炮區管理系統在露天礦山的應用探討*

劉敬智，張錄彬，魏 威, 2

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炮區管理系統在露天礦山的應用探討*

劉敬智1，張錄彬1，魏 威1, 2

(1.萬寶礦產有限公司，北京 100053；2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

信息技術的快速發展為礦山企業技術和生產管理的改善提供了巨大空間，通過信息化、數字化礦山建設是精益采礦生產管理，提高采礦生產管控水平，實現降本增效和本質安全的重要手段。針對露天礦炮區管理系統的應用進行探討，通過綜合應用計算機技術、軟件技術、無線通信技術、傳感器技術、高精度GPS定位技術等先進信息化技術，實現了礦山生產過程中從布孔設計、穿孔爆破到采掘運輸的全生命周期炮區信息化監控和管理。通過該系統的應用顯著提高了穿孔效率、穿孔爆破質量、采掘運輸效率以及工作面質量，提高了采礦生產信息共享能力以及生產管理和安全管理水平。

高精度GPS；炮區管理；精益管理；穿孔爆破；采掘運輸

0 引 言

穿孔、爆破和采掘是露天礦生產的重要工序，工序之間的生產接續、效率產能和施工質量是露天礦山生產能力的關鍵影響因素[1]。例如，露天礦山爆破過程中經常發生的根底、大塊等問題將直接影響挖掘機的采裝效率和臺階表面平整度[2-4]，而采掘過程產生的欠挖、超挖等問題又對下一臺階的穿孔成孔率、爆破質量，以及卡車運輸效率造成影響。因此，提高穿孔、爆破和采掘過程的效率和質量[5-6]，合理優化穿爆、采運生產安排，形成良性生產循環，對于提高露天礦生產能力，提高采礦質量標準化管理水平具有重要意 義[7-8]。以炮區為管理對象，結合時間、空間和地質信息，采集鉆孔屬性、炮區物料、設備產量、爆堆余量、臺階高程等數據，對鉆機和挖掘機的作業過程進行實時監控指導和跟蹤管理，形成一套完整的炮區管理系統是實現上述管理目標的有效方式。

本文以緬甸某露天銅礦為依托，研究探討炮區管理的概念以及系統如何與生產實際相結合，以便實現穿孔、爆破和采掘的信息化、智能化管理。

系統以炮區為核心管理對象，集成高精度GPS鉆機和挖掘機機械引導系統，以來自自動布控軟件的鉆孔布置圖和礦業三維軟件的圈礦數據為基礎，實現穿孔、采掘生產過程的實時數據采集和動態展示，監督、指導穿孔和采掘作業過程，掌握炮區施工動態變化，為優化生產安排和加強工作面質量管理提供依據。炮區管理系統貫通穿孔、爆破和采掘工序，主要包括上位機軟件，高精度鉆機引導系統和高精度挖掘機引導系統3個組成部分。

1 上位機軟件

上位機軟件主要包括自動布孔軟件和炮區信息查詢軟件兩部分，其中自動布孔軟件用于炮區鉆孔設計，炮區信息查詢軟件用于鉆孔布置圖、炮區多邊形、設備信息展示以及爆破信息、炮區狀態的人工錄入等。

1.1 自動布孔軟件

自動布孔軟件通過現場采集的炮區邊界和特殊點的坐標，根據爆破類型、孔網參數、安全距離、超深等進行鉆孔設計，自動生成孔位并可根據需要進行局部調整。布孔軟件可將鉆孔布置圖下發到鉆機車載終端，用于穿孔過程的開孔引導，同時將上傳到系統數據庫，用于炮區信息查詢軟件中的鉆孔布置圖展示以及鉆孔信息查詢等應用。自動布孔軟件提高了鉆孔設計的效率和準確度，實現了從設計到施工(Design to Operate)的無縫連接。

1.2 炮區信息查詢軟件

炮區信息查詢軟件是炮區管理系統的核心組成部分，以鉆孔布置圖和來自于礦業三維軟件的圈礦數據為基礎，結合鉆機和挖掘機信息，動態展示炮區的穿孔和炮堆的采掘過程。通過炮區查詢軟件，調度員可以手動錄入爆破日期、孔數、孔網參數、爆破量等爆破信息，同時可以進行炮區狀態管理，例如鉆孔、待采、采掘、暫停、完成等。炮區信息查詢軟件具有完善的過濾功能，可以按照臺階、炮區編號、物料類型、炮區狀態、起止日期等進行靈活查詢，信息內容豐富，涵蓋炮區全生命周期，包括炮區的鉆孔設計信息、穿孔信息、圈礦信息、采掘信息、狀態信息等，這些信息幫助生產管理人員實時掌握采場動態，準確分析生產制約因素，為生產效率提高和管理提高提供了強大工具。炮區信息查詢軟件如圖1所示。

(1) 鉆孔信息查詢。鉆孔信息查詢數據來自于自動布孔軟件的鉆孔布置圖數據，包括鉆孔編號、孔數、孔深、坐標等信息，鉆機在穿孔過程中系統將通過車載終端記錄每一個孔的開孔坐標、開始和結束時間、孔深、屬性等信息并實時在鉆孔布置圖中顯示，如圖2(左)所示，不同狀態和屬性的孔使用不同的顏色顯示。鉆孔屬性包括水孔、硬巖、鐵器等，使用不同顏色的圖例進行展示，用于后續爆破裝藥和采掘過程指導。通過過濾功能可對某一炮區的鉆孔信息進行查詢，例如查閱設計孔數、完成孔數、總進尺數、屬性統計、鉆機作業信息等，也可對炮區的任意鉆孔進行信息查詢，如圖2(右)所示。鉆機當前作業信息也可通過此軟件進行查詢，如圖2(左)中彈出的信息窗口所示。

(2) 采掘信息查詢。采掘信息查詢數據來自于礦業三維軟件的圈礦信息，包括炮區邊界坐標、物料類型、爆破方量、平均品位等信息，這些信息以CSV文件的方式導入到炮區信息查詢軟件中，以不規則多邊形的方式顯示炮區。如圖3(左)所示，根據物料類型將一個炮區劃分為6個子塊并用不同的顏色進行區分，挖掘機鏟斗位置動態顯示，可以直觀準確了解當前的采掘位置和物料信息，同時可進行物料、鏟斗高程、履帶高程等挖掘機信息查看。

圖3(右)為通過查詢過濾條件進行炮區綜合信息查詢，包括炮區當前狀態，物料類型，設計方量，爆堆余量，平均品位，炮區鉆孔、爆破、采掘等歷史狀態的起止和持續時間，挖掘機歷史作業信息等，此功能還可導出詳細的炮區狀態和產量流水，便于進行炮區生產過程分析。炮區綜合信息查詢幫助生產管理人員快速了解某一炮區的當前狀況和歷史作業過程，便于進行生產優化和問題分析。

圖1 炮區信息查詢軟件

圖2 鉆孔信息查詢

2 高精度鉆機引導系統

高精度鉆機引導系統利用厘米級GPS定位技術、傾角儀、絕對值編碼器以及先進的導航算法，實現了精確的穿孔過程對孔引導和孔深檢測。不同于傳統的人工測量擺放標志物和一人操作一人車下指揮的模式，高精度鉆機引導系統自動下載上位機下發的鉆孔布置圖，在穿孔過程中顯示炮區所有孔的編號、位置和狀態信息，提醒下一個待鉆孔的方位和距離，根據屏幕提示，司機可以高效、準確的將鉆頭對到相應的孔位。如圖4(左)所示，綠色孔代表已鉆完，紅色孔代表下一個待鉆孔并在屏幕右上方提示方位和距離，黃色孔代表未鉆。鉆機引導系統顯著減少現場測量工作量，提高了布孔、穿孔作業的自動化控制水平和精準度，消除了惡劣天氣和夜間對穿孔作業的影響，實現了鉆機全天候作業，提高了穿孔效率和質量。

孔深檢測通過安裝在提升鏈條上的絕對值編碼器實現，結合加減桿操作，實現開孔坐標采集和孔深實時測量，根據目標孔深進行預警提示，確保實際孔深和設計值相符，精準孔底高程控制，提高穿孔質量，有利于后續爆破質量控制。孔深檢測如圖4(右)所示。

除對孔引導和孔深檢測外，系統在穿孔作業過程中還將采集每一個鉆孔的開孔坐標、開始和結束時間、暫停時長以及水孔、硬巖、鐵器等鉆孔屬性信息，結合孔深數據形成完整的穿孔報告，用于指導后續的爆破裝藥和采掘過程。

鉆桿厘米級定位通過安裝在鉆機車體上的兩個高精度GPS天線、可接收差分信號的GPS接收單元以及傾角儀傳感器實現，定位精度為±5 cm。

3 高精度挖掘機引導系統

錯誤物料卸載將造成礦石的損失和貧化，因此挖掘機司機在作業過程中必須準確掌握所作業炮區和物料類型信息，高精度挖掘機引導系統利用厘米級GPS定位技術和角度傳感器實現挖掘機履帶和鏟斗的精確定位，結合炮區多邊形實現作業炮區和物料的識別。如圖5所示，以炮區多邊形為背景，挖掘機司機根據采裝過程的鏟斗位置可判斷當前炮區和物料類型，并進行正確的選擇，當實際鏟斗位置同所選炮區和物料類型不符時，系統會在挖掘機車載終端和調度室同時生成報警，確保挖掘機作業炮區和物料同實際情況吻合，為準確的物料流統計分析提供數據。

臺階平整度對于穿孔質量、卡車運輸效率、卡車故障率以及礦坑排水均具有重要意義，實時履帶和鏟斗高程顯示及操作指導幫助挖掘機司機改善采掘作業，進而提高臺階平整控制，減少欠挖情況，使臺階高程波動在允許的范圍內。如圖6所示，系統實時顯示臺階設計高程以及挖掘機履帶和鏟斗高程，并進行操作提示。

圖3 采掘信息查詢

圖4 高精度鉆機引導系統

圖5 高精度挖掘機引導系統

高精度鏟斗和履帶定位通過安裝在挖掘機車體上的兩個高精度GPS天線、可接收差分信號的GPS接收單元以及若干個傾角儀傳感器實現，定位精度為±20 cm。

4 應用效果

炮區管理系統提供了一套完整的穿孔、爆破和采掘過程管理工具，實現了采場、設備和物料的全面管理，為生產優化、爆破裝藥、效率分析、地質管理等工作提供了大量的數據支撐，為采礦生產管理、設備管理和效率提升奠定了堅實基礎。該礦山應用該系統后主要在以下方面受益：

圖6 鏟斗定位示意圖

(1) 通過快速對孔引導、孔深實時監測以及鉆機作業、穿孔過程實時監督等，明顯降低了惡劣天氣、夜晚對穿孔施工的影響，杜絕了怠工、誤工現象，因此鉆機的穿孔效率和質量均得到較大提升。

(2) 鉆機穿孔對孔、孔深等方面的施工質量提高，以及炮區穿孔信息用于裝藥指導有效地改善了爆破質量，大塊、根底等問題明顯減少。

(3) 爆破質量提高后挖掘機采掘效率得到提高，挖掘機因鏟斗磨損導致的停機時間有所降低。

(4) 通過實時監控挖掘機履帶和鏟斗高程，及時發現超挖、欠挖現象，規范了采掘施工，臺階平整度較之前有明顯改善。

(5) 挖掘機鏟斗位置與炮區物料相結合，準確識別、跟蹤物料運輸，降低了礦石損失貧化。

(6) 完善的物料流統計數據，為地質管理及金屬平衡計算提供了數據支撐。

(7) 布孔和臺階測量自動化水平提高，大量減少現場測量工作，減少現場測量作業安全隱患。

(8) 掌握炮區動態變化情況，有利于生產管理人員進行生產安排及實時調度優化。

[1] 曾云南.大型露天礦GPS調度系統建設[J].中國礦山工程, 2007(06):45?47.

[2] 吳玓文,寇向宇.數字礦山與“六大系統”的融合建設研究[J].礦業研究與開發,2016,36(10):120?123.

[3] 王履華,孫在宏,吳長彬,駱 浩.基于Unity3D的數字礦山虛擬現實系統建設研究[J].礦業研究與開發,2014,34(01):98?101.

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[5] 王英博,魏麗君,趙志廣. GPS技術在露天運輸系統中的應用[J].遼寧工程技術大學學報,2006(05).

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[7] 張幼蒂,蘇 靖,李曙光.計算機控制卡車實時調度的系統研究[J].中國礦業大學學報,1995(02):1?6.

[8] 盧云峰.露天礦卡車安防預警預控集成終端的研制[J].中國礦業,2017,26(S1):407?410+414.

國家自然科學基金項目(41807259).

(2019?01?04)

劉敬智(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事采礦生產與安全管理工作，Email: liujingzhi@wbmining. com。