唐文玲　盛宇

摘要：指出了目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)采礦方法對(duì)于低品位及深部礦體的開(kāi)采存在生產(chǎn)效率低、成本高等問(wèn)題，智能采礦則是提高礦山生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。依托國(guó)家 863 課題“地下高氣壓智能潛孔鉆機(jī)”，對(duì)地下智能潛孔鉆機(jī)的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)潛孔鉆機(jī)車(chē)載的通信工控終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛孔鉆機(jī)的工況狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、分析、存儲(chǔ)與控制輸入輸出，解決了地表與井下車(chē)載智能通訊設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊及控制的技術(shù)難題，并利用VC++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制潛孔鉆機(jī)自動(dòng)鑿巖的目的，通過(guò)智能潛孔鉆機(jī)取代人工勞動(dòng)極大地提高了礦山的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：智能采礦；深部采礦；潛孔鉆機(jī)；智能控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）18017405

1引言

隨著部分淺表礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，許多礦山由淺表開(kāi)采轉(zhuǎn)到深部開(kāi)采，其中最深的南非卡里頓維爾金礦，豎井4164 m，開(kāi)采深度已達(dá)3800 m。我國(guó)也有一批礦山已進(jìn)入深部開(kāi)采，其中夾皮溝金礦開(kāi)采深度已達(dá)1600 m＼[1＼]。目前國(guó)內(nèi)常規(guī)開(kāi)采方法對(duì)于低品位及深部礦體開(kāi)采成本高，生產(chǎn)效率低，使得礦山的經(jīng)濟(jì)效益低。而當(dāng)越來(lái)越多國(guó)際市場(chǎng)高產(chǎn)、高效、高質(zhì)量、低成本礦產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)時(shí)，國(guó)內(nèi)礦山將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，深部開(kāi)采時(shí)高應(yīng)力、高井溫、高井深等“三高”問(wèn)題使得開(kāi)采工作異常困難，實(shí)現(xiàn)智能采礦、無(wú)人采礦是解決深部開(kāi)采問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。古德生院士在“智能采礦觸摸礦業(yè)的未來(lái)”中指出：智能采礦是未來(lái)我國(guó)金屬礦業(yè)面臨的三大發(fā)展主題之一，也是當(dāng)今世界礦業(yè)極其關(guān)注，并大力推進(jìn)的一個(gè)具有時(shí)代意義的發(fā)展主題＼[1，2＼]。正因?yàn)槿绱恕笆濉眴?dòng)了“地下金屬礦智能開(kāi)采技術(shù)”863項(xiàng)目，目的在于我國(guó)地下金屬礦智能開(kāi)采技術(shù)體系的初始建立，從而使我國(guó)采礦技術(shù)向智能化方向不斷前進(jìn)發(fā)展，最終增強(qiáng)我國(guó)采礦行業(yè)在整個(gè)行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。本文正是依托國(guó)家 863 課題“地下高氣壓智能潛孔鉆機(jī)”，對(duì)地下智能潛孔鉆機(jī)的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

2智能潛孔鉆機(jī)的發(fā)展及工作原理

2.1潛孔鉆機(jī)的發(fā)展

國(guó)外對(duì)潛孔鉆機(jī)的研究已經(jīng)有幾十年甚至近百年的歷史，其中瑞典的Atlas Copco、芬蘭的Tamrock、美國(guó)的Ingasoll Rand、日本的Furukawa 等公司走在潛孔鑿巖技術(shù)研究的前列。而國(guó)內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)在潛孔鉆機(jī)的研究方面起步較晚，20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)不斷吸收和引進(jìn)國(guó)外潛孔鉆機(jī)先進(jìn)技術(shù)，湖南有色重機(jī)工程機(jī)械有限公司研制的地下潛孔鉆機(jī)CS100D和CS100ET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分的智能工作＼[3～6＼]。以此為基礎(chǔ)，中南大學(xué)、長(zhǎng)沙礦山研究院、北京科技大學(xué)和湖南有色重機(jī)工程機(jī)械有限公司經(jīng)過(guò)不懈努力，共同研制出了高性能全自動(dòng)智能潛孔鉆機(jī)。

2.2智能潛孔鉆機(jī)整體介紹

該智能潛孔鉆機(jī)是新一代大直徑中深孔液壓潛孔鉆機(jī)，其采用鉸接式底盤(pán)結(jié)構(gòu)、液壓輪式行走系統(tǒng)及PID控制方式，提高了炮孔定位的精度及行走轉(zhuǎn)向的靈活性＼[7＼]。智能潛孔鉆機(jī)配備有鉆孔導(dǎo)向和接卸桿機(jī)構(gòu)、多自由度鉆架、濕式除塵裝置、鉆桿庫(kù)，高精度傳感器及車(chē)載工況機(jī)，具有鑿巖參數(shù)自動(dòng)控制和全自動(dòng)工作的功能。鉆機(jī)鉆孔直徑150～200 mm，深度50 m，在巖石系數(shù)f15的巖層中鑿巖時(shí)，臺(tái)班（按8 h計(jì)）穿孔效率可達(dá)100～150 m，其三維模型如圖1。

2.3電氣控制系統(tǒng)組成

該智能潛孔鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)與CS-165E露天潛孔鉆機(jī)控制系統(tǒng)相似＼[8，9＼]，由供電電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、可編程控制器、執(zhí)行電路、顯示電路及報(bào)警電路等組成。控制系統(tǒng)的核心部件由8個(gè)芬蘭EPEC公司的PLC控制器（1個(gè)主PLC控制器和7個(gè)子PLC控制器）組成，PLC之間通過(guò)CANOpen應(yīng)用層協(xié)議組成可擴(kuò)展的CAN-bus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

3潛孔鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)

3.1WIFI遠(yuǎn)程通訊控制技術(shù)

本系統(tǒng)利用井下WIFI通訊系統(tǒng)，通過(guò)潛孔鉆機(jī)車(chē)載通信工控終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛孔鉆機(jī)工況狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、分析、存儲(chǔ)與控制輸入輸出。系統(tǒng)通過(guò)接入潛孔鉆機(jī)車(chē)載各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余、信息再加工以得到智能開(kāi)采業(yè)務(wù)平臺(tái)真正需要的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)控制邏輯進(jìn)行控制輸出，從而達(dá)到對(duì)潛孔鉆機(jī)的智能控制目的，其原理圖如圖2。

其中Hub是集線(xiàn)器，其作用是將遠(yuǎn)程控制臺(tái)（PC）、車(chē)載工況機(jī)（PC）分別與CANET模塊連接；CANET模塊是以太網(wǎng)CAN-bus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程控制臺(tái)（PC）、車(chē)載工況機(jī)（PC）與可編程邏輯控制器（PLC）之間的通訊；CANET模塊與PCL通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)連接；通過(guò)井下WIFI通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地表與井下車(chē)體的遠(yuǎn)程通訊與控制。

唐文玲，等：地下潛孔鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

機(jī)電與工程

3.2智能動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

智能動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)對(duì)井下環(huán)境信息的仿真模擬、傳感器的信息釆集處理、車(chē)體的導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制。其中，環(huán)境仿真模擬主要是對(duì)井下環(huán)境信息進(jìn)行精確描述以建立仿真模型。利用傳感器模塊感知潛孔鉆機(jī)工作所需的各種傳感數(shù)據(jù)來(lái)完成信息采集處理工作。大量的全局環(huán)境信息通過(guò)導(dǎo)航?jīng)Q策來(lái)接收和處理，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)式導(dǎo)航?；趥鞲衅麽娂男畔⒅饕ㄟ^(guò)運(yùn)動(dòng)控制來(lái)進(jìn)行處理，得到潛孔鉆機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)的智能行為。智能動(dòng)作主要包括自動(dòng)行走、自動(dòng)定位、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)接桿、自動(dòng)開(kāi)孔、自動(dòng)鑿巖、自動(dòng)卸桿和自動(dòng)收機(jī)。

3.2.1自動(dòng)行走

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為行走工況。首先設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)的具體位置，然后可以通過(guò)PLC控制行走電磁閥開(kāi)關(guān)和行走液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)的前行、后退、斜移和原地轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)位置停止行走，如果沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)位置繼續(xù)行走，直到達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)位置為止。endprint

3.2.2自動(dòng)定位

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為定位工況。首先，通過(guò)PLC控制俯仰油缸、偏擺油缸、起落油缸和補(bǔ)償油缸的伸縮量，從而使行程的相關(guān)要求得到滿(mǎn)足。之后，控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)閥開(kāi)關(guān)，使導(dǎo)軌回轉(zhuǎn)角度滿(mǎn)足要求。最后，控制左、右頂撐油缸閥開(kāi)關(guān)，使其滿(mǎn)足壓力要求＼[7＼]。

3.2.3自動(dòng)調(diào)平

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為調(diào)平工況。讀取車(chē)架傳感器角度α，如果α>0°±1°（其中1°為允許的誤差），通過(guò)PLC控制左支腿油缸伸出量，直到α在誤差允許范圍之內(nèi)為止。反之，如果α<0°±1°，通過(guò)PLC控制右支腿油缸伸出量，直到α在誤差允許范圍之內(nèi)為止＼[7＼]。

3.2.4自動(dòng)接桿

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為接桿工況。首先選擇鉆桿庫(kù)，然后通過(guò)PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓動(dòng)油缸、夾持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推進(jìn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)卡桿、搓動(dòng)、抓桿、送桿、接桿。

3.2.5自動(dòng)開(kāi)孔

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為開(kāi)孔工況。通過(guò)PLC控制空壓機(jī)、水泵電機(jī)和冷卻風(fēng)扇的啟動(dòng)。當(dāng)風(fēng)壓滿(mǎn)足要求后，開(kāi)啟沖擊器潤(rùn)滑，開(kāi)水、調(diào)整回轉(zhuǎn)馬達(dá)及推進(jìn)器流量閥，使其分別滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)速度和推進(jìn)速度要求。對(duì)比預(yù)定開(kāi)孔深度，判斷鉆孔深度是否滿(mǎn)足要求，如果滿(mǎn)足要求則停止開(kāi)孔，如果不滿(mǎn)足要求，則繼續(xù)開(kāi)孔。

3.2.6自動(dòng)鑿巖

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為鑿巖工況。自動(dòng)鑿巖與自動(dòng)開(kāi)孔控制流程類(lèi)似，其區(qū)別是在調(diào)整回轉(zhuǎn)馬達(dá)與推進(jìn)器流量閥時(shí)，回轉(zhuǎn)速度和推進(jìn)速度要求不一樣。在不同的巖石條件下，鑿巖參數(shù)會(huì)有所不同，如要得出參數(shù)之間的關(guān)系，可以通過(guò)建立這些參數(shù)的數(shù)據(jù)模型來(lái)得到，從而得到最優(yōu)回轉(zhuǎn)速度和推進(jìn)速度，提高鑿巖效率，降低卡鉆發(fā)生概率＼[10，11＼]。

3.2.7自動(dòng)卸桿

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為卸桿工況。自動(dòng)卸桿是自動(dòng)接桿的逆過(guò)程，其控制原理和自動(dòng)接桿一樣，通過(guò)PLC控制上卡油缸、下卡油缸、搓動(dòng)油缸、夾持油缸、大臂油缸、小臂油缸、推進(jìn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)卡桿、搓動(dòng)、抓桿、送桿、卸桿。

3.2.8自動(dòng)收機(jī)

將工況開(kāi)關(guān)設(shè)置為收機(jī)工況。通過(guò)PLC控制左、右頂撐油缸，使其完全縮回，然后控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)閥開(kāi)關(guān)，使導(dǎo)軌回轉(zhuǎn)角度恢復(fù)到初始位置，最后控制俯仰油缸、偏擺油缸、起落油缸和補(bǔ)償油缸伸縮，使其恢復(fù)到初始位置。

3.3智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.3.1傳感器數(shù)據(jù)的分析與處理

通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集通道對(duì)環(huán)境信息、設(shè)備裝備監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行采集，從而獲的具有針對(duì)性的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確的控制與輸出。具體步驟包括：確定多數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)類(lèi)型，并進(jìn)行整理和分類(lèi)；

利用基于主元分析的數(shù)據(jù)降維技術(shù)、信息融合技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余處理；

制定有效合理的控制邏輯，并根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯進(jìn)行實(shí)時(shí)控制輸出。

3.3.2信息的存儲(chǔ)和管理

利用信息采集與控制通用數(shù)據(jù)管理專(zhuān)用模塊，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。利用三維可視化數(shù)據(jù)交互控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于井下環(huán)境信息采集數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)、計(jì)量信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、通過(guò)專(zhuān)有的模塊和控制交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維可視化實(shí)時(shí)展示，直觀、形象地表達(dá)井下對(duì)象的信息；同時(shí)，通過(guò)交互式控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下信息采集與控制裝置的遠(yuǎn)程控制輸出。

3.3.3智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）總體分為外部服務(wù)模塊、通訊模塊和主控邏輯模塊。

3.3.4智能控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，其主要步驟如下：

程序執(zhí)行開(kāi)機(jī)初始化，初始化完成后進(jìn)入下一步；

接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行電源相序、電源電壓、液壓油位及液壓油溫等初始工作狀態(tài)判斷。如果初始工作狀態(tài)正常則程序執(zhí)行下一步，否則，報(bào)警停機(jī)；

接收PLC報(bào)文，提取本地或者遠(yuǎn)程選擇。如果選擇本地，則程序接收本地工控機(jī)命令，如果選擇遠(yuǎn)程，則程序接收遠(yuǎn)程控制臺(tái)命令；

執(zhí)行全自動(dòng)程序：①執(zhí)行自動(dòng)行走子程序；②執(zhí)行自動(dòng)定位子程序；③當(dāng)已接桿數(shù)等于0且推進(jìn)位移小

于開(kāi)孔深度時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)開(kāi)孔子程序；④執(zhí)行自動(dòng)鑿巖子程序；⑤當(dāng)回轉(zhuǎn)頭處于下極限時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)接桿子程序；⑥重復(fù)自動(dòng)鑿巖和接桿，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)鉆孔深度時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)卸桿子程序；⑦執(zhí)行自動(dòng)收機(jī)子程序。

關(guān)閉所有電磁閥、清空所有標(biāo)志位、關(guān)閉電源；

程序結(jié)束。

3.3.5智能控制系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)

利用VC++計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言和Visual Studio 2010編程和編譯工具，開(kāi)發(fā)了智能控制系統(tǒng)軟件＼[D10＼]。其潛孔鉆機(jī)操控平臺(tái)界面如圖5所示。

潛孔鉆機(jī)操控平臺(tái)包括智能操作、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)行模式、執(zhí)行過(guò)程監(jiān)測(cè)、智能參數(shù)設(shè)置、性能優(yōu)化、執(zhí)行確認(rèn)等幾個(gè)模塊。其中智能操作用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)智能動(dòng)作；運(yùn)行監(jiān)測(cè)用于顯示環(huán)境溫度和濕度、油路壓力、電流、電壓等參數(shù)；運(yùn)行模式用于顯示潛孔鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；執(zhí)行過(guò)程監(jiān)測(cè)用于監(jiān)測(cè)和顯示相應(yīng)傳感器參數(shù)，智能參數(shù)設(shè)置用于設(shè)置相應(yīng)智能動(dòng)作參數(shù)；性能優(yōu)化包括最優(yōu)鑿巖參數(shù)自動(dòng)匹配和故障診斷，用于優(yōu)化鑿巖參數(shù)，提高鑿巖效率；執(zhí)行確認(rèn)用于執(zhí)行和取消相應(yīng)的智能動(dòng)作，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，急?？梢苑乐谷藛T和機(jī)械設(shè)備受到傷害

3.3.6智能控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

將智能控制系統(tǒng)安裝于車(chē)載工控機(jī)和遠(yuǎn)程地表操作平臺(tái)，通過(guò)WIFI遠(yuǎn)程通訊控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛孔鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制。

智能潛孔鉆機(jī)調(diào)試工作是在凡口鉛鋅礦（-240）階段維修洞室進(jìn)行，在調(diào)試過(guò)程中各個(gè)功能都能正常運(yùn)行，但是在調(diào)試自動(dòng)鑿巖功能時(shí)遇到了卡桿問(wèn)題。這是由于該維修洞室?guī)r層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，其表面是500cm左右的混泥土層，中間是900cm左右的碎石填充層，填充層下面是巖石層。在進(jìn)入碎石層時(shí)，由于碎石填充層的存在，氣流從碎石間的縫隙溜走，使得吹渣的效果不明顯，出現(xiàn)卡桿現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試建立這些參數(shù)的數(shù)據(jù)模型，得出了參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，不斷優(yōu)化鑿巖參數(shù)，最終解決了鑿巖時(shí)卡桿問(wèn)題，提高了鑿巖效率。endprint

4結(jié)語(yǔ)

“地下高氣壓智能潛孔鉆機(jī)”項(xiàng)目在凡口鉛鋅礦進(jìn)行驗(yàn)收，獲得了科技部專(zhuān)家們的好評(píng)。驗(yàn)收情況表明，該潛孔鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)通過(guò)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，解決了地表與井下車(chē)載智能通訊設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊及控制，同時(shí)協(xié)助生產(chǎn)管理人員進(jìn)行調(diào)配和遙控的技術(shù)難題，將在深部開(kāi)采中將發(fā)揮重大作用。同時(shí)，通過(guò)潛孔鉆機(jī)車(chē)載工控機(jī)裝載潛孔鉆機(jī)操作平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)在沒(méi)有工作人員現(xiàn)場(chǎng)操作的情況下，通過(guò)在地表遠(yuǎn)程控制潛孔鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鑿巖，通過(guò)智能潛孔鉆機(jī)取代人工勞動(dòng)，大批礦工將遠(yuǎn)離深井高溫、巖爆環(huán)境，能極大地改善作業(yè)條件，不僅從根本上解決礦山生產(chǎn)安全問(wèn)題，而且很大程度上提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低礦山生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Research and Implement on Intelligent Control System for Underground DTH Rig

Tang Wenling， Shen Yu

（Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）

Abstract： At present， conventional mining methods have low productivity and high cost for deep and low-grade ore mining. Intelligent mining is an effective way to improve the production efficiency and economic benefit of the mine. This paper relies on National 863 project “high pressure intelligent underground DTH rig” to research and design the intelligent control system of DTH rig. The system uses WIFI wireless network， via the DTH rig on board communication industrial control terminal to achieve DTH rig working conditions state real-time collection， analysis，

storage， remote communication and control inputs and outputs， which solves technical problems of remote communication of surface and underground intelligent vehicle communication equipment. The system was implemented using VC++ programming language. The result of site commissioning showed that the system can achieve remote and automatic control on DTH rig drilling. The replacement of artificial labor through intelligent DHT rig greatly improves the production efficiency of mine.

Key words： intelligent mining； deep mining； DTH rig； intelligent controlendprint