段 云 熊代余 徐國權(quán)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

鉆孔數(shù)字化與鉆孔巖性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

段 云 熊代余 徐國權(quán)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

為實(shí)現(xiàn)露天礦山爆破鉆孔作業(yè)數(shù)字化和智能化，開發(fā)了一套更加精確、更加可靠的鉆孔數(shù)字化與鉆孔巖性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件包括安裝在鉆機(jī)上的鉆孔搜尋定位和鉆孔巖性感知終端系統(tǒng)，以及礦區(qū)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。終端系統(tǒng)主要由GPS OEM板卡、PLC控制器、鉆機(jī)主要工作參數(shù)傳感器組成；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)字化爆破設(shè)計(jì)平臺(tái)、礦區(qū)專用無線傳輸設(shè)施組成。開發(fā)的軟件包括采用LabVIEW和VC++編程的定位尋孔軟件，基于C#語言調(diào)用AutoCAD接口編程開發(fā)地質(zhì)地形圖匹配的爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件。該項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于江西德興銅礦，初步實(shí)現(xiàn)了鉆孔作業(yè)和爆區(qū)巖性識(shí)別的數(shù)字化。

爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì) GPS OEM 牙輪鉆機(jī) 露天礦 巖性識(shí)別

應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，研究開發(fā)更加精確、更加可靠的礦山爆破設(shè)計(jì)、爆破作業(yè)以及爆破效果評價(jià)數(shù)字化和智能化技術(shù)，仍是礦山爆破技術(shù)開發(fā)中的一個(gè)主要方向。在國際巖石爆破技術(shù)領(lǐng)域以往同類研究開發(fā)工作的基礎(chǔ)上[1-4]，本研究基于高精度GPS RTK商用連續(xù)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，開發(fā)了一套由GPS OEM板卡、PLC控制器、鉆機(jī)主要工作參數(shù)傳感器等組成的露天礦山牙輪鉆機(jī)自動(dòng)尋孔終端，并通過牙輪鉆機(jī)工作扭矩、軸壓、鉆進(jìn)速率參數(shù)的連續(xù)采集，間接獲取鉆孔穿過礦巖的性質(zhì)[5]，力圖實(shí)現(xiàn)露天鉆孔設(shè)計(jì)、鉆孔作業(yè)和爆區(qū)巖性識(shí)別的數(shù)字化和智能化。研究開發(fā)的新系統(tǒng)已在江西德興銅礦進(jìn)行了初步生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成與功能

采用高精度GPS RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)精確定位，主要功能是根據(jù)爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出穿孔的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)上傳到爆破管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，鉆機(jī)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)下載爆破管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫穿孔坐標(biāo)，并顯示安裝在鉆機(jī)駕駛室鉆機(jī)定位與巖性識(shí)別系統(tǒng)中的顯示器屏幕上，通過鉆機(jī)自動(dòng)尋孔軟件的指導(dǎo)，輔助鉆機(jī)操作者開始穿孔，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)將穿孔數(shù)據(jù)上傳到爆破管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，爆破設(shè)計(jì)者根據(jù)孔網(wǎng)設(shè)計(jì)坐標(biāo)與返回穿孔實(shí)際坐標(biāo)分析對比，確定后續(xù)的起爆網(wǎng)絡(luò)方式以及裝藥量的計(jì)算。

整個(gè)鉆機(jī)精確定位和監(jiān)測系統(tǒng)從組成上可分為3部分：鉆機(jī)終端定位監(jiān)測系統(tǒng)、無線通訊平臺(tái)、監(jiān)控中心上位機(jī)軟件控制平臺(tái)，如圖1、圖2所示。其中，鉆機(jī)終端定位系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式工控機(jī)以及觸摸屏顯示器等組成。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)客戶端爆破設(shè)計(jì)與鉆機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，由固定IP地址的計(jì)算機(jī)和爆破管理平臺(tái)軟件組成。鉆機(jī)終端定位監(jiān)測系統(tǒng)為整個(gè)監(jiān)測平臺(tái)的主體，主要安裝在礦區(qū)工作的鉆機(jī)操作室內(nèi)，用于輔助鉆機(jī)操作者實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)精確定位和鉆孔，同時(shí)記錄鉆機(jī)鉆孔工作過程參數(shù)。

圖1 鉆機(jī)終端監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 監(jiān)控中心

2 配套軟件開發(fā)

2.1 鉆機(jī)終端監(jiān)測軟件開發(fā)

以Labview8.5軟件作為主要開發(fā)平臺(tái)軟件，開發(fā)一套鉆機(jī)終端監(jiān)測軟件[6-7]，主要功能模塊有串口與GPS設(shè)備通信讀取模塊、GPGGA、GPRMC等信息轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度識(shí)別模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、研華PCM3718H數(shù)據(jù)卡采集傾角模塊、串口與PLC控制器的通信模塊、GPRS DTU無線接收/發(fā)送模塊等。軟件具有實(shí)時(shí)顯示鉆機(jī)穿孔位置信息，記錄回放、自動(dòng)定位、鷹眼圖以及電子地圖管理等多種功能，圖3是鉆機(jī)工作參數(shù)監(jiān)測界面。

鉆機(jī)輔助尋孔功能主要實(shí)現(xiàn)輔助鉆機(jī)司機(jī)完成尋找孔位的功能，爆破設(shè)計(jì)人員通過爆破設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出爆破區(qū)域孔網(wǎng)坐標(biāo)，上傳到服務(wù)器供鉆機(jī)使用，鉆機(jī)司機(jī)通過任務(wù)獲取模塊將孔網(wǎng)坐標(biāo)下載到鉆機(jī)顯示終端。鉆機(jī)司機(jī)可使用鍵盤或自動(dòng)導(dǎo)航尋孔模式，確定鉆孔孔位，如圖4所示。

圖3 鉆機(jī)工作參數(shù)監(jiān)測界面

圖4 輔助尋孔頁

鉆機(jī)輔助監(jiān)測軟件尋孔功能分為手動(dòng)和自動(dòng)2種模式。手動(dòng)模式下，選擇孔號，軟件提示鉆機(jī)所處位置到達(dá)該孔的導(dǎo)航信息，并可以對地圖進(jìn)行縮放、平移等操作進(jìn)行查看；自動(dòng)模式下，軟件根據(jù)鉆機(jī)和炮孔的相對位置，自動(dòng)將其顯示在屏幕中央，直至鉆機(jī)距離炮孔在20 cm 范圍內(nèi)，炮孔顏色變黃，可以進(jìn)行穿孔作業(yè)。圖5是鉆機(jī)輔助尋孔示意圖。

圖5 鉆機(jī)輔助尋孔示意

2.2 露天爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要包括孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)、與服務(wù)器數(shù)據(jù)通訊交互、炮孔顯示、巖性識(shí)別和打印報(bào)表等功能。爆破設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)露天礦爆破各項(xiàng)參數(shù)的下載和上傳；該軟件對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)[8-9]，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)地質(zhì)測繪系統(tǒng)相結(jié)合的可視化顯示及編輯功能；該軟件能根據(jù)現(xiàn)場測得的眉線或者鉆機(jī)上次已穿孔信息和用戶設(shè)定的布孔參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化布孔，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)布孔參數(shù)配置界面

爆破設(shè)計(jì)軟件還具有根據(jù)鉆機(jī)穿孔過程中的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行爆區(qū)地形、穿孔情況及隨鉆巖性信息的顯示。根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際穿孔信息，爆破設(shè)計(jì)軟件反饋調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山爆破最優(yōu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件操作主要包括以下7個(gè)部分：

(1)安裝爆破孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)軟件到本地計(jì)算機(jī)，以管理員身份運(yùn)行。

(2)通過遠(yuǎn)程連接服務(wù)器，登陸服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，將服務(wù)器中爆破相關(guān)參數(shù)讀取到本地計(jì)算機(jī)，主要提供眉線數(shù)據(jù)及現(xiàn)場鉆機(jī)已布孔位置信息的下載。其中下載過程中可選擇相對應(yīng)的鉆機(jī)及相對應(yīng)的時(shí)間，輔助設(shè)計(jì)人員合理安排穿孔爆破工期。

(3)在設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)的過程中，點(diǎn)擊顯示眉線，便將現(xiàn)場測得的眉線數(shù)據(jù)顯示到地形圖中。為了保證自動(dòng)布孔的準(zhǔn)確性及實(shí)際實(shí)用性，軟件采用人工繪制標(biāo)準(zhǔn)線的自動(dòng)布孔標(biāo)準(zhǔn)，繼而設(shè)計(jì)人員配置自動(dòng)布孔參數(shù)模塊，包括布孔方向、間距、排距、孔數(shù)和布孔區(qū)域形狀等信息，軟件通過計(jì)算，得出自動(dòng)布孔的位置信息，并將其顯示在地質(zhì)測繪的CAD圖上，使設(shè)計(jì)人員能夠清楚地看到孔位信息?？筛鶕?jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，尤其是前排孔的繪制。該功能的客戶端界面如圖6所示，點(diǎn)擊窗口任意位置，有控件占據(jù)的位置除外，推薦數(shù)據(jù)可自動(dòng)刷新。爆破設(shè)計(jì)人員可根據(jù)爆區(qū)地形的變化，生成不同布孔區(qū)域。圖7是自動(dòng)布孔效果圖。

(4)設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員可將設(shè)計(jì)的孔位信息保存在本地計(jì)算機(jī)中，也可以將其上傳到數(shù)據(jù)庫中，供爆破區(qū)域鉆機(jī)司機(jī)穿孔時(shí)使用。

(5)穿孔三維顯示。三維顯示功能主要用于顯示爆區(qū)的地形起伏變化，形象具體地顯示炮孔的穿孔狀態(tài)以及炮孔屬性的查詢，為爆破設(shè)計(jì)人員提供參考，三維顯示中所需的參數(shù)來之服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。該功能提供可操作的工具模塊：顯示選擇模塊(可選擇顯示地形曲面圖和鉆機(jī)穿孔圖)、查看視角調(diào)整模塊(可分別調(diào)整方位角和視角對三維圖形全方位查看)、縮放模塊(點(diǎn)擊+/-進(jìn)行縮放調(diào)整)、炮孔屬性查詢模塊(可選擇所要查詢的孔號，點(diǎn)擊查詢，可顯示該炮孔前視/右視的傾角以及該炮孔的所有屬性信息)。另外，鼠標(biāo)拖拽三維顯示圖形可移動(dòng)圖片。圖8是炮孔三維顯示界面。

(6)隨鉆巖性顯示。巖性識(shí)別及顯示模塊主要是針對鉆孔完成后，根據(jù)鉆孔過程中采集的參數(shù)，進(jìn)行分析處理，得到爆區(qū)的巖性參數(shù)，并對其進(jìn)行顯示。

圖7 自動(dòng)布孔效果圖

圖8 炮孔三維顯示

其主要為爆破設(shè)計(jì)人員裝藥設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整裝藥量，根據(jù)不同炮孔的不同巖性信息進(jìn)行裝藥調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化爆破。巖性參數(shù)是通過鉆機(jī)穿孔過程中的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算獲取得到，圖9是巖性巖石堅(jiān)固性系數(shù)識(shí)別圖。

圖9 巖石堅(jiān)固性系數(shù)示意

(7)本軟件提供打印報(bào)表功能。報(bào)表中顯示本次設(shè)計(jì)的爆區(qū)孔位信息、設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)人員等相關(guān)的信息，打印出來便于管理和存檔。一切操作完成，可使用文件操作功能，對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行保存或其他相關(guān)記錄處理，結(jié)束后，退出系統(tǒng)。

2.3 爆破一體化綜合管理平臺(tái)開發(fā)

建立監(jiān)控中心服務(wù)器，即在固定IP地址計(jì)算機(jī)上開發(fā)監(jiān)控軟件，架起GPRS、客戶端與服務(wù)器之間的通信橋梁，固定IP地址計(jì)算機(jī)設(shè)在企業(yè)的服務(wù)器機(jī)房。采用這種方案，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與爆破設(shè)計(jì)之間的實(shí)時(shí)通信，可以實(shí)現(xiàn)管理多臺(tái)鉆機(jī)的無線通信。實(shí)現(xiàn)了管理或控制中心人員對鉆機(jī)穿孔狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為管理人員能夠準(zhǔn)確高效地指揮、調(diào)度、管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，圖10是爆破一體化綜合管理平臺(tái)界面。本綜合管理系統(tǒng)也為其他相關(guān)研發(fā)人員提供了爆破設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，通過設(shè)計(jì)布孔位置、實(shí)際打孔位置、轉(zhuǎn)速、穿孔率、鉆機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)工作參數(shù)等數(shù)據(jù)，分析巖性信息，為優(yōu)化設(shè)計(jì)后續(xù)的布孔和裝藥提供有力的參考；實(shí)現(xiàn)了信息發(fā)布實(shí)時(shí)更新，利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，平臺(tái)信息和數(shù)據(jù)共享，為數(shù)字化礦山爆破提供了安全有效的管理平臺(tái)。

3 在江西德興銅礦的應(yīng)用試驗(yàn)

江西德興銅礦是中國最大的露天銅礦，在1998年引進(jìn)美國Modular公司調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了GPS的卡車調(diào)度系統(tǒng)、GPS電鏟調(diào)度，鉆機(jī)精確定位系統(tǒng)由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，定位誤差大，不能滿足穿孔要求。牙輪鉆機(jī)穿孔還是按照爆破員插竹簽、竹簽引導(dǎo)鉆機(jī)穿孔、人工驗(yàn)收炮孔質(zhì)量的落后局面，鉆機(jī)穿孔質(zhì)量差，無法實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)精確施工。根據(jù)礦山爆破對穿孔的要求，聯(lián)合開發(fā)了數(shù)字化鉆機(jī)定位系統(tǒng)。

通過一年多的現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆機(jī)定位精確可以達(dá)到10 cm精確要求，能滿足振動(dòng)和電壓要求(鉆機(jī)電壓比較高，實(shí)測251 V以上)，自動(dòng)尋孔導(dǎo)航軟件簡單方便，便于操作人員使用。

圖10 爆破一體化綜合管理平臺(tái)

4 結(jié) 論

本研究開發(fā)的露天鉆機(jī)精確定位與隨鉆實(shí)時(shí)識(shí)別巖石參數(shù)系統(tǒng)技術(shù)，硬件系統(tǒng)能夠滿足礦山鉆機(jī)惡劣環(huán)境要求，具有可靠、使用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，軟件系統(tǒng)主要結(jié)合爆破設(shè)計(jì)人員和鉆機(jī)穿孔人員要求開發(fā)，具有使用方便、操作簡單等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)穿孔巖性的自動(dòng)識(shí)別，爆破孔網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)與鉆機(jī)穿孔的有機(jī)結(jié)合；鉆機(jī)穿孔的精細(xì)化和可視化，對于提高爆破設(shè)計(jì)水平、完善精細(xì)爆破、減少爆破技術(shù)現(xiàn)場測量人員及其工作強(qiáng)度具有重要作用。

[1] John H，Datavis L，John V.Drill monitoring systems and the integration with drill and blast software[C]∥ Proceedings 37th Annual Conference of ISEE (International Society of Explosives Engineers).Cleveland:[s.n.]，2011.

[2] Mol O，Danell R，Leung，L.Studies on rock fragmentation by drilling and blasting in open cut mines[C]∥Proceedings Second International Symposium on Rock Fragmentation by Blasting：Fragblast 2.Bethel:Society of Experimental Mechanics,1987：381-392.

[3] 趙興東.露天爆破鉆孔施工工藝研究[J].有色礦冶，2002，18(6)：5-7. Zhao Xingdong.Study on drilling construction technologies in openpitmine[J].Non-Ferrous Mining and Metallurgy，2003，18(6)：5-7.

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[5] 段 云.露天爆破設(shè)計(jì)GPS布孔和鉆機(jī)自動(dòng)定位技術(shù)及設(shè)備開發(fā)[R].北京：北京礦冶研究總院，2013:80-110. Duan Yun.Research on Blast Holes Automatic Design and Development of GPS Positioning Technology and Equipment[R].Beijing：Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy,2013:80-110.

(責(zé)任編輯 石海林)

A New Technology for Digital Drilling and Automatic Lithology Identification

Duan Yun Xiong Daiyu Xu Guoquan

(BeijingGeneralResearchInstituteofMining&Metallurgy，Beijing100160，China)

In order to achieve the digitization and intelligence of rotary drilling in surface mines，a more accurate and reliable digital drilling and automatic lithology identification technology was developed，which includes both hardware and software system.The hardware consists of a positioning，navigation and lithology perception terminal system，and a wireless data transmission system.The terminal system mainly consists of GPS OEM board，Programmable Logic Controller and sensors of measuring major parameters，and and a wireless data transmission system combines digital blasting platform and wireless transmission facilities.The software includes the navigation software of locating blast holes using LabView and VC++，and the blasthole network design software using AutoCAD ActiveX (C#) technologies.This new technology is applied in Jiangxi Dexing Copper Mine，initially realizing the digitization of drilling and lithology identification in blasting zone.

Design process of holes network，GPS OEM，Rotary drill rig，Open-pit mine，Lithology identification

2015-06-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51104018)，北京市西城區(qū)優(yōu)秀人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(編號：20120071)。

段 云(1978—)，男，高級工程師，博士。

TD422，O381

A

1001-1250(2015)-10-125-05