北斗钻孔作业监控系统：让传统钻机“聪明”起来

文 | 李峤 航天恒星科技有限公司

北斗系统，国之重器；北斗产业，国之大计。采矿产业，民之生计；凿岩机械，工之利器。

我国既是能源储备大国，亦是能源消耗大国，世界上已探明储量的156种矿产在我国不仅储量丰富，总储量更是稳居世界前三。若要实现矿物的高效开采必离不开凿岩机械的帮助。如何使这些传统的采矿设备更有效、智能地为人们服务一直是困扰我国采矿领域的一大难题。

有鉴于此，航天恒星科技有限公司（以下简称航天恒星）首先提出以北斗为基石，融矿业以共赢的创新理念，与新疆雪峰科技（集团）股份有限公司联合研制出一套应用于采矿领域的北斗高精度钻孔作业监控系统，该系统解决了传统采矿方式的选点费时、寻孔费力问题，真正意义上实现了钻机钻孔深度和钻孔速度采集和大数据累计。目前，该系统已建成并在新疆托克逊圣雄黑山煤矿投入使用。此举标志着北斗系统在采矿行业的应用取得了又一突破性进展，也标志着沿袭百年的传统矿业生产管理模式正向着数字化、智能化、现代化迈进。

传统采矿钻孔过程中，现场爆破人员首先在爆破区域的每个爆破点位放置爆破标记物，再由驾驶员驾驶钻机在标记物旁开始钻孔。结束钻孔后，孔深校验员再将末端绑有石子的卷尺下放至孔底以验证钻孔深度是否达到要求。传统方法的弊端十分明显：1）钻孔标志物易受周围各种不确定因素影响发生位移，从而导致预钻孔位置与实际钻孔位置发生偏差；2）由于每台钻机每天可钻400～800个孔，孔深校验员根本无法对每台钻机、每个钻孔进行校验，仅能对极少钻孔开展抽测，因此每个钻孔是否达标仍存在较大不确定性；3）针对每台钻机钻孔位置、深度和速度参数无法有效采集和累计，在不能根据钻孔速度判断各岩层厚度的同时，后续的智能混药更加无从谈起。

针对上述传统方法存在的疑难问题，研制的北斗钻孔作业监控系统是基于北斗卫星导航系统和大数据处理平台的智能化监控系统。系统利用钻孔作业监控终端采集矿区内每台钻机的钻孔位置、钻孔深度和钻孔速度，通过人机交互系统辅助和引导驾驶员将钻机驶向预钻孔位置；当钻机接近预钻孔位置时，人机交互平板APP软件提醒驾驶员减速驾驶；当达到预钻孔位置时，软件提醒驾驶员竖立滑架并开始钻孔。辅助引导功能代替了传统钻孔方法的标记物，有效避免了因现场各种因素导致的钻孔标记物位置变化，使预钻孔位置更加精确。与此同时，利用大数据平台下发钻孔任务并及时查看每台钻机的实时位置、钻孔位置、深度和速度。在作业工程中，平台对不合格钻孔自动高亮显示并触发报警，钻孔校验员通过平台即可对每台钻机，每个钻孔的位置、深度进行校验，既极大减轻了校验员的工作负担，又有效提升了钻孔校验的真实性。最后终端对每台钻机、每个钻孔的数据进行采集和上报，再利用平台进行大数据分析，判断出矿区各岩层硬度，针对不同硬度岩层使用不同配比的乳化炸药，最终实现对乳化炸药的差异化调配，节能增效，减小污染，为企业和社会带来良好的经济效益和社会效益。

市面上商用的北斗终端在采矿领域应用较为困难，技术人员在产品研发时就采取了针对性措施，具体表现为：1）矿山温差大，以新疆矿区为例，托克逊黑山矿区夏冬两季极限温度上下限可达65℃和-40℃，普通工业级电子设备难以适应如此恶劣的使用环境。针对于此，航天恒星技术人员在终端设计初期即开展宽温应用环境的可行性论证，全部采用宽温化设计、选用宽温化器件，并开展了一系列极限高低温贮存/工作环境试验，确保设备在矿区极限温度下仍旧稳定运行；2）力学环境严苛，目前采矿领域应用最为广泛的凿岩机械一般采用高风压回转机，冲击器也全部采用高风压快冲冲击器，下钻冲击力强，机械滑架振颤强烈。针对于此，研发人员在设计机构和工装时全部采用抗振化设计并加装减振装置，再通过对结构和工装进行一系列模拟仿真和极限振动测试，确保设备的稳定运行；3）24小时不间断作业，除放炮作业外，矿山机械一般全天候24小时不间断作业，因此设备在设计初必须充分考虑到长时间不间断使用的特殊工况，即要求设备连续稳定工作时间不得小于720个小时。在设计过程中，航天恒星的研发人员通过对终端不断地进行失效率统计和分析，得出设备连续工作一周的可靠度优于96.44%，确保了产品在其寿命期间完全满足矿区严苛的使用标准。

北斗钻孔作业监控系统的成功应用标志着北斗正在加速其在采矿领域的行业化和规模化应用，由原来的“高大上”转为“接地气”。航天恒星亦将以此为基石，逐步将北斗系统从一行一业拓展到各行各业，为全国人民打造北斗产业新天地，书写北斗应用新篇章。

装备了钻孔作业监控终端的钻机正在执行钻孔任务