高精度鉆機自動布孔在石灰石礦山中的應用

摘" 要：為提升鉆孔爆破的智能化水平，降低人員工作強度，提高鉆孔質量，礦山以現有的阿特拉斯科普柯D45露天潛孔鉆機為目標進行改造，通過在鉆機上安裝高精度定位系統(tǒng)、傾角儀、深度檢測傳感器和車載智能終端等設備，建立精準數學模型，結合布孔設計軟件、數字采礦軟件，融合智能管控平臺，實現露天礦鉆機鉆孔的自動化和無人化。

關鍵詞：鉆機;爆破設計;質量化驗;高精度定位;網絡通信;實時動態(tài)測量

中圖分類號：TD8" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

隨著智能制造相關技術的發(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，國內礦山企業(yè)都加大了信息化、數字化、智能化的建設。隨著行業(yè)的發(fā)展越來越成熟，水泥建材行業(yè)競爭越來越激烈，近些年智能化建設方面也在飛速地發(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)綜合整治項目水泥用灰?guī)r礦，年生產能力1 600萬t，是浙江省最大的水泥用石灰?guī)r生產企業(yè)，公司在進行“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。

1" 建設意義

在礦山數字化、智能化建設內容中，鉆機鉆孔，作為爆破的一個重要環(huán)節(jié)，對爆破質量的影響、炸藥的使用量控制、生產操作安全等方面都起著至關重要的作用。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，不管是從礦山生產的安全性、經濟性還是社會影響方面，鉆孔、爆破的自動化、數字化、智能化的建設都是非常必要的。

傳統(tǒng)的人工布孔方式：需要測量人員實地測量，標注鉆孔位置，在測量好的孔位擺放標志物，鉆機司機根據標志物進行孔位確定，容易受到外界因素干擾，布孔結束后，還要進行繁瑣的驗收工作。

人工對孔環(huán)節(jié)：2名司機，副司機在地面上指揮對孔，主司機在副司機的引導下操控鉆機進行對、鉆孔操作，效率低，誤差大，孔深只能根據操作員經驗目測確定，無法為后續(xù)的爆破環(huán)節(jié)提供精準的數據，影響爆破效果，而且過程還有安全風險。

傳統(tǒng)鉆孔爆破過程，鉆、爆相關的數據搜集無法自動完成、部分關鍵數據人工無法采集，后續(xù)利用創(chuàng)建爆破分析數學模型或者利用數據分析技術實現礦石巖性分析、爆破效果分析等都無法實現，也就難以實現鉆爆過程的優(yōu)化。

在此次數字化智能礦山建設過程中，湖州南方礦業(yè)有限公司綜合應用精確導航定位、高精度自動布孔、高精度深度檢測和自動高性能無線網絡通信等技術，通過對現有鉆機進行改造，安裝高精度定位終端及鉆孔狀態(tài)實時監(jiān)測裝置，規(guī)范鉆孔爆破流程，實現了自動鉆孔作業(yè)過程的監(jiān)控監(jiān)測、自動運行和安全管理，并融合智能管控平臺，實現設計、鉆孔、取樣、質量化驗和爆堆管理的一體化應用，解決了傳統(tǒng)方式的弊端。

高精度鉆機自動布孔系統(tǒng)（簡稱“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效率，降低生產能耗，增強作業(yè)安全性。同時，本系統(tǒng)能夠根據采集的鉆孔過程數據，包括鉆孔深度、加藥量、加藥位置等，對鉆孔作業(yè)進行考核;本系統(tǒng)后續(xù)利用數據分析技術，通過對鉆孔郭恒數據結合最終爆破效果，進行數據分析，持續(xù)改進鉆爆作業(yè)。本系統(tǒng)的建設為礦山鉆爆作業(yè)打造安全可靠、高效先進的生產平臺。

2" 系統(tǒng)組成

露天礦高精度鉆機系統(tǒng)由鉆機高精度自動布孔系統(tǒng)、鉆孔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、高精度定位導航系統(tǒng)、網絡通信系統(tǒng)（無線通信網絡+電臺）、鉆機深度檢測系統(tǒng)，布孔設計軟件等幾個主要部分組成，如圖1所示。

本系統(tǒng)對現場的阿特拉斯科普柯ROC L6露天潛孔鉆機進行改造，通過安裝終端，使用北斗/GPS/GLONASS全球導航定位系統(tǒng)，結合RTK（實時動態(tài)測量）設備，通過載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術進行位置坐標修正，實現厘米級的定位。

3" 技術實現

通過鉆機自動布孔系統(tǒng)的建設，實現鉆機自動鉆孔與人工操作相互兼容、鉆機位置的高精度定位和導航;同時實現鉆機鉆孔過程深度的實時監(jiān)測、巖性爆區(qū)鉆孔后孔底海拔的一致性，實現了礦性爆區(qū)鉆孔后孔底海拔符合要求等功能和技術指標，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系統(tǒng)重要基建部分，差分模塊是保證設備高精度定位的重中之重，本系統(tǒng)應用差分碼通過網絡和電臺方式進行傳輸，電臺傳輸采用雙電臺的方式，保證差分數據可以進行礦區(qū)全覆蓋，差分碼采用RTC3.2，兼容GPS和北斗定位使用。

鉆機自動布孔系統(tǒng)，主要涉及高精度定位技術、采礦地質數字化管理技術、5G通信技術、自動控制技術和傳感器技術等，通過各種技術的融合，實現設備的智能化操作。

3.1" 業(yè)務流程

鉆機自動布孔系統(tǒng)，不是一個獨立的智能設備，是和現場的采礦工藝、采礦生產管理緊密結合的一個智能化應用系統(tǒng)，需要采礦管理人員、設計人員、調度人員、質量化驗人員和鉆機操作人員協同工作。

整個流程如圖2所示，首先根據年度、月度計劃進行任務的分解，根據礦山當前的地表現狀模型、品位數據、資源儲量模型等確立礦山當前的開采位置、掘進方向和開采量等數據，制定短期生產計劃;采礦設計人員根據作業(yè)任務，現場通過RTK設備進行打點，修正準確爆破位置和范圍;采礦人員利用布孔設計軟件，導入精確鉆孔范圍，進行布孔的設計，并通過現場的5G網絡把布孔設計文件發(fā)送到鉆機智能終端;鉆機接到指令，現場根據精確的孔位進行自動鉆孔，鉆孔結束后，鉆機終端通過5G網把鉆孔過程參數和最終鉆孔位置發(fā)送給指揮調度中心服務程序;智能管控平臺獲取智能終端傳輸的最終鉆孔信息，生成爆堆爆孔信息管理，質量化驗人員把最終的化驗數據錄入對應爆孔，形成爆堆信息（包括爆堆儲量、各種元素含量信息），指導后續(xù)配礦;同時，智能管控平臺存儲對應爆破設計的布孔方案、化驗數據文件，3DMine的數采軟件加載文件，更新地質數據庫，為后續(xù)采掘計劃的制定提供數據支持。

3.2" 定位方案

傳統(tǒng)的定位方式，尤其是在露天礦山領域的應用，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，接收到的多顆衛(wèi)星的位置信息、偽距，建立空間幾何，進行精確位置的計算，從而實現了連續(xù)、實時、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)星確定接收機的位置。

但是，該方式的定位，因為時鐘誤差、軌道誤差、電離層延遲等因素的影響，會造成三維定位產生一定的偏差，一般水平誤差在3～10 m，垂直誤差更大;作為普通的車載導航，通過各種算法和道路糾偏等方式，可以滿足應用;三是作為鉆機的自動布孔，孔位偏差需要控制在厘米范圍內，尤其是海拔高度，傳統(tǒng)的方式滿足不了要求。因此，整個系統(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。

為了實現鉆機高精度的定位，本系統(tǒng)采用北斗/GPS融合RTK（實時動態(tài)測量）的定位方案，設備采用千尋的地基-RTK設備，實現了終端設備水平和垂直方向上厘米級的定位精度。本系統(tǒng)包含地基基站系統(tǒng)一套，在現場確定位置進行精確位置的測量和安裝;鉆機上安裝車載終端和GNSS接收裝置，通過衛(wèi)星定位、計算坐標、接收GPS差分基站的RTK差分碼，糾偏，實現了鉆孔水平精確度3 cm內，垂直精確度10 cm內，并記錄實際鉆孔位置與設計位置的偏差。

3.3" 終端設備

終端設備分3部分，一是RTK設備，接收機和手持機，主要是采礦設計人員進行現場測量、打孔范圍確定等功能;高精度定位使用的差分基準站，通過和車載終端的接收值進行差分計算，消除衛(wèi)星軌道誤差、時鐘誤差等，精確算出設備相對基準站的相對坐標， 基準站位置提前測定準確， 最終完成準確的絕對坐標， 通過該方式，位置精度達到精確定位的使用要求。

第二部分是打孔狀態(tài)監(jiān)測，通過在鉆機鉆臂上安裝傾角儀，測量鉆臂X、Y軸2個方向上的傾角，從而精確地控制鉆孔傾斜角度和位置;安裝深度傳感器，實時采集鉆孔深度;角度儀、深度傳感器都通過標準工業(yè)數據接口，把實時采集數據傳輸到車載終端上，直接在終端界面進行實時鉆孔作業(yè)的狀態(tài)的監(jiān)測，操作人員能夠掌握鉆孔進度。

第三部分是車載終端，車上的人機交互設備，是整個系統(tǒng)的大腦，實時采集各種狀態(tài)數據，包括各種定位信息、狀態(tài)數據進行實時的運算，并通過通信網絡，把數據傳輸到指揮調度中心，設備安裝在鉆機駕駛室，采用工業(yè)級標準設備，具體建設如圖3所示。

當班司機通過賬號登錄系統(tǒng)，進入操作界面，進行自動鉆孔的操作，在自動鉆孔過程中，能夠在界面中查看當前鉆孔作業(yè)狀態(tài)，選擇任務書，打孔過程中實時提示司機孔位位置、實時孔深及剩余孔深，制作最終的鉆孔說明文檔上傳調度中心服務程序，并統(tǒng)計司機的工作量。

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

在終端設備上選擇任務書，并且到達任務書位置后，界面上會顯示孔位，其中完成的孔位顯示為綠色，未完成的孔位為黃色，離鉆機最近的孔位會變?yōu)榧t色，當司機對準紅色孔位時，右上角會顯示綠色FIX，此時點擊開鉆即可。當司機移動鉆機時，如果遠離當前紅色孔位，那么離鉆機最近的未完成孔位會自動變紅。

終端系統(tǒng)具備網絡管理、作業(yè)申請、延時申請、地圖選擇和故障申請等功能，點擊“菜單”按鈕，進入操作界面，如圖5所示。

單擊“開鉆”按鈕，進入作業(yè)界面，如圖6所示，操作人員能夠實時了解鉆孔作業(yè)的狀態(tài)，該狀態(tài)數據同步傳輸到指揮調度中心，能夠在調度室實時了解鉆孔作業(yè)。

終端系統(tǒng)在鉆機作業(yè)的各個階段把作業(yè)的數據上傳到調度中心的數據庫中進行存儲，管理人員對鉆機鉆孔進度、鉆機產量、狀態(tài)和鉆機消耗等進行監(jiān)控。同時，根據鉆孔深度和智能管控平臺管理的爆堆管理功能模塊結合，錄入質量化驗數據，自動管理生成的爆堆（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數據。

服務端程序對終端采集的數據進行存儲，記錄鉆機產量情況、任務完成情況及統(tǒng)計孔延米、鉆孔掘進率、已鉆取深度、調準時間、作業(yè)時間、鉆孔時間和非鉆孔時間等;最終將炮區(qū)內每一個孔的設計數據和實際真實數據全部統(tǒng)計到數據庫中，依據該數據檢查每個鉆孔的完成程度（開孔坐標與設計坐標偏差、實際鉆孔深度和設計鉆孔深度的偏差、實際孔底海拔和設計孔底海拔的偏差）、整個炮區(qū)的完成度、產量明細等，為后續(xù)爆破提供數據支撐。

3.4" 鉆機布孔軟件

本系統(tǒng)采用數字化的采礦、鉆孔作業(yè)管理方式，結合達索的數字采礦軟件創(chuàng)建資源儲量模型、地表模型、采掘計劃等，利用手持高精度GPS測量終端爆破范圍，確保布孔位置的真實性與準確性。

本系統(tǒng)布孔操作簡單方便，將預設的孔網參數等基礎數據輸入系統(tǒng)即可自動形成鉆孔任務書，并將數據存儲到數據庫中，可將布好的爆區(qū)直接下發(fā)給指定的作業(yè)鉆機，并顯示在終端界面上，無需人工現場擺孔。大大節(jié)省人力、物力和時間，同時也提高了作業(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。

實現了上位機根據采集的爆區(qū)范圍進行自動布孔設計，生成鉆孔任務書，通過通選網絡，把任務書下發(fā)給對應的鉆機，如圖7所示。

4" 建設效果

通過鉆機自動布孔系統(tǒng)的建設，加強了布孔組和采礦技術人員之間合作，有效提高了現場鉆孔作業(yè)的作業(yè)質量和效率，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度，提高了現場作業(yè)的安全性，有效降低了采礦成本。

鉆機自動布孔系統(tǒng)的應用，能夠采集鉆爆過程的狀態(tài)參數，通過與采礦MES系統(tǒng)的應用相結合，形成鉆孔爆破過程的數據檔案，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數據。

同時，本系統(tǒng)的應用對礦山在鉆機作業(yè)、生產管控、智能化控制等方面都得到了全面提升，通過數字化、智能化的建設推進礦山管理模式和生產模式的變革，為后期鉆機的遠程遙控、無人駕駛等系統(tǒng)建設做了有效的技術儲備、數據儲備，為湖州南方礦業(yè)礦山數字化、智能化建設打下堅實的基礎。

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作者簡介：崔旺（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為礦業(yè)全流程管理。