆孔作業(yè)過程的監(jiān)控監(jiān)測(cè)、自動(dòng)運(yùn)行和安全管理，并融合智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、鉆孔、取樣、質(zhì)量化驗(yàn)和爆堆管理的一體化應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)方式的弊端。

高精度鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“本系統(tǒng)”）能夠減少鉆孔的人員、物資投入，提高了鉆孔爆破的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗，增強(qiáng)作業(yè)安全性。同時(shí)，本系統(tǒng)能夠根據(jù)采集的鉆孔過程數(shù)據(jù)，包括鉆孔深度、加藥量、加藥位置等，對(duì)鉆孔作業(yè)進(jìn)行考核;本系統(tǒng)后續(xù)利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過對(duì)鉆孔郭恒數(shù)據(jù)結(jié)合最終爆破效果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，持續(xù)改進(jìn)鉆爆作業(yè)。本系統(tǒng)的建設(shè)為礦山鉆爆作業(yè)打造安全可靠、高效先進(jìn)的生產(chǎn)平臺(tái)。

2" 系統(tǒng)組成

露天礦高精度鉆機(jī)系統(tǒng)由鉆機(jī)高精度自動(dòng)布孔系統(tǒng)、鉆孔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)（無線通信網(wǎng)絡(luò)+電臺(tái)）、鉆機(jī)深度檢測(cè)系統(tǒng)，布孔設(shè)計(jì)軟件等幾個(gè)主要部分組成，如圖1所示。

本系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的阿特拉斯科普柯ROC L6露天潛孔鉆機(jī)進(jìn)行改造，通過安裝終端，使用北斗/GPS/GLONASS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，結(jié)合RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量）設(shè)備，通過載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行位置坐標(biāo)修正，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位。

3" 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)鉆孔與人工操作相互兼容、鉆機(jī)位置的高精度定位和導(dǎo)航;同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)鉆孔過程深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、巖性爆區(qū)鉆孔后孔底海拔的一致性，實(shí)現(xiàn)了礦性爆區(qū)鉆孔后孔底海拔符合要求等功能和技術(shù)指標(biāo)，有效地控制了爆破效果。

本系統(tǒng)還具備差分模塊，差分模塊是整體鉆機(jī)系統(tǒng)重要基建部分，差分模塊是保證設(shè)備高精度定位的重中之重，本系統(tǒng)應(yīng)用差分碼通過網(wǎng)絡(luò)和電臺(tái)方式進(jìn)行傳輸，電臺(tái)傳輸采用雙電臺(tái)的方式，保證差分?jǐn)?shù)據(jù)可以進(jìn)行礦區(qū)全覆蓋，差分碼采用RTC3.2，兼容GPS和北斗定位使用。

鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)，主要涉及高精度定位技術(shù)、采礦地質(zhì)數(shù)字化管理技術(shù)、5G通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)等，通過各種技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化操作。

3.1" 業(yè)務(wù)流程

鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)，不是一個(gè)獨(dú)立的智能設(shè)備，是和現(xiàn)場(chǎng)的采礦工藝、采礦生產(chǎn)管理緊密結(jié)合的一個(gè)智能化應(yīng)用系統(tǒng)，需要采礦管理人員、設(shè)計(jì)人員、調(diào)度人員、質(zhì)量化驗(yàn)人員和鉆機(jī)操作人員協(xié)同工作。

整個(gè)流程如圖2所示，首先根據(jù)年度、月度計(jì)劃進(jìn)行任務(wù)的分解，根據(jù)礦山當(dāng)前的地表現(xiàn)狀模型、品位數(shù)據(jù)、資源儲(chǔ)量模型等確立礦山當(dāng)前的開采位置、掘進(jìn)方向和開采量等數(shù)據(jù)，制定短期生產(chǎn)計(jì)劃;采礦設(shè)計(jì)人員根據(jù)作業(yè)任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)通過RTK設(shè)備進(jìn)行打點(diǎn)，修正準(zhǔn)確爆破位置和范圍;采礦人員利用布孔設(shè)計(jì)軟件，導(dǎo)入精確鉆孔范圍，進(jìn)行布孔的設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)場(chǎng)的5G網(wǎng)絡(luò)把布孔設(shè)計(jì)文件發(fā)送到鉆機(jī)智能終端;鉆機(jī)接到指令，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)精確的孔位進(jìn)行自動(dòng)鉆孔，鉆孔結(jié)束后，鉆機(jī)終端通過5G網(wǎng)把鉆孔過程參數(shù)和最終鉆孔位置發(fā)送給指揮調(diào)度中心服務(wù)程序;智能管控平臺(tái)獲取智能終端傳輸?shù)淖罱K鉆孔信息，生成爆堆爆孔信息管理，質(zhì)量化驗(yàn)人員把最終的化驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入對(duì)應(yīng)爆孔，形成爆堆信息（包括爆堆儲(chǔ)量、各種元素含量信息），指導(dǎo)后續(xù)配礦;同時(shí)，智能管控平臺(tái)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)爆破設(shè)計(jì)的布孔方案、化驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，3DMine的數(shù)采軟件加載文件，更新地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)采掘計(jì)劃的制定提供數(shù)據(jù)支持。

3.2" 定位方案

傳統(tǒng)的定位方式，尤其是在露天礦山領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是采用GPS/北斗為主的衛(wèi)星定位，在車輛上安裝定位終端，通過接收衛(wèi)星信號(hào)，接收到的多顆衛(wèi)星的位置信息、偽距，建立空間幾何，進(jìn)行精確位置的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置信息。采用該方式的定位至少需要4顆衛(wèi)星確定接收機(jī)的位置。

但是，該方式的定位，因?yàn)闀r(shí)鐘誤差、軌道誤差、電離層延遲等因素的影響，會(huì)造成三維定位產(chǎn)生一定的偏差，一般水平誤差在3～10 m，垂直誤差更大;作為普通的車載導(dǎo)航，通過各種算法和道路糾偏等方式，可以滿足應(yīng)用;三是作為鉆機(jī)的自動(dòng)布孔，孔位偏差需要控制在厘米范圍內(nèi)，尤其是海拔高度，傳統(tǒng)的方式滿足不了要求。因此，整個(gè)系統(tǒng)采用高精度定位方案，采用衛(wèi)星定位加地基RTK糾偏的方案。

為了實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)高精度的定位，本系統(tǒng)采用北斗/GPS融合RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量）的定位方案，設(shè)備采用千尋的地基-RTK設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備水平和垂直方向上厘米級(jí)的定位精度。本系統(tǒng)包含地基基站系統(tǒng)一套，在現(xiàn)場(chǎng)確定位置進(jìn)行精確位置的測(cè)量和安裝;鉆機(jī)上安裝車載終端和GNSS接收裝置，通過衛(wèi)星定位、計(jì)算坐標(biāo)、接收GPS差分基站的RTK差分碼，糾偏，實(shí)現(xiàn)了鉆孔水平精確度3 cm內(nèi)，垂直精確度10 cm內(nèi)，并記錄實(shí)際鉆孔位置與設(shè)計(jì)位置的偏差。

3.3" 終端設(shè)備

終端設(shè)備分3部分，一是RTK設(shè)備，接收機(jī)和手持機(jī)，主要是采礦設(shè)計(jì)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、打孔范圍確定等功能;高精度定位使用的差分基準(zhǔn)站，通過和車載終端的接收值進(jìn)行差分計(jì)算，消除衛(wèi)星軌道誤差、時(shí)鐘誤差等，精確算出設(shè)備相對(duì)基準(zhǔn)站的相對(duì)坐標(biāo)， 基準(zhǔn)站位置提前測(cè)定準(zhǔn)確， 最終完成準(zhǔn)確的絕對(duì)坐標(biāo)， 通過該方式，位置精度達(dá)到精確定位的使用要求。

第二部分是打孔狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過在鉆機(jī)鉆臂上安裝傾角儀，測(cè)量鉆臂X、Y軸2個(gè)方向上的傾角，從而精確地控制鉆孔傾斜角度和位置;安裝深度傳感器，實(shí)時(shí)采集鉆孔深度;角度儀、深度傳感器都通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)接口，把實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d終端上，直接在終端界面進(jìn)行實(shí)時(shí)鉆孔作業(yè)的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，操作人員能夠掌握鉆孔進(jìn)度。

第三部分是車載終端，車上的人機(jī)交互設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，實(shí)時(shí)采集各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括各種定位信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的運(yùn)算，并通過通信網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]調(diào)度中心，設(shè)備安裝在鉆機(jī)駕駛室，采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，具體建設(shè)如圖3所示。

當(dāng)班司機(jī)通過賬號(hào)登錄系統(tǒng)，進(jìn)入操作界面，進(jìn)行自動(dòng)鉆孔的操作，在自動(dòng)鉆孔過程中，能夠在界面中查看當(dāng)前鉆孔作業(yè)狀態(tài)，選擇任務(wù)書，打孔過程中實(shí)時(shí)提示司機(jī)孔位位置、實(shí)時(shí)孔深及剩余孔深，制作最終的鉆孔說明文檔上傳調(diào)度中心服務(wù)程序，并統(tǒng)計(jì)司機(jī)的工作量。

車載終端具體操作界面如圖4所示，各種參數(shù)根據(jù)狀態(tài)通過不同顏色進(jìn)行展示，方便司機(jī)及時(shí)了解鉆機(jī)、鉆孔作業(yè)的狀態(tài)，如傾角儀信號(hào)，正常為綠色，否則為紅色;深度傳感器信號(hào)，正常為綠色，否則為紅色。

在終端設(shè)備上選擇任務(wù)書，并且到達(dá)任務(wù)書位置后，界面上會(huì)顯示孔位，其中完成的孔位顯示為綠色，未完成的孔位為黃色，離鉆機(jī)最近的孔位會(huì)變?yōu)榧t色，當(dāng)司機(jī)對(duì)準(zhǔn)紅色孔位時(shí)，右上角會(huì)顯示綠色FIX，此時(shí)點(diǎn)擊開鉆即可。當(dāng)司機(jī)移動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，如果遠(yuǎn)離當(dāng)前紅色孔位，那么離鉆機(jī)最近的未完成孔位會(huì)自動(dòng)變紅。

終端系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)管理、作業(yè)申請(qǐng)、延時(shí)申請(qǐng)、地圖選擇和故障申請(qǐng)等功能，點(diǎn)擊“菜單”按鈕，進(jìn)入操作界面，如圖5所示。

單擊“開鉆”按鈕，進(jìn)入作業(yè)界面，如圖6所示，操作人員能夠?qū)崟r(shí)了解鉆孔作業(yè)的狀態(tài)，該狀態(tài)數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)街笓]調(diào)度中心，能夠在調(diào)度室實(shí)時(shí)了解鉆孔作業(yè)。

終端系統(tǒng)在鉆機(jī)作業(yè)的各個(gè)階段把作業(yè)的數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，管理人員對(duì)鉆機(jī)鉆孔進(jìn)度、鉆機(jī)產(chǎn)量、狀態(tài)和鉆機(jī)消耗等進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，根據(jù)鉆孔深度和智能管控平臺(tái)管理的爆堆管理功能模塊結(jié)合，錄入質(zhì)量化驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)管理生成的爆堆（爆堆位置、出礦量、品位信息等），為后續(xù)的采礦配礦提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

服務(wù)端程序?qū)K端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，記錄鉆機(jī)產(chǎn)量情況、任務(wù)完成情況及統(tǒng)計(jì)孔延米、鉆孔掘進(jìn)率、已鉆取深度、調(diào)準(zhǔn)時(shí)間、作業(yè)時(shí)間、鉆孔時(shí)間和非鉆孔時(shí)間等;最終將炮區(qū)內(nèi)每一個(gè)孔的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際真實(shí)數(shù)據(jù)全部統(tǒng)計(jì)到數(shù)據(jù)庫中，依據(jù)該數(shù)據(jù)檢查每個(gè)鉆孔的完成程度（開孔坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)偏差、實(shí)際鉆孔深度和設(shè)計(jì)鉆孔深度的偏差、實(shí)際孔底海拔和設(shè)計(jì)孔底海拔的偏差）、整個(gè)炮區(qū)的完成度、產(chǎn)量明細(xì)等，為后續(xù)爆破提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4" 鉆機(jī)布孔軟件

本系統(tǒng)采用數(shù)字化的采礦、鉆孔作業(yè)管理方式，結(jié)合達(dá)索的數(shù)字采礦軟件創(chuàng)建資源儲(chǔ)量模型、地表模型、采掘計(jì)劃等，利用手持高精度GPS測(cè)量終端爆破范圍，確保布孔位置的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)布孔操作簡(jiǎn)單方便，將預(yù)設(shè)的孔網(wǎng)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)即可自動(dòng)形成鉆孔任務(wù)書，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，可將布好的爆區(qū)直接下發(fā)給指定的作業(yè)鉆機(jī)，并顯示在終端界面上，無需人工現(xiàn)場(chǎng)擺孔。大大節(jié)省人力、物力和時(shí)間，同時(shí)也提高了作業(yè)效率。本系統(tǒng)還提供多種孔位編輯工具，滿足多種炮區(qū)的編輯和孔位布置。

實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)根據(jù)采集的爆區(qū)范圍進(jìn)行自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)，生成鉆孔任務(wù)書，通過通選網(wǎng)絡(luò)，把任務(wù)書下發(fā)給對(duì)應(yīng)的鉆機(jī)，如圖7所示。

4" 建設(shè)效果

通過鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)的建設(shè)，加強(qiáng)了布孔組和采礦技術(shù)人員之間合作，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔作業(yè)的作業(yè)質(zhì)量和效率，有效控制了爆破炸藥消耗量，提高了最終爆破效果，降低了鉆爆操作人員的工作強(qiáng)度，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性，有效降低了采礦成本。

鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠采集鉆爆過程的狀態(tài)參數(shù)，通過與采礦MES系統(tǒng)的應(yīng)用相結(jié)合，形成鉆孔爆破過程的數(shù)據(jù)檔案，為后續(xù)礦山在礦石巖性分析、爆破效果持續(xù)優(yōu)化等方面的研究積累了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

同時(shí)，本系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)礦山在鉆機(jī)作業(yè)、生產(chǎn)管控、智能化控制等方面都得到了全面提升，通過數(shù)字化、智能化的建設(shè)推進(jìn)礦山管理模式和生產(chǎn)模式的變革，為后期鉆機(jī)的遠(yuǎn)程遙控、無人駕駛等系統(tǒng)建設(shè)做了有效的技術(shù)儲(chǔ)備、數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，為湖州南方礦業(yè)礦山數(shù)字化、智能化建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：崔旺（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榈V業(yè)全流程管理。