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第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 011 GPS 与激光测距集成的 露天矿牙轮钻穿孔系统研究* 张 祥， 吴 浩， 张建华， 黄 刚， 卢 楠 （武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070） 摘 要 为更好的保证牙轮钻机穿孔的效率和准确性， 采用 GPS 和激光测距技术， 设计与研发了一种牙轮 钻数字化精确导航及穿孔定位控制系统。在监测指标体系、 监测硬件和监测软件的整体设计思路上， 采用分 层理念设计的四层逻辑架构模式， 实现了穿孔定位及监控功能。以陕西省金堆城露天矿 8 号钻机部署系统 为例开展应用研究， 结果表明 该系统对牙轮钻机钻孔的平面定位、 高程定位以及钻孔深度的平均精度控制 分别为 5. 9cm、 6. 1cm 和 4. 9cm， 有效提高了矿山的爆破质量。 关键词 露天矿；牙轮钻机；GPS；激光测距；穿孔作业 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0072 -06 Perforation System for Rotary Drill in Open-pit Mine with Integration of GPS and Laser Range Finding Technology ZHANG Xiang， WU Hao， ZHANG Jian-hua， HUANG Gang， LU Nan （School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China） Abstract In order to ensure the efficiency and accuracy of drilling work in open-pit mine， a digital navigation and perforation positioning control system for rotary drill was designed with the integration of Global Positioning Sys- tem and Laser Range Finding Technology. In the overall design idea of monitoring indicator system， monitoring hard- ware and monitoring software， the four-layer logical architecture mode designed by layered concept is used to realize the perforation positioning and monitoring functions. Finally， No. 8 rotary drill in the open-pit mine of Jinduicheng， lo- cated in Shanxi province， was set as an application example. The results indicate that by the system， the average pre- cision control of plane positioning， height positioning and drilling depth are 5. 9 cm， 6. 1 cm and 4. 9 cm for the rotary drill， which provides a strong technical support for effectively improving the blasting quality of mines. Key words open-pit mine；rotary drill；GPS；laser range finding technology；perforation operation 收稿日期 2019 -04 -08 作者简介 张 祥 （1992 - ） ， 男， 山西大同人， 武汉理工大学资源与 环境工程硕士研究生、 学士， 主要从事矿山安全监测技术 应用研究，（E-mail） xiangzhang1992126. com。 通讯作者 吴 浩 （1977 - ） ， 男， 湖北黄冈人， 武汉理工大学资源与 环境工程学院教授、 博导， 主要从事卫星导航与对地观测 技术应用研究，（E-mail） hwumickey163. com。 基金项目 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项 （2017YFE0109500） 国内外露天矿目前主要采用地表穿孔的方式来 实现爆破， 破碎矿岩进行铲装 ［1］。穿孔工艺过程控 制是降低根底或超挖、 大块和后裂， 确保爆破安全、 质量、 效率和成本的关键因素 ［2］。穿孔质量的提高 不仅对爆破工序本身的效果有很大的促进作用， 而 且对后续铲装、 运输乃至于选矿工序的生产效率和 成本将产生重大影响 ［3］。大型牙轮转机作为露天 矿进行穿爆工艺的主要机械设备， 其钻孔位置与钻 孔深度的定位精度对最终的矿岩破碎效果起重要作 用。因此， 合理有效地提高牙轮钻机的定位精度能 够更好地推进露天矿的铲装运生产流程。 万方数据 传统的露天矿爆破孔位的定位方式主要是采用 全站仪与经纬仪， 该方式主要是采用人工外业工作 模式。由于受到仪器本身测量形式的影响， 其工作 效率缓慢， 且会造成放样点间的误差传递， 严重影响 到牙轮钻机的穿孔效率及最后的矿岩爆破效果 ［4］。 随着全球定位系统 （GPS） 的发展， 特别是我国自主 研发的北斗卫星导航系统的出现， 利用动态差分技 术可以实现单一点位的高精度定位 ［5］。粟闯等人 设计了基于 GPS 定位的矿山车辆监控系统 ［6］。吴 浩等人则是将 GPS 技术应用于矿山边坡， 实现高 效、 准确、 全天候的高陡边坡变形监测 ［7］。目前大 部分露天矿山已采用该定位技术来实现点位放样及 测量。李凤堂采用手持 GPS 设备到矿山现场对钻 孔位置进行放样， 从而指导牙轮钻机进行钻孔 ［8］。 但该方式基于人工的工作模式存在下述缺点 一是 须待前面爆堆清理工作结束后才能进行后续爆区的 布置工作， 使爆破技术设计工作始终处于滞后状态； 二是现场布孔对台阶坡顶线位置的判断往往会出现 很大偏差， 放样平面误差增大； 三是牙轮钻机没有安 装深度控制装置， 孔深控制比较粗放 ［9， 10］。针对上 述问题， 实现牙轮钻机穿孔的高效自动化来代替传 统的人工方式是十分必要的。 因此， 研究一种基于 GPS 和激光测距集成的牙 轮钻数字化精确导航及穿孔定位控制系统， 实现对 牙轮钻的作业发布和管理、 精确定位导航、 孔深数据 的监控、 作业回放、 智能报表等功能， 保证对牙轮钻 进行全方位数字化实时定位、 导航和穿孔定位监控， 为有效提高矿山的爆破质量提供强有力的技术 支撑。 1 系统设计思路及工作原理 1. 1 总体设计思路 该系统总体设计包括 3 个部分 （见图 1） ， 分别 为 监测指标体系、 监测硬件和监测软件。其中监测 指标体系主要包括两个方面 牙轮钻机平面位置、 炮 孔实际孔深， 这是整个系统主要监测的数据； 监测硬 件则由 GPS 基准站、 GPS 移动站、 激光测距仪、 牙轮 钻机导航监测车载平台、 监控中心和无线通讯设备 构成， 是负责监测数据的采集、 传输、 处理和可视化 硬件装置； 开发监测软件包括移动导航软件和中心 监控分析软件， 是数据记录、 分析和评价的自动化 系统。 1. 2 工作原理 根据矿山爆破炮孔钻设施工及施工管理对软硬 件系统的要求， 牙轮钻机数字化导航及穿孔定位控 制系统由系统监控中心部分、 GPS 基准站部分和移 动监测部分三部分组成， 图 2 是牙轮钻机数字化导 航及穿孔定位控制系统示意图。系统监控中心部分 通过 3G 模块主要方式将 GPS 基准站的差分数据连 续、 实时地发送至移动监控点， 同时接收各流动站将 精确的移动监测点位置坐标， 传送到监控中心。 GPS 基准站采用差分 GPS 技术， 24 h 不间断将差分 数据传递给移动监测点， 实现对移动监测点观测数 据的修正， 从而提高对牙轮钻车辆采集数据的精度， 确保监测的有效性。GPS 移动监测主要硬件由 GPS 主机和接收天线、 3G 模块以及工业平板计算机所组 成， 软件采用自行开发的牙轮钻机数字化导航 GPS 实时监控系统。 图 1 系统总计技术路线 Fig. 1 Total technical route of the system 图2 牙轮钻机数字化导航及穿孔定位控制系统硬件框图 Fig. 2 Hardware block diagram of digital navigation and perforation positioning control system for rotary drill 2 软件功能设计与研发 2. 1 软件构架 采用先进的硬件和网络设计安全、 稳定、 高效的 37第 36 卷 第 2 期 张 祥， 吴 浩， 张建华， 等 GPS 与激光测距集成的露天矿牙轮钻穿孔系统研究 万方数据 运行环境； 基于软硬件无缝耦合技术构建稳健的集 成平台； 采用分层的理念与方法， 设计四层逻辑架构 模式 （图 3） 。支撑层是牙轮钻数字化导航及穿孔定 位控制系统运行的支撑与保障， 包括硬件平台、 支撑 软件以及用于系统稳定运行的安全保障措施。数据 层是牙轮钻数字化导航及穿孔定位控制系统的基 础， 主要包括基础地形数据、 GPS 数据、 实际测深数 据、 测斜数据等， 以及在数据处理和分析过程中所形 成的中间数据和结果数据。服务层是牙轮钻数字化 导航及穿孔定位控制系统建设的核心内容， 主要由 任务作业管理、 定位导航服务、 精度控制服务、 预警 预报服务等四部分组成。应用层是牙轮钻数字化导 航及穿孔定位控制系统对外提供的应用服务， 主要 包括地图操作、 作业管理、 导航控制、 精度评价、 预警 预报、 报表生成等部分。 图 3 牙轮钻数字化导航及穿孔定位控制系统总体架构 Fig. 3 Overall architecture of digital navigation and perforation positioning control system for rotary drill 2. 2 软件功能 以 GPS 技术为核心， 基于 C/ S 的设计开发模 式， 设计并开发出具有监测信息自动采集、 定位导航 服务、 作业精度评价、 实时报警预警、 报表智能生成 等功能的软件平台， 体现高度的前瞻性和可扩展性， 保证系统应用的完整性和硬件投资的有效性原则。 中心监控软件安装在工程控制中心， 实现对 GPS 基准站、 所有移动监测点的监控， 主要具有数据 导入、 实时监控、 轨迹重现、 数据库操作、 定位精度控 制等五大功能。其中数据导入指可以将矿山常用的 设计软件 （AutoCAD、 奥瑞凯） 中设计的炮孔位置信 息经过系统接口导入到系统内部， 并转化为系统自 身可识别的信息； 实时监控部分要求能够显示牙轮 钻机车辆的实时位置； 自动记录钻机全程运行的轨 迹， 可以实现随意期间的轨迹重现； 对整个工程全时 段的数据进行记录 （除卫星信号死角） ， 实现数据库 的备份和恢复； 定位精度控制主要包括两大指标 水 平精度和孔深精度， 利用实时传回的牙轮钻机车辆 施工位置坐标和完成孔深， 对两大指标进行实时精 度控制， 并存储入库。 移动监控软件安装在移动牙轮钻机上， 其中 GPS 移动监控具有全方位、 全过程、 自动实时监测牙 轮钻机运行轨迹的能力， 并能自动、 准确地将数据记 录备查。根据实时监测的牙轮钻机钻孔的坐标等监 控结果， 能够以简单明了的提示方式， 及时反映给牙 轮钻机操作人员和监控人员， 特别是对于和设计坐 标偏差较大的情况， 给出醒目的提示， 以便牙轮钻机 操作人员及时调整机械位置， 保证施工质量在整个 施工过程中 （除卫星信号死角） 始终处于受控状态。 3 系统应用及效果 3. 1 现场部署 该系统在已经在金堆城露天矿中得到应用， 该 矿山为年产 850 万吨矿石量的大型露天钼矿， 目前 分为北露天、 南露天同时开采。其中， 北露天有 5 台 牙轮钻机， 南露天有 2 台牙轮钻机。根据项目计划 以及金堆城钼矿矿区实际情况， 拟将系统部署在 8 号钻机上， 设备部署后钻机整体情况见图 4。设备 安装完成后， 精确测量 3 个 GPS 天线安装位置到钻 杆的距离， 计算出根据三个 GPS 天线位置计算钻杆 位置的公式和参数。另外， 测量了钻头位于地表面 时测距距离， 作为钻孔深度计算的基准。在矿区机 房里部署监控中心计算机， 上面安装监控中心软件、 数据库以及作业管理软件， 在办公室楼顶安装参考 站 GPS 接收机天线。 图 4 系统部署钻机实物图 Fig. 4 Physical map of rotary drill for system deployment 3. 2 结果分析 本实验数据处理过程是在钻机作业软件实时记 录数据的基础上分析， 提取实际钻孔数据， 并与设计 钻孔参数进行对比的方式进行的， 经过现场记录数 47爆 破 2019 年 6 月 万方数据 据分析， 我们选取了其中 21 个完整的孔位数据进行 处理。 3. 2. 1 平面定位精度分析 首先把系统解算得到的炮孔点坐标和设计坐标 作对比， 如图 5 所示。可以看出 绝大部分炮孔点对 应的系统解算坐标和设计坐标偏差较小， 但也存在 个别偏大情况。这主要是由于实际工作面情况不允 许以及钻机操作人员导航精度控制不足所导致， 因 此单纯的利用系统解算得到的炮孔点坐标和其对应 的设计作比较缺乏科学性。 图 5 设计孔位与实际钻孔位置对比图 Fig. 5 Comparison diagram between design hole position and actual hole location 为有效对该系统的钻孔定位平面精度进行有效 验证，对钻完的 21 个炮孔点利用手持 RTK 进行复 测， 以复测的坐标为参照， 验证系统在炮孔平面定位 方面的精度。表 1 为钻孔平面位置误差统计。从表 中可以看出， 平面误差大于 10 cm 的有 2 个点， 分别 为 2 和 7； 平面误差在 5 10 cm 之间的有 11 个点， 分别为 1、 3、 4、 5、 8、 12、 13、 14、 15、 18 和 20； 误差在 5 cm 以下的有 8 个点， 分别为 6、 9、 10、 11、 16、 17、 19 和 21。 通过计算其误差平均值， 为 5. 9 cm， 符合 项目任务需求。 3. 2. 2 高程定位精度分析 保证爆破后下一个工作面的尽量在同一个水平 面上， 可以减少后期推土机推平工作面的工作量， 从 而有效提高整体的炮孔设计钻孔装药铲装的 工作效率。为此， 系统需要根据每个炮孔点的实际 高程来个性化决定其钻孔深度， 以达到最终钻孔的 孔底高程在同一个平面上。为验证系统算法测量炮 孔的高程精度， 从数据库提取相应数据进行分析。 高程精度分析表如表 2 所示。从表中可以看出， 高 程误差大于10 cm 的有2 个点， 分别为6 和12； 高程 误差在 5 10 cm 之间的有 10 个点， 分别为 2、 3、 4、 7、 8、 9、 13、 16、 17 和 19； 误差在 5cm 以下的有 9 个 点， 分别为 1、 5、 10、 11、 14、 15、 18、 20 和 21。通过计 算其误差平均值， 为 6. 1 cm， 符合项目任务需求。 表 1 钻孔平面位置误差统计 （单位 m） Table 1 Error statistics of drilling plane position（unit m） 点号系统解算坐标 N系统解算坐标 E实测坐标 N实测坐标 E平面误差 13800940. 54037403966. 6503800940. 57237403966. 8510. 054 23800944. 82337403960. 5503800944. 54637403960. 5200. 129 33800947. 60637403953. 4203800947. 63637403953. 6300. 062 43800951. 61537403946. 1703800951. 39937403946. 1170. 072 53800955. 77537403939. 2903800954. 99637403939. 2290. 079 63800965. 61537403934. 7803800965. 47137403934. 6480. 045 73800963. 20937403939. 7203800963. 07437403939. 9370. 106 83800959. 57937403946. 7803800959. 53337403946. 5730. 062 93800955. 27137403953. 2703800955. 17437403953. 1720. 012 103800951. 25137403960. 3603800951. 14737403960. 2030. 038 113800947. 73837403967. 4603800947. 59337403967. 4170. 001 123800951. 50837403975. 1303800951. 55137403975. 3420. 066 133800962. 28537403954. 2803800962. 24737403954. 5100. 083 143800966. 85637403945. 5903800966. 81337403945. 3650. 079 153800968. 35937403941. 4703800968. 12037403941. 4210. 094 163800955. 15737403983. 3703800955. 05937403983. 2950. 027 173800959. 12937403991. 1403800958. 98337403991. 0470. 023 183800963. 43737403999. 1103800963. 44437403999. 3430. 083 193800971. 01137404000. 1503800970. 82437404000. 2030. 044 203800975. 48737403992. 6203800975. 64337403992. 7550. 056 213800979. 39137404000. 7203800979. 221374 04000. 6940. 022 57第 36 卷 第 2 期 张 祥， 吴 浩， 张建华， 等 GPS 与激光测距集成的露天矿牙轮钻穿孔系统研究 万方数据 表 2 钻孔高程位置误差统计 （单位 m） Table 2 Error statistics of drilling height position （unit m） 点号系统解算高程实测高程高程误差理论孔深 11121. 0151121. 0360. 02113. 515 21121. 1341121. 1990. 06513. 634 31121. 0701121. 0050. 06513. 570 41120. 7391120. 6540. 08513. 239 51120. 5051120. 5040. 00113. 005 61120. 5121120. 6220. 11013. 012 71120. 7931120. 6940. 09913. 293 81121. 0891120. 9940. 09513. 589 91121. 1521121. 0670. 08513. 652 101121. 3571121. 3880. 03113. 857 111121. 4391121. 4730. 03413. 939 121121. 4481121. 3260. 12213. 948 131121. 5401121. 4540. 08614. 040 141121. 2531121. 2070. 04613. 753 151120. 9121120. 9390. 02713. 412 161121. 3181121. 4000. 08213. 818 171121. 1691121. 2330. 06413. 669 181121. 2621121. 3080. 04613. 762 191121. 5271121. 5980. 07114. 027 201121. 9581121. 9430. 01514. 458 211121. 7321121. 6970. 03514. 232 3. 2. 3 钻孔深度精度分析 在发布作业任务时， 给定统一的孔底高程， 系统 会根据每个钻孔点地表高程来个性化决定其钻孔深 度， 实际钻孔深度一般为 13 14. 5 m 左右。为有效 验证系统钻孔深度的精度， 以首次测得炮孔高程作 为其对应的地面高程减去统一的孔底高程， 即得到 理想的钻孔深度。把该理论计算值作为参考值， 则 可以验证系统实际钻孔深度的精度， 具体钻孔深度 精度分析表如表 3 所示 （本次设计孔底高程为 1107. 5 m） 。从表中可以看出， 钻孔深度误差大于 10 cm 的有 0 个点； 平面误差在 5 10 cm 之间的有 11 个点， 分别为 1、 3、 5、 7、 9、 10、 12、 16、 18、 19 和 20； 误差在5 cm 以下的有10 个点， 分别为2、 4、 6、 8、 11、 13、 14、 15、 17 和 21。通过计算其误差平均值， 为 4. 9 cm， 符合项目任务需求。 4 结语 为更好的保证牙轮钻机的穿孔工作， 研究一种 基于 GPS 和激光测距集成的牙轮钻数字化精确导 航及穿孔定位控制系统。通过实验证明了本系统的 实际功能和性能基本满足设计要求， 可以很好地按 照既定方案指导牙轮钻机现场作业， 提高作业效率 和精度。具体表现在 表 3 钻孔深度误差统计 （单位 m） Table 3 Error statistics of drilling depth position（unit m） 点号地表高程理论孔深开始激光测距值结束激光测距值实际孔深孔深误差 11121. 01513. 5154. 46717. 90713. 4400. 075 21121. 13413. 6344. 44018. 10413. 6640. 030 31121. 07013. 5704. 50918. 01613. 5070. 063 41120. 73913. 2394. 44617. 67213. 2260. 013 51120. 50513. 0054. 09117. 18813. 0970. 092 61120. 51213. 0124. 39717. 43313. 0360. 024 71120. 79313. 2934. 43717. 65313. 2160. 077 81121. 08913. 5894. 42317. 97613. 5530. 036 91121. 15213. 6524. 48818. 06013. 5720. 080 101121. 35713. 8574. 45418. 22613. 7720. 085 111121. 43913. 9394. 38018. 31513. 9350. 004 121121. 44813. 9484. 35318. 23513. 8820. 066 131121. 54014. 0404. 39418. 39714. 0030. 037 141121. 25313. 7534. 16517. 92813. 7630. 010 151120. 91213. 4124. 49817. 88313. 3850. 027 161121. 31813. 8184. 47918. 24213. 7630. 055 171121. 16913. 6694. 29817. 95613. 6580. 011 181121. 26213. 7624. 34818. 01213. 6640. 098 191121. 52714. 0274. 30018. 38114. 0810. 054 201121. 95814. 4584. 41618. 82414. 4080. 050 211121. 73214. 2324. 35918. 54914. 1900. 042 67爆 破 2019 年 6 月 万方数据 （1） 该系统能够很好的实现牙轮钻机数字化导 航的软硬件耦合、 孔深施工控制系统软硬件耦合和 信息传输方式及硬件耦合。 （2） 基于该系统研发了中心监控软件和移动监 控软件， 两者相互结合， 可以有效提高了牙轮钻机穿 孔作业的效率。 （3） 该系统可以很好实现对平面定位和高程定 位的精度控制， 平均精度分别为5.9 cm 和6.1 cm； 激 光测距仪可以很好实现对钻孔深度的精度控制， 平均 精度达到4.9 cm。能够满足实际项目任务需求。 参考文献 （References） ［1］ 沈立晋， 刘 颖， 汪旭光. 国内外露天矿山台阶爆破技 术 ［J］ . 工程爆破， 2004 （2） 54-58. ［1］ SHEN Li-jin， LIU Ying， WANG Xu-guang. 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