支偉

(廣西中金嶺南礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 來賓市 545902)

0 引言

大直徑深孔階段（分段）礦房法作為一種先進的采礦工藝，其具有鑿巖效率高、采切工程量小、作業(yè)安全性高、巖石破碎效果好等優(yōu)點，在國內(nèi)外礦山中應(yīng)用廣泛[1-3]。該方法的主要特點是利用深孔進行多次爆破，完成對礦體的回采[4]。利用該方法回采時，每次爆破前都需要制定完善的爆破設(shè)計方案，根據(jù)每個炮孔的實際孔深數(shù)據(jù)，設(shè)計炮孔裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、微差起爆時間等內(nèi)容，炮孔測量的精度及效率是關(guān)乎爆破成敗的關(guān)鍵[5-7]。

由于單次爆破炮孔數(shù)量較多，傳統(tǒng)的測量方法速度較慢、精度較差，無法滿足爆破設(shè)計對炮孔測量的需求。且由于受鑿巖設(shè)計及施工、爆破設(shè)計及施工等多方面的影響，炮孔復(fù)雜多變，會產(chǎn)生盲孔、通孔以及水孔3 種情況，并且通孔的孔底處容易呈喇叭口狀，現(xiàn)有的炮孔測量裝置無法針對不同類型的炮孔進行測量，導(dǎo)致炮孔測量工作無法滿足爆破設(shè)計的需要，影響爆破效果[8-10]。魏格平[11]研制了一種深孔爆破孔深測量儀，利用支撐架、繞線筒、測繩、線墜實現(xiàn)炮孔孔深的測量。孫剛友等[12]在此基礎(chǔ)上進行改進，在線墜的位置加設(shè)一條金屬薄片或膠皮軟管，可用于通孔情況下的炮孔測量，但該方法受炮孔下部喇叭口影響較大，且無法實現(xiàn)炮孔數(shù)據(jù)的采集。閆永富等[13]研制了一種新型炮孔測量裝置，該裝置是利用輪盤、測繩、壓力感應(yīng)板、GPS 等裝置實現(xiàn)孔深和水深的精準(zhǔn)測量，可以對孔位進行精準(zhǔn)定位，適用于礦石區(qū)、巖石區(qū)炮孔精準(zhǔn)定位，但仍無法做到炮孔數(shù)據(jù)的采集，不能進行通孔情況下的炮孔測量，且由于其GPS 定位系統(tǒng)的原因，無法在井下進行大范圍應(yīng)用。

綜上，針對人工測量方法存在自動化、智能化水平較低的問題，研制了一種智能化高精度雙繩炮孔測量裝置，以提高炮孔測量效率和測量精度，減少人為誤差[14-17]。

1 測量裝置簡介

智能化高精度雙繩炮孔測量裝置主要用于測量大直徑深孔階段礦房法炮孔深度。通過使用該裝置進行炮孔測量，可準(zhǔn)確判斷炮孔類型并測量炮孔深度，能最大程度減少炮孔測量工作量，為礦山排產(chǎn)創(chuàng)造有利條件，并且具有爆破測量精度高、差錯率極低的優(yōu)點，有效保障了大直徑深孔的爆破效果。其主要技術(shù)參數(shù)如下，最大測孔深度為60 m，電機電壓為24～36 V，電機轉(zhuǎn)速為180 r/min，壓力傳感器范圍為0～500 N，測管質(zhì)量為1～2 kg，測繩長度為60 m。

2 測量裝置系統(tǒng)組成

智能化高精度雙繩炮孔測量裝置主要由動力傳動、測具、控制及信息采集、支架4 個部分組成。智能化高精度雙繩炮孔測量裝置圖1 所示。

圖1 智能化高精度雙繩測孔裝置

2.1 動力傳動部分

動力傳動部分由電機1、電機2 和傳動滑輪構(gòu)成，傳動滑輪直徑為R。將2 個傳動滑輪分別固定在電機1 和電機2 的傳動軸上，調(diào)整2 個傳動滑輪位置盡量靠近電機1、電機2 的傳動軸邊緣；通過控制電機1、電機2 的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)測具的上升及下降。

2.2 測具部分

測具部分由2 根測繩和1 根測管構(gòu)成。測繩1、測繩2 是由30～65 m（長度應(yīng)比所測量孔中最大孔深長3～5 m）長的高強度的鋼纖維繩，具有較高的抗拉強度，能夠適應(yīng)高強度的測孔作業(yè)；測繩1 一端固定在電機1 的傳動滑輪上，另一端固定在測管的一側(cè)端頭。測繩2 一端固定在電機2 的傳動滑輪上，另一端固定在測管的中間。測管是由長為L（應(yīng)不小于炮孔孔網(wǎng)參數(shù)的1/3，確保比爆破漏斗直徑大）、質(zhì)量為m、體積為v的高強度PVC 管或鋼管構(gòu)成。通過測繩1 及測繩2 帶動測管運動進行炮孔孔深測量。

2.3 控制及信息采集部分

控制及信息采集部分由壓力傳感器1、壓力傳感器2、數(shù)據(jù)傳輸線、控制器、數(shù)據(jù)采集器、電源、電線、開關(guān)構(gòu)成。壓力傳感器1、壓力傳感器2 主要用于測量電機1、電機2 所承受的壓力?？刂破魇怯蒔LC 控制系統(tǒng)、模擬量模塊、變頻器集成的控制系統(tǒng)，通過PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)部的程序，模擬量模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及變頻器的電流調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)接收壓力傳感器1、壓力傳感器2 傳送的信號，并將信號轉(zhuǎn)換成可處理數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行判斷，通過調(diào)節(jié)電流大小及方向控制電機1、電機2 的運行，進行炮孔測量的工作，并將測得的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。

利用電線將電機1、電機2 的正極和負極分別與控制器其中4 個輸出端口相連接。電機1、電機2 的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)動速度由控制器編程控制調(diào)節(jié)。將壓力傳感器1 與壓力傳感器2 的連接線與控制器輸入端口相連接。利用數(shù)據(jù)傳輸線將控制器與數(shù)據(jù)采集器進行連接，控制器所得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸線傳遞給數(shù)據(jù)采集器。利用電線將電源正極與控制器正極相連，將電源負極與開關(guān)一端相連，將開關(guān)另一端與控制器負極相連。電源通過電線為控制器提供電力供應(yīng)，并通過控制器間接為電機1、電機2、壓力傳感器1、壓力傳感器2 提供電力供應(yīng)。

2.4 支架

支架是由鋼材或其他材料組裝成帶有凹槽的方形框架。利用固定喉箍、固定螺栓將壓力傳感器、帶有傳動滑輪的電機固定在支架的其中一條中軸線上，并使2 個電機的傳動軸在不影響轉(zhuǎn)動的前提下盡量靠近；壓力傳感器放在電機下方；凹槽焊接在支架上，用于放置控制及信息采集部分。

3 測量裝置使用方法

打開開關(guān)啟動智能化高精度雙繩炮孔測量裝置，PLC 控制器開始每隔0.05～0.1 s 采集一次2 個壓力傳感器的數(shù)據(jù)，同時啟動兩個電機，使其2 個電機正轉(zhuǎn)，固定轉(zhuǎn)速為n，2 條測繩在兩個電機和測管重力的共同作用下向下運動；并記錄2 個電機啟動后的壓力傳感器1、壓力傳感器2 數(shù)據(jù)分別為a、b，將隨后采集到的壓力傳感器1、壓力傳感器2 數(shù)據(jù)分別記為c、d。在測管下降的過程中，可能會遇到通孔、盲孔、水孔3 種情況，PLC 控制器會根據(jù)所采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)判斷所遇到的情況，并據(jù)此改變2 個電機的轉(zhuǎn)速，達到測量炮孔信息的目的。

3.1 通孔

通孔為與下方空區(qū)或巷道相通的炮孔，在炮孔鉆鑿過程中產(chǎn)生的通孔通?？椎妆容^平整，測量較為簡單；在爆破后產(chǎn)生的通孔會在爆破作用下產(chǎn)生喇叭狀的爆破漏斗。

當(dāng)遇到通孔時，由于測管沒有縱向約束，測管在空區(qū)內(nèi)橫置，測管的質(zhì)量改為由測繩2 主要承擔(dān)，d會變大，c會變?。凰援?dāng)d-b＞1/2mg且c-a＜0 時，PLC 控制器通過識別壓力傳感器1、壓力傳感器2 的數(shù)據(jù)變化自動判定該孔為通孔，并使電機1、電機2 繼續(xù)轉(zhuǎn)動，使測具部分繼續(xù)下降1～1.5 m，讓測具部分充分下降至空區(qū)內(nèi)，記錄轉(zhuǎn)動時間t1，通過程序停止電機1 轉(zhuǎn)動，調(diào)整電機2 反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1/2n，將隨后采集到的壓力傳感器1、壓力傳感器2 數(shù)據(jù)分別記為c1、d1。當(dāng)測管碰觸到孔底時，壓力傳感器2 會變大，當(dāng)d1-d＞3N時，記錄反轉(zhuǎn)時間t2，則孔深h=（t1-1/2t2）×nπR/60；測得孔深后，PLC 控制器將該炮孔信息（孔深h，通孔）通過數(shù)據(jù)傳輸線導(dǎo)入至數(shù)據(jù)采集器中。隨后調(diào)整電機2 正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，使測具部分下降2～3 m，由于下降后測繩2 比測繩1 長，測管處于直立狀態(tài)，調(diào)整電機1 反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，使測具上升3.5～4 m，使測管進入孔內(nèi)，調(diào)整電機2 反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，直至將測具部分提至孔口，完成該次炮孔測量與信息采集。

3.2 盲孔

盲孔未與采空區(qū)和底部巷道相通，為堵塞狀態(tài)。當(dāng)遇到盲孔時，測管接觸孔底，測管的質(zhì)量改為由孔底承擔(dān)，c會變小，d不會發(fā)生明顯變化，此變化會在瞬間完成。所以當(dāng)c在0.5 s 內(nèi)變小至一定數(shù)值后不再變化、a-c≈m且d-c≯500g時，PLC控制器通過識別壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化自動判定該孔為盲孔，同時停止電機轉(zhuǎn)動，記錄轉(zhuǎn)動時間t3，則炮孔深度h=nπR（t3-0.5）/60+0.5L，測得孔深后，PLC 控制器將該炮孔信息（孔深h，盲孔）通過數(shù)據(jù)傳輸線導(dǎo)入至數(shù)據(jù)采集器中。調(diào)整電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，直至將測具部分提至孔口，完成該次炮孔測量與信息采集。

3.3 水孔

水孔為炮孔為盲孔的情況之后，由于孔隙水滲入導(dǎo)致孔底有水形成水孔，會對炮孔測量造成干擾。當(dāng)遇到水孔時，測管下放時浸入水中會受到水的浮力，但測管仍會在重力的作用下向孔底運動，此時c會隨著測管的下降變小，直至趨于穩(wěn)定，d不會發(fā)生明顯變化。所以當(dāng)c在一段時間內(nèi)（超過0.5 s）持續(xù)變小之后保持穩(wěn)定、a-c≈9.8v且d-c≯500g時，PLC 控制器通過識別壓力傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化自動判定該孔為水孔，降低電機的轉(zhuǎn)速至（1/3～1/4）n（測管在水中受阻力后速度會變慢），同時記錄轉(zhuǎn)動時間t4。當(dāng)測管接觸孔底，測管的質(zhì)量改為由孔底承擔(dān)，c會變小，d不會發(fā)生明顯變化，此變化會在瞬間完成；所以當(dāng)c在0.5 s內(nèi)變小至一定數(shù)值后不再變化、a-c≈m（忽略測繩所受浮力）且d-c≯500g時，PLC 控制器通過識別壓力傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)變化自動判定到達孔底，同時停止電機轉(zhuǎn)動，記錄轉(zhuǎn)動時間t5，則炮孔深度h=（t4+（1/3～1/4）t5）nπR/ 60+0.5L，水深H=nπRt4/60-0.5L。測得孔深后，PLC 控制器將該炮孔信息（孔深h，水孔，水深H）通過數(shù)據(jù)傳輸線導(dǎo)入至數(shù)據(jù)采集器中。調(diào)整電機、電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，直至將測具部分提至孔口，完成該次炮孔測量與信息采集。

4 工程應(yīng)用

盤龍鉛鋅礦屬于典型的急傾斜厚大礦脈，生產(chǎn)能力3000 t/d，該礦礦房和間柱采用大直徑深孔階段（分段）礦房法進行回采，頂?shù)字捎蒙舷蜻M路充填采礦法進行回采，為進行智能化高精度雙繩炮孔測量裝置應(yīng)用提供了良好的試驗條件。經(jīng)實際考察和綜合分析后，選擇該礦-320 中段810 采場作為試驗采場進行應(yīng)用研究。

4.1 試驗采場簡介

810 礦房采場原采用淺孔留礦法開采，后因采場頂板穩(wěn)定性差，整個采場大面積垮落無法繼續(xù)上采，經(jīng)研究決定改用大直徑深孔側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法進行回采。礦房目前可采礦石地質(zhì)儲量約為16 650 t，鉛平均品位為0.79%，鋅平均品位為3.35%[18]。

810 礦塊采場沿走向布置，原礦房采用淺孔留礦法回采，東、西控制線分別為82205、82242 線；采場長度為25 m，寬度為礦體厚度，最寬約17 m；在回采過程中遇到應(yīng)力集中，頂板發(fā)生冒落后停止上采，剩余礦體高度約19 m。采場礦體為西高東低，以2225 線為分界。該采場西側(cè)為808 采場，已完成膠結(jié)充填；東側(cè)為圍巖實體；正上方為圍巖實體；上部西側(cè)最近開采點為708-②采場，水平距離約11 m，中間為間柱實體，708-②采場目前上采高度約22 m 左右，現(xiàn)已暫停采礦作業(yè)。采場周圍的808-②已充填，708-②采場炮孔已施工完畢，708-②采場附近有空區(qū)爆破前后應(yīng)密切關(guān)注該采場的穩(wěn)定性情況，礦房東側(cè)為圍巖實體。

4.2 裝置現(xiàn)場應(yīng)用

810 采場共進行爆破6 次，其中前4 次為拉槽爆破，后面兩次為側(cè)向爆破。在進行爆破前，對預(yù)爆破炮孔進行智能化炮孔測量與傳統(tǒng)炮孔測量的對比，測量過程中每個炮孔測量3 次取平均值，以盡可能減少外界干擾所帶來的誤差，部分測試結(jié)果見表1，利用兩種方法繪制出的采空區(qū)輪廓線如圖2 所示。

從表1 和圖2 可以看出：

表1 炮孔測量信息

（1）第一次爆破時由于炮孔未受爆破漏斗影響，炮孔均為平底的通孔，兩種方法測量精度基本沒有差別；

（2）后面幾次爆破通孔由于受爆破影響會產(chǎn)生喇叭狀的爆破漏斗，智能測量方法可以測得爆破漏斗底部的高度，相較于傳統(tǒng)測量方法測量精度更高；

（3）遇到水孔時，智能方法測量時受水的浮力影響小，精準(zhǔn)度更高，而傳統(tǒng)方法往往測得數(shù)據(jù)偏大；

圖3 采空區(qū)輪廓線對比

（4）測量盲孔時，炮孔深度越小，傳統(tǒng)方法與智能方法測量的誤差越?。?/p>

（5）采用智能測量方法測量時可以測得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)方法更能反映真實的炮孔底部輪廓，能夠提供設(shè)計者精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)控制炸藥量，避免產(chǎn)生過多的大塊；

（6）智能測量方法測量速度較傳統(tǒng)方法節(jié)省40%。

5 結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有的大直徑深孔測量方法所存在問題的基礎(chǔ)上，研制了智能化高精度雙繩炮孔測量裝置，通過與傳統(tǒng)炮孔測量裝置與測量方法相比較，本裝置優(yōu)點如下。

（1）可規(guī)避傳統(tǒng)的測量繁瑣的工序，人員只需將裝置架設(shè)在炮孔上方，打開開關(guān)即可依靠裝置自主完成炮孔測量與炮孔信息采集，極大減輕了測孔的工作量；

（2）該裝置依靠智能化測量裝置可以實現(xiàn)炮孔類型的智能化識別、炮孔深度的智能化測量、炮孔信息的智能化錄入，極大地提高了測孔速度，測量時間節(jié)省40%；減少人工讀數(shù)的誤差，提高測孔精度，并且測得數(shù)據(jù)為電子數(shù)據(jù)，方便設(shè)計人員利用該數(shù)據(jù)進行下一步爆破方案的設(shè)計；

（3）該裝置通過測繩與測管相結(jié)合，能夠更好地應(yīng)對復(fù)雜的炮孔情況，無論是盲孔、水孔還是通孔均能精準(zhǔn)測量，為爆破設(shè)計提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。