露天鉆機(jī)數(shù)字鉆孔系統(tǒng)研究

引言

臺階爆破作業(yè)是露天采礦的重要環(huán)節(jié),其成本占礦山生產(chǎn)成本的15%～20%。在深孔爆破中,大塊率偏高是各露天礦普遍存在的問題,這不僅影響了后續(xù)采裝運(yùn)輸,還增加了二次爆破或機(jī)械破碎的工作量。研究表明,爆破孔的3個幾何參數(shù)（孔位、角度、深度）都是造成露天爆破大塊率高的主要因素。

目前在國內(nèi)露天礦山主要采用以下鉆孔方式:

（1）放樣:現(xiàn)場人員利用卷尺拉線方式,按照行距、孔距,在現(xiàn)場擺放標(biāo)記物。利用GPS流動站獲取各個標(biāo)記物的位置,在計算機(jī)上展點(diǎn)形成鉆孔計劃。

（2）對孔:司機(jī)按鉆孔計劃根據(jù)標(biāo)記逐一進(jìn)行鉆孔。

這種工作方式雖然不受傳統(tǒng)測量儀器只有在良好通視條件下才能正常工作的限制,但存在人工對孔誤差大、勞動強(qiáng)度大的缺點(diǎn)。

為了解決上述人工放樣及人工對孔的問題,有必要采取高精度定位技術(shù),對露天鉆機(jī)穿孔作業(yè)進(jìn)行高精度定位。

1系統(tǒng)設(shè)計

露天鉆機(jī)數(shù)字鉆孔系統(tǒng)由鉆機(jī)控制模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)組成。

在鉆機(jī)開始鉆孔任務(wù)之前,通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)制訂鉆孔計劃,將鉆孔計劃通過無線通信模塊下發(fā)到鉆機(jī)控制模塊的控制器中,并通過鉆機(jī)控制系統(tǒng)的顯示器顯示:鉆機(jī)控制模塊根據(jù)GPS定位模塊提供的GPS接收器位置信息計算當(dāng)前鉆頭位置,并和鉆孔計劃信息一起在鉆機(jī)控制系統(tǒng)中呈現(xiàn),操作者操作機(jī)器按照指定的鉆孔計劃逐一鉆孔。鉆孔過程中,鉆機(jī)控制系統(tǒng)收集鉆孔信息,如定位精度、鉆孔深度、穿孔效率等,并通過無線通信模塊,回傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)中。

1.1鉆機(jī)控制模塊

鉆機(jī)控制模塊主要由鉆機(jī)控制子模塊、鉆機(jī)參數(shù)監(jiān)控子模塊、鉆機(jī)效率評估子模塊組成。

（1）鉆機(jī)控制子模塊主要完成發(fā)動機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),千斤頂、電纜卷筒、行走/鉆孔、塔舉升以及回轉(zhuǎn)頭的上下移動等動作的控制。

（2）鉆機(jī)參數(shù)監(jiān)控子模塊主要完成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、整機(jī)的傾斜角度、塔的傾斜角度、下壓力、動力頭回轉(zhuǎn)扭矩等參數(shù)的收集與顯示。

（3）鉆孔效率評估子模塊主要負(fù)責(zé)在鉆機(jī)鉆孔時,記錄行走時間、鉆孔時間,計算穿孔效率。

1.2GPS定位模塊

GPS定位模塊主要實現(xiàn)爆破孔的平面定位。

1.3遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)、無線通信模塊

鉆孔前,通過遠(yuǎn)程操控平臺中的相關(guān)軟件生成鉆孔計劃,通過無線交換機(jī)將鉆孔計劃傳輸給鉆機(jī)控制系統(tǒng)。

鉆孔后,鉆機(jī)控制系統(tǒng)通過無線交換機(jī)將包括設(shè)計鉆孔位置、鉆孔角度、孔深、穿孔率、巖石特性等信息的鉆孔日志回傳給遠(yuǎn)程操控平臺,為后續(xù)數(shù)字化爆破做準(zhǔn)備。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1鉆機(jī)控制模塊

鉆機(jī)控制模塊硬件主要由發(fā)動機(jī)、控制器、顯示器、編碼器、傾角傳感器、Io模塊等組成。其中傾角傳感器為雙軸傾角傳感器,用于自動找平:編碼器為增量式編碼器,用于孔深測量。各個節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線實現(xiàn)通信,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1鉆機(jī)控制模塊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

自動找平功能是鉆機(jī)控制模塊的重要功能。

由于鉆機(jī)水平度的精度決定了孔傾角的精度,因此當(dāng)鉆機(jī)開始鉆孔前,一般需要調(diào)節(jié)水平度。對于小噸位的鉆機(jī),一般采用三支腿找平,每個液壓支腿上都帶有液壓鎖。對于大噸位的鉆機(jī),一般采用四支腿找平,其中兩個支腿各帶一個液壓鎖,其余兩個支腿液壓管路并聯(lián),并共用一個液壓鎖。四支腿找平系統(tǒng)等效于三支腿找平系統(tǒng),因此,鉆機(jī)找平問題實際上都是三點(diǎn)找平的問題,如圖2所示。

從控制誤差量來講,鉆機(jī)的找平方法主要有位置誤差找平法和角度誤差找平法兩種,位置誤差找平法又可細(xì)分為逐高法、逐低法和幾何中心不動法三種。

采用位置誤差找平法的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是找平速度快,找平精度高:缺點(diǎn)是復(fù)雜度高,成本高。采用角度誤差找平法的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是簡單,成本較低:缺點(diǎn)是找平速度慢,找平精度低。

鉆機(jī)的三點(diǎn)找平對精度要求較高,因此選用位置誤差找平法。由于鉆機(jī)慣性較大,當(dāng)支撐腿向下運(yùn)動時會產(chǎn)生較大的慣性力,支撐平臺會出現(xiàn)抖動情況,因此,逐低法和幾何中心不動法不適用于鉆機(jī)的找平:當(dāng)采用逐高法找平時,支撐腿向上運(yùn)動,加速度小,慣性力也小,整個找平過程比較平穩(wěn)。

2.2GPS定位模塊

如圖3所示,GPS定位模塊由固定在鉆機(jī)上的GPS天線和GPS接收器、RF天線以及安裝在鉆機(jī)作業(yè)區(qū)域附近的GPS基站組成。

圖3GPS定位模塊硬件組成

理論上,三顆衛(wèi)星分別向地面用戶發(fā)送其空間位置信息,即(xi,yi,:i,1i）,如圖4所示。地面用戶通過收到報文的時間,計算出衛(wèi)星與地面用戶的距離。

圖4三顆衛(wèi)星定位

通過解析方程組,即可獲得地面用戶的空間位置信息(x,y,:,1）,其中1為地面用戶收到報文的時間。但實際上,由于各個衛(wèi)星以及地面用戶時間基準(zhǔn)不一致,通過上述方式獲得的地面用戶的空間位置與實際位置偏差較大。由于衛(wèi)星控制中心可以告知用戶時間與衛(wèi)星時間的差值m1i,如此衛(wèi)星向地面用戶發(fā)送其空間位置信息,即(xi,yi,:i,1i+m1i）,因此總共有4個變量[x,y,:,(1+m1）]未知,其中m1是地面用戶與衛(wèi)星控制中心的時間差值,必須額外引入一顆衛(wèi)星,即共4顆衛(wèi)星,如圖5所示。

圖5四顆衛(wèi)星定位

通過解析4個方程即可獲得地面用戶的位置信息:

整機(jī)坐標(biāo)系定義如下:將鉆桿軸線與車架上表面交點(diǎn)定義為原點(diǎn),司機(jī)前方定義為x+,垂直于地面向上定義為:+。在鉆機(jī)上安裝有兩個GPS天線p1、p2,其在空間坐標(biāo)系中的位置分別為p1(x1,y1,:1）、p2(x2,y2,:2）。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理,兩個天線在整機(jī)坐標(biāo)系中的高度是一致的,簡化視圖如圖6所示。

假定整機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中的位置為(x,y,:）,將p1、p2投影到xoy平面上,得到p1'、p2',如圖7所示。

通過如下方程組可以獲得p1'、p2'在空間的位置信息,通過三維模型可以獲得p1'、p2'與整機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離d1、d2。通過解析下列方程獲得整機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中的兩個可能位置之后,再計算p→1'×p→2'是否大于零,如果其值大于零,則是整機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

2.3孔深測量原理

根據(jù)上述描述,通過多于4顆衛(wèi)星能夠精確獲得地面用戶的位置,包括高度方向,但這個高度方向的數(shù)值不是基于用戶當(dāng)前所在地面的高度所得到的,因此該高度數(shù)值不能直接作為孔深測量的依據(jù)。為了測量孔深,需在進(jìn)給系統(tǒng)中增加一套編碼器。

為了便于描述,定義一次完整的鉆孔過程:從沖擊壓力大于設(shè)置值開始,到?jīng)_擊壓力低于設(shè)置值結(jié)束,包含本次鉆孔的起始點(diǎn)、本次鉆孔的終止點(diǎn)、本次鉆孔臨時終止點(diǎn)(鉆孔過程中,在控制器掃描周期中獲得的編碼器的值）。鉆一個孔,由數(shù)個上述定義的完整鉆孔過程組成,其間可能存在換桿以及洗孔等操作。

孔深測量主要算法流程如下:

(1）鉆孔模式下,沖擊壓力大于設(shè)定值且編碼器當(dāng)前數(shù)值大于上次鉆孔的終止點(diǎn)數(shù)值,將當(dāng)前編碼器數(shù)值記作本次鉆孔的起始點(diǎn)數(shù)值。

(2）沖擊壓力小于設(shè)定值且編碼器當(dāng)前數(shù)值大于本次鉆孔的起始點(diǎn)數(shù)值,將當(dāng)前編碼器數(shù)值記作本次鉆孔的終止點(diǎn)數(shù)值。

鉆孔深度=本次鉆孔深度+本次鉆孔之前的總鉆孔深度

其中,本次鉆孔深度=2π×鏈輪半徑x(本次鉆孔終止點(diǎn)數(shù)值-本次鉆孔起始點(diǎn)數(shù)值）。

3應(yīng)用測試

系統(tǒng)采用安百拓建筑礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的牙輪鉆機(jī)DM75作為測試車輛,并在測試場地搭建了基站,以提高定位精度。測試車輛、測試場地及基站如圖8所示。

圖8測試車輛、測試場地及基站

3.1自動找平測試

該測試對10000次自動找平/自動收回、3000次手動找平/手動收回所需時間進(jìn)行比較,前者比后者快平均10.7S。

3.2GPS定位精度測試

為了能夠在有限的測試區(qū)域內(nèi)盡可能測試GPS定位精度,在測試場地按照S形采集6個點(diǎn)。為了提高測試點(diǎn)的定位精度,通過GPS靜態(tài)測量的方式獲得基站以及待測點(diǎn)的精確位置。

通過專用軟件根據(jù)所采集定位信息生成鉆孔計劃,將其導(dǎo)入露天鉆機(jī)數(shù)字鉆孔系統(tǒng):并根據(jù)GPS定位模塊所提供的信息驅(qū)動鉆機(jī),使得鉆桿與目標(biāo)點(diǎn)重合。

表1是實際鉆孔坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)的比較,實際鉆孔坐標(biāo)與設(shè)計坐標(biāo)基本偏差約為10mm,這主要是GPS定位精度、電液控制精度以及人為因素所致。總體來說,GPS定位精度符合露天采礦的需求。

3.3孔深測量功能測試

經(jīng)過工地測試,該孔深算法既能夠在正常工況下實現(xiàn)孔深的高精度測量,又能夠在如空洞、吸孔等特殊工況下實現(xiàn)孔深測量,孔的深度誤差大約為20mm。

4結(jié)語

露天鉆機(jī)數(shù)字鉆孔系統(tǒng),可以實現(xiàn)鉆機(jī)的自動找平,較手動找平效率更高:可以實現(xiàn)鉆機(jī)的精確定位,大幅減少現(xiàn)場測量工作量:炮孔布置精度高、時間短,可以實現(xiàn)孔深的精確測量,大幅減少超鉆和欠鉆現(xiàn)象,為制訂出更好的爆破設(shè)計方案創(chuàng)造了條件。