一种基于参数测定装置的钻孔参数测定方法

摘要

本发明提供一种基于参数测定装置的钻孔参数测定方法，涉及露天矿钻孔爆破监测预警领域。该发明包括制作露天矿钻孔参数测量装置；利用装置上的多组自适应旋扣将其与钻孔平行固定；利用GNSS‑RTK技术测量装置上两点空间三维坐标，并测定剩余钻杆长度等数据；在此基础上，归算出钻孔的空间位置、倾斜角和方位角；基于自由面三维建模技术构建露天矿边坡三维模型；分析钻孔位置姿态与边坡的空间拓扑关系，计算最小抵抗线距离，通过智能分析准确圈定爆破的安全范围；基于云计算平台将计算数据、预警结果存储到数据库中，并及时反馈给现场作业人员。本发明可以准确圈定爆破的安全范围，保障矿山的安全生产和人民的生命财产安全，对于提高事故防治能力具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及露天矿钻孔爆破监测预警领域，特别是涉及一种基于参数测定装置的钻孔参数测定方法。

背景技术

露天采场爆破任务是矿山生产过程中最重要的工作之一，然而基于爆破效果直接决定了矿山的经济效益和安全性，尤其大块率增加引起的二次爆破会造成爆破成本的陡增和资源浪费等现象，且大型爆破项目的实施极容易造成严重的安全事故，如果不能准确地圈定爆破的安全范围，会对矿山的安全生产以及周围人民的生命安全带来严重的威胁。因此如何合理的设计爆破方案、降低大块率和损失贫化率、实现爆破安全准确预警显得尤为重要。

目前爆破钻孔施工现场数据的缺失严重且获取工具手段较少，依旧滞留在搜集现场静态随钻数据和手写数据阶段，不能满足钻孔施工效果和安全实时评估的需求，存在严重的滞后及数据缺失问题的情况，更不能对潜在爆破风险区域进行准确的预警。因此开展钻孔参数测定及自由面三维建模技术与爆破预警系统研发是解决上述问题的有效途径，通过钻孔参数测定研究可将钻孔位置的模糊问题转化为精确的定量化问题，利用一种基于参数测定装置的钻孔参数测定的方法可以精确地测定描述钻孔空间位置及姿态的多源参数，为施工现场提供实时丰富的数据源。

基于自由面三维建模技术可实现钻孔的位置姿态与边坡的空间拓扑关系分析和最小抵抗线距离的智能分析，可以有效地降低爆破的大块率和损失贫化率。通过一种基于参数测定装置的钻孔参数测定的方法，可以快速、准确圈定爆破的安全范围，保障矿山的安全生产和人民的生命财产的安全，对于提高事故防治能力具有非常重要的意义。从而保障钻孔项目高效、精确地施工，有效提高爆破效果、矿山的经济效益和安全性，而预警系统能极大的保护现场及周边企业人员的生命财产安全。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于参数测定装置的钻孔参数测定方法，其中，包括以下步骤：

S1、制作露天矿钻孔参数测量装置；

S2、利用装置上的多组自适应旋扣将其与钻孔平行固定；

S3、利用GNSS-RTK技术测量装置上两点空间三维坐标，并测定剩余钻杆长度等数据；

S4、在此基础上，归算出钻孔的空间位置、倾斜角和方位角；

S5、基于自由面三维建模技术构建露天矿边坡三维模型；

S6、分析钻孔位置姿态与边坡的空间拓扑关系，计算最小抵抗线距离，通过智能分析准确圈定爆破的安全范围；

S7、基于云计算平台将计算数据、预警结果存储到数据库中，并及时反馈给现场作业人员。

优选的，包括以下步骤：

S10、获取装置两端空间三维坐标、倾斜角等数据；利用露天矿钻孔参数测量装置，集成GNSS接收机、双轴倾斜传感器、激光测距仪和平板电脑实现对钻孔的空间位置、竖直倾斜角等数据进行一键式测量；

S20、根据所述步骤S10中获取的钻孔空间位置坐标数据，实现WGS-84坐标与矿山坐标的转换；

S30、根据所述步骤S20计算得到的矿山坐标，计算钻孔的方位角；

S40、根据所述步骤S10中激光测距仪获取的数据与所述步骤S20中计算得到的当地坐标，计算确定钻孔的空间位置；

S50、利用所述步骤S10、所述步骤S20、所述步骤S30、所述步骤S40的数据，进一步计算获取钻孔的最小抵抗线距离；

S60、基于自由面三维建模技术，结合钻孔参数测量装置获取的钻孔空间位置及姿态等多源数据，建立露天采场与钻孔的三维精细化模型，同时研究利用空间分析与拓扑算法自动标定最小抵抗线距离，并实现不同抵抗线对爆破效果影响的智能分析，圈定安全范围区域；

S70、面向机器学习的分布式并行存储与计算。

优选的，在所述步骤S10中，还包括以下步骤：

S101：基于GPS、GLONASS与BDS融合精密单点定位技术，获取装置两端的N，E，U三个分量；

S102：根据获取的N、E、U三个分量，通过布尔莎七参数模型，实现WGS-84坐标与矿区坐标的转换。

优选的，为了获取装置两端的三维坐标数据，减少定位误差，本装置采用GPS，GLONASS与BDS融合精密单点定位技术，定位精度可达到毫米级，其定位原理如下：

GPS，GLONASS与BDS系统的伪距和载波相位消除电离层组合观测值

P

L

其中，t

优选的，在所述步骤S20中，为了实现矿山测量坐标系与装置测量坐标系的转换和统一，首先获取3个及三个以上控制点其WGS84坐标和待转换坐标系统的坐标值，然后通过方程计算坐标转换需要的七参数值，完成相应的坐标转换获取矿山坐标(x,y,z)。

优选的，在所述步骤S30中，设测定装置两端点坐标分别为A(x

优选的，在所述步骤S40中，设装置一端坐标为(x,y,z),装置的方位角为α，倾角传感器测量装置的倾斜角为θ，激光测距仪测量该点到地面的距离为L，计算获得的地面坐标(X,Y,Z)。

优选的，在所述步骤S40中，根据获取的钻孔端点坐标确定钻孔直线，然后根据边坡点的坐标利用空间几何知识来求解最小抵抗线距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用该方法可准确、有效获取装置两端空间三维坐标、倾斜角等空间姿态数据。

(2)本发明根据钻孔位置数据与边坡的空间拓扑关系，快速确定最小抵抗线距离，利用最小抵抗线距离的智能分析，圈定爆破的安全范围。

(3)本发明通过云平台和无线电通信技术，实时、高效地将现场获取的数据和计算的数据传给有关工作人员。能够及时避免大块率增加引起的二次爆破所造成爆破成本的陡增和资源浪费等现象。保证了矿山的安全生产以及周围人民的生命安全所带来的严重威胁。

附图说明

图1是本发明的实施例测定方法原理图；

图2是本发明的实施例测定装置示意图；

图3是本发明的实施例爆破钻孔示意图；

图4是本发明的实施例空间直角坐标系之间的关系示意图；

图5是本发明的实施例最小抵抗线确定示意图；

图6是本发明的实施例存储与播发数据示意图；

图7是本发明的实施例存储与播发数据示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明一种基于参数测定装置的钻孔参数测定方法，其中，包括以下步骤：

S1、制作露天矿钻孔参数测量装置；

S2、利用装置上的多组自适应旋扣将其与钻孔平行固定；

S3、利用GNSS-RTK技术测量装置上两点空间三维坐标，并测定剩余钻杆长度等数据；

S4、在此基础上，归算出钻孔的空间位置、倾斜角和方位角；

S5、基于自由面三维建模技术构建露天矿边坡三维模型；

S6、分析钻孔位置姿态与边坡的空间拓扑关系，计算最小抵抗线距离，通过智能分析准确圈定爆破的安全范围；

S7、基于云计算平台将计算数据、预警结果存储到数据库中，并及时反馈给现场作业人员。

其中，具体包括以下步骤：

S10、获取装置两端空间三维坐标、倾斜角等数据；利用露天矿钻孔参数测量装置，集成GNSS接收机、双轴倾斜传感器、激光测距仪和平板电脑实现对钻孔的空间位置、竖直倾斜角等数据进行一键式测量；

S101：基于GPS、GLONASS与BDS融合精密单点定位技术，获取装置两端的N，E，U三个分量；消除电离层、对流层延迟误差等相关定位误差，剔除周跳和粗差因素的影响，经过模型化和非模型化参数改正，定位精度可达毫米级。

S102：根据获取的N、E、U三个分量，通过布尔莎七参数模型，实现WGS-84坐标与矿区坐标的转换；

其中，为了获取装置两端的三维坐标数据，减少定位误差，本装置采用GPS，GLONASS与BDS融合精密单点定位技术，定位精度可达到毫米级，其定位原理如下：

GPS，GLONASS与BDS系统的伪距和载波相位消除电离层组合观测值

P

L

其中，t

S20、根据所述步骤S10中获取的钻孔空间位置坐标数据，实现WGS-84坐标与矿山坐标的转换；为了实现矿山测量坐标系与装置测量坐标系的转换和统一，首先获取3个及三个以上控制点其WGS84坐标和待转换坐标系统的坐标值，然后通过方程计算坐标转换需要的七参数值，完成相应的坐标转换获取矿山坐标(x,y,z)。

S30、根据所述步骤S20计算得到的矿山坐标，计算钻孔的方位角；设测定装置两端点坐标分别为A(x

S40、根据所述步骤S10中激光测距仪获取的数据与所述步骤S20中计算得到的当地坐标，计算确定钻孔的空间位置；设装置一端坐标为(x,y,z),装置的方位角为α，倾角传感器测量装置的倾斜角为θ，激光测距仪测量该点到地面的距离为l，计算获得的地面坐标(X,Y,Z)。

S50、利用所述步骤S10、所述步骤S20、所述步骤S30、所述步骤S40的数据，进一步计算获取钻孔的最小抵抗线距离；根据获取的钻孔端点坐标确定钻孔直线，然后根据边坡点的坐标利用空间几何知识来求解最小抵抗线距离。

S60、基于自由面三维建模技术，结合钻孔参数测量装置获取的钻孔空间位置及姿态等多源数据，建立露天采场与钻孔的三维精细化模型，同时研究利用空间分析与拓扑算法自动标定最小抵抗线距离，并实现不同抵抗线对爆破效果影响的智能分析，圈定安全范围区域；

S70、面向机器学习的分布式并行存储与计算。

本实施例中，具体工作原理如下：

(1)装置的固定：将集成GNSS接收机，双轴倾斜传感器，小型平板电脑的装置利用多组自适应旋扣将其与钻孔平行固定。装置示意图如图2所示；

(2)钻孔参数数据的获取：利用GNSS定位技术、双轴倾斜传感器测角技术以及激光测距仪的测距技术获取装置两端的坐标，钻孔的竖直倾斜角以及最后一节钻杆的长度等多源数据参数。

(3)利用多频多模的精密单点技术和布尔莎七参数转换技术，提高钻孔位置的定位精度，并实现WGS-84坐标与矿区坐标系统的转换。获取钻孔位置坐标：

GPS，GLONASS与BDS系统的伪距和载波相位消除电离层组合观测值

P

L

其中，t

通过非差观测数据预处理和后验残差分析，对观测数据结果进行钟差和电离层等数据进行改正，并对数据观测质量进行控制，提高数据结果的解算精度。

坐标转换原理和过程如图4所示；

坐标转换的具体原理如下：由于两个坐标系的坐标原点不同，产生了三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ，空间直角坐标系之间的关系如图所示。而各坐标系相对应的坐标轴不平行，产生了三个旋转角参数εx、εy、εz，又顾及两个坐标系的尺度不一致，从而产生另外一个尺度参数m。考虑到平移参数、旋转参数和尺度参数的函数关系，由公式(1)计算可得出ΔX、ΔY、ΔZ、εx、εy、εz、m七个参数，被称为布尔莎七参数。根据布尔沙七参数公式进行坐标转换后的误差用公式(2)进行估算和评价，以CGCS2000坐标为例。

(4)确定钻孔位置三维坐标：在确定钻孔坐标之前，首先确定装置的坐标方位角。确定坐标方位角的方式如下：

设测定装置两端点坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2),则计算的象限角为:

θ＝arctan(y2-y1)/(x2-x1)

然后确定象限。则计算后钻杆方位角的确定规则为：

第一象限：保持不变

第二象限：180°+θ

第三象限：180°+θ

第四象限：360°-θ

在确定坐标方位角以后，确定钻孔位置三维坐标：

设装置一端坐标为(x,y,z),装置的方位角为α，倾角传感器测量装置的倾斜角为θ，激光测距仪测量该点到地面的距离为L，计算获得的地面坐标(X,Y,Z)为：

X＝x+L*cosα

Y＝y+L*sinα

Z＝z+L*cosθ。

(5)最小抵抗线计算与安全范围的圈定：在获取的钻孔端点坐标确定钻孔直线的基础上，根据边坡点的坐标利用空间几何知识来求解最小抵抗线距离。

求解最小抵抗线距离原理如图5所示；

面向机器学习的分布式并行存储与计算：利用上述所获取的数据，通过无线电通信的方式进行存储与播发。将数据节点作为整合矩阵。利用极大似然估计法，对数据矩阵进行融合计算，实现数据的分布式融合存储与播发。

无线通信数据分布式融合存储系统为三层架构，即业务应用层、平台服务层和基础存储层。

每个链路数据都是单独存在的个体，面向整个系统呈现出随机分布的状态，每个链路数据的存储方式都是以主节点引导融合的方式进行存储。利用无线通信时，采取主节点负载传输的方式，将该节点上的所有数据面向无线链路进行通信，实现链路数据的快速通信与播报。在优化的系统硬件基础上，配准无线链路数据的时间参数，校准无线链路数据的坐标系空间状态。结合极大似然估计法，进行融合存储计算，完成无线电通信链路数据存储，从而提高无线电通信质量。

存储与播发数据如图6所示。

表1实施例数据表

表1为一个实施例数据表，其中p1至p8为前排钻孔编号，具体实施步骤为：

(1)将露天矿钻孔参数测量装置与前排钻孔p1固定；

(2)开启测量装置，一键式测量钻孔两端坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，以及剩余钻杆长度；

(3)根据炮孔两端坐标值以及剩余钻杆长度计算钻孔的倾斜角、钻孔深度与坐标方位角；

(4)重复以上步骤(1)至(3)，完成p2至p8钻孔参数测定；

(5)基于自由面三维建模技术构建露天矿边坡三维模型；

(6)分析钻孔位置姿态与边坡的空间拓扑关系，计算最小抵抗线距离，通过智能分析准确圈定爆破的安全范围；

(7)基于云计算平台将计算数据、预警结果存储到数据库中，并及时反馈给现场作业人员，最终达到预警目的。

通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。

在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。