陳 愷，黃紹威

（酒鋼集團(tuán)甘肅西溝礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020）》，明確提出了在未來(lái)5年要大力推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、信息化、自動(dòng)化礦山。通過(guò)多年的努力，西溝礦完成多項(xiàng)自動(dòng)化改造，為適應(yīng)數(shù)字化智能礦山需要，對(duì)牙輪鉆機(jī)進(jìn)行多項(xiàng)基礎(chǔ)改造，并與5G信息技術(shù)相結(jié)合，完成鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制作業(yè)。

1 遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)作業(yè)的意義

傳統(tǒng)的鉆機(jī)作業(yè)流程為爆破技術(shù)人員在爆破區(qū)域人工測(cè)量，臺(tái)階坡頂線、坡底線測(cè)量后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布孔，鉆機(jī)按現(xiàn)場(chǎng)布孔進(jìn)行穿孔，測(cè)量過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)大、誤差大，臺(tái)階坡面無(wú)法精確測(cè)量，測(cè)量精度不高等問(wèn)題，影響爆破效果。西溝礦通過(guò)不斷引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)臺(tái)階進(jìn)行三維成像后，爆破技術(shù)人員通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)使用軟件對(duì)爆破區(qū)域進(jìn)行布控設(shè)計(jì)，上傳數(shù)據(jù)后，鉆機(jī)數(shù)據(jù)終端接收數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成炮孔定位工作，鉆機(jī)通過(guò)精準(zhǔn)定位、孔深實(shí)施測(cè)量，完成遠(yuǎn)程穿孔作業(yè)。如圖1所示。

圖1 鉆機(jī)定位示意圖

西溝礦鉆機(jī)使用的KY-200B牙輪鉆機(jī)，為完成遠(yuǎn)程控制作業(yè)需要對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行改造，主要對(duì)鉆機(jī)增加精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、孔深測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)接卸桿系統(tǒng)及電纜卷纜系統(tǒng)。

2 鉆機(jī)改造

2.1 高精度定位系統(tǒng)改造

系統(tǒng)由車載終端（包含天線、定位主機(jī)）向CORS基站（礦山現(xiàn)在已具備，現(xiàn)有定位精度需達(dá)到厘米級(jí)）獲取衛(wèi)星定位原始數(shù)據(jù)和RTK修正數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身的高精度準(zhǔn)確定位。

由于鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程中，振動(dòng)比較大，車載終端如置于鉆架頂端，極易損壞。方案擬采用間接測(cè)量方案，將車載終端置于駕駛內(nèi)，如圖1鉆機(jī)定位示意圖所示，使用雙天線定位方案，由車載GPS終端獲取天線A點(diǎn)坐標(biāo)（x0,y0）,天線B點(diǎn)坐標(biāo)（x1,y1），則可確定鉆桿中心C點(diǎn)坐標(biāo)為：

高精度定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由車載雙天線GPS終端模塊獲取駕駛室兩參考固定點(diǎn)坐標(biāo)信息，并將信息傳送至車載控制處理器，車載控制處理器根據(jù)鉆孔中心與參考坐標(biāo)點(diǎn)之間三角位置關(guān)系計(jì)算得出鉆孔中心坐標(biāo)點(diǎn)，并將信息傳送至西溝礦數(shù)據(jù)中心。

2.2 鉆深測(cè)量系統(tǒng)及自動(dòng)接卸桿改造

KY-200B牙輪鉆為低鉆架鉆機(jī)，鉆桿分主副桿，鉆機(jī)穿孔過(guò)程中需要接副桿完成穿孔作業(yè)，如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接卸桿而增加的鉆桿固定液壓系統(tǒng)，此系統(tǒng)可準(zhǔn)確的將副桿對(duì)正并通過(guò)程序完成接卸桿作業(yè)。如圖3所示，為穿孔過(guò)程中孔深測(cè)量邏輯順序圖。

圖2 自動(dòng)扶桿器

圖3 穿孔邏輯示意圖

系統(tǒng)由衛(wèi)星高程定位+鉆架位移測(cè)量定位融合計(jì)算得出孔底的絕對(duì)深度位置，孔底深度絕對(duì)誤差可控制在10cm以內(nèi)，有效減小爆破后形成的根底不平度。

當(dāng)鉆進(jìn)平臺(tái)水平傳感器檢測(cè)到機(jī)架立起后，鉆進(jìn)深度測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行孔深測(cè)量，車載控制器根據(jù)鉆架位移傳感器、鉆桿庫(kù)儲(chǔ)桿檢測(cè)傳感器采集信息，綜合高精度定位系統(tǒng)的高程信息，計(jì)算得出孔深及孔底絕對(duì)高程，并將孔深信息傳送至車載無(wú)線顯示屏。當(dāng)檢測(cè)到有一根儲(chǔ)桿，且動(dòng)力頭拉到機(jī)架頂端（拉頂位置可設(shè)置），本次孔深測(cè)量結(jié)束，預(yù)備進(jìn)入下一次孔深測(cè)量。鉆架位移測(cè)量采用非接觸式磁致伸縮位移傳感器，傳感器本體采用柔性本體，外用不銹鋼護(hù)管，磁環(huán)采用安裝座嵌入與減速箱滑架一起運(yùn)動(dòng)，磁環(huán)與傳感器本體間有間隙可適應(yīng)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆架的震動(dòng)。

2.3 遠(yuǎn)程操控作業(yè)

在牙輪鉆機(jī)設(shè)備上電氣系統(tǒng)改造，完成對(duì)牙輪鉆機(jī)的基本控制，通過(guò)邏輯關(guān)系的判斷實(shí)現(xiàn)遙控作業(yè)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的切換。工業(yè)PC作為牙輪鉆的控制中心，實(shí)現(xiàn)信息與指揮中心的實(shí)時(shí)交互、牙輪鉆的自動(dòng)化控制。PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集與控制的核心，實(shí)現(xiàn)與PC的信息交換，控制執(zhí)行元器件完成牙輪鉆工作功能控制。如：停送電、行車、鉆孔、換桿、儀表采集、電機(jī)控制等。如圖4所示。

圖4 基本控單元示意圖

在牙輪鉆機(jī)設(shè)各上加裝傳感器,采集包括設(shè)各四周視頻信息、設(shè)各實(shí)施作業(yè)參數(shù)信息(壓力、電流、電壓、位移、深度、水溫、油溫等)、設(shè)備位置及姿態(tài)等信息(坐標(biāo)、角度、方位);原有電氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上將所有控制信號(hào)引入車載ECU輸出控制。牙輪鉆機(jī)遠(yuǎn)程智能化操作系統(tǒng)通過(guò)邏輯關(guān)系的判斷實(shí)現(xiàn)遙控駕與現(xiàn)場(chǎng)駕駛的切換。車載工控機(jī)作為牙輪鉆的控制中心,實(shí)現(xiàn)信息與指揮中心的實(shí)時(shí)交互、牙輪鉆的自動(dòng)化控制;液壓系統(tǒng)、氣、水系統(tǒng)及接卸桿、定位等。

3 結(jié)論

甘肅西溝礦業(yè)有限公司順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，抓住第四次工業(yè)革命的契機(jī)，率先完成了傳統(tǒng)的牙輪鉆機(jī)向遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)作業(yè)改造，鉆機(jī)改造完成后，運(yùn)行良好，為數(shù)字化智慧礦山奠定了硬件基礎(chǔ)。牙輪鉆遠(yuǎn)程控制升級(jí)改造是基于智能礦山三維可視化管控平臺(tái)下進(jìn)行布控設(shè)計(jì)，采用數(shù)據(jù)終端及衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位及遠(yuǎn)程控制穿孔，其技術(shù)難點(diǎn)主要為牙輪鉆的精準(zhǔn)定位、鉆桿的自動(dòng)接卸及遠(yuǎn)程控制操控。基于礦山已建CORS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)量，利用構(gòu)建的三維可視化管控平臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)定位；同時(shí)通過(guò)增加鉆桿固定液壓系統(tǒng)可準(zhǔn)確對(duì)正副桿，為自動(dòng)接卸桿創(chuàng)在有利條件；最后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行電氣系統(tǒng)改造，工業(yè)PC作為牙輪鉆的控制中心，實(shí)現(xiàn)信息與指揮中心的實(shí)時(shí)交互、牙輪鉆的自動(dòng)化控制，PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集與控制的核心，實(shí)現(xiàn)與PC的信息交換，控制執(zhí)行元器件完成牙輪鉆工作功能控制。