露天礦山炸藥車智能裝藥的關鍵技術研究

摘要：在露天礦深孔爆破中，混裝炸藥車裝藥的準確性對降低成本和控制爆破效果尤為重要，通過打通智能爆破設計、智能鉆機布孔、智能炮孔測量、智能炸藥車裝藥、智能網絡起爆等工藝流程，重點對高精度炮孔定位、炮孔智能測量、混裝炸藥車精準裝藥等關鍵技術研究，實現混裝炸藥車智能裝藥，以打造具有示范效應的安全、高效、綠色、智能的露天礦山。

關鍵詞：高精定位 ?智能測量 ?機器人 ?智能裝藥??無人機 ?自主導航 ?AI識別

中圖分類號：TD23 ??文獻標識碼：A ??文章編號：1672-3791（2022）02（a）-0000-00

Research on the Key Technology of Intelligent Charge of Explosive Truck in

Open-pit Mine

Abstract： In deep-hole blasting in open-pit mines， the accuracy of mixed explosive vehicle charging is particularly important for reducing costs and controlling the blasting effect. Through intelligent blasting design， intelligent drilling rig hole layout， intelligent blast hole measurement， and intelligent explosive vehicle charging ， intelligent network initiation and other technological processes， focusing on the research of key technologies such as high-precision blast hole positioning， blast hole intelligent measurement， and precise charging of mixed explosives vehicles， to realize the intelligent charging of mixed explosives vehicles， and create a safe and efficient demonstration effect. ， Green and smart open-pit mine.

Key Words： High-precision positioning; Intelligent measurement; Robot; Intelligent charge; Unmanned aerial vehicle; Autonomous navigation;?AI recognition

深孔爆破是露天礦山開采的重要生產環節，爆破效果的好壞直接關系到后續生產的效率和成本，進而影響生產流程連續性，是礦山生產的重中之重。大型露天礦山普遍采用牙輪轉機穿孔作業，實現了爆區面大、多排、微差、深孔爆破，近年來我國露天礦山對孔網參數、裝藥結果、充填方法、起爆順序、微差間隔時間等方面進行了深入的研究，并取得了可喜的成績，隨著爆破技術的發展，有效提高了采礦作業的綜合效率。目前，我國露天礦高臺階爆破的技術水平已躋身世界先進技術行列，展望今后露天礦山爆破必將向著精準化、規模化、自動化、智能化和安全高效化的方向發展。

通過對智能裝藥技術進行研究，應用智能化孔深測定裝置和混裝炸藥車自動裝藥控制系統，對炮孔（水）深度及孔底溫度等數據進行測量，進而指導混裝炸藥車智能裝藥，有效控制爆破作業效果，提升爆破作業質量，降低炸藥消耗成本，使爆破作業更加智能化。

通過將爆破參數調整、爆破設計、鉆機布孔、炮孔測量、炸藥車裝藥、網絡起爆等環節打通，實現爆破工藝自動化、智能化，使布孔工作量減少2/3，有效拋擲率提至35%。

對現有爆破工藝下，煤層爆破后各體積下煤礦量進行統計，掌握煤層爆破塊度分布特征，結合室內沖擊載荷作用下煤巖力學試驗，建立爆破參數與塊度分布之間的聯系，通過調整爆破參數，有效地調控爆破塊度，從而最大限度地提高最佳尺寸煤塊，減少二次搬運及破碎帶來的成本投入，同時有效控制細粉顆粒的比例，達到爆破粉塵污染有效控制的目的。

綜合利用面向對象（OOP）技術、地理信息系統（CIS）、虛擬現實技術（VR）、多維數據庫理論和地質統計學方法，自主開發爆破數字化綜合處理系統和爆破設計軟件，實現爆破設計、安全分析、效果模擬、仿真分析的智能化。

基于北斗高精度定位技術，利用定位主機和智能布孔軟件，實現鉆機智能布孔定位和自動導航等功能，對鉆機布孔的深度控制在小于5?cm的精度，實現鉆孔作業的可視化、自動化和智能化。

采用履帶式機器人自主導航技術，完成炮孔位置智能巡航。通過機械臂上的高清攝像頭，完成圖像識別自動對準孔位，然后進行炮孔孔深、水深、孔溫等數據的自動測量，并將整個爆區炮孔數據，通過4G網上傳至服務器，為后續裝藥提供精準數據。

對混裝炸藥車進行升級改造，利用自動裝藥控制系統，通過4G網從服務器自動獲取炮孔相關數據，精準計算炮孔的裝藥種類和數量，并進行智能裝藥。裝藥作業完成后將相關數據上傳到服務器，形成裝藥數據統計報表。

采用數碼電子雷管，實現延期范圍寬、延時精度高、使用安全高效、能完全避免非電網絡雷管跳段的可能性，解決了炮孔盲炮和拒爆現象，使爆破起爆技術更加科學、可控、精確。

在露天礦、炸藥廠等生產現場部署智能裝藥系統：包括炸藥車自動裝藥控制裝置26套、智能孔深測定儀及軟件3套、機械臂與控制裝置3套、履帶車3臺，炸藥車PLC模塊改造1套、PLC軟件升級1套，Phantom 4無人機1臺、北斗基準站1套、服務器及軟件1臺、交換機2臺、4G CPE 30臺、UPS后備電源1套等設備，實現礦山高精度炮孔定位、炮孔智能測量、混裝炸藥車精準裝藥等關鍵技術內容。

通過無人機攜帶的高清攝像機對擬爆區鉆孔進行圖像采集，結合無人機上的GNSS-RTK高精度北斗定位系統和北斗基準站，可標定擬爆區炮孔坐標參數，經標定后的炮孔坐標信息發送給孔深測量裝置和混裝炸藥車自動裝藥控制系統，孔深測量裝置和混裝炸藥車按照炮孔坐標開展下一步工序。

精靈Phantom4是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，便攜易用，能夠全面提升航測效率，同時集成全新RTK模塊，擁有更強大的抗磁干擾能力與精準定位能力，提供實時厘米級定位數據，顯著提升圖像元數據的絕對精度。飛行器持續記錄衛星原始觀測值、相機曝光文件等數據，在作業完成后，用戶可直接通過DJI云PPK服務器解算出高精度位置信息。定位系統支持連接D-RTK 2高精度GNSS移動站，并可通過4G無線網卡與NTRIP連接，實現飛控、相機與RTK的時鐘系統微秒級同步，相機成像時刻毫秒級誤差。通過對相機鏡頭光心位置和RTK天線中心點位置進行補償，減少位置信息與相機的時間誤差，為影像提供更精確的位置信息。

爆破設計人員通過爆破數字化綜合處理系統（Ksbp）及基于Auto CAD平臺下的爆破設計軟件完成臺階爆破設計，確定擬爆區的位置、孔數、編號、計劃裝藥種類、數量等參數。鉆機完成炮孔鉆進作業后，無人機按照規劃區域路徑對擬爆區進行圖像采集，一般擬爆區的面積較大，拍攝高度要達到50?m，需要拍攝10～50張照片不等來覆蓋整個擬爆區，通過圖像拼接軟件處理，把多張照片拼成一張完整的炮孔圖，并在這張圖上對每個炮孔的自動圖像識別。

根據無人機測定的中心坐標和高空攝影比例尺，找到每個炮孔的坐標，并通過RTK修正，得到每個炮孔的高精度坐標，形成擬爆區的孔位坐標數據庫。這樣擬爆區每個炮孔都有自己的精確坐標，炮孔智能測量機器人按照坐標規劃路徑，自動尋找孔位進行測量。

一般露天礦的臺階鉆孔深度在12～20 m之間，有也更深的鉆孔，所以鉆孔作業存在時間差，對于已鉆完的炮孔，等到最后裝藥時，可能因為孔壁塌落、孔內滲水等原因，已經達不到爆破設計要求，需要再次穿孔或重新計算裝藥種類和數量，在裝藥前，需要對每個炮孔測量。目前，爆破技術人員只能拿測繩，竹竿等簡易的工具進行測量，費時費力，而且數據不準確，通過對炮孔智能測量機器人可以解決這一難題。炮孔智能測量機器人由六軸機械臂、差分RTK天線、控制器、孔深測定儀、履帶車五部分組成，能夠自動行走、定位、伸展、控制，最終達到智能測量的功能，圖1為炮孔智能測量機器人組成示意圖。

露天礦采礦場地凸凹不平，地形復雜，要實現在所有炮孔旁的任意位置，將機械臂上的孔深測定儀按要求自動移動到炮孔上方，機械臂必須做到按照時間最優地規劃歸集在三維空間范圍內自由活動，因此采用六軸智能機械臂是最佳選擇，機械臂設計有6個關節，包括基座、肩部、肘部、腕部1、腕部2和腕部3，腕部3是終端關節，可以連接工具等設備。機械臂通過編程平臺，按照現場實際需要，進行位移計算，控制器驅動三級電動推桿，實現機械臂的三維空間的快速位移和精準控制。

智能機械臂在完成一個炮孔的測量過程中，必須遵循以下原則：履帶車移動過程中機械臂始終處于收攏狀態，從而減少因移動過程中顛簸、震動對機械臂產生破壞。到達炮孔附近時，因炮孔的渣堆有一定的高度，所以機械臂應該從高處作為初始點，防止刮碰炮孔的渣堆，保證設備的正常使用。機械臂需要通過圖像識別技術完成中心定位功能，以便設備自動將測量重錘準確投入炮孔。在孔深測定儀重錘下降或上升期間，機械臂應該停在原來的位置上，避免因移動影響測量準確度。炮孔測量完畢后，機械臂恢復到原始收攏狀態。

大型直流電驅動履帶車可以實現路徑規劃，無人駕駛等功能。采用工程橡膠履帶組合式結構，結構強度高，不易脫帶，適用于礦山泥濘坑洼路面;采用一體式高強鋼板底盤，車體強度高，防護等級IP65;采用組合滾軸式驅動輪設計，有效減少摩擦，降低噪音;采用5*2擺臂克里斯蒂減震結構懸掛部分，可有效過濾震動，降低地形對上裝設備的影響;采用行星減速機，整機效率高續航時間大幅提高;采用全密封結構輪系，軸承壽命大幅提高，維護簡單;采用差速滑移轉向，可以原地360°轉向，機動靈活，轉向空間小。

智能化路徑自動規劃控制器安裝在履帶車內，是履帶車實現自動行駛的中心決策單元，控制器通過接收已有炸藥混裝車監控系統數據庫內的導航地圖，同時通過自身攜帶的高精度GNSS-RTK衛星定位模塊和多軸陀螺儀模塊，結合核心軟件算法實現對履帶車電機的控制，指導履帶車行走路線、導航和動作決策，通過CANopen通信協議，實現控制器與網絡互聯，實現數據交互。

通過圖像識別-人工調整的方法，設計完成履帶車最優的移動路徑規劃，形成移動路線圖。履帶車控制器接收服務器下發的履帶車規劃路徑、炮區炮孔坐標信息、電子圍欄信息、障礙物范圍信息和禁止進入區域信息后，逐行逐排完成炮孔自動巡航，并對每一個炮孔進行測量，最后獲得炮孔相關數據。

為提高爆破工藝的精確裝藥，有效控制爆破效果，降低爆破作業成本，需要對炮孔孔深、孔內水深及孔底溫度等數據進行測量，并通過礦區4G專網將這些數據上傳到網絡服務器，爆破工程師根據測量數據，對每個炮孔的裝藥種類和裝藥量進行核算和修訂，最終到達精準裝藥。

孔深測定儀采用鋁合金外殼或碳纖維外殼，由炮孔識別攝像頭、孔深測量吊墜重錘、控制器、電機等組成，通過RS485或其他異步通信模式與主控設備通訊，接收主控板給出命令，發送測定的結果數據。步進電機具有啟動、加速、勻速自動調節功能，到達底部和地面時可以及時減速、停轉。

通過對露天礦的炮孔進行大量的圖像建模，建立炮孔識別模型，采用圖像AI識別技術，將實際炮孔與炮孔識別模型進行對比計算、快速識別、比較，最終獲得炮孔中心點坐標。當智能AI算法完成炮孔中心定位后，發送指令給主控板，主控板驅動步進電機，孔深測定儀吊墜重錘開始下降，并進行測量，電機轉動過程中編碼器記錄轉動的位移量，并換算成深度值。同時重錘到底后，與重錘連接的溫度傳感器記錄孔底溫度。

吊墜重錘相連的吊繩與重力傳感器連接，重錘在運行過程中的各種敏感信息，都能夠被傳感器捕捉到，無論是達到孔底還是遇到水面。當重錘遇到水面時，重力傳感器的信息發生小幅度變化，程序判斷此炮孔有水，并記錄重錘在水中下降的距離，實時傳送到控制器內;當重錘下降到孔底時，重力傳感器的信息發生大幅度變化，程序判斷重錘到底，控制器自動發出請求，電機反轉，重錘上升。

混裝炸藥車經過升級改造，能夠自動識別每個炮孔的精確位置，并按照自動裝藥控制系統發出的指令完成精準裝藥。改造后的混裝炸藥車具備高精度GNSS微型定位系統，采用RTK高精度差分定位，精度在厘米級，擁有高速主控版和顯示器，能夠自動顯示接近的孔位。對炸藥車的PLC模塊硬件進行升級，增加RS485通信接口，實現自動裝藥控制系統與炸藥車PLC之間互相通訊，同時升級軟件功能，增加控制協議。采用CPE-4G無線網絡，實現炮孔數據的實時傳輸，安裝了轉角傳感器，在混裝炸藥車裝藥筒拉動過程中，自動計算最近炮孔的位置，并顯示在屏幕上。

通過礦區4G無線網絡系統，在北斗基準站、無人機、炮孔智能測量機器人、混裝炸藥車和服務器之間地進行無線數據傳輸。混裝炸藥車獲取炮孔智能測量機器人測量的孔深、水深等數據后，自動計算出每個炮孔裝藥的種類和數量，并向炸藥車PLC模塊發送裝藥指令。裝藥作業完成后，自動裝藥控制系統將該炮孔的孔（水）深、孔底溫度、炸藥種類、裝藥數量、炸藥車車號、爆破工程師姓名、駕駛員姓名等詳細數據整理、上傳到服務器，形成炮孔參數統計報表，供相關部門使用。

為保證安全，在裝藥過程中，炸藥車4G發射器處于暫停發射狀態，當離開炮孔一定的距離后，重新開始工作。

（1）炮孔智能測量機器人測量的炮孔數據精度高、誤差小，參數更加準確，自動裝藥控制系統計算的裝藥種類及數量更加準確，實現了精準裝藥。裝藥效率更加高效，炸藥消耗更加節省，爆破質量更加優質，二次爆破數量明顯減少，爆堆粒度分布均勻，大塊率明顯降低，大大減少了電鏟啃根底，提高了運輸效率，對于采剝總量在上億立方米的特大型露天煤礦，每年可帶來數百萬元以上的經濟效益。

（2）通過高精度炮孔定位和炮孔智能測量技術將裝藥前單孔測量時間縮短為1?min，機器人作業替代了人工測量，大大減少了爆破現場的作業人員數量，降低了人工成本投入，現場安全風險有效降低，安全效益顯著提高。

（3）通過炸藥車智能裝藥技術，提升了生產現場的自動化和智能化水平，結合一體化生產執行平臺、一張圖等先進應用，可以有效提升煤礦的生產設計、計劃編制、調度指揮和作業管理效率，實現以效益為中心的煤炭生產科學化管理。

準能集團通過“數字礦山”項目的實施，已經構建了初步的“智能露天煤礦”總體架構，下一步將加快應用智能傳感器、物聯網、5G通信等先進技術，重點實施鉆機的無人駕駛，最終達到降本、增效、減人、保安的目的。

參考文獻

[1] 王韶輝.露天煤礦煤巖爆破塊度分布規律及爆破參數優化研究[D].徐州：中國礦業大學，2020.

[2] 耿榮.露天臺階爆破合理炮孔超深的數值分析與確定[D].包頭：內蒙古科技大學，2018.

[3] 徐榮興，秦志輝.數碼電子雷管在露天礦中深孔預裂爆破中的應用[J].露天采礦技術，2020，35（5）：51-53，57.

[4] 夏亮.基于無人機測繪的地理信息定位技術研究[J].建筑技術開發，2021，48（4）：75-76.

[5] 汪婷，羅欣.一種六軸機械臂時間最優軌跡規劃方法[J].工業控制計算機，2021，34（4）：66-69.

[6] 胡坤，張志遠，李德永，等.雙搖臂履帶式礦山機器人結構優化設計[J].工礦自動化，2019，45（9）：54-60.

作者簡介：郭文馨（1985—），男，本科，工程師，研究方向為礦山智能化與無線通信。

2074500783376