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doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2013. 06. 008 RTK 技术在露天矿布孔中的应用研究 磁 王 毅 杨 军 徐振洋 余德运 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室(北京,100081) [摘 要] 针对国内一些露天矿布孔现状及存在的问题,使用 GPS RTK 测量技术,分析精确测量、布孔理论,并在 露天矿爆破设计及施工现场进行实验研究。 结果表明应用 GPS RTK 技术进行精确布孔,较之前的布孔方式,较大 提高了布孔定位精度及工作效率,布孔误差降低了将近 20%,工作效率约提高了 1 倍;使用精确布孔技术,可以有 效降低大块率,爆破大块率由5. 0%降低到2. 6%;使用精确布孔技术,改善了爆破效果,降低了二次破碎费用,节 省了挖运成本,取得了良好的经济效益。 [关键词] 露天矿 爆破 布孔 RTK [分类号] TQ560. 7 TD235. 4 +2 引言 在露天台阶爆破中,现在多用步量、拉尺等方法 进行粗略的参数采集与炮孔标定,也有一些矿山采 用全站仪进行布孔。 这些方法每次都需要反复调整 才能确定孔位,生产效率低下;而且布孔的随意性较 强,误差较大,导致爆破后大块和根底较多,影响块 度的均匀性和采装效率 [1- 4] 。 近几年来,国内出现了将 GPS 技术和钻机相结 合的新型钻孔设备,可以精确地实现布孔定位,但是 由于设备较为昂贵,尚未能推广应用。 本文结合新 疆巴里坤县别斯库都克露天矿台阶爆破的爆破设计 参数及地质地形特点,介绍一种基于 RTK 的布孔技 术 [5] 。 1 RTK 技术理论及应用基础 1. 1 RTK 技术理论 RTK(real time kinematic)又称实时动态差分技 术,是一项以载波相位观测值为基础,通过差分的方 式去除大部分误差的测量技术。 RTK 技术是利用 2 台以上的 GPS 接收机,同时接收其所能观测到的卫 星信号,其中任意选择1 台作为基准站,其余的作为 移动站。 在 RTK 作业模式下基准站和移动站保持 同时观测到 4 颗以上的卫星,基准站通过电台通信 的方式,将其观测值和测站坐标信息传递给移动站; 移动站接收来自基准站的数据,并将其和自己采集 到的数据组成差分观测值进行实时处理,进而给出 厘米级的定位结果 [6- 7] 。 图 1 为 RTK 工作原理图。 图 1 RTK 工作原理图 Fig. 1 Functional diagram of RTK 1. 2 RTK 技术应用基础 与传统测量手段相比,RTK 技术受通视条件等 外界因素的影响和限制较小,作业效率高, 使得定 位、测量等工作变得更加轻松。 RTK 在作业过程 中,不存在误差积累,保证了作业精度。 RTK 作业 自动化、集成化程度高,移动站所配备的手簿的内装 式软件控制系统,可自动实现多种测绘功能,减少了 人为误差。 目前 RTK 测量技术已被广泛接受并应 用于各种测绘生产实践中 [8- 10] 。 2 RTK 的布孔操作 2. 1 校正 RTK 在使用前必须校正。 在作业区内选择地 形比较开阔、无遮挡物的地方架设基准站(在未知 点上架设基准站),然后在已知点上进行校正。 在 手簿中输入移动站的已知坐标,将移动站与已知点 83 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 磁 收稿日期 2013- 07- 10 作者简介 王毅(1985 ~ ),男,硕士研究生,从事爆破工程技术研究。 E- mailw20051019@126. com 通信作者 杨军(1960 ~ ),男,教授,博导,研究方向为爆破理论和爆破技术。 E- mailyangj@bit. edu. cn 对中整平,调整移动站,使气泡处于正中位置,进行 坐标校正。 校正完成以后,使用点测量功能进行定 测比对,误差控制在 3 cm 以内,就完全能够满足布 孔的精度要求。 2. 2 操作步骤 1)在爆区确定后,对手簿进行设置。 将屏幕下 方显示内容调为高程、垂距和里程。 高程 = 该点的 海拔 - 实际杆高,若将杆高设置为“下平台高度 + 实际杆高 -超深”,那么屏幕上的高程即为该点的 孔深。 2)根据自由面和最小抵抗线,在前排选择两个 控制点 A、B,测量这两个点并保存到手簿,作为后面 直线放样的基准点。 3)保持垂距不变,沿点 A、B 确定的直线进行放 样,里程的变化即为两点之间的间距。 已知孔距 a, 当里程变化一个 a 值,即得到一个孔位。 屏幕上显 示的高程,即为该孔的孔深。 4)选取两孔之间的中间点,保持里程不变,改 变垂距,垂距的改变量即为排拒。 确定两点后,按照 步骤3)进行放孔。 5)由于每个孔位显示的高程即为该处的孔深, 故在布孔的同时对孔深进行标注,可以自行标注, 也可以由其他人员配合进行标注,以提高工作效 率。 6)假定炮区孔网参数排距为 5 m,孔距为 6 m, 在手簿的屏幕上,高程显示的是对应孔位的孔深,保 持垂距不变,里程的改变量即为布孔时的孔距。 沿 着所设定的直线放样,使里程的改变量为 6 m,即确 定了其中的一个孔位。 改变垂距,使其改变量为 5 m,则可以依次确定后排的孔位。 7) 布孔后,由于坡面凸凹不齐,坡面角陡缓各 不相同,须对前排进行适当的调整,但不能变化太 大,应该逐步调整,控制抵抗线在合理的范围之内, 以提高爆破质量。 8) 使用 RTK 后,布孔效率大大提高,布孔所耗 费的时间减少了很多,两个人一组配合布孔,一个小 时布孔数在 200 个左右;也可单个人员独自进行作 业,一个小时布孔数在 80 个左右。 使用 RTK 布孔, 较好地满足了生产需要。 3 RTK 在露天矿的应用 3. 1 别斯库都克露天矿概述 新疆巴里坤县别斯库都克露天煤矿位于巴里坤 县城西北方向约150 km 处,行政区隶属于巴里坤县 大红柳峡乡,区内为戈壁地带,地形平缓。 该矿地质 条件复杂,岩石节理裂隙发育,普氏系数为 6 ~ 8 之 间,中间有软弱夹层。 露天煤矿目前已进入生产盛 期,年平均土石方剥离量在 1. 5 10 7m3 以上。 日常 生产爆破的频率高、规模大、布孔任务重、对布孔量 和布孔的精度要求高。 常规布孔方法占用了大量的 人力和物力,而且布孔精度不高,爆破效果不是很理 想。 别斯库都克露天煤矿使用的是尚未装备 GPS 的潜孔钻机,采用 RTK 作为布孔的手段,较好地满 足了生产需要。 别斯库都克露天煤矿使用的 RTK 是南方测绘 的 S86T,其水平精度为 1 cm,垂直精度为 2 cm, 静态、快速静态平面精度为 2. 5 mm,静态、快速静 态高程精度为 5 mm,S86T 测绘仪的各种标称精 度足以满足布孔的精度需求。 目前,国内使用 RTK 布孔方式主要有直接使 用 RTK 布孔、将 RTK 和爆破设计软件相结合布孔。 限于目前的爆破技术条件,前者是使用较多的一种 布孔方法。 3. 2 不同布孔方式效果对比 布孔区域位于1264 平台,该区域岩石以灰砂岩 为主,节理裂隙发育,选择其中地质地形较为接近的 部分作为实验区域,其基本参数为台阶高度12 m, 孔径150 mm,梅花形布孔,孔距为6. 5 m,排距为 4. 5 m;装药为现场混装乳化炸药,连续耦合装药, 每孔装药量控制在 180 kg 左右; 起爆方式采用 ORICA高精度雷管进行逐孔起爆,地表管延期时间 控制排为17 ms,雁行列为65 ms,孔内管延期时间为 600 ms。 3. 2. 1 布孔精度的对比 布孔完成后,在不同布孔方式的区域任选 40 个 炮孔,使用 RTK 进行收孔并以最后排最后一个孔作 为基准孔,利用 Cass 软件进行处理来衡量其它孔位 是否存在偏差。 根据所测布孔的数据,从中任意选取 12 个孔作 为样本进行评判,并剔除个别因地形变化而进行人 工调整使得误差较大的孔位。 表 1 为拉尺方法测量 数据,表2 为使用全站仪方法测量数据,表 3 为运用 RTK 测量数据。 根据表1 和表 3 列出的布孔误差数据,对误差 进行求和平均处理得出使用 RTK 方法布孔比人工 拉尺方法布孔较大地降低了布孔误差,误差降低了 约20%。 依据方差公式(1),对 3 组数据分别进行处理, 并剔除因为临空面的变化而进行人工调整导致偏差 较大的孔位,然后分别对 X 方向和 Y 方向进行方差 计算。 932013 年12 月 RTK 技术在露天矿布孔中的应用研究 王 毅等 表 1 拉尺方法的布孔误差 Tab. 1 Holes arrangement error using tape 编号 坐标 X/ m 坐标 Y/ m 误差 △X/ m 误差 △Y/ m 2.4920580. 000411873垐. 8000 . 2800汉. 691 6.4920570. 000411871垐. 4000 . 1720汉. 017 8.4920581. 376411869垐. 4540 . 2480汉. 462 12D4920561. 000411867垐. 9000 . 0210汉. 362 16D4920573. 000411860垐. 2000 . 1270汉. 149 18D4920563. 000411857垐. 2000 . 2720汉. 140 22D4920553. 000411853垐. 7000 . 1271汉. 139 26D4920554. 000411848垐. 5000 . 0960汉. 523 28D4920545. 000411850垐. 1000 . 5951汉. 632 32D4920556. 000411842垐. 9000 . 5600汉. 384 36D4920535. 000411840垐. 4001 . 3591汉. 275 38D4920536. 000411834垐. 9000 . 0030汉. 797 表2 全站仪方法的布孔误差 Tab. 2 Holes arrangement error using total station 编号 坐标 X/ m 坐标 Y/ m 误差 △X/ m 误差 △Y/ m 2.4920641. 000411939垐. 7000 . 0540汉. 038 6.4920631. 000411936垐. 6000 . 4830汉. 441 8.4920643. 071411934垐. 5870 . 3270汉. 178 12D4920623. 000411933垐. 6000 . 8621汉. 257 16D4920634. 000411925垐. 8000 . 5080汉. 345 18D4920624. 000411922垐. 5000 . 1720汉. 002 22D4920615. 000411919垐. 6000 . 0960汉. 333 26D4920617. 000411914垐. 3000 . 2720汉. 333 28D4920606. 000411915垐. 6000 . 4030汉. 430 32D4920618. 000411908垐. 7000 . 1270汉. 104 36D4920598. 000411907垐. 2000 . 7270汉. 821 38D4920598. 000411901垐. 9000 . 3400汉. 861 D(X) =1 N ∑ n i = 1Δ Z 2。 (1) 式中D 为方差;N 为项数;Δ Z 为在该方向上的误 差。 拉尺方法剔除编号为 22、28、36 的孔,对其余 的孔位进行计算,结果如下 D(X) = 0. 0813; D(Y) = 0. 2132; D(X + Y) =D(X) +D(Y) = 0. 2945 。 全站仪方法由于孔号为 12、36、38 的孔位为前 排孔,其位置需要根据临空面的变化进行调整,故存 在较大偏差,不能真实地反应出布孔手段的技术水 平,故在计算时将其去除,对其余的孔位计算结果如 表 3 RTK 方法的布孔误差 Tab. 3 Holes arrangement error using RTK 编号 坐标 X/ m 坐标 Y/ m 误差 △X/ m 误差 △Y/ m 2N4920859K. 515412171. 02707. 3540谮. 038 6N4920850K. 467412168. 09707. 4050谮. 077 8N4920860K. 741412165. 89207. 3180谮. 008 12d4920840K. 635412164. 38407. 3610谮. 168 16d4920852K. 661412156. 96307. 0630谮. 025 18d4920843K. 098412153. 95407. 0970谮. 355 22d4920833K. 387412150. 49107. 0540谮. 536 26d4920834K. 714412145. 38607. 4840谮. 160 28d4920824K. 173412147. 26807. 2010谮. 551 32d4920836K. 541412140. 04107. 5180谮. 292 36d4920815K. 934412138. 29807. 1770谮. 436 38d4920816K. 924412133. 18607. 2600谮. 541 下 D(X) = 0. 0992; D(Y) = 0. 0845; D(X + Y) =D(X) +D(Y) = 0. 1837。 RTK 方法由于最小抵抗线变化较小,对部分 孔位进行的人工调整幅度不大,但还是选取了有一 定变化的孔位剔除,力求更真实地反映出布孔的精 确度。 计算结果如下 D(X) = 0. 0856; D(Y) = 0. 0621; D(X + Y) =D(X) +D(Y) = 0. 1477。 表4 列出以上 3 种布孔方式的布孔精度。 表 4 布孔精度 Tab. 4 Accuracy of holes arrangement 布孔方式布孔偏差(方差)布孔精度 拉尺布孔0篌. 2945较低 全站仪布孔0篌. 1837较高 RTK 布孔0篌. 1477较高 由表4 可以看出使用 RTK 方法和全站仪方法 布孔的精度较高,使用人工拉尺的方法进行布孔的 精度较差。 3. 2. 2 布孔效率的对比 对于布孔效率,采用的参数是相同人数布完一 定数目的孔位所需要的时间。 布孔安排是两个人一 组,配合作业,其具体用时如表5 所示。 由表5 得出使用 RTK 布孔的效率最高,使用 全站仪布孔的效率次之,使用 RTK 布孔比使用全站 仪布孔,效率提高了1 倍多,效率最低的是使用人工 04 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 表5 布孔所用时间 Tab. 5 Time for holes arrangement 布孔方式拉尺布孔全站仪布孔RTK 布孔 布孔数量/ 个40墘40贩40邋 耗费时间/ min35墘22贩10邋 拉尺的方法进行布孔。 3. 2. 3 爆破效果的对比 使用传统方式布孔,爆破后爆堆表面常常出现 大块,爆堆内部岩石的破碎也不是很均匀,且存在拉 底的现象,总体大块率高。 据矿方的综合统计,传统 布孔方式的大块率在5. 0%左右,二次破碎量大,清 运工作进展较慢。 使用 RTK 布孔后,孔网误差明显 减小,爆破效果也取得了很大的提高。 爆破后爆堆 表面的大块明显减少,爆堆内部的岩石破碎较为均 匀,大块率也明显降低,据矿方统计大块率仅有 2. 6%,清运工作效率也明显提升。 爆破后爆堆表面 岩石分布情况如图2、图3 所示。 图 2 拉尺布孔爆破效果 Fig. 2 Blasting effect using tape 图 3 RTK 布孔爆破效果 Fig. 3 Blasting effect using RTK 3. 3 RTK 和爆破设计软件相结合 3. 3. 1 布孔流程 对于工作面比较整齐、地势平坦、起伏不大的爆 区,尝试使用了爆破设计软件进行孔位设计,然后运 用 RTK 进行布孔操作 [11- 13] 。 1) 采集台阶数据,使用 RTK 对爆区进行数据 采集,须包括整个台阶的全方位的采点坐标,特别是 爆区的范围。 对于地势起伏大的地方,要尽可能多 测点,使测量的结果尽可能符合实际地形;对于地势 平坦的地方,可以适当减少测量的点数。 2)根据采集的数据,使用三维地形生成软件得 到爆破平台的地形,使用爆破软件进行设计处理,输 出孔网参数、超深、填塞等参数,并可以生成孔网参 数的 DAT 文件。 3) 将输出的包含孔参数的 DAT 文件拷贝到 S86T 的手簿上,并储存在 Job 目录下的文件中,然 后利用点放样功能进行放样、布孔。 4) 实地放样时,确保 GPS 移动站在固定解的 状态下进行放样,以保证布孔的质量,并采取压袋子 的方法对孔位进行标识和保护。 5) 验孔后,发现布孔的精度较高, 误差在 5 cm以内,可以满足生产需求。 3. 3. 2 改进方向 将三维激光扫描仪与 GPS RTK 结合起来使用。 三维激光扫描仪的点位精度是毫米级,GPS RTK 的 精度是厘米级,故可以运用三维激光扫描仪来采集 台阶数据,然后将数据导入到爆破设计软件进行设 计和布孔。 这样在满足精度要求的前提下,既可减 少工作量,也可提高工作效率。 开发适用于安卓系统的爆破设计软件,进一步 实现在手机、平板电脑上的智能爆破设计。 RTK 手 簿和移动站之间采用的是蓝牙技术进行通信,同时 也可以实现 RTK 手簿和手机、平板电脑、笔记本电 脑之间进行无线数据传输,布孔和验孔都会变得更 加方便。 4 结论 1) 使用 RTK 精确布孔技术后,布孔精度有了 明显的提升。 与人工拉尺布孔相比,采用 RTK 技术 的布孔误差降低了近 20%,爆破作业现场孔位布设 与爆破设计更加契合。 RTK 精确布孔技术与其他 布孔方式相比,作业效率有了大幅度的提高,使用 RTK 布孔后,单个工作人员就能完成布孔工作,且 布孔效率较高,与使用全站仪布孔相比,效率约提高 了1 倍。 2) 使用 RTK 精确布孔技术以后,爆破效果有 了明显改善,爆破以后台阶底部基本上没有残留根 底,块度分布也更均匀,大块率明显降低。 据矿方统 计数据显示,爆破大块率可以由 5. 0%左右降低为 2. 6%。 3)精确布孔技术既减少了二次破碎的费用,又 提高了挖运的效率,可降低爆破成本。 142013 年12 月 RTK 技术在露天矿布孔中的应用研究 王 毅等 参 考 文 献 [1] 董立国. 露天采石场中深孔爆破的布孔实践[J]. 河北 煤炭,2009(4)11- 13. 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Application Research of RTK in Open- pit Mine Hole Arrangement WANG Yi, YANG Jun, XU Zhenyang, YU Deyun State Key Laboratory of Explosion Science and Technology , Beijing Institute of Technology (Beijing, 100081) [ABSTRACT] GPS RTK technology was introduced to solve some existing problems about holes arrangement in domestic open pit mine.Theories of accurate and precise measurements and holes arrangement were analyzed .Results show that the application of the RTK technology, compared to the previous ways used to holes arrangement , significantly facilitates in the position accuracy and efficiency.The error of holes arrangement has been decreased by about 20% as well as the efficiency increased by 1 times.Block rate has been effectively reduced from 5. 0% to 2. 6%.Improvement of blasting effect has been achieved, the secondary blasting and digging costs are saved , and accordingly good economic benefits are obtained . [KEY WORDS] open pit mine, blasting, holes arrangement, RTK 24 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期