劉敬智，張錄彬，魏 威, 2

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炮區(qū)管理系統(tǒng)在露天礦山的應(yīng)用探討*

劉敬智1，張錄彬1，魏 威1, 2

(1.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

信息技術(shù)的快速發(fā)展為礦山企業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)管理的改善提供了巨大空間，通過信息化、數(shù)字化礦山建設(shè)是精益采礦生產(chǎn)管理，提高采礦生產(chǎn)管控水平，實現(xiàn)降本增效和本質(zhì)安全的重要手段。針對露天礦炮區(qū)管理系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行探討，通過綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、高精度GPS定位技術(shù)等先進(jìn)信息化技術(shù)，實現(xiàn)了礦山生產(chǎn)過程中從布孔設(shè)計、穿孔爆破到采掘運輸?shù)娜芷谂趨^(qū)信息化監(jiān)控和管理。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了穿孔效率、穿孔爆破質(zhì)量、采掘運輸效率以及工作面質(zhì)量，提高了采礦生產(chǎn)信息共享能力以及生產(chǎn)管理和安全管理水平。

高精度GPS；炮區(qū)管理；精益管理；穿孔爆破；采掘運輸

0 引 言

穿孔、爆破和采掘是露天礦生產(chǎn)的重要工序，工序之間的生產(chǎn)接續(xù)、效率產(chǎn)能和施工質(zhì)量是露天礦山生產(chǎn)能力的關(guān)鍵影響因素[1]。例如，露天礦山爆破過程中經(jīng)常發(fā)生的根底、大塊等問題將直接影響挖掘機(jī)的采裝效率和臺階表面平整度[2-4]，而采掘過程產(chǎn)生的欠挖、超挖等問題又對下一臺階的穿孔成孔率、爆破質(zhì)量，以及卡車運輸效率造成影響。因此，提高穿孔、爆破和采掘過程的效率和質(zhì)量[5-6]，合理優(yōu)化穿爆、采運生產(chǎn)安排，形成良性生產(chǎn)循環(huán)，對于提高露天礦生產(chǎn)能力，提高采礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化管理水平具有重要意 義[7-8]。以炮區(qū)為管理對象，結(jié)合時間、空間和地質(zhì)信息，采集鉆孔屬性、炮區(qū)物料、設(shè)備產(chǎn)量、爆堆余量、臺階高程等數(shù)據(jù)，對鉆機(jī)和挖掘機(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行實時監(jiān)控指導(dǎo)和跟蹤管理，形成一套完整的炮區(qū)管理系統(tǒng)是實現(xiàn)上述管理目標(biāo)的有效方式。

本文以緬甸某露天銅礦為依托，研究探討炮區(qū)管理的概念以及系統(tǒng)如何與生產(chǎn)實際相結(jié)合，以便實現(xiàn)穿孔、爆破和采掘的信息化、智能化管理。

系統(tǒng)以炮區(qū)為核心管理對象，集成高精度GPS鉆機(jī)和挖掘機(jī)機(jī)械引導(dǎo)系統(tǒng)，以來自自動布控軟件的鉆孔布置圖和礦業(yè)三維軟件的圈礦數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)穿孔、采掘生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集和動態(tài)展示，監(jiān)督、指導(dǎo)穿孔和采掘作業(yè)過程，掌握炮區(qū)施工動態(tài)變化，為優(yōu)化生產(chǎn)安排和加強(qiáng)工作面質(zhì)量管理提供依據(jù)。炮區(qū)管理系統(tǒng)貫通穿孔、爆破和采掘工序，主要包括上位機(jī)軟件，高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)和高精度挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)3個組成部分。

1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要包括自動布孔軟件和炮區(qū)信息查詢軟件兩部分，其中自動布孔軟件用于炮區(qū)鉆孔設(shè)計，炮區(qū)信息查詢軟件用于鉆孔布置圖、炮區(qū)多邊形、設(shè)備信息展示以及爆破信息、炮區(qū)狀態(tài)的人工錄入等。

1.1 自動布孔軟件

自動布孔軟件通過現(xiàn)場采集的炮區(qū)邊界和特殊點的坐標(biāo)，根據(jù)爆破類型、孔網(wǎng)參數(shù)、安全距離、超深等進(jìn)行鉆孔設(shè)計，自動生成孔位并可根據(jù)需要進(jìn)行局部調(diào)整。布孔軟件可將鉆孔布置圖下發(fā)到鉆機(jī)車載終端，用于穿孔過程的開孔引導(dǎo)，同時將上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于炮區(qū)信息查詢軟件中的鉆孔布置圖展示以及鉆孔信息查詢等應(yīng)用。自動布孔軟件提高了鉆孔設(shè)計的效率和準(zhǔn)確度，實現(xiàn)了從設(shè)計到施工(Design to Operate)的無縫連接。

1.2 炮區(qū)信息查詢軟件

炮區(qū)信息查詢軟件是炮區(qū)管理系統(tǒng)的核心組成部分，以鉆孔布置圖和來自于礦業(yè)三維軟件的圈礦數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆機(jī)和挖掘機(jī)信息，動態(tài)展示炮區(qū)的穿孔和炮堆的采掘過程。通過炮區(qū)查詢軟件，調(diào)度員可以手動錄入爆破日期、孔數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)、爆破量等爆破信息，同時可以進(jìn)行炮區(qū)狀態(tài)管理，例如鉆孔、待采、采掘、暫停、完成等。炮區(qū)信息查詢軟件具有完善的過濾功能，可以按照臺階、炮區(qū)編號、物料類型、炮區(qū)狀態(tài)、起止日期等進(jìn)行靈活查詢，信息內(nèi)容豐富，涵蓋炮區(qū)全生命周期，包括炮區(qū)的鉆孔設(shè)計信息、穿孔信息、圈礦信息、采掘信息、狀態(tài)信息等，這些信息幫助生產(chǎn)管理人員實時掌握采場動態(tài)，準(zhǔn)確分析生產(chǎn)制約因素，為生產(chǎn)效率提高和管理提高提供了強(qiáng)大工具。炮區(qū)信息查詢軟件如圖1所示。

(1) 鉆孔信息查詢。鉆孔信息查詢數(shù)據(jù)來自于自動布孔軟件的鉆孔布置圖數(shù)據(jù)，包括鉆孔編號、孔數(shù)、孔深、坐標(biāo)等信息，鉆機(jī)在穿孔過程中系統(tǒng)將通過車載終端記錄每一個孔的開孔坐標(biāo)、開始和結(jié)束時間、孔深、屬性等信息并實時在鉆孔布置圖中顯示，如圖2(左)所示，不同狀態(tài)和屬性的孔使用不同的顏色顯示。鉆孔屬性包括水孔、硬巖、鐵器等，使用不同顏色的圖例進(jìn)行展示，用于后續(xù)爆破裝藥和采掘過程指導(dǎo)。通過過濾功能可對某一炮區(qū)的鉆孔信息進(jìn)行查詢，例如查閱設(shè)計孔數(shù)、完成孔數(shù)、總進(jìn)尺數(shù)、屬性統(tǒng)計、鉆機(jī)作業(yè)信息等，也可對炮區(qū)的任意鉆孔進(jìn)行信息查詢，如圖2(右)所示。鉆機(jī)當(dāng)前作業(yè)信息也可通過此軟件進(jìn)行查詢，如圖2(左)中彈出的信息窗口所示。

(2) 采掘信息查詢。采掘信息查詢數(shù)據(jù)來自于礦業(yè)三維軟件的圈礦信息，包括炮區(qū)邊界坐標(biāo)、物料類型、爆破方量、平均品位等信息，這些信息以CSV文件的方式導(dǎo)入到炮區(qū)信息查詢軟件中，以不規(guī)則多邊形的方式顯示炮區(qū)。如圖3(左)所示，根據(jù)物料類型將一個炮區(qū)劃分為6個子塊并用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，挖掘機(jī)鏟斗位置動態(tài)顯示，可以直觀準(zhǔn)確了解當(dāng)前的采掘位置和物料信息，同時可進(jìn)行物料、鏟斗高程、履帶高程等挖掘機(jī)信息查看。

圖3(右)為通過查詢過濾條件進(jìn)行炮區(qū)綜合信息查詢，包括炮區(qū)當(dāng)前狀態(tài)，物料類型，設(shè)計方量，爆堆余量，平均品位，炮區(qū)鉆孔、爆破、采掘等歷史狀態(tài)的起止和持續(xù)時間，挖掘機(jī)歷史作業(yè)信息等，此功能還可導(dǎo)出詳細(xì)的炮區(qū)狀態(tài)和產(chǎn)量流水，便于進(jìn)行炮區(qū)生產(chǎn)過程分析。炮區(qū)綜合信息查詢幫助生產(chǎn)管理人員快速了解某一炮區(qū)的當(dāng)前狀況和歷史作業(yè)過程，便于進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化和問題分析。

圖1 炮區(qū)信息查詢軟件

圖2 鉆孔信息查詢

2 高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)

高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)利用厘米級GPS定位技術(shù)、傾角儀、絕對值編碼器以及先進(jìn)的導(dǎo)航算法，實現(xiàn)了精確的穿孔過程對孔引導(dǎo)和孔深檢測。不同于傳統(tǒng)的人工測量擺放標(biāo)志物和一人操作一人車下指揮的模式，高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)自動下載上位機(jī)下發(fā)的鉆孔布置圖，在穿孔過程中顯示炮區(qū)所有孔的編號、位置和狀態(tài)信息，提醒下一個待鉆孔的方位和距離，根據(jù)屏幕提示，司機(jī)可以高效、準(zhǔn)確的將鉆頭對到相應(yīng)的孔位。如圖4(左)所示，綠色孔代表已鉆完，紅色孔代表下一個待鉆孔并在屏幕右上方提示方位和距離，黃色孔代表未鉆。鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)顯著減少現(xiàn)場測量工作量，提高了布孔、穿孔作業(yè)的自動化控制水平和精準(zhǔn)度，消除了惡劣天氣和夜間對穿孔作業(yè)的影響，實現(xiàn)了鉆機(jī)全天候作業(yè)，提高了穿孔效率和質(zhì)量。

孔深檢測通過安裝在提升鏈條上的絕對值編碼器實現(xiàn)，結(jié)合加減桿操作，實現(xiàn)開孔坐標(biāo)采集和孔深實時測量，根據(jù)目標(biāo)孔深進(jìn)行預(yù)警提示，確保實際孔深和設(shè)計值相符，精準(zhǔn)孔底高程控制，提高穿孔質(zhì)量，有利于后續(xù)爆破質(zhì)量控制?？咨顧z測如圖4(右)所示。

除對孔引導(dǎo)和孔深檢測外，系統(tǒng)在穿孔作業(yè)過程中還將采集每一個鉆孔的開孔坐標(biāo)、開始和結(jié)束時間、暫停時長以及水孔、硬巖、鐵器等鉆孔屬性信息，結(jié)合孔深數(shù)據(jù)形成完整的穿孔報告，用于指導(dǎo)后續(xù)的爆破裝藥和采掘過程。

鉆桿厘米級定位通過安裝在鉆機(jī)車體上的兩個高精度GPS天線、可接收差分信號的GPS接收單元以及傾角儀傳感器實現(xiàn)，定位精度為±5 cm。

3 高精度挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)

錯誤物料卸載將造成礦石的損失和貧化，因此挖掘機(jī)司機(jī)在作業(yè)過程中必須準(zhǔn)確掌握所作業(yè)炮區(qū)和物料類型信息，高精度挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)利用厘米級GPS定位技術(shù)和角度傳感器實現(xiàn)挖掘機(jī)履帶和鏟斗的精確定位，結(jié)合炮區(qū)多邊形實現(xiàn)作業(yè)炮區(qū)和物料的識別。如圖5所示，以炮區(qū)多邊形為背景，挖掘機(jī)司機(jī)根據(jù)采裝過程的鏟斗位置可判斷當(dāng)前炮區(qū)和物料類型，并進(jìn)行正確的選擇，當(dāng)實際鏟斗位置同所選炮區(qū)和物料類型不符時，系統(tǒng)會在挖掘機(jī)車載終端和調(diào)度室同時生成報警，確保挖掘機(jī)作業(yè)炮區(qū)和物料同實際情況吻合，為準(zhǔn)確的物料流統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)。

臺階平整度對于穿孔質(zhì)量、卡車運輸效率、卡車故障率以及礦坑排水均具有重要意義，實時履帶和鏟斗高程顯示及操作指導(dǎo)幫助挖掘機(jī)司機(jī)改善采掘作業(yè)，進(jìn)而提高臺階平整控制，減少欠挖情況，使臺階高程波動在允許的范圍內(nèi)。如圖6所示，系統(tǒng)實時顯示臺階設(shè)計高程以及挖掘機(jī)履帶和鏟斗高程，并進(jìn)行操作提示。

圖3 采掘信息查詢

圖4 高精度鉆機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)

圖5 高精度挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)

高精度鏟斗和履帶定位通過安裝在挖掘機(jī)車體上的兩個高精度GPS天線、可接收差分信號的GPS接收單元以及若干個傾角儀傳感器實現(xiàn)，定位精度為±20 cm。

4 應(yīng)用效果

炮區(qū)管理系統(tǒng)提供了一套完整的穿孔、爆破和采掘過程管理工具，實現(xiàn)了采場、設(shè)備和物料的全面管理，為生產(chǎn)優(yōu)化、爆破裝藥、效率分析、地質(zhì)管理等工作提供了大量的數(shù)據(jù)支撐，為采礦生產(chǎn)管理、設(shè)備管理和效率提升奠定了堅實基礎(chǔ)。該礦山應(yīng)用該系統(tǒng)后主要在以下方面受益：

圖6 鏟斗定位示意圖

(1) 通過快速對孔引導(dǎo)、孔深實時監(jiān)測以及鉆機(jī)作業(yè)、穿孔過程實時監(jiān)督等，明顯降低了惡劣天氣、夜晚對穿孔施工的影響，杜絕了怠工、誤工現(xiàn)象，因此鉆機(jī)的穿孔效率和質(zhì)量均得到較大提升。

(2) 鉆機(jī)穿孔對孔、孔深等方面的施工質(zhì)量提高，以及炮區(qū)穿孔信息用于裝藥指導(dǎo)有效地改善了爆破質(zhì)量，大塊、根底等問題明顯減少。

(3) 爆破質(zhì)量提高后挖掘機(jī)采掘效率得到提高，挖掘機(jī)因鏟斗磨損導(dǎo)致的停機(jī)時間有所降低。

(4) 通過實時監(jiān)控挖掘機(jī)履帶和鏟斗高程，及時發(fā)現(xiàn)超挖、欠挖現(xiàn)象，規(guī)范了采掘施工，臺階平整度較之前有明顯改善。

(5) 挖掘機(jī)鏟斗位置與炮區(qū)物料相結(jié)合，準(zhǔn)確識別、跟蹤物料運輸，降低了礦石損失貧化。

(6) 完善的物料流統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為地質(zhì)管理及金屬平衡計算提供了數(shù)據(jù)支撐。

(7) 布孔和臺階測量自動化水平提高，大量減少現(xiàn)場測量工作，減少現(xiàn)場測量作業(yè)安全隱患。

(8) 掌握炮區(qū)動態(tài)變化情況，有利于生產(chǎn)管理人員進(jìn)行生產(chǎn)安排及實時調(diào)度優(yōu)化。

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國家自然科學(xué)基金項目(41807259).

(2019?01?04)

劉敬智(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事采礦生產(chǎn)與安全管理工作，Email: liujingzhi@wbmining. com。