路堑光面爆破炮孔精准定向控制技术研究

1、路堑光面爆破的炮孔精准定向控制技术研究杨年华 薛里 孟海利（中国铁道科学研究院 北京 100081）摘要：光面(预裂)爆破效果好坏主要取决于钻孔的平行度，钻孔前方便、快捷、精确地测量和调节钻杆姿态是关键。为此将一种先进的高精度电子罗盘安装在钻架臂上，随时监测钻臂的三维姿态，使钻孔方向处于被监控状态，方便及时调整钻孔方向误差，保证钻孔平行度达到设计要求。此电子罗盘的工作原理是利用重力和地磁导航定向技术，能迅速准确地判读钻孔的方向和倾角，以往主要用于机械人手臂和卫星姿态的测量。与国外开发的GPS测向装置相比不仅成本低，且克服了GPS受卫星信号强弱影响的缺点，测量更加准确快速。通过京沪高速铁路多个边

2、坡钻爆工点的试用，取得优质光面爆破效果，炮孔平行度偏差小于1°。关键词：预裂爆破，电子罗盘，钻孔，定向 1 前言随着精细爆破概念的提出，意味着更加准确的控制爆破技术将在工程实践中得到发展。实际上精细爆破技术12主要依赖以下几方面的技术进步：提高爆破设计计算理论和技术；改进钻孔机具，提高钻孔施工精度；研发新型爆破器材，包括现场机械化装药，数码电子雷管，低能导爆索等，提高爆炸能量控制精度；加强爆破效应检测技术应用，更好优化爆破设计。其中钻爆施工更加精准是当前亟需解决的主要问题，尤其在边坡坡面光面（预裂）爆破（精细爆破之一）工程中更为突出。很多工程采用光面（预裂）爆破以提高保留岩体的稳定性

3、、围岩的完整性、爆破后轮廓整齐。长期的实践表明，光面(预裂)爆破的成败60%取决于钻孔精度和质量，40%取决于其它爆破控制技术。为此国内外研制出多种保证钻孔定向准确的控制方法，国内主要有垂线测量法、比对测量法，国外又在钻机上按装了GPS定位定向系统，可由电脑精确控制钻孔方向。各种不同的钻孔定向方法对控制钻孔质量起到了良好的作用，也推动了光面(预裂)爆破技术的发展。本文介绍一种新型钻孔角度的定向装置，该装置可以不受地理位置影响，其角度检测精确度可以达到0.1度，并且能够方便、快捷、精确地调节钻杆姿态，在钻孔过程中随时对钻孔角度进行监控，可以适用于不同类型的钻机。通过使用该钻孔角度定向装置，可以使

4、光面（预裂）炮孔之间互相平行，确保开挖轮廓整齐、美观；可以使控制爆破的炮孔按照设计角度钻凿，确保爆破控制效果。2 钻孔角度定向装置原理以往发表的光面(预裂)爆破论文中，90以上都在讨论炮孔间距、装药参数和装药结构的设计，对于钻孔质量控制特别是钻孔角度控制的研究较少，实际上光面(预裂)爆破效果好坏更多取决于钻孔的平行度。当前国内绝大多数光面(预裂)爆破钻孔依靠垂线和量角器测量方向和角度3，这种方法效率低，工人的工作态度和经验对角度检测精度影响很大。某些大型矿山引进了高精度GPS定位测量方法4，对钻架的角度和倾斜方向作精确测量，使钻孔平行度有所改善，但高精度GPS测量换算速度慢、测量成本高、易受卫

5、星信号强弱影响，难以推广应用。为此我们引用了一种先进的高精度电子罗盘安装在钻架臂上，此前这种高精度电子罗盘主要安装于机械人手臂和卫星系统上，电脑随时监控测量部位的三维姿态。据此我们可随时监测钻臂的三维姿态，使钻孔方向处于被监控状态，方便及时调整钻机误差。 高精度钻架姿态测量系统由高精度电子罗盘和读数显示盘组成。电子罗盘的工作原理是利用重力和地磁导航定向技术，迅速准确地判读钻孔的方向和倾角，以便随时纠正钻孔方向，确保钻孔精度和质量。 电子罗盘由两个倾斜传感器和三个正交安放的磁阻传感器组成5，并带有模数转换和微处理器。根据重力分量变化倾斜传感器获得载体的姿态角，然后由大地磁场为基准，将三轴磁阻传感

6、器的测量值投影到水平面上，计算得到载体在水平或倾斜状态下的航向角，航向角的北向是磁北，磁北角与极北角有不同纬度有相应的修正系数。电子罗盘内部组成框图和测量示意图如图1。(a)                                    &#

7、160;                            (b) 图1 电子罗盘的组成与测量示意图Figure 1 Composition and measurement of electronic compass diagram 电子罗盘内部的微处理器控制着各个传感器，模数转换器和数据输出。X、Y、Z三个方向的

8、姿态数据，采用RS232串行标准输出。输出数据分两种模式：（1）方向输出；（2）磁场计输出。一般选择方向输出模式，数据的格式为："航向，俯仰，横滚"。航向角是与磁北方向的偏角，在边坡预裂孔钻凿时全部统一为一个方向没有问题。 读数显示盘可以用PDA（中文称"个人数字助理"，有很多其它功能）或专用显示器连接。PDA工作时可以向电子罗盘发送指令，并且 PDA收到电子罗盘发送的数据后，即可对其存储、处理和显示。PDA有标准串行通讯接口（RS232接口）和红外线(IR)传输接口，利用它们可以方便地与其它外部设备通讯、传输数据。PAD上姿态显示界面由3部分组成：（1

9、）航向角的图形显示；（2）俯仰角和横滚角的图形显示，其中横滚角由圆心到斜线的距离表示，由俯仰角斜线的倾角表示；（3）各姿态角的数字显示。姿态显示界面如图2所示。专用显示器主要考虑了其密封防水性、阳光下可视性和读书方便等要求，显示界面就是各姿态角的数字显示，且用汉字和角度表示，它收到电子罗盘发送的数据后，只能显示其角度变化，没有存储和数据处理功能，价格相对便宜。传感器显示器图2a PDA姿态角显示界面 图2b 专用显示器姿态角显示情况Figure 2a PDA attitude angle display interface Figure 2b show that the situation-s

10、pecific attitude angle display将高精度电子罗盘和读数显示盘安装在钻架上组成姿态测量系统，其测量精度为：航向角度测量偏差小于0.2°，俯仰角和横滚角测量偏差小于0.1°，防水防尘性好，阳光下可视性好。3 钻孔角度定向装置应用该钻孔角度定向量测装置在京沪高速铁路边坡预裂爆破钻孔中应用取得了良好效果。2008年在泰安DK453+030DK453+940段第一台阶钻爆，边坡钻孔采用三脚架钻机，见图3-a，并在两侧支腿上安装螺纹调节杆，使钻孔方向能方便、准确地调至设计的参数。2009年该段第二台阶钻爆，边坡钻孔采用电动潜孔钻机钻凿，钻机大臂顶上安装了电子

11、罗盘，见图3-b，操作员可以通过显示器获知钻臂的姿态角，并且能随时调整随时显示钻臂姿态角。操作员通过短时间的训练和适应后，能很方便、准确地将钻孔方向调至设计要求。泰安DK453+030DK453+940段边坡预裂爆破开挖后的效果见图4。2009年在徐州东站边坡段第二台阶钻爆，边坡钻孔采用全自动液压钻机钻凿，钻机顶部安装了电子罗盘，见图5-a，操作人员在驾驶室可以观看显示器获知钻臂的姿态角，钻孔方向调整更加方便、准确。徐州东站边坡预裂爆破开挖后的效果见图5-b。从电子罗盘安装图片可以看出，所有钻机上的罗盘安装位置都在大臂顶部，并用铝制管件（非导磁性材料、有足够刚度）平行连接。其目的是让电子罗盘距

12、钻臂或其它导磁性材料的距离大于0.5m以上，避免电子罗盘航向角测量受其它磁场干扰，造成钻孔方向偏差。 图5-a液压钻机上安装了电子罗盘 电子罗盘 图5-b 安装了电子罗盘液压钻机的爆破效果图4-b安装电子罗盘潜孔钻机的钻爆效果图4-a 安装电子罗盘的三脚架钻机爆破效果电子罗盘图3-b 电动潜孔钻机上安装电子罗盘电子罗盘图3-a三脚架钻机上安装电子罗盘Figure 3-a tripod rig to install electronic compassFigure 3-b-hole electric submersible drilling rig on the installation of

13、an electronic compassFigure 4-a installation of an electronic compass tripod rig blasting effectFigure 4-b installation of an electronic compass-the-hole drilling rig drilling and blasting effectsFigure 5-a hydraulic drilling rig is installed on an electronic compassFigure 5-b installation of an ele

14、ctronic compass blasting effect of hydraulic drilling rig4 钻孔角度定向操作光面（预裂）爆破的成败与否在很大程度上决定于钻孔质量，因此对边坡孔的精度要求应非常严格。在钻孔前要对钻杆精确定位，要求每个孔的开口点误差不超过一倍炮孔直径、方位角和竖倾角误差不超过1°；在钻孔过程中尽量避免钻杆错动、偏移，保证成孔的高平行度。钻机的具体调节工艺如下：(1) 在钻孔之前，首先要将钻孔平台修整平齐，平台宽度要合适，保证钻机能够自由行驶，能够停靠平稳；(2) 移动钻机到预定位置，通过钻机臂上的角度指针调节钻机，使钻杆尽量接近预定姿态的情况下钻

15、头对准开口点。钻机定位时钻杆最好调节到钻机的正侧方或正前方，这样在调节竖倾角或方位角时其中一个时，另一个不会有太大变化，同时也便于到下个孔位的挪移。(3) 根据电子罗盘读数粗调钻杆角度。依次粗调方位角和竖倾角，使两个角度基本达到设计值。此时再复查钻头是否对准开口点，如未对准，则要移动钻机，重复本步骤，直到满足设计要求。(4) 根据电子罗盘读数微调钻杆角度。微调时先调节方位角，达到预定角度后再调节竖倾角到设定角度，两角度误差在±0.5°范围内。(5) 再次复查一遍开口点、方位角和竖倾角是否符合要求。如不符合要求重复上述步骤4直到三者都达到要求值，开始钻进。(6) 钻孔时，首先

16、以冲击的形式将钻头钻进510cm，保证孔位不变，放下钻臂滑架，撑紧稳固钻臂，接着正常进钻。(7) 初始钻进速度要缓慢，防止钻杆发生偏转。在钻进0.5m后，停机复查钻杆角度，如发生小角度偏移，应尽量进行纠偏，然后继续进钻，如角度偏差在允许误差范围内，则可以正常速度进钻。(8) 每次加结钻杆后也要复测钻臂姿态角，如有较大误差需及时调整。根据以上操作步骤很快能找到窍门，钻孔速度和精度有显著提高。5 几点设想 当今电子通信技术发展很快，钻孔机具应充分利用科技进步，使钻孔对准速度和钻孔精度有所改善，同时减少依靠经验的程度。 未来可以将电子罗盘与自动控制系统相结合，对钻机进行改装，电子罗盘测得的姿态角反馈

17、到自动控制系统，钻机象机器人手臂一样自动对准设计的方位，并能在钻孔过程中随时检查纠偏，保证钻孔的高度平行，真正实现精细爆破的设计目标。参考文献1 汪旭光 等 “中国工程爆破新进展”中国工程爆破新技术C冶金工业出版社，2008年p192 谢先启等“精细爆破”中国工程爆破新技术C冶金工业出版社，2008年p10163 罗运诚,陈刚 高边坡预裂孔施工技术, 爆破J, 第24卷,第1期,2007年3月,p36-39 4 高秀丽 控制预裂孔穿孔方向的一种科学方法,内蒙古科技与经济J，第21 期总第175 期，2008 年11 月,p128 5 宋峰 王俊璞 金志华 PDA在电子罗盘姿态显示中的应用 微计

18、算机信息J2005年3月 p1-5。Precise Control of Drilling Angle of Orientation Device Yang Nianhua Xu Li Meng Haili (China Academy of Railway Sciences Beijing 100081)Abstract：Since smooth (pre-split) blasting depends largely on the parallel degree of drilling, it is key of that measuring and regulating drill po

19、sture conveniently, fast and accurately before drilling. An advanced high-precision electronic compass was installed in the drill holder in order to monitor the three-dimensional drill-arm posture with the drilling direction facilitate adjusted by time and to ensure to arrive the design parallel degree requirements. The working principle of the electronic compass is that using of directional gravity and magnetic navigation technology, the direction and angle of drilling can be quickly and accurately read, which wer