支伟

(广西中金岭南矿业有限责任公司，广西 来宾市 545902)

大直径深孔阶段（分段）矿房法作为一种先进的采矿工艺，其具有凿岩效率高、采切工程量小、作业安全性高、岩石破碎效果好等优点，在国内外矿山中应用广泛[1-3]。该方法的主要特点是利用深孔进行多次爆破，完成对矿体的回采[4]。利用该方法回采时，每次爆破前都需要制定完善的爆破设计方案，根据每个炮孔的实际孔深数据，设计炮孔装药量、装药结构、起爆方式、微差起爆时间等内容，炮孔测量的精度及效率是关乎爆破成败的关键[5-7]。

由于单次爆破炮孔数量较多，传统的测量方法速度较慢、精度较差，无法满足爆破设计对炮孔测量的需求。且由于受凿岩设计及施工、爆破设计及施工等多方面的影响，炮孔复杂多变，会产生盲孔、通孔以及水孔3 种情况，并且通孔的孔底处容易呈喇叭口状，现有的炮孔测量装置无法针对不同类型的炮孔进行测量，导致炮孔测量工作无法满足爆破设计的需要，影响爆破效果[8-10]。魏格平[11]研制了一种深孔爆破孔深测量仪，利用支撑架、绕线筒、测绳、线坠实现炮孔孔深的测量。孙刚友等[12]在此基础上进行改进，在线坠的位置加设一条金属薄片或胶皮软管，可用于通孔情况下的炮孔测量，但该方法受炮孔下部喇叭口影响较大，且无法实现炮孔数据的采集。闫永富等[13]研制了一种新型炮孔测量装置，该装置是利用轮盘、测绳、压力感应板、GPS 等装置实现孔深和水深的精准测量，可以对孔位进行精准定位，适用于矿石区、岩石区炮孔精准定位，但仍无法做到炮孔数据的采集，不能进行通孔情况下的炮孔测量，且由于其GPS 定位系统的原因，无法在井下进行大范围应用。

综上，针对人工测量方法存在自动化、智能化水平较低的问题，研制了一种智能化高精度双绳炮孔测量装置，以提高炮孔测量效率和测量精度，减少人为误差[14-17]。

智能化高精度双绳炮孔测量装置主要用于测量大直径深孔阶段矿房法炮孔深度。通过使用该装置进行炮孔测量，可准确判断炮孔类型并测量炮孔深度，能最大程度减少炮孔测量工作量，为矿山排产创造有利条件，并且具有爆破测量精度高、差错率极低的优点，有效保障了大直径深孔的爆破效果。其主要技术参数如下，最大测孔深度为60 m，电机电压为24～36 V，电机转速为180 r/min，压力传感器范围为0～500 N，测管质量为1～2 kg，测绳长度为60 m。

智能化高精度双绳炮孔测量装置主要由动力传动、测具、控制及信息采集、支架4 个部分组成。智能化高精度双绳炮孔测量装置图1 所示。

图1 智能化高精度双绳测孔装置

2.1 动力传动部分

动力传动部分由电机1、电机2 和传动滑轮构成，传动滑轮直径为R。将2 个传动滑轮分别固定在电机1 和电机2 的传动轴上，调整2 个传动滑轮位置尽量靠近电机1、电机2 的传动轴边缘；
通过控制电机1、电机2 的转动，实现测具的上升及下降。

2.2 测具部分

测具部分由2 根测绳和1 根测管构成。测绳1、测绳2 是由30～65 m（长度应比所测量孔中最大孔深长3～5 m）长的高强度的钢纤维绳，具有较高的抗拉强度，能够适应高强度的测孔作业；
测绳1 一端固定在电机1 的传动滑轮上，另一端固定在测管的一侧端头。测绳2 一端固定在电机2 的传动滑轮上，另一端固定在测管的中间。测管是由长为L（应不小于炮孔孔网参数的1/3，确保比爆破漏斗直径大）、质量为m、体积为v的高强度PVC 管或钢管构成。通过测绳1 及测绳2 带动测管运动进行炮孔孔深测量。

2.3 控制及信息采集部分

控制及信息采集部分由压力传感器1、压力传感器2、数据传输线、控制器、数据采集器、电源、电线、开关构成。压力传感器1、压力传感器2 主要用于测量电机1、电机2 所承受的压力。控制器是由PLC 控制系统、模拟量模块、变频器集成的控制系统，通过PLC 控制系统内部的程序，模拟量模块的数据转换及变频器的电流调节，可以实现接收压力传感器1、压力传感器2 传送的信号，并将信号转换成可处理数据。根据得到的数据进行判断，通过调节电流大小及方向控制电机1、电机2 的运行，进行炮孔测量的工作，并将测得的数据及处理结果通过数据传输线发送给数据采集器。

利用电线将电机1、电机2 的正极和负极分别与控制器其中4 个输出端口相连接。电机1、电机2 的正转、反转及转动速度由控制器编程控制调节。将压力传感器1 与压力传感器2 的连接线与控制器输入端口相连接。利用数据传输线将控制器与数据采集器进行连接，控制器所得到的数据由数据传输线传递给数据采集器。利用电线将电源正极与控制器正极相连，将电源负极与开关一端相连，将开关另一端与控制器负极相连。电源通过电线为控制器提供电力供应，并通过控制器间接为电机1、电机2、压力传感器1、压力传感器2 提供电力供应。

2.4 支架

支架是由钢材或其他材料组装成带有凹槽的方形框架。利用固定喉箍、固定螺栓将压力传感器、带有传动滑轮的电机固定在支架的其中一条中轴线上，并使2 个电机的传动轴在不影响转动的前提下尽量靠近；
压力传感器放在电机下方；
凹槽焊接在支架上，用于放置控制及信息采集部分。

打开开关启动智能化高精度双绳炮孔测量装置，PLC 控制器开始每隔0.05～0.1 s 采集一次2 个压力传感器的数据，同时启动两个电机，使其2 个电机正转，固定转速为n，2 条测绳在两个电机和测管重力的共同作用下向下运动；
并记录2 个电机启动后的压力传感器1、压力传感器2 数据分别为a、b，将随后采集到的压力传感器1、压力传感器2 数据分别记为c、d。在测管下降的过程中，可能会遇到通孔、盲孔、水孔3 种情况，PLC 控制器会根据所采集到的压力传感器数据判断所遇到的情况，并据此改变2 个电机的转速，达到测量炮孔信息的目的。

3.1 通孔

通孔为与下方空区或巷道相通的炮孔，在炮孔钻凿过程中产生的通孔通常孔底比较平整，测量较为简单；
在爆破后产生的通孔会在爆破作用下产生喇叭状的爆破漏斗。

当遇到通孔时，由于测管没有纵向约束，测管在空区内横置，测管的质量改为由测绳2 主要承担，d会变大，c会变小；
所以当d-b＞1/2mg且c-a＜0 时，PLC 控制器通过识别压力传感器1、压力传感器2 的数据变化自动判定该孔为通孔，并使电机1、电机2 继续转动，使测具部分继续下降1～1.5 m，让测具部分充分下降至空区内，记录转动时间t1，通过程序停止电机1 转动，调整电机2 反转，转速为1/2n，将随后采集到的压力传感器1、压力传感器2 数据分别记为c1、d1。当测管碰触到孔底时，压力传感器2 会变大，当d1-d＞3N时，记录反转时间t2，则孔深h=（t1-1/2t2）×nπR/60；
测得孔深后，PLC 控制器将该炮孔信息（孔深h，通孔）通过数据传输线导入至数据采集器中。随后调整电机2 正转，转速为n，使测具部分下降2～3 m，由于下降后测绳2 比测绳1 长，测管处于直立状态，调整电机1 反转，转速为n，使测具上升3.5～4 m，使测管进入孔内，调整电机2 反转，转速为n，直至将测具部分提至孔口，完成该次炮孔测量与信息采集。

3.2 盲孔

盲孔未与采空区和底部巷道相通，为堵塞状态。当遇到盲孔时，测管接触孔底，测管的质量改为由孔底承担，c会变小，d不会发生明显变化，此变化会在瞬间完成。所以当c在0.5 s 内变小至一定数值后不再变化、a-c≈m且d-c≯500g时，PLC控制器通过识别压力传感器的数据变化自动判定该孔为盲孔，同时停止电机转动，记录转动时间t3，则炮孔深度h=nπR（t3-0.5）/60+0.5L，测得孔深后，PLC 控制器将该炮孔信息（孔深h，盲孔）通过数据传输线导入至数据采集器中。调整电机反转，转速为n，直至将测具部分提至孔口，完成该次炮孔测量与信息采集。

3.3 水孔

水孔为炮孔为盲孔的情况之后，由于孔隙水渗入导致孔底有水形成水孔，会对炮孔测量造成干扰。当遇到水孔时，测管下放时浸入水中会受到水的浮力，但测管仍会在重力的作用下向孔底运动，此时c会随着测管的下降变小，直至趋于稳定，d不会发生明显变化。所以当c在一段时间内（超过0.5 s）持续变小之后保持稳定、a-c≈9.8v且d-c≯500g时，PLC 控制器通过识别压力传感器、压力传感器的数据变化自动判定该孔为水孔，降低电机的转速至（1/3～1/4）n（测管在水中受阻力后速度会变慢），同时记录转动时间t4。当测管接触孔底，测管的质量改为由孔底承担，c会变小，d不会发生明显变化，此变化会在瞬间完成；
所以当c在0.5 s内变小至一定数值后不再变化、a-c≈m（忽略测绳所受浮力）且d-c≯500g时，PLC 控制器通过识别压力传感器、压力传感器的数据变化自动判定到达孔底，同时停止电机转动，记录转动时间t5，则炮孔深度h=（t4+（1/3～1/4）t5）nπR/ 60+0.5L，水深H=nπRt4/60-0.5L。测得孔深后，PLC 控制器将该炮孔信息（孔深h，水孔，水深H）通过数据传输线导入至数据采集器中。调整电机、电机反转，转速为n，直至将测具部分提至孔口，完成该次炮孔测量与信息采集。

盘龙铅锌矿属于典型的急倾斜厚大矿脉，生产能力3000 t/d，该矿矿房和间柱采用大直径深孔阶段（分段）矿房法进行回采，顶底柱采用上向进路充填采矿法进行回采，为进行智能化高精度双绳炮孔测量装置应用提供了良好的试验条件。经实际考察和综合分析后，选择该矿-320 中段810 采场作为试验采场进行应用研究。

4.1 试验采场简介

810 矿房采场原采用浅孔留矿法开采，后因采场顶板稳定性差，整个采场大面积垮落无法继续上采，经研究决定改用大直径深孔侧向崩矿嗣后充填采矿法进行回采。矿房目前可采矿石地质储量约为16 650 t，铅平均品位为0.79%，锌平均品位为3.35%[18]。

810 矿块采场沿走向布置，原矿房采用浅孔留矿法回采，东、西控制线分别为82205、82242 线；
采场长度为25 m，宽度为矿体厚度，最宽约17 m；
在回采过程中遇到应力集中，顶板发生冒落后停止上采，剩余矿体高度约19 m。采场矿体为西高东低，以2225 线为分界。该采场西侧为808 采场，已完成胶结充填；
东侧为围岩实体；
正上方为围岩实体；
上部西侧最近开采点为708-②采场，水平距离约11 m，中间为间柱实体，708-②采场目前上采高度约22 m 左右，现已暂停采矿作业。采场周围的808-②已充填，708-②采场炮孔已施工完毕，708-②采场附近有空区爆破前后应密切关注该采场的稳定性情况，矿房东侧为围岩实体。

4.2 装置现场应用

810 采场共进行爆破6 次，其中前4 次为拉槽爆破，后面两次为侧向爆破。在进行爆破前，对预爆破炮孔进行智能化炮孔测量与传统炮孔测量的对比，测量过程中每个炮孔测量3 次取平均值，以尽可能减少外界干扰所带来的误差，部分测试结果见表1，利用两种方法绘制出的采空区轮廓线如图2 所示。

从表1 和图2 可以看出：

表1 炮孔测量信息

（1）第一次爆破时由于炮孔未受爆破漏斗影响，炮孔均为平底的通孔，两种方法测量精度基本没有差别；

（2）后面几次爆破通孔由于受爆破影响会产生喇叭状的爆破漏斗，智能测量方法可以测得爆破漏斗底部的高度，相较于传统测量方法测量精度更高；

（3）遇到水孔时，智能方法测量时受水的浮力影响小，精准度更高，而传统方法往往测得数据偏大；

图3 采空区轮廓线对比

（4）测量盲孔时，炮孔深度越小，传统方法与智能方法测量的误差越小；

（5）采用智能测量方法测量时可以测得更为精准的数据，相较于传统方法更能反映真实的炮孔底部轮廓，能够提供设计者精准的基础数据，精准控制炸药量，避免产生过多的大块；

（6）智能测量方法测量速度较传统方法节省40%。

本文在分析现有的大直径深孔测量方法所存在问题的基础上，研制了智能化高精度双绳炮孔测量装置，通过与传统炮孔测量装置与测量方法相比较，本装置优点如下。

（1）可规避传统的测量繁琐的工序，人员只需将装置架设在炮孔上方，打开开关即可依靠装置自主完成炮孔测量与炮孔信息采集，极大减轻了测孔的工作量；

（2）该装置依靠智能化测量装置可以实现炮孔类型的智能化识别、炮孔深度的智能化测量、炮孔信息的智能化录入，极大地提高了测孔速度，测量时间节省40%；
减少人工读数的误差，提高测孔精度，并且测得数据为电子数据，方便设计人员利用该数据进行下一步爆破方案的设计；

（3）该装置通过测绳与测管相结合，能够更好地应对复杂的炮孔情况，无论是盲孔、水孔还是通孔均能精准测量，为爆破设计提供较为准确的数据。

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