智能化高精度雙繩炮孔測量裝置研制與應用

支偉

(廣西中金嶺南礦業有限責任公司，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、作業安全性高、巖石破碎效果好等優點，在國內外礦山中應用廣泛[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計方案，根據每個炮孔的實際孔深數據，設計炮孔裝藥量、裝藥結構、起爆方式、微差起爆時間等內容，炮孔測量的精度及效率是關乎爆破成敗的關鍵[5-7]。

由于單次爆破炮孔數量較多，傳統的測量方法速度較慢、精度較差，無法滿足爆破設計對炮孔測量的需求。且由于受鑿巖設計及施工、爆破設計及施工等多方面的影響，炮孔復雜多變，會產生盲孔、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，現有的炮孔測量裝置無法針對不同類型的炮孔進行測量，導致炮孔測量工作無法滿足爆破設計的需要，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、線墜實現炮孔孔深的測量。孫剛友等[12]在此基礎上進行改進，在線墜的位置加設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，且無法實現炮孔數據的采集。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、壓力感應板、GPS 等裝置實現孔深和水深的精準測量，可以對孔位進行精準定位，適用于礦石區、巖石區炮孔精準定位，但仍無法做到炮孔數據的采集，不能進行通孔情況下的炮孔測量，且由于其GPS 定位系統的原因，無法在井下進行大范圍應用。

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，為礦山排產創造有利條件，并且具有爆破測量精度高、差錯率極低的優點，有效保障了大直徑深孔的爆破效果。其主要技術參數如下，最大測孔深度為60 m，電機電壓為24～36 V，電機轉速為180 r/min，壓力傳感器范圍為0～500 N，測管質量為1～2 kg，測繩長度為60 m。

2 測量裝置系統組成

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 的轉動，實現測具的上升及下降。

2.2 測具部分

測具部分由2 根測繩和1 根測管構成。測繩1、測繩2 是由30～65 m（長度應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，能夠適應高強度的測孔作業；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（應不小于炮孔孔網參數的1/3，確保比爆破漏斗直徑大）、質量為m、體積為v的高強度PVC 管或鋼管構成。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、數據傳輸線、控制器、數據采集器、電源、電線、開關構成。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。控制器是由PLC 控制系統、模擬量模塊、變頻器集成的控制系統，通過PLC 控制系統內部的程序，模擬量模塊的數據轉換及變頻器的電流調節，可以實現接收壓力傳感器1、壓力傳感器2 傳送的信號，并將信號轉換成可處理數據。根據得到的數據進行判斷，通過調節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，并將測得的數據及處理結果通過數據傳輸線發送給數據采集器。

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、反轉及轉動速度由控制器編程控制調節。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。利用數據傳輸線將控制器與數據采集器進行連接，控制器所得到的數據由數據傳輸線傳遞給數據采集器。利用電線將電源正極與控制器正極相連，將電源負極與開關一端相連，將開關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，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。

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 個壓力傳感器的數據，同時啟動兩個電機，使其2 個電機正轉，固定轉速為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 數據分別為a、b，將隨后采集到的壓力傳感器1、壓力傳感器2 數據分別記為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 控制器會根據所采集到的壓力傳感器數據判斷所遇到的情況，并據此改變2 個電機的轉速，達到測量炮孔信息的目的。

3.1 通孔

通孔為與下方空區或巷道相通的炮孔，在炮孔鉆鑿過程中產生的通孔通常孔底比較平整，測量較為簡單；在爆破后產生的通孔會在爆破作用下產生喇叭狀的爆破漏斗。

當遇到通孔時，由于測管沒有縱向約束，測管在空區內橫置，測管的質量改為由測繩2 主要承擔，d會變大，c會變小；所以當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 的數據變化自動判定該孔為通孔，并使電機1、電機2 繼續轉動，使測具部分繼續下降1～1.5 m，讓測具部分充分下降至空區內，記錄轉動時間t1，通過程序停止電機1 轉動，調整電機2 反轉，轉速為1/2n，將隨后采集到的壓力傳感器1、壓力傳感器2 數據分別記為c1、d1。當測管碰觸到孔底時，壓力傳感器2 會變大，當d1-d＞3N時，記錄反轉時間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）通過數據傳輸線導入至數據采集器中。隨后調整電機2 正轉，轉速為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，調整電機1 反轉，轉速為n，使測具上升3.5～4 m，使測管進入孔內，調整電機2 反轉，轉速為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

盲孔未與采空區和底部巷道相通，為堵塞狀態。當遇到盲孔時，測管接觸孔底，測管的質量改為由孔底承擔，c會變小，d不會發生明顯變化，此變化會在瞬間完成。所以當c在0.5 s 內變小至一定數值后不再變化、a-c≈m且d-c≯500g時，PLC控制器通過識別壓力傳感器的數據變化自動判定該孔為盲孔，同時停止電機轉動，記錄轉動時間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）通過數據傳輸線導入至數據采集器中。調整電機反轉，轉速為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，由于孔隙水滲入導致孔底有水形成水孔，會對炮孔測量造成干擾。當遇到水孔時，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，直至趨于穩定，d不會發生明顯變化。所以當c在一段時間內（超過0.5 s）持續變小之后保持穩定、a-c≈9.8v且d-c≯500g時，PLC 控制器通過識別壓力傳感器、壓力傳感器的數據變化自動判定該孔為水孔，降低電機的轉速至（1/3～1/4）n（測管在水中受阻力后速度會變慢），同時記錄轉動時間t4。當測管接觸孔底，測管的質量改為由孔底承擔，c會變小，d不會發生明顯變化，此變化會在瞬間完成；所以當c在0.5 s內變小至一定數值后不再變化、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、壓力傳感器的數據變化自動判定到達孔底，同時停止電機轉動，記錄轉動時間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）通過數據傳輸線導入至數據采集器中。調整電機、電機反轉，轉速為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 工程應用

盤龍鉛鋅礦屬于典型的急傾斜厚大礦脈，生產能力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，頂底柱采用上向進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用提供了良好的試驗條件。經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，后因采場頂板穩定性差，整個采場大面積垮落無法繼續上采，經研究決定改用大直徑深孔側向崩礦嗣后充填采礦法進行回采。礦房目前可采礦石地質儲量約為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力集中，頂板發生冒落后停止上采，剩余礦體高度約19 m。采場礦體為西高東低，以2225 線為分界。該采場西側為808 采場，已完成膠結充填；東側為圍巖實體；正上方為圍巖實體；上部西側最近開采點為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，現已暫停采礦作業。采場周圍的808-②已充填，708-②采場炮孔已施工完畢，708-②采場附近有空區爆破前后應密切關注該采場的穩定性情況，礦房東側為圍巖實體。

4.2 裝置現場應用

810 采場共進行爆破6 次，其中前4 次為拉槽爆破，后面兩次為側向爆破。在進行爆破前，對預爆破炮孔進行智能化炮孔測量與傳統炮孔測量的對比，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，部分測試結果見表1，利用兩種方法繪制出的采空區輪廓線如圖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，精準度更高，而傳統方法往往測得數據偏大；

圖3 采空區輪廓線對比

（4）測量盲孔時，炮孔深度越小，傳統方法與智能方法測量的誤差越小；

（5）采用智能測量方法測量時可以測得更為精準的數據，相較于傳統方法更能反映真實的炮孔底部輪廓，能夠提供設計者精準的基礎數據，精準控制炸藥量，避免產生過多的大塊；

（6）智能測量方法測量速度較傳統方法節省40%。

5 結論

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

（1）可規避傳統的測量繁瑣的工序，人員只需將裝置架設在炮孔上方，打開開關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，測量時間節省40%；減少人工讀數的誤差，提高測孔精度，并且測得數據為電子數據，方便設計人員利用該數據進行下一步爆破方案的設計；

（3）該裝置通過測繩與測管相結合，能夠更好地應對復雜的炮孔情況，無論是盲孔、水孔還是通孔均能精準測量，為爆破設計提供較為準確的數據。