智能凿岩台车在谦比希铜矿的应用
矿产资源属于不可再生资源，随着浅部矿产资源的减少，国内外有许多矿山已由露天开采转入地下开采，由浅部开采向深部开采拓展，且开采成本在不断增加，开采难度也在逐渐增大，很多矿山企业开始通过采用新采矿方法和设备来提高生产安全和生产效率，以机械化、自动化、智能化的凿岩台车取代人工凿岩，降低劳动强度、提高生产效率，尽可能排除人工因素的干扰。因此，谦比希铜矿引进了一批ＤＤ４２２ｉ智能凿岩台车，并在现场进行了工程应用。
１ 智能凿岩台车应用现状
２０世纪８０年代以后，世界各大凿岩台车制造公司都开始推出自己的产品。例如：１９８２年日本东洋公司成功研制出了通过计算机控制的四臂凿岩台车样机ＴＨＭＪ－２３５０－ＡＤ；同年挪威一家独立的电子自动化公司——Ｂｅｖｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＡＳ公司问世，该公司专门从事凿岩台车的计算机控制系统开发和设计工作，最初与挪威ＡＭＶ公司一起合作开发计算机控制的凿岩台车；芬兰的Ｔａｍｒｏｃｋ公司于１９８５年生产出三臂钻车Ｄａｔａｍａｔｉｃ；瑞典的Ａｔｌａｓ Ｃｏｐｃｏ公司于１９８７年生产的Ｒｏｂｏｔ Ｂｏｏｍｅｒ型凿岩台车在瑞典的基律纳铁矿投入使用。装备Ｂｅｖｅｒ控制系统的凿岩台车现在已运行在德国、瑞典、英国、挪威、瑞士、韩国、西班牙和奥地利等许多国家的矿山开采中。
国外智能凿岩台车所装配的智能系统分为３种辅助模式：一是全人工操作，台车只辅助计算控制大臂、推进梁平移，通过操作界面显示出来：二是单孔自动化，台车实现定位及钻孔位置显示，人工进行对孔定位操作后一键单孔自动凿岩；三是全断面自动化，台车定位后，凿岩系统实现全自动导航找孔凿岩。
对于凿岩智能控制系统方面的研究工作，国内明显落后于国外。１９９８年在国家高技术研究发展计划（８６３计划）智能机器人主题重大研究项目支持下，原中南工业大学开始了国内凿岩机器人实用化研究，并且在国外技术资料紧缺的情况下，独立自主开展研究工作，２０００年１台ＪＳＺＹ２－９０Ｍ门架式两臂隧道凿岩台车成功问世，成为中国首台隧道凿岩台车样机，标志着中国液压凿岩技术及凿岩台车的自动化控制技术向产业化迈进了一大步。目前，在国家“十五”８６３计划引导项目支持下，中南大学与湖南山河智能机械股份有限公司进一步在凿岩台车本体结构、分布式控制、系统网络功能、提高钻臂定位精度等方面进行产业化研制。
近几年，自动化、机械化、智能化凿岩台车开始逐步在矿山和隧道工程中推广使用。其中，隧道工程引进时间较矿山早，广东省长大公路工程有限公司使用Ｓａｎｄｖｉｋ最先进全电脑凿岩台车ＤＴ１１３０ｉ掘进乐昌至广州高速公路项目樟市至花东段。２０１５年３月，徐工铁路装备公司自主研制的ＴＺ３型凿岩台车在沈阳清远工程中顺利通过鉴定，填补了国内凿岩设备的空白。
２ 工程概况
谦比希铜矿位于非洲赞比亚北部铜带省，原隶属于赞比亚联合铜矿有限公司（ＺＣＣＭ），１９６５年开始露天开采，１９７５年露天开采转为地下开采，至１９８７年停产。１９９８年中国与赞比亚联合组建中色非洲矿业有限公司（ＮＦＣ��），恢复对谦比希铜矿的开发。铜矿资源主要有主矿体、西矿体、下盘矿体及东南矿体，保有矿石储量２９００余万ｔ，平均铜品位２.６９％，铜金属量约７７万ｔ。目前己形成年矿石量２００余万ｔ、铜金属约３万ｔ／ａ的生产规模。
西矿体位于主矿体西部，矿区地层主要由基底地层和加丹加群地层构成，基底地层主要为卢富布组片岩、石英岩、片麻岩、变质花岗岩和姆瓦组石英云母片岩。加丹加群地层包括：下罗安组和上罗安组、穆瓦夏组、孔德龙古组沉积变质岩及辉长岩岩床，加丹加群地层与下伏基底杂岩呈不整合接触。其中，上罗安组中白云质页岩、砂质泥岩和泥岩为主要的含矿层，平均厚度２８.６ｍ，上盘爐石白云岩含水层和矿体含水层是矿区内的主要含水层。目前，年产量达１００万ｔ，矿体倾角３０°左右，矿体走向ＮＷ－ＳＥ，沿走向长１８００ｍ，倾向延伸长９００ｍ，平均厚约为７.５ｍ。设计采用上向进路充填采矿法，主要采用凿岩台车进行回采作业。谦比希铜矿在采用普通凿岩台车回采作业过程中存在以下问题：
１）人工操作水平影响大。实际操作中，存在实际炮孔位置与设计位置偏差较大、炮孔利用率低等问题，凿岩参数调整很大程度取决于操作员的理论水平、操作技能和经验，以及工作态度。不同操作员对应的不同设备使用效果差异大，受人工因素影响大。
２）凿岩精度低。在钻爆掘进中凿岩钻孔精度偏差产生的超挖量远大于爆破产生的超挖量。因此，提高钻孔精度是提高爆破质量的主要措施。操作工需要严格按操作规程和炮孔设计布置的孔位进行施钻，同时要依据设计保证指定的开孔位置、凿岩深度及钻孔的倾斜度等。
３）测量精度低。凿岩爆破效果与测量放样精度关系很大，利用液压凿岩台车需要在作业前期进行测量和放线，谦比希铜矿需要用红漆标识腰线，同时在作业面标定好巷道轮廓线及掏槽孔位置。在实际操作中，测量放线工作量很大，放线时需要人员指挥纠正，在巷道通风及照明不好的情况下很难保证放线精度：同时由于产量压力，部分测量放线尚未完成就开始凿岩爆破，在放线精度不够的情况下，超欠挖情况较多。因此，常需要二次凿岩、装药和爆破，延长了井下作业时间，同时增加了生产成本。
因此，为解决上述问题，谦比希铜矿引进了自动化、智能化的凿岩台车ＤＤ４２２ｉ，并在现场进行了工业应用。
３ 智能凿岩台车ＤＤ４２２ｉ
智能凿岩台车ＤＤ４２２ｉ是ＳＡＮＤＶＩＫ Ｃｏｒｐｍａｎｔ生产的一款高自动化和智能化双臂凿岩台车，该设备可实现自动寻孔、定位和打孔功能，双臂同时进行凿岩作业，极大地节约作业时间，最大炮孔深度可达５.３ｍ，双臂可覆盖的凿岩面积为６０ｍ²。凿岩时ＤＤ４２２ｉ凿岩台车可根据不同岩石条件，自动调整凿岩参数，无需操作人员对任何凿岩参数进行修改：具备自动防卡钎功能，出现卡钎现象时，凿岩台车会自动调整凿岩参数，自动快速解决卡钎问题，因此极大程度排除了人工因素的干扰。ＤＤ４２２ｉ凿岩台车配备先进的Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ台车定位系统、巷道工程管理及ｉＳＵＲＥ智能化设计软件，凿岩时通过设定定位面保证所有炮孔孔底在同一水平面，爆破后掌子面均非常平整，断面成型良好，有效控制凿岩精度，为后续工作提供有利条件。ＤＤ４２２１凿岩台车见图１，其性能参数见表１。
３．１ ｉＳＵＲＥ智能化设计软件
ｉＳＵＲＥ智能化设计软件是一款与ＤＤ４２２ｉ凿岩台车配套使用的炮孔、巷道设计及分析软件，可实现巷道工程管理、凿岩报告生成及凿岩数据分析功能。可用于设计单个或多个巷道的巷道系统，也可用于设计炮孔图，可通过孔口和孔底２个视图设计凿岩炮孔图，且凿岩完成后可生成凿岩数据报告。开始作业前，使用ｉＳＵＲＥ智能化设计软件设计好炮孔图在凿岩台车车载电脑中显示，操作人员只需一键操作，凿岩台车即可按设计进行全自动凿岩作业。凿岩过程中随钻测量系统可实时自动收集凿岩数据，设计人员可利用收集到的数据对岩石特性进行分析，从而优化炮孔设计图。
ｉＳＵＲＥ智能化设计软件最大的特点是与设备结合使用，能够确保凿岩台车按照设计进行作业，从而保证凿岩的精准度，精准地控制超欠挖，充分发挥该凿岩台车的最佳性能。其巷道工程管理和凿岩数据分析模块见图２。
３．２ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ台车定位系统
Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ台车定位系统根据炮孔设计，通过在电脑屏显示钻臂位置来确定设计孔位，可精准确保炮孔的钻凿按设计方向和位置进行，从而实现所有炮孔孔底位置在凿岩完成后均在同一平面中，帮助更精确按设计凿岩钻孔。使用定位系统后，在凿岩台车电脑屏幕中可实时显示钻臂在炮孔设计图中的位置，从而指导操作员进行精准定位。Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ台车定位系统有３种定位方法：①钻头定位法；②激光定位法；③全站仪定位法。其中，激光定位法见图３。
ＤＤ４２２ｉ凿岩台车的高精准度钻孔，既极大程度地排除了人工因素的干扰，又避免了因操作工的长时间注意力集中而引起的误操作，而且尽可能地降低了对操作工个人经验的依赖性，操作人员无需积累太多现场经验和熟悉操作过程，所以极大地缩减了培养操作人员的时间。
４ 工程应用
４．１ 凿岩工艺及流程
为验证ＤＤ４２２ｉ凿岩台车的凿岩效率和凿岩精确性，在谦比希铜矿西矿体中央斜坡道进行了凿岩作业，巷道设计断面尺寸４.５ｍｘ４.５ｍ，设计炮孔６４个，炮孔设计见图４，设计炮孔深４.９ｍ。作业工艺及流程：
１）采用ｉＳＵＲＥ智能化设计软件建立新的巷道项目。
２）ｉＳＵＲＥ智能化设计软件根据岩石条件和爆破参数设计炮孔图。
３）通过井下无线通信系统将设计图传输至ＤＤ４２２ｉ凿岩台车或使用ＵＳＢ闪存盘拷贝至凿岩台车。
４）在己开挖段的巷道顶端安装激光指向仪，采用激光定位方式进行凿岩台车定位。
５）根据车载大臂辅助定位及炮孔设计图实现精确凿岩。
６）根据爆破情况及随钻测呈参数对设计图进行修正。
４．２ 凿岩作业效果
统计井下１２次凿岩循环数据（见表２），因统计凿岩循环较多，本文只选取其中１个循环的爆破后断面效果图。现场凿岩和爆破后断面轮廓分别见图５和图６。１２次循环进尺和纯凿岩时间及钻臂移动时间对比见图７、图８。
从表２、图７及图８可直观得到，１２次循环的总钻凿工程量、总进尺、平均进尺、每循环纯凿岩时间及钻臂移动时间。每循环的作业时间包括纯凿岩时间和钻臂移动时间，由表２可知，平均每循环作业时间为３.５ｈ，平均单孔纯凿岩时间为３ｍｉｎ。
从图６可以看出，爆破后巷道断面较平整，轮廓也较规整。由表２可知：每循环平均进尺为４.６ｍ，设计炮孔深度为５.０ｍ，炮孔利用率接近９４％。从现场效果图也可看出爆破后无残孔。
４．３ 钻爆进度控制
单个循环作业包括凿岩、装药、爆破、通风、出矿、撬毛、支护，根据１２次爆破循环统计平均时间见表３。由表３可知，１次作业循环完成平均需要１０ｈ。
因此，根据ＤＤ４２２ｉ凿岩台车在谦比希铜矿西矿体中央斜坡道中的应用可知：使用该凿岩台车有效缩短了凿岩时间，提高了凿岩效率，炮孔利用率也得到了极大的提高，断面成型良好，作业面平整，炮孔偏斜率得到了很好的控制，为后续作业提供便利条件。而且该设备自动凿岩功能最大程度排除了人工干扰因素，同时根据不同岩石条件自动调整凿岩参数功能保证了凿岩效率和效果，操作员只需要根据凿岩台车自带定位系统将钻臂与设计中的炮孔位置对准即可，可大大缩短操作员的培训周期，从而提高矿山生产效率，节约成本。
５ 智能凿岩台车应用前景
由于矿产属于不可再生资源，随着浅部矿产资源的减少，国内外有许多矿山已由露天开采转入地下开采，由浅部开采向深部开采拓展。深部矿床与浅部矿床相比，存在高应力、高温、高孔隙水的“三高”问题，开采环境和开采技术条件更加复杂多变，大大增加了开采的难度，而随着开采深度的增加，产量虽然在增加，但是品位却在下降。面临复杂多变的开采技术难题以及生产成本增加的压力，促使矿山企业通过提升机械化、自动化、智能化水平解决生产安全、效率以及资源利用率等问题。因此，引进新采矿技术和设备对于矿山企业尤为重要和关键。
采矿业这一基础工业是每个国家经济发展的支柱，而机械化、自动化、智能化是提高矿山生产效率、降低生产成本、增加矿山产量、改善矿山生产条件和安全切实可行的必要手段。在过去的几十年里，几乎每一次采矿方法的改变都是因为采矿设备的更新而促进的，在今后的矿山生产当中，机械化、自动化、智能化技术的发展和应用将会在更大程度上改变采矿方法。
随着设备机械化、自动化、智能化程度的提高，越来越多的国内外矿山开始��用集中化、规模化的采矿方法进行地下矿产资源的开发，以此来提高矿山生产效率，从而降低生产成本。以机械化施工替代人力，以自动化程度高的智能凿岩台车替代传统凿岩台车。ＤＤ４２２ｉ智能凿岩台车的高效作业，极大地加快了生产作业进度，同时较大程度避免了人工因素的干扰。
综上所述，无论是国外还是国内，高机械化、自动化、智能化凿岩台车在矿山地下开采作业中使用已是大势所趋。
６ 结论
１）使用智能凿岩台车ＤＤ４２２ｉ，有效缩短了凿岩时间，提高了凿岩效率，巷道成型良好，作业面平整，有效控制了凿岩精度，炮孔利用率接近９４％，减少超欠挖现象，为后续作业提供便利条件，提高了矿山生产效率，降低了生产成本。
２）ＤＤ４２２ｉ智能凿岩台车最大程度排除了人工干扰因素，同时根据不同岩石条件自动调整凿岩参数功能，保证了凿岩效率和效果，操作员只需根据凿岩台车自带的定位系统将钻臂与设计中的炮孔位置对准即可，可大大缩短操作员的培训周期。
３）因智能凿岩台车高效作业，极大地加快生产作业进度，同时较大程度避免了人工因素的干扰。因此，国内外矿山以机械化施工替代人力，以自动化、智能化程度高的凿岩台车替代传统凿岩己是大势所趋。