露天煤礦DM系列鉆機(jī)智能化建設(shè)及應(yīng)用

張耀武

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 010300）

隨著信息化和自動化技術(shù)的發(fā)展，礦山開采越來越重視高精尖技術(shù)的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)礦山開采的精細(xì)化管理和高效生產(chǎn)，露天煤礦開采中已開始引入智能化、自動化的相關(guān)理念及技術(shù)應(yīng)用。

1 露天煤礦鉆爆開采現(xiàn)狀

自“數(shù)字礦山”的概念被采礦業(yè)提出以來，國內(nèi)大型露天煤礦數(shù)字礦山信息化建設(shè)工作便開始按安全生產(chǎn)、降本增效兩條主線逐步開展。其中，信息化建設(shè)作為基礎(chǔ)通訊信息平臺，日益受到礦山的重視，成為發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)全部為人工操作，無自動化部分參與，完成的爆破孔以人工測量的方式檢驗(yàn)是否合格。日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)和耗材記錄全部采用手工記錄的方式，通過多年演化，逐步生成礦床地質(zhì)模型及輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)兩大系統(tǒng)，礦山MIS（信息管理）、ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）系統(tǒng)等一系列智能化礦山建設(shè)內(nèi)容。

在礦山開采裝備智能化方面，當(dāng)前邊坡遠(yuǎn)程智能監(jiān)測、運(yùn)輸設(shè)備防碰撞、超速報(bào)警等相對獨(dú)立的系統(tǒng)模塊都已應(yīng)用，鉆機(jī)自動導(dǎo)航鉆孔也開始在一些礦山測試和開展。按照露天礦山建設(shè)的“數(shù)字化、自動化、智能化”三階段來看，未來鉆孔與爆破重點(diǎn)研究方向應(yīng)該按照以下步驟逐步推進(jìn)：①穿孔環(huán)節(jié)智能化，包括鉆機(jī)狀態(tài)自動檢測、鉆機(jī)自動導(dǎo)航及鉆進(jìn)控制、地層巖性識別；②爆破環(huán)節(jié)智能化（裝藥車自動導(dǎo)航及裝藥、爆破效果自動評價(jià))。研究露天煤礦鉆爆智能化建設(shè)規(guī)劃、整體目標(biāo)，明確相關(guān)建設(shè)技術(shù)路徑，對于提升露天煤礦智能化建設(shè)工作成果具有重要的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義[2]。

2 建設(shè)露天煤礦智能化鉆機(jī)的必要性

當(dāng)前中國各行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)過渡的關(guān)鍵時(shí)期，由勞動密集型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變中，尤其是以各項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)的采礦行業(yè)。各個制造業(yè)的迅速發(fā)展，加大了對礦產(chǎn)的需求。當(dāng)今礦山主要生產(chǎn)方針為要求采礦企業(yè)整改過去高污染、低效益的傳統(tǒng)開采模式。開采模式的轉(zhuǎn)變，核心就是采礦工藝技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展綠色礦山開采理念，以智能化礦山為代表的現(xiàn)代化礦物管理理念，及采礦技術(shù)已然成為礦山發(fā)展的趨勢。作為關(guān)系中國經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的煤炭工業(yè)，智能化和數(shù)字化開采是其必經(jīng)之路[3]。鉆孔作為礦山開采的第一道工序，成孔精度和質(zhì)量直接影響后續(xù)爆破、裝運(yùn)等環(huán)節(jié)。采用高自動化和高智能化的現(xiàn)代高新鉆孔技術(shù)帶動傳統(tǒng)礦業(yè)升級，從本質(zhì)上可以提高露天煤礦的競爭優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)露天煤礦開采科學(xué)化、現(xiàn)代化的管理，從而推動國內(nèi)露天煤礦向安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色與可持續(xù)的目標(biāo)發(fā)展[4]。

目前，安百拓（原阿特拉斯科普柯）生產(chǎn)的DM系列大孔徑牙輪鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)主要大型露天煤礦，如神華準(zhǔn)能黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦、霍林河露天煤礦等，鉆孔直徑從200mm～311mm，深度涵蓋13mm～-60m。DM系列鉆機(jī)主要采用牙輪穿孔方式，在較硬巖層的礦山多選用F5，F(xiàn)6級別牙輪鉆頭，例如黑岱溝露天煤礦。在巖石較軟礦山則多選擇刮刀鉆頭，例如霍林河露天煤礦。DM系列鉆機(jī)動力驅(qū)動方式分為燃動和電動，燃動機(jī)型有DM45，電動機(jī)型有DM75E、DMH等。本文將以在黑岱溝應(yīng)用較多的DM75E系列鉆機(jī)為例，來闡述DM系列鉆機(jī)智能化建設(shè)及應(yīng)用。

圖1 CANBUS單臺系統(tǒng)組成Fig.1 CANBUS single system composition

3 DM系列鉆機(jī)智能化方案及應(yīng)用

3.1 DM75E系列鉆機(jī)工作原理概述

安百拓生產(chǎn)的DM75E系列主要以高壓電為驅(qū)動單元，設(shè)計(jì)工作電壓6000V，電機(jī)前端驅(qū)動3組液壓泵，為全車運(yùn)動部件包括行走、定位、鉆孔、換桿等提供液壓動力；電機(jī)后端驅(qū)動空壓機(jī)，為穿孔時(shí)排渣提供壓縮氣流。從而一起完成牙輪鉆孔工作三要素：回轉(zhuǎn)、進(jìn)給和排渣。

3.2 RCS系統(tǒng)原理

RCS（全稱Rig Control System）為安百拓自主開發(fā)應(yīng)用于所有設(shè)備上的一套智能化和自動化系統(tǒng)。其基于CANBUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對多點(diǎn)”控制。低階段的系統(tǒng)可輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作的狀態(tài)，工作參數(shù)顯示，電氣元件故障等；高階段的系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)設(shè)定狀態(tài)工作，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的輸入，實(shí)現(xiàn)單人多臺、無人自動工作等高智能化功能。圖1為CANBUS組成及控制原理。

3.3 RCS系統(tǒng)的安裝

安裝于DM75鉆機(jī)上的RCS系統(tǒng)是介于基礎(chǔ)和高端之間的配置，其主要組成部分如下：

1）加裝到設(shè)備上需要采集數(shù)據(jù)及信號的硬件，主要有塔架上的傳感器、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳感器、液壓系統(tǒng)等傳感器和編碼器等。

2）用于傳遞傳感器和編碼器等信號的電纜，集成信號解析、信號輸入、信號輸出等電器原件的處理器，簡稱為I/O模塊。

圖2 DM系列RCS系統(tǒng)組成Fig.2 DM series RCS system composition

圖3 鉆孔顯示界面Fig.3 Drilling display interface

3）用于顯示相關(guān)鉆孔角度、油液溫度、鉆機(jī)速度等設(shè)備工作參數(shù)的觸摸式顯示器。該顯示器除顯示參數(shù)外，還可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、工作狀態(tài)的預(yù)設(shè)定，工作報(bào)告的生成與導(dǎo)出等。

4）可以選裝用于高精度導(dǎo)航和通訊的其他硬件，在現(xiàn)場與GPS基站對接，以實(shí)現(xiàn)礦山整體自動化的需求。

圖2為安裝到DM75E上的RCS系統(tǒng)主要組成部分。

3.4 DM75系列RCS可實(shí)現(xiàn)功能

完成RCS相應(yīng)硬件安裝后，根據(jù)需求植入對應(yīng)軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)如下相關(guān)功能：

1）作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)顯示孔深與穿孔效率、旋轉(zhuǎn)速度與扭矩、進(jìn)給與提升壓力指示、排渣壓力、水箱液位、鉆架角度等。

2）自動找平：鉆機(jī)在鉆孔之前鉆架及機(jī)身位置的調(diào)整。傳統(tǒng)方式都需操作人員觀察水平儀進(jìn)行調(diào)整，RCS的自動找平功能可以自主完成操作，使鉆機(jī)最終精準(zhǔn)快速地調(diào)到水平，滿足鉆孔需求。

3）模塊數(shù)據(jù)儲存并傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)，記錄鉆機(jī)工作過程中每時(shí)刻的狀態(tài)、成孔的深度與角度、鉆機(jī)發(fā)生過的一些非正常表現(xiàn)，例如故障、瞬時(shí)過載等，通過模塊上的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并可根據(jù)需要傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)。

4）地面管家軟件高階的模塊中安裝有安百拓公司獨(dú)有的地面管家（Surface manager）軟件，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)行遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的分析。完成自動鉆孔前的孔位布置，孔深的提前設(shè)定等，完成后通過移動存儲單元或無線信號的方式傳送到鉆機(jī)上。最終地面管家軟件會根據(jù)需求將生成生產(chǎn)報(bào)告。對于鉆機(jī)在日常生產(chǎn)中所有的消耗，也可以方便快捷地從軟建中獲取。

3.5 RCS系統(tǒng)工作功能演示

1）鉆機(jī)在正常工作時(shí)，顯示界面可以調(diào)整為顯示以下部件狀態(tài)：鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩、排渣壓力、水箱液位、空壓機(jī)流量比例、儲桿器位置、卡鉗位置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位置及鉆桿孔內(nèi)互鎖、孔深、穿孔效率。圖3為對應(yīng)狀態(tài)。

2）鉆架定位互鎖時(shí)可以顯示如下內(nèi)容：鉆架角度、鉆機(jī)傾角、自動找平狀態(tài)、鉆機(jī)水平儀、發(fā)動機(jī)或電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3）地面管家部分功能演示，地面管家是RCS系統(tǒng)最重要的軟件工具，可分區(qū)域顯示不同部位當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，顯示界面由上至下主要內(nèi)容如下：

第一區(qū)域?yàn)殂@孔信息、鉆孔計(jì)劃管理（僅導(dǎo)航版）、水箱液位、報(bào)警系統(tǒng)。

第二區(qū)域?yàn)槭褂闷陂g數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

第三區(qū)域?yàn)殂@機(jī)使用時(shí)間明細(xì)、鉆孔數(shù)量與米數(shù)、穿孔效率、消耗。

如果這個世界僅有來自歐洲大陸的大型豪華轎車，雖說并不會有什么大問題，但至少這個細(xì)分市場中會失去不少樂趣。所以，來自大不列顛島的捷豹XJ家族50年以來所形成的獨(dú)特氣質(zhì)，對于汽車世界來說更值得“珍視”。每每談起，總會在精神上獲得絕大部分車迷的共鳴。

第四區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)與實(shí)際模型對比（僅導(dǎo)航版），巖石硬度。

第五區(qū)域?yàn)槊咳杖罩居涗洝Ｈ鐖D4。

4）鉆孔耗材統(tǒng)計(jì)：進(jìn)入界面后可以看到設(shè)備當(dāng)前鉆具消耗，包括鉆桿、鉆頭以及聯(lián)接裝置等，用于統(tǒng)計(jì)鉆具消耗情況，并可生成單機(jī)的消耗報(bào)告。

4 DM系列智能化鉆機(jī)的應(yīng)用效果

4.1 行走與自動找平

鉆機(jī)完成鉆孔，移動到下一位置并開始鉆孔前的一系列動作稱為定位。傳統(tǒng)作業(yè)中定位操作主要依靠手動操作，這樣在精度和效率把控上都依托于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。安裝由RCS控制系統(tǒng)后，這部分操作則可由系統(tǒng)輔助或自動完成。

圖4 地面管家系統(tǒng)Fig.4 Ground housekeeping system

圖5 成孔質(zhì)量分析界面Fig.5 Hole quality analysis interface

通過數(shù)以千萬次的測試結(jié)果可以計(jì)算出自動找平對比手動找平：支千斤頂平均快10.7s，收千斤頂平均快5.8s。但從定位環(huán)節(jié)可有效提高設(shè)備生產(chǎn)效率，降低能耗，如圖5。

4.2 鉆孔計(jì)劃管理

通過管理終端將地面管家導(dǎo)出的鉆孔計(jì)劃以無線或存儲單元的方式輸入鉆機(jī)，鉆機(jī)即可按照計(jì)劃進(jìn)行每個點(diǎn)的作業(yè)。對平臺上計(jì)劃作業(yè)的位置進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)記和分類，例如標(biāo)記處區(qū)域、已完成裝藥區(qū)域、未完成作業(yè)、失效空位等。同時(shí)也可詳細(xì)記錄生產(chǎn)日志的變更，計(jì)劃內(nèi)容的變更，通過ID識別計(jì)劃人員是否變更等。并且可以對未完成的計(jì)劃所需時(shí)間進(jìn)行精確估算，從而協(xié)助生產(chǎn)部門對整體鉆爆工藝進(jìn)行整體預(yù)判和規(guī)劃。

4.3 鉆孔精細(xì)化分析

4.4 成孔質(zhì)量分析

對計(jì)劃作業(yè)平臺標(biāo)定區(qū)域完成全部鉆孔作業(yè)后，最終由軟件生成一份詳細(xì)的成孔質(zhì)量報(bào)告，該報(bào)告可按照需求由2D或3D形式呈現(xiàn)給使用者。報(bào)告中詳細(xì)羅列孔位坐標(biāo)、深度，與計(jì)劃深度偏差等，這樣讓使用者清晰快捷地獲得鉆孔計(jì)劃與實(shí)際對比模型，從而可顯示已完成的鉆孔精確性與連續(xù)性。協(xié)助爆破工序提高準(zhǔn)確性和精確的藥量填充控制，使爆破效果能夠最大程度上地接近預(yù)期。圖5為計(jì)算機(jī)模擬顯示某次作業(yè)模型，對應(yīng)標(biāo)記說明如下：藍(lán)色為已完成的孔；空白為未完成的孔；紅色為標(biāo)定錯誤的孔；橙色為操作手失誤導(dǎo)致。

4.5 鉆孔生產(chǎn)耗材統(tǒng)計(jì)

鉆孔作業(yè)中日常消耗最大的零部件即鉆具。它是鉆機(jī)中主要的生產(chǎn)成本，通常包括鉆頭、鉆桿及相應(yīng)聯(lián)結(jié)裝置。借助于RCS系統(tǒng)，可對每個鉆具使用壽命及相關(guān)消耗信息進(jìn)行精準(zhǔn)記錄和核算。特別是對于鉆頭消耗的計(jì)算，根據(jù)不同的工作位置精確計(jì)算出穿孔效率和使用壽命，可有助于操作人員判斷當(dāng)前巖石狀況對穿孔效率的影響，更可以協(xié)助操作人員在不同巖石平臺下選擇最匹配的鉆頭，進(jìn)而提高鉆具使用壽命，降低生產(chǎn)成本。最終，生產(chǎn)周期、作業(yè)平臺、操作人員等都可以按需形成相應(yīng)的鉆具耗材生產(chǎn)報(bào)告，協(xié)助生產(chǎn)部門分析消耗件的性能是否在最佳狀態(tài)，從各個環(huán)節(jié)做到精細(xì)化管理。

4.6 協(xié)助維修

RCS系統(tǒng)信號及數(shù)據(jù)的采集和傳輸都通過電氣元件來實(shí)現(xiàn)整體功能，因此可以協(xié)助做許多日常維護(hù)保養(yǎng)的監(jiān)測提醒和故障診斷。

1）日常維護(hù)檢測主要是通過采集準(zhǔn)確的部件運(yùn)行時(shí)間，如動力單元運(yùn)行時(shí)間、執(zhí)行單元運(yùn)行時(shí)間。通過與設(shè)定為時(shí)間的比對，在達(dá)到預(yù)定保養(yǎng)時(shí)間時(shí)先進(jìn)行提醒，如果超過設(shè)定時(shí)間20%則可能通過系統(tǒng)禁用相關(guān)功能，直到完成保養(yǎng)并重新給與相關(guān)指令。

2）故障主要是電氣元件的傳輸信號和數(shù)據(jù)來診斷相應(yīng)部件是否工作正常，可以快速判斷在發(fā)生故障的部件是來源于軟件故障、電器故障或者機(jī)械故障。通過地面管家系統(tǒng)的故障代碼，維修人員可快速地診斷，且可以遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)處理故障，迅速制定有效的維修方案。

5 智能化礦山的建設(shè)方向和前景

鉆機(jī)作為礦山爆破開采設(shè)備的重要組成部分，其智能化必須和所有礦山設(shè)備同步進(jìn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化礦山建設(shè)的完整性。

1）基于4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信平臺建立整體開采工藝的可視化和精細(xì)化管理，通過搭建視頻信號、數(shù)據(jù)信號以及圖像信號將整體生產(chǎn)流程采用鏈?zhǔn)絺鞑ゲ⒐蚕淼街付ňW(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)上[5]。

2）通過終端計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔方案設(shè)計(jì)的模型化和可視化，為爆破工序提供準(zhǔn)確的參考分析報(bào)告。

3）鉆機(jī)完成智能化建設(shè)后，集成到整體設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)不同平臺統(tǒng)一調(diào)度，提高管理控制的綜合化程度。另外，根據(jù)鉆機(jī)工作狀態(tài)形成的生產(chǎn)設(shè)備檢測系統(tǒng)，可以將許多未知變量做預(yù)判，從而為礦山整體管理和控制系統(tǒng)提供協(xié)助聯(lián)動預(yù)警機(jī)制[6]。

4）借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)全面統(tǒng)一。同時(shí)，精細(xì)化的管理可以讓生產(chǎn)人員、生產(chǎn)流程每個環(huán)節(jié)清晰呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)礦山調(diào)控的智能化，實(shí)現(xiàn)礦山整體建設(shè)的智能化。

5）借助智能化鉆機(jī)平臺的建設(shè)，提前儲備和培養(yǎng)專業(yè)性較強(qiáng)的技術(shù)人才。無論是依托于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)礦山智能化，還是礦山設(shè)備所屬相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行均離不開專業(yè)型技術(shù)人才，高專業(yè)性的技術(shù)人才是礦山整體運(yùn)營的關(guān)鍵[7]。

6 結(jié)束語

該課題所提及智能化功能目前已在準(zhǔn)能黑岱溝露天煤礦實(shí)現(xiàn)，但部分功能因受限于通訊、設(shè)備兼容性以及礦場環(huán)境等因素，無法達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)真正無人化或遠(yuǎn)程一人控制多機(jī)的功能還存在一定的距離，需要逐步提升設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性及智能化安全性。

智能化礦山的建設(shè)，短期看是提出了一個系統(tǒng)化的概念，本質(zhì)上是一個動態(tài)化的過程，理念的設(shè)計(jì)是符合社會和行業(yè)發(fā)展的基本規(guī)律。數(shù)字智能化礦山的順利建設(shè)，對煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與重組，以及提高露天煤礦在行業(yè)內(nèi)的市場競爭力具有十分重要的作用。