我国地下矿山凿岩装备应用现状与凿岩智能化发展方向

吴昊骏 纪洪广 龚 敏 刘翔宇

（北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083）

近年来，随着安全要求与环保意识的提升［1］，部分矿山企业已逐步引入凿岩台车等大型自动化设备［2］，以取代人工粗放的作业模式。同时行业层面，也在寻求将自动采矿模式进一步发展为智能采矿模式［3］。对于需要采用钻爆法施工实现掘进目的的矿山而言，采用数字化、智能化的凿岩台车［4］更能达到精度高、效率高、安全经济的目的。

凿岩台车是主要用于井巷、隧道钻爆掘进时钻凿炮孔和锚杆孔的大型掘进设备。根据掘进断面尺寸及岩石性质的不同，配备数量及尺寸不等的钻臂，钻臂负责支承、推进、移动对应等级的凿岩机。按照自动化水平的不同，可粗略分为普通的凿岩台车（液压手动控制）和凿岩机器人（电脑控制）两类。一般而言，凿岩台车主要由液压系统驱动机构运动。普通凿岩台车通过人工控制阀组的方式实现钻臂的运动和凿岩机的正常工作；而凿岩机器人可以通过人机交互平台向控制系统发送指令的方式实现炮孔自动定位和自动钻进，人工干预程度较少，这是今后凿岩爆破的发展方向。

国外企业从20世纪60年代末开始，已研发、生产、销售了多代凿岩台车［5］，基本占据国内市场的主要份额，国际大型企业主要有Atlas Copco、Sandvik等。国内由于研发试验时间短，且国外公司对设计、控制技术严格保密，导致我国研发的凿岩台车在推广应用层面远远落后于国外。工程建设单位也往往倾向于应用进口产品，但无法获得其高端功能的使用授权。从公开报道来看，国外学者在进行科学研究时［6-9］，普遍采用自动化水平较高的凿岩台车，或直接对凿岩台车在施工中暴露出的问题提出改进或升级建议。国内鲜有这样的报道，主要是因为国产凿岩台车尚未成为主要的掘进装备，更深层的问题有待发掘。

本研究总结了凿岩台车在国内金属矿山、煤矿中的应用现状，定量化评价了凿岩台车在钻孔精确度、钻孔效率、人员安全性、环保指标等方面的技术优势；根据应用中体现出的优缺点归纳得出巷道掘进工程中采用凿岩台车时需要注意的几个关键性问题；结合目前国产凿岩台车自动化技术的发展水平提出了相应建议，就定位精度及补偿、电液控制、孔序规划、钻孔参数自动匹配及卡钎处理，以及无线通信等技术要点进行了具体阐述；最后分析了进一步研发、推广国产凿岩台车面临的不足与挑战，总结并展望了国产凿岩台车的发展路线。

1 凿岩台车应用现状

巷道掘进是矿山建设的重要组成部分，本研究分别对凿岩台车在金属矿山和煤矿巷道掘进工程中的应用现状进行分析。

1.1 凿岩台车在金属矿的应用现状及存在问题

金属矿主要包括露天开采和地下开采两种［10］。近20年来，随着高强度开采的持续，已有大量的大中型露天矿转入地下开采［11］。金属矿地下开采一般有4个步骤，即开拓、采准、切割以及回采。虽然学者们更关注采矿方法［12］及能够施作扇形孔的潜孔钻机［13-14］等大型机械，但随着越来越多新地下矿的开发，为了满足未来矿山智能化、无人化［15-16］的发展要求，开拓巷道掘进技术及掘进装备的研究应得到更多的重视。

通过查阅相关文献，汇总了各类金属矿山在21世纪前20年在开拓巷道掘进实践中使用的凿岩设备及相应的爆破工艺信息，结果如表1所示。

注：带“*”数值表示该钻孔深度超出了常规2.0 m左右的钻孔深度，疑似现场采用了灵活多变的钻孔技术。

由表1可知：有7个案例使用了凿岩台车，型号以Boomer 281居多（4例）；其余20个案例使用的凿岩设备为气动凿岩机，型号主要为YT28和7655。因此，使用凿岩台车的案例占到总案例的26%。总体上，金属矿山凿岩台车应用案例较少。

所调查案例中，使用凿岩台车的金属矿山信息汇总如表2所示。由表2可知：由于使用凿岩台车或气动凿岩机主要取决于企业综合实力、生产规模、经济效益等因素，总体来说，东部地区凿岩台车机械化、自动化程度高于中西部地区。

由于各矿山使用的凿岩设备可能不止一种，对案例中各设备出现的频次进行了统计，结果如图1所示。通过简单计算可以得出：凿岩台车占所有凿岩设备的25.8%，与其案例占比非常接近，所有类型凿岩台车中，由Atlas售出的至少占总份额的3/4。而在气动凿岩机中，YT28占到56.5%，其余各类型气动凿岩机如7655等，占比不到1/2。

在表1内所有27个案例中，有23个案例提供了岩石坚固性系数数据。有数据的案例中，自上而下第5、6、17、20、21号为使用凿岩台车钻孔案例。图2（a）为案例中岩石坚固性系数分布情况，根据各系数区间的出现次数绘制了直方图，如图2（b）所示。

由图2（b）可知：金属矿巷道岩石坚固性系数分布在10～15范围的较多。有案例证明，在该坚固性系数区间内，凿岩台车仍然有较好的适应性，证明坚固性系数差异不是阻碍使用凿岩台车替换气动凿岩机的主要因素。

2002—2020年我国矿山企业应用凿岩设备的情况如图3所示。由图3可知：20年内气动凿岩机和凿岩台车一直处于共存的状态，并无相互取代的明显趋势，但不论使用哪种掘进设备，单循环进尺均处于上升趋势。总体上，使用凿岩台车时的进尺要整体高于使用气动凿岩机，这是因为凿岩台车装备的钎杆较长，例如Atlas Boomer 281经常配备3.7 m长的钎杆，而Atlas Boomer 282可以装备5 m长钎杆，钻孔深度普遍为3.2～3.7 m。相比于YT28等气动凿岩机使用的2.2 m或3 m长钎杆，炮孔深度一般不超过2.5 m。总体上，凿岩台车的优势显著。

对比断面形状和断面尺寸数据，所钻巷道断面主要是直墙拱形，偶有矩形或异形巷道。但从断面尺寸上看，凿岩台车所在巷道往往较宽，一般在4.8 m及以上；而使用气动凿岩机的巷道宽度往往为3～4 m，也有大量宽度小于2 m的案例存在。可以看出，在选购凿岩台车时，应考虑其外形尺寸和作业范围与开挖断面的匹配程度，以充分发挥机械的作用［44］。由于金属矿山存在大量断面尺寸较小的巷道，掘进时没有体型较小的凿岩台车可选，则势必将在很长一段时间内继续使用人工手持器械进行钻孔作业。有条件的矿山，例如巷道断面尺寸大于4 m×4 m时，可考虑使用凿岩台车。

嵩县山金矿业为提高井下生产效率和机械化作业水平，拟推广使用凿岩台车［45］，并就凿岩台车和气动凿岩机的应用效果进行了对比。施工效率方面，凿岩台车钻2.6 m深炮孔用时1.5 min，气动凿岩机钻2.2 m深炮孔用时8 min，可以计算出，凿岩台车的钻进速率已经达到了气动凿岩机的6.3倍，凿岩台车单个作业面的凿岩耗时为气动凿岩机的1/4。对比二者的经济效益，从采矿量方面计算，每年节约46万元，从电费、物资设备损耗方面计算，每年节约32万元。可见，在同一矿山同一岩性条件下，仅更换凿岩装备，便可取得较好的作业效率和经济效益。

本研究以文献［41］为具体案例进一步分析金属矿山巷道使用凿岩台车发挥的技术优势及可能存在的问题。

安徽吴集铁矿在硬岩巷道掘进过程中，由于岩石具有高硬度和高阻抗特性，普氏系数达到12～18，导致钻爆效率低下。在钻孔速度、炸药消耗、钻孔工作量、围岩成型质量等方面效果均不佳。引入的掘进设备Atlas Boomer 281尺寸达到10.7 m×3.1 m×2.8 m，钻杆总长为3.7 m，在3.8 m宽的巷道内，体型相对庞大。与其他案例类似，选择了直眼空孔掏槽方案，炮孔深度设计为2.8 m，而现场统计单炮孔纯凿岩时间为2～3 min。

为了保证钻孔质量，现场采用了人工事先标记炮孔位置的方法。从侧面证明了即使在金属矿山，要实现掘进自动化的目标尚需时间的投入和技术的积累。作者在文中还指出，在提升施工效率、降低劳动强度以及改善作业环境、作业安全性的同时，火工品、配件、钎杆和油管等物品的消耗也很大。因此，要在巷道掘进中普及凿岩台车，甚至具有自动化功能的凿岩台车，不仅需要国内科研人员在自动化技术、计算机算法研发上实现重大突破，还需要同步提升爆破技术、国产配件质量、操作及维修人员技能，以及管理者水平。金属矿山要进一步提升机械化、自动化作业水平，还需要各方面共同努力。

1.2 凿岩台车在煤矿的应用现状及问题

与金属矿山不同，煤矿往往存在瓦斯、粉尘、噪声、有害气体等突出问题，因此在防水防爆等设备使用方面设置了极高的安全标准。对于凿岩台车这种大型矿用设备，需要具备整体防爆水平并取得煤矿安全标志的认证。这就使得很多处于高精尖、前沿地位的优势仪器、装备及技术手段还无法应用到凿岩台车上。因此煤矿进行机械化作业时仅能选用通过认证的凿岩台车，同时保留一定比例的手持气动凿岩机，必要时还需要采用人工加机械的协同作业方式。常见的气动装备型号有YT7655、YT24、YT26、YT28等。煤矿常见的凿岩台车型号有CMJ17［46-50］、CMJ17A［51］、CMJ17HT［52-54］、CMJ2-15［55］、CMJ2-17［56］（图 4）、CMJ2-18［57］、CMJ2-27［58-60］、CMJ2-30［61］等。部分型号凿岩台车的相关技术参数如表3所示。

注：b，h分别表示台车工作范围的宽度和高度；u，v，w分别表示台车外形尺寸的长，宽，高。

一般来说，凿岩台车能够适应岩巷内各种硬度的岩石。通过对大量公开的应用案例进行统计得知，岩巷内岩石硬度在3～10范围内时，凿岩台车均能正常工作，在极硬岩巷（f=12～15）内也有应用成功案例［62］。这是在煤矿岩巷内全面采用机械化钻孔取代人工钻孔的重要条件。同时，配合“钻爆支排”的一整套机械化作业线［56］，能够实现整个工艺流程提速。

普通凿岩台车的钻孔效率由凿岩机自身的机械构造和工人的熟练程度决定。不少学者和工程技术人员在煤矿岩巷内进行了大量的观测与现场试验后发现，使用普通凿岩台车钻孔的工作效率为同等条件下使用气动凿岩机钻孔的 2～4倍［49，54，56，61-62］。

在单循环进尺方面，当使用普通凿岩台车时，由于钻杆足够长，钻进速度快，且易于控制，在一个完整的工作周期内，有足够的时间钻凿较深的炮孔，所钻炮眼的爆后实际进尺往往能够达到1.7～2.8 m；而采用气动凿岩机钻孔时，爆后进尺往往为1.5～2 m，很少超过2.1 m。有学者研究表明［52］：炮眼深度每增加1 m，钻眼速度就会下降4%～10%，且随着钻眼深度的增大，钻眼速度下降得更快。有时，受工作总时长限制，为了完整地完成一到两个爆破循环，工人会主动选择钻2 m以下炮孔，而单循环爆破进尺往往不足1.5 m。在月进尺方面，分析已有案例可知，配合合理的爆破手段，能够提高 50%～70%［46，50，54，56-57，59-60］。在人员安排上，凿岩台车能够大幅降低工人的劳动强度，因此一个班组配备的人员都有相应的减少［51，56-57］。

在施工人员的作业安全方面，传统气动凿岩机施工时，作业人员需要贴近掌子面，落石、散落器材、粉尘、噪声、废气等都对作业人员的身心健康造成不同程度的伤害；改用凿岩台车后，操作员位于钻臂后方的作业平台上，距离掌子面通常为5～8 m不等［56，61］，视野更开阔，能够随时观察来自断面和顶部围岩的风险，相对更安全［57］。同时，由于操作空间后移，在100 dB以上噪声区域及4 mg/m3以上粉尘区域等恶劣环境下作业的人员能减少60%［63］。

此外，使用凿岩台车，除了具有打眼速度快、安全，能够改善环境条件的优点外，还具备钻孔质量更好［56，61］、工人劳动强度低［49，57，61］的优势。由于我国煤矿岩巷掘进大部分以钻爆法为主［64］，考虑到上述因素，应推广使用全液压钻车。

马力等［57］为提高祁东煤矿下山岩巷掘进效率，引入了CMJ2-18双臂凿岩台车，并对比了凿岩台车和7655气动凿岩机的应用效果。结果显示：7655气动凿岩机钻2 m深炮孔需用时7～10 min，而CMJ2-18凿岩台车钻3.2 m深炮孔仅需1.5～2.5 m，使用7655气动凿岩机时的施工人数和设备后撤时间分别是6～8人，20～30 min，而使用CMJ2-18凿岩台车仅为2人，5～10 min。月进尺方面，能从40～50 m提升至91 m。上述数据都证明了凿岩台车具有明显优势。

煤矿岩巷应用凿岩台车时需要注意以下两个问题：

（1）煤矿岩巷断面尺寸对凿岩台车工作状态的影响。煤矿岩巷断面尺寸相对隧道而言较小，断面净宽一般为4.8 m或5 m，断面净高从3.4 m到4.5 m不等。也有其他尺寸的巷道，但较为少见。在相对狭窄的空间内，采用何种形式的掏槽爆破方法，与凿岩台车能否成功完成预定的爆破方案关系极大。由于煤矿选购凿岩台车的主要目的是提高单次循环进尺，为此往往要求炮孔深度能够达到2～2.5 m。采用楔形爆破方案时，在掏槽角度相同的前提下，炮孔孔口距必然比采用2 m以下钻孔深度时大。由于凿岩机和钎杆安装在推进器上，而推进器的总长度往往能够达到3.5～4.5 m，炮孔孔口距过宽时，留给推进器运动的空间则更加狭窄甚至不足。严重时，推进器无法运动到指点位置开钻，或在运动过程中，凿岩机与侧边岩石发生剐蹭、碰撞，造成重大经济损失（图5）。因此，在设计楔形掏槽爆破方案时，应当针对凿岩台车的推进器长度，审慎选择合理的掏槽角度。掏槽角度受到限制时，必然也会影响到炮眼深度［62］。此时可选择复式楔形掏槽方案等其他办法。若采用直眼爆破方案［50，53，55，59，63］，则无需考虑掏槽角度的影响。但值得注意的是，直眼爆破需要的炮孔数多，钻孔工作量相应增加。部分学者对直眼掏槽进行了大量有意义的改进与尝试值得参考。有学者还专门研制了能钻凿大直径（100～110 mm）中心孔的钻车［55］。

（2）作业人员的技术水平提升与设备维护。有学者对钻孔作业人员的情况进行了调查［57］，发现64%的人员为初中及以下学历，同时，30岁以下员工数量不到40岁以上员工数量的10%。由于作业人员的技术水平参差不齐，当凿岩台车在井下作业出现故障时，无法得到及时维护，从而影响了作业效率，进而在一定程度上影响了凿岩台车技术优势的充分发挥。凿岩台车在钻孔时，是通过凿岩机的反复振捣、冲击以实现钎杆的钻进。在该过程中，必然引起凿岩台车整体结构松弛、磨损，部分零部件贯通、漏水［61］、漏油的现象将不可避免地出现。此时，如果设备没有及时得到养护，受损零部件无法得到及时更换，机械性能将不断下降，甚至最终无法使用，造成极大的浪费。同时在日常使用过程中还应注意：相当一部分工程技术人员倾向于采用打眼数量少的楔形掏槽方式，但爆破时抛碴距离远，起爆前应当将凿岩台车开至足够远的位置躲避，避免被飞石砸坏［53］。因此，为了更好地保持凿岩台车良好的作业效果，应加强对现场工程技术人员的培训，加强对设备的熟悉程度，提高安全意识，确保设备尽可能处于安全运行状态，提高井下作业效率。

2 凿岩台车自动化技术发展现状

近年来，有学者总结了国内外凿岩台车自动化的发展历程［65］。20世纪60年代，液压凿岩设备即已在欧洲问世。1972年，挪威公司便开始了计算机控制定位和钻孔的试验。随后各大公司推出的设备已包含操作手柄、显示器、传感器、电液控制阀等方便工作的组件，操作工人只需承担预设和调整爆破设计、监控凿岩过程的任务。经过整个80年代，钻臂的一次定位耗时已从30 s左右缩短至10 s左右，钻孔精度从5 cm提升至1 cm，可以说定位、钻孔的过程均实现了完全的自动化。操作人员在操纵室内通过显示屏上展示的丰富信息，即可掌控全局。

国内凿岩台车和凿岩机的研制工作起步于1972年，但直到1998年，才由中南大学主持进行具有自动化功能的凿岩台车的研制和开发工作，并取得了一系列丰硕成果［66-67］；此后20年，国内学者在该领域不断进取，坚持探索。在人口红利向人才红利转变［68］的今天，企业也表达出改造普通凿岩台车，升级为具有自动化功能的凿岩台车的强烈愿望。同时由于国外进口凿岩台车价格居高不下，配件与维修成本更高，均有利于发展国产凿岩台车。

从目前凿岩台车在我国金属矿山和煤矿巷道掘进中的应用现状可以看出，几乎没有采用自动化、智能化凿岩设备的案例。在这种情况下，宜采取逐级突破、分阶段发展的方式开发满足国内矿山掘进需求的国产凿岩台车，先实现基础功能，再实现更多复杂的功能。具体思路（图6）为：①开发装配精度较高的国产液压凿岩台车，便于纯手动化操作；②结合3D激光扫描技术［69］，在巷道轮廓自扫描的基础上，将爆破方案输入凿岩台车终端，实现掘进爆破炮孔自动定位，实现凿岩台车的半自动化；③由凿岩台车控制终端集中管控，解决自主行走［70］、自动定位、位姿控制等问题，实现凿岩台车多钻臂孔序规划、凿岩机自动钻进、自动换钎等，实现凿岩台车的全自动化；④在自动定位+自动钻进等基础功能可以稳定运行的前提下，结合5G通信等智能化关键技术［71］，实现凿岩台车和凿岩机故障自诊断、远程操作、远程监控等高端功能，可以称之为全智能化阶段。在装备智能化水平达到极高的程度后，加入绿色、安全、高效的矿山物联网技术体系［72-73］。

目前国产凿岩台车的研发正处于从纯手动阶段向半自动化、全自动化阶段跃升的过程。在纯手动阶段，很多工程即使选用凿岩台车进行钻爆开挖作业，仍然需要工人手动操作，仅相当于替换了劳动者手中的生产工具。炮孔的钻进速度及平直度虽有所提升，但就定位的精准度以及钻孔角度的控制而言，仍然需要测绘人员的辅助，不仅工作量大，而且作用效果有限。此外，操作人员在移动钻臂的过程中，选择的钻孔顺序往往不是最优顺序，还要保证多个钻臂以及岩壁之间不会发生碰撞。在遭遇卡钎问题时，往往只能依靠老员工丰富的操作经验，手动调整钻速，甚至反复敲打钻钎加以解决。

需要注意的是：一方面，由于在凿岩台车上应用自动化、智能化技术需要解决很多复杂的问题，需要爆破、矿建、自动化、机械等多个领域众多从业者的共同参与、相互配合、相互协调。缺少其中任何一环，都会造成操作者在使用过程中体验不佳，从而造成具有高度智慧化的产品被现场弃置不用；另一方面，由于国内凿岩台车的自动化等相关技术还有进一步提升的空间，而一款成熟产品的问世，必然需要经历不断的打磨与修正。设计者和使用者都应该具备足够的耐心，通过大量的投入和足够多的试验反复进行革新与验证。

2.1 控制系统

上述纯手动化阶段存在的问题通过计算机算法的设计与运行，都能由控制系统［74-75］代替人工进行决策、预判和处理，可降低工人操作的任务量和失误概率。控制系统是凿岩台车整机的核心，其主要作用是接收传感器实时采集的信息和来自于计算机的指令，将汇总后的数据进行处理，之后安排各阀组定量执行动作以达到最终目的。

目前，由铁建重工研发的ZYS系列全电脑控制的凿岩台车已进入推广应用阶段［76-77］，能够完成自动定位、自动钻孔、超前地质分析、爆后轮廓重建等工作，其中控制系统发挥了重要作用。虽然用于隧道的凿岩台车与矿山掘进用的凿岩台车在使用条件（如断面面积）和工作环境等方面存在诸多不同之处，但其成功经验值得借鉴。

2.2 定位精度及补偿

要实现凿岩台车的自动定位，需要首先建立凿岩台车的运动学模型，研究运动学问题。按照求解目标的不同，可以将运动学问题分为正向运动学问题和逆向运动学问题。求解运动学问题以及运动学建模的常见方法有D-H法、旋量法和四元数法等。

凿岩台车的自动定位可以分为车体定位和钻孔定位两类，如图7所示。车体定位是指凿岩台车在开始工作前先确定车体坐标与隧道断面坐标的关系［78］，具体为通过计算得到车体坐标与断面坐标的变换矩阵［79］，主要依赖正向运动学。停稳后，其钻臂的工作空间［80］应能覆盖所有目标炮孔，避免为单独某个或某几个无法达到的炮孔再次移动凿岩台车，进而重新进行车体定位而浪费时间。钻孔定位是指针对炮孔的目标位姿，依靠机器人逆向运动学逆向求解其各个关节的运动量［81-83］，各关节按指定运动量运动到预定钻孔位置，同时钻钎在空间中的姿态角度也需符合预定要求。

钻孔定位效果主要是通过考察其定位精度和重复定位精度进行衡量，其中重复定位精度往往能够满足现场实用性要求，而对定位精度往往还需要进行补偿［84-86］，补偿后平均精度在5 cm以下，能够达到施工要求。影响定位精度的主要误差源有结构参数、关节间隙［87］、挠度、传感器［88］等。

值得注意的是：车体定位相当于以钻凿断面上一个直眼孔作为示范来指导全断面所有炮孔的钻孔定位任务。因此车体定位的结果将直接决定钻孔定位的精度。车体定位过程中发生的偏差，将造成后续所有钻孔定位的整体偏差。导致钻孔定位偏差的误差源对于车体定位而言同样存在，且发挥作用的机制是完全相同的。因此在对钻孔定位偏差进行补偿的过程中，如果不考虑车体定位的影响，则在现场实际应用过程中，也难以发挥补偿方案的最佳效果。

同时对于一个炮孔而言，仅仅关注孔口定位精度和钎杆轴线的角度精度是不够的。在钎杆和钻头没有配备任何传感器的前提下，只能按照钻杆沿直线深入岩石推算出钻头最终达到的位置。但实际钻孔过程中，钎杆会发生弯曲，造成钎杆弯曲的主要因素有岩石地质条件、钻钎特性、钻头特性等［89］。再加上在半自动模式（计算机只负责控制自动定位，不负责自动钻进）下，每个炮孔的钻进深度由操作人员凭个人经验进行把握，最终会导致爆后平面的不平整和超欠挖。不平整和超欠挖情况非常严重时，会给下个循环的钻孔作业造成困难。有国外学者利用探针调查了炮孔发生偏差的情况，发现偏差平均值和标准差可以达到（11±3）cm［90］。难以想象采用楔形掏槽爆破和光面爆破时存在这样的钻孔偏差还能取得良好的爆破效果。

2.3 电液控制

自动控制的凿岩台车最终能否精准定位，有赖于钻臂能否精准到达预定位置，而钻臂的精准到达依赖于液压系统的稳定、快速工作［91-92］。运动过程应当平稳，不出现钻臂抖动［93］。以往普通的凿岩台车依靠人工控制阀组［94］，通过控制各个液压油缸的伸缩达到移动钻臂的目的。而在自动控制的凿岩台车上，往往安装的是电磁比例阀，既可以通过手柄实现控制，也可以通过信号传输实现控制。电磁比例阀的优势在于精确度高，在同一时刻可实现对多个液压缸进出油量的调配，以达到快速运动的目的。

2.4 孔序规划

凿岩台车多钻臂共同工作，控制系统需代替人工决定各钻臂如何分配所有炮孔，以及各臂所分得的炮孔按照怎样的顺序依次进行才能最省时间，称为孔序规划。在此过程中还需保证各钻臂不发生碰撞且钻臂与墙体也不发生碰撞［95］，最好所有钻臂能够同时完成各自的任务。在规划过程中，不能简单考虑成路径最短问题，还要考虑关节变量的变化时间。有学者针对双臂凿岩台车提出了基于蚁群算法［96-97］的规划办法，还有学者针对区域划分更加复杂的三臂凿岩台车提出了基于遗传算法［98］的规划办法。

然而上述文献均着眼于开发快速有效的求解算法，并未针对现场实际工作中可能遇到的两个重要问题进行充分讨论，一是钻孔过程会出现岩屑和悬岩坠落情况，二是钻孔过程中会出现随机故障需要临时解决的情况。

针对第一个问题，可以参考人工钻孔时操作人员的习惯，即钻完所有上部炮眼后，再钻底板眼。如果顺序逆转，则会出现坠落的岩屑和悬岩堵塞底板眼孔口的情况，加上钻孔的同时需要冲洗炮孔，整个断面所有炮孔钻凿完毕后，地板上沉积的大量泥水同样可能会淹没孔口，给后续装药作业造成极大不便。因此，在进行孔序规划时，首先应将底板孔排除在外，其次，规划孔序中最终钻凿的炮孔应当离底板孔足够近，最后将底板孔添加到规划孔序的后面。

针对第二个问题，虽然学者们都在极力避免多个钻臂同时出现在交集区域的情况，但实际工作中可能会出现如下现象：当本应先完成该区域作业任务的钻臂因为随机故障或其他原因导致迟迟不能撤出该区域时，其他钻臂可能已经以较快的速度完成了其他区域的工作，准备进入该区域，由此产生多钻臂发生碰撞的风险。尤其是爆破方案设计为直眼掏槽，而掏槽区恰好处于多钻臂工作空间的交集内的时候，上述问题出现的概率很大。为此，首先应在控制系统内设计碰撞检测模块，当检测到碰撞即将发生时，控制钻臂执行避让动作；其次，针对规划中未执行部分重新进行规划，尽量使多个钻臂同时完成任务。

2.5 钻孔参数自动匹配及卡钎处理

凿岩机在冲击回转凿岩过程中，冲击能量、钻头回转压力、钻进速度、推进力大小等因素均会对钻进效率产生影响。以往人工操纵手柄控制凿岩过程时，凿岩效率的维持以及卡钎的处理基本依赖工人的熟练程度。改用自动匹配系统后，根据岩层情况的变化，凿岩参数自动进行相应匹配。有学者通过建模分析［99］指出，为维持同样的钻进速度，岩石等级与冲击压力呈正相关，硬岩高冲击，软岩低冲击，同时推进力必须与冲击压力相匹配。

在钻孔过程中，通过参数变化可以预判卡钎发生，防卡钎系统［100］做出对应响应动作。有学者［101］指出，卡钎主要表现为溶洞式、缓变式和裂隙式3种形式，不同形式的卡钎在回转、推进压力信号变化上存在明显差异。出现卡钎迹象后，轻推、轻打、减慢转速都是有效的防卡措施。对凿岩台车而言，根据实时采集到的回转、推进压力信号变化可自动判别卡钎的发生及所属形式，通过液压系统实施调节，可实现自动处理，并保留手动干预功能［102］。目前常见的防卡钎系统［103］包括：①推进回路设置液控防卡阀；②回转回路设置压力继电器；③推进油路和回转油路关联。

2.6 无线通信

虽然采用自动控制凿岩台车能够大幅减少作业人员数量，减轻工人工作量，但以上技术均是基于有线通信技术。而要实现金属矿山和煤矿的远程化、无人化施工，最终还需要无线通信技术的支持。有学者已经在采矿用的凿岩台车［104-105］上开发了远程控制装置，通过遥控单元实现定位、钻孔的无线控制，能够提高生产效率，保障员工安全，节约线缆成本。

山东黄金集团三山岛金矿早期使用Sandvik公司的DD310型凿岩台车［106］，近期已经实现了基于5G技术［107］的远程遥控操作凿岩台车，遥控系统基于无线通讯、视频传输、自动化控制等最新技术，将操作人员的井下现场作业变革为地表远程作业。操作人员工作热情高涨，作业效率大幅度提高。

以上技术从理论上已经达到了足够的高度，但值得注意的是，国产凿岩台车要最终实现产业化，需要多方面的努力。先进科技在真实的工作环境下能够取得怎样的应用效果，发挥多大的潜力，仅靠模拟与仿真是远远不够的，还需要经过现场足够多的试验检验。毕竟除了在科技水平上要占据优势之外，现场还有适用性、安全性、耐久性、可靠性以及经济性的要求，之后可能还有环保的要求，因此，除了上述几条具体的研究方向之外，还需兼顾设备在现场使用过程中的各项细节问题。

3 研发、推广凿岩台车面临的问题与挑战

从上述现场应用情况来看，不论是金属矿山还是煤矿，凿岩台车都有广泛的应用市场，且能够发挥重要的作用。从国产凿岩台车技术发展情况来看，国内学者已在部分研究方向上追平甚至赶超了国外进口凿岩台车的水平。如能进一步提升其自动化、智能化水平，使之升级为全电脑控制的凿岩台车、凿岩机器人［108-109］，将会获得良好的经济、社会效益。

从目前的报道来看，在直墙式、曲墙式、门洞式以及异形开挖断面均有很好的使用案例。部分凿岩台车不仅能够实现爆破孔的施作，还能实现锚杆施作，一车多能。

产品类型方面，需要针对不同的工作环境选择合适的产品型号。目前，金属矿山多倾向于采用Atlas、Sandvik生产的进口凿岩台车，煤矿由于安全认证的原因只能采用国产自研型号。但即使是进口凿岩台车，仍存在设备限制，使用者往往需要通过技术调整达到预定目的。例如断面过大时，需要移动凿岩台车；断面空间狭窄时，炮孔尤其是斜孔掏槽炮孔受到限制（具体表现为掏槽角度、炮眼深度受限）。

自动化程度方面，多采用全液压型，偶见电脑控制型。大多仍需人工放线、找眼，利用手动驱动钻孔。部分企业由于设备耗材消耗快，售后服务时间长，成本高等原因，仍在使用气腿式风钻。这是国外技术封锁和国内可选择产品缺失共同导致的结果。企业对于普通凿岩台车的自动化改造，并能够使用成本低、质量好、寿命长的替换元件［110-111］的期望很高。

由此可见，虽然需求迫切，但国内机械化尚未全面普及，自动化正处于起步状态（纯手动阶段向半自动、全自动化阶段跨越），距离数字化、智能化、无人化施工的目标尚有一段距离。有学者［112］全面分析对比了气动和液压凿岩设备的技术经济性，指出凿岩台车未能全面推广的表面原因有人口红利、现场管理、人员观念、国产设备可靠性不足、进口设备价格及维修保养成本高，且零配件更换周期长等。同时指出其根本原因在于现有设备与国内隧道施工实际结合差，国内凿岩台车的研制仍有很多问题需要解决。

本研究从硬件、软件研发和推广应用两个方面阐述目前国产凿岩台车的不足。

3.1 硬件、软件研发不足

硬件研发方面，学者们在开发国产凿岩台车时，在控制器、电磁比例阀、传感器等重要核心部件［113］的选择上往往倾向于使用进口产品，主要原因在于进口产品通常都具备防护等级高、可靠性强、控制精度高、抗干扰能力强的优点。但与此同时，进口产品价格也居高不下。作为核心部件，其价值总额对凿岩台车整机价格的影响非常大。与之对应的是，国产同类型产品在质量把控方面与进口产品存在差距，尽管价格低廉，但难以满足现场使用的需要。

在产品推广初期，采用国内研发技术加进口核心部件的模式仍然能够形成整机价格优势，可以先在国内市场占领一席之地。随着国内核心部件质量标准的提高，有了能够替代进口产品的国产部件之后，可以进一步降低国产凿岩台车的整机价格，再进一步扩大市场份额。

除了核心部件的问题之外，还有机体振动的问题。钻臂的工作内容主要包括运动和凿岩两个部分，在凿岩方面，由于岩石硬度很高，凿岩机需要通过快速冲击达到破岩的目的。在破岩的过程中，凿岩台车车身抖动也非常强烈，长期的振动不仅会造成机体关键部位的松动、磨损，也会造成工作人员身体不适。考虑到采用机械化、自动化设备的目的不仅在于提高生产效率，还有环保、健康、经济等方面的要求，应当针对振动问题，研究在机体适当部位增设避震系统的可行性和具体方法。在钻臂和车身连接处安装避震系统，能够保障工人健康和车体后部重要系统（控制、供水、供气、电气等）的运行安全。在各运动关节和传感器周围安装避震系统，能够确保数据采集系统长时间的稳定工作。

软件研发方面，尽管国产凿岩台车在半自动、全自动阶段需要解决的仅是基础功能，但后台运行程序非常庞大、复杂。依靠小规模团队进行开发已非常不易且后续维护运营将会非常困难。需要开发者从顶层全方位把握整个凿岩台车的控制系统，并进行整体规划。目前国内能够从事这一工作的学者及团队较少，开发难度较大。

在人机交互界面的设计中，由于整个操作界面仅需包括断面显示模块、钻臂运动模块、车体定位模块、孔序规划模块和凿岩控制模块，对于软件研发的要求并不高，整体工作量并不足以聘请专业的软件设计团队。因此从经济角度和对后台程序的熟悉程度这两个方面出发，通常都直接由技术开发团队进行设计，界面有时不够美观，对设备的推广存在一定影响。

3.2 设备推广应用不足

目前，由于大多数矿山使用的掘进设备均处于纯手动阶段，凿岩台车仅被作为施工工具。现场工程师及工人仅对液压及钻孔作业有较深刻的认识，甚至部分人员由于接触凿岩台车的时间较长，已积累了大量的维修、改造方面的经验［114］。但若将普通凿岩台车替换为带有自动化功能的升级版凿岩台车后，工人会表现出明显的不适应，仅有少数工人参与度较高。这主要是因为普通凿岩台车上控制单个钻臂运动的阀组（图8）只有不到10个阀杆，每个阀杆仅对应单个关节动作；控制钻钎钻进的阀杆也不多，基本只有给油、转钎、冲击、推进等，工人全面掌握操作技术的难度不大。换成自动控制的凿岩台车后，就车体定位、孔序规划、自动定位等基本功能而言，需要工人通过键盘、多功能手柄和计算机进行充分的交互。而遇到软件问题或文件拷贝、替换等需求时，操作则更为复杂。因此，自动控制的凿岩台车给工人带来的是工作方式的全面转变，需要经过足够时间培训［115］后方可完全掌握。国产凿岩台车在多大程度上便于企业和一线工人操作使用，反过来也决定了国产凿岩台车的被接受程度。

替换为自动控制的凿岩台车之后，管理内容也需要进行相应的改变。管理内容［116］主要包括：组织体系、施工组织、成本控制、标准化、技能培训、质量控制、安全保障、设备维护等。具体到凿岩台车而言，管理内容有：①原先使用气动凿岩机时，整个断面需要6～8名工人负责钻孔，替换为凿岩台车后，整个断面只需要2～3人。但凿岩台车只负责钻孔，清碴、吹孔、装药、连线等工作还需要人工操作，在这种情况下，如何合理配置班组人员，以及采用“三八制”还是“四六制”［117］，需要深入考虑。②以往采用纯手动钻孔时，施工班组往往会配备经验丰富的维修工人随时检查机械的工作状态，维修工人的水平高低往往能够决定凿岩台车台效的高低，而改用半自动、全自动控制的凿岩台车后，维修工人的工作内容及工作量也将发生变化，如何持续发挥维修工人的作用需要重点关注。③以往工人钻孔时，需要安排专人对钻孔位置及角度进行管控，爆破设计方案方便随时调整。改用凿岩台车之后，需要变更管控内容为当前爆破设计是否满足现场实际需要，在什么情况下采用何种预先设计的方案，以及进行临时调整时需要满足的技术标准，这些都需要形成统一认识。

无论是进口还是国产的凿岩台车，都存在上述工作方式和管理内容转变的问题，通过足够的培训就能够较好解决。但除此之外，推广国产凿岩台车还面临维修和售后的问题。为了保证凿岩台车在很长时间内都能维持较好的工作状态，需要提高整车的装配制造精度，同时保证车载元器件具有较好的密封性和较高的耐久性。如果采用进口元器件，聘请国外工程师进行把关，相比于进口凿岩台车，国产凿岩台车无法形成价格优势，难以吸引工矿企业采购。如果整机采用国产元器件，整条生产线都使用本国工程师和工人，则价格将整体下降，但要求国产元器件质量达到或接近进口元器件的水平。从图9中可以看出，国产凿岩台车的市场发展好坏，与配套元器件市场的反映息息相关。

本研究在四川某矿开展国产凿岩台车工业性试验时已发现，车载皮管、水密封经常因工作强度大而出现因磨损导致漏油、漏水的现象。不仅费时费工，增加成本，而且对于精密元器件较多、电缆密集的凿岩台车而言，也存在一定的安全隐患。

综上所述，为了使国产凿岩台车早日研发并推广成功，进而有力地支撑我国矿山巷道的快速掘进［118］，既要解决好工作方式、管理模式转变的问题，还要同步提高国产元器件的制造水准。

4 总结与展望

以上从凿岩台车在国内矿山巷道掘进中的应用现状、国产凿岩台车在自动化技术方面的发展现状，以及凿岩台车在进一步研发和推广过程中的不足与挑战进行了详细阐述，为了使国产凿岩台车早日取代气动凿岩机及昂贵的进口凿岩台车，需要努力提升国内自动化技术的水平及配套产业，尽快建立支持国产凿岩台车技术研发及推广应用的全方位发展体系。未来国产凿岩台车在自动控制技术、配套爆破技术、配套产业以及企业管理和培训等方面的具体发展路线如图10所示。

国产凿岩台车发展过程中有以下5个关键难题和发展方向值得特别关注：

（1）由于凿岩台车常年服务于地下矿山，需要强化其在恶劣环境下的适用性。学者们需就以下两个问题进行专项研究：①在金属矿山，尤其是磁铁矿、富铁矿，由于存在电磁干扰，如何保障通信线路稳定和数据准确传递，维持智能化功能的稳定运转；②在煤矿，由于瓦斯、粉尘等均对凿岩台车的正常工作存在影响，采用何种安全有效的防水防爆措施能够保障凿岩台车连续作业。

（2）无论国产还是进口智能化凿岩台车，在矿山的应用还不够广泛。为了避免微小细节影响到凿岩台车的推广，应着力解决所有可能出现的问题。这些问题在地面仿真环境下通常难以发现，甚至难以找出出现问题的原因。因此，新的技术和产品研制成功后，应实现在矿山井下的实际应用。在真实环境中，检测排查复杂现场问题。

（3）凿岩台车相比于气动凿岩机的优势能否正常发挥，主要依赖于凿岩台车的精密元器件是否能正常稳定的工作，以及现场作业人员对新型生产工具变革的接纳程度。在正式投产前，需要降低产品的故障率，降低作业期间小配件的损坏概率，提高产品一次大修后持续发挥功效的总时长；同时提高操作的便捷性，尽可能以最简单的操作完成工作任务。

（4）现阶段凿岩台车电脑导向系统的研发已积累了大量的经验，实现钻孔自动定位几乎不存在技术难度。当务之急是实现钻孔过程中凿岩参数和岩石性质的匹配。根据岩性识别结果合理选择最佳凿岩参数，达到快、准、稳钻进的目的。

（5）在研发出灵活稳定、持续高效、适应多工作环境的凿岩台车后，还需借助视觉辅助定位与导航方法指导凿岩台车的自主定位与路径规划；借助目前国内5G技术的优势实现远距离高效可靠的实时通信；借助物联网技术实现机器人化矿山设备的智能调度、协同控制、故障诊断及预知维修等功能。相信随着技术水平的不断进步，在不远的将来能实现全智能化凿岩台车的普及和应用。