高海拔礦井長距離無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸方案研究

劉 海， 葛啟發(fā)， 張維國， 谷龍飛

(1.香格里拉市云礦紅牛礦業(yè)有限公司， 云南 香格里拉 674400； 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；3.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境學(xué)院， 北京 100083)

0 概況

礦區(qū)地處滇西云嶺支脈，區(qū)內(nèi)地勢南高北低，東高西低，海拔一般4 000～4 400 m，相對高差400 m以上，為深切割高山峽谷地貌。本區(qū)屬寒溫帶氣候，年平均氣溫5.4 ℃，最熱月平均氣溫13.2 ℃，最冷月平均氣溫-3.8 ℃，日照百分率為49.6%。5月～10月氣候較為溫和，11月至翌年4月為積雪期。年平均降雨量619.9 mm，雨季(5月～10月)降水量占全年降水量的87.1%。無霜期僅128天。礦區(qū)處次穩(wěn)定區(qū)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

全礦內(nèi)共圈定11個具有開發(fā)價值的工業(yè)礦體，考慮到4 182 m以上礦巖靠近地表，風(fēng)化程度較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，且礦量較少，設(shè)計將4 182 m以上礦體留作護(hù)頂?shù)V柱。3 822 m以下及4線以南部分礦體勘探程度低，待探礦工程結(jié)束后再行利用。設(shè)計確定的開采范圍為4 182～3 822 m標(biāo)高、4#～13#勘探線之間的礦體，設(shè)計中段間自上而下回采，雙中段同時開采，首采中段為4 122 m和4 047 m兩個中段。根據(jù)開拓系統(tǒng)特點，4 122 m中段采用平硐開拓，4 047 m及其以下中段采用豎井+輔助斜坡道開拓，原設(shè)計4 122 m中段采用無軌運(yùn)輸，4 047 m及其以下中段采用有軌運(yùn)輸方式。目前該銅礦主井、副井、4 047 m中段巷道及主平硐工程已施工完成。

主運(yùn)輸平硐巷道凈斷面4.5×3.5 m(寬×高)，直線長度4.8 km。開口位于選廠西側(cè)，終端與4 047 m中段采區(qū)相連，主要承擔(dān)井下礦石、材料、設(shè)備及人員的運(yùn)輸任務(wù)，兼作進(jìn)風(fēng)通道。礦石運(yùn)輸能力4 000 t/d。平硐巷道掘進(jìn)、水溝掘砌、地表有軌卸載站已施工完成。結(jié)合礦山建設(shè)的實際情況，針對高海拔高寒礦井的特點，從控制投資、降低運(yùn)營成本和確保井下運(yùn)輸安全可靠的角度出發(fā)，開展4 047 m主平硐運(yùn)輸方案的研究[1-3]。

1 運(yùn)輸方案比較

1.1 可供選擇的運(yùn)輸方式簡介

礦床開拓是礦山建設(shè)的長遠(yuǎn)大計，一旦建成短時間內(nèi)很難改變，后期改造難度也非常大。因此，在確定礦床開拓方案時，必須進(jìn)行多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。一個合理的開拓方案，應(yīng)該最大程度地滿足生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)簡單、合理，管理方便，安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益好，同時基建工程量小，投資省，基建時間短，并且能夠兼顧未來發(fā)展的需要。按照主要開拓井巷的類型，礦床開拓可劃分為平硐開拓、豎井開拓、斜井開拓、斜坡道開拓，以及多個開拓方式組合的聯(lián)合開拓。礦山開拓系統(tǒng)選擇需要根據(jù)礦床開采技術(shù)條件、地表地形條件、礦山生產(chǎn)規(guī)模、廠址位置、采礦方法等進(jìn)行綜合考慮。

針對該礦目前采選工業(yè)場地、主平硐和部分中段巷道已經(jīng)建設(shè)完成的特點，以現(xiàn)有的建設(shè)條件為基礎(chǔ)，以“高效、經(jīng)濟(jì)”為原則，開展4 047 m主平硐運(yùn)輸方案的選擇，根據(jù)國內(nèi)外部分礦山的生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)過運(yùn)輸方案初選后，選定以下三種運(yùn)輸方式進(jìn)行方案比較，分別為有軌電機(jī)車運(yùn)輸、井下無軌卡車運(yùn)輸和膠帶運(yùn)輸三種方式[3-7]。

(1)有軌電機(jī)車運(yùn)輸方案

4 047 m中段及以上礦石通過4 047 m中段有軌運(yùn)輸，沿主平硐運(yùn)至選廠，4 047 m中段以上以下礦石通過主井提升至上部礦倉，通過有軌電機(jī)車經(jīng)4 047 m主平硐運(yùn)至選礦廠。4 047 m中段及4 047 m主平硐內(nèi)采用10 t架線式電機(jī)車雙機(jī)牽引12輛4 m3底側(cè)卸式礦車組成的列車組進(jìn)行運(yùn)輸，完成礦石運(yùn)輸任務(wù)共需5列礦車，另外再備用1列車。

(2)無軌卡車運(yùn)輸方案

4 122 m中段采用無軌卡車運(yùn)輸方式，礦石經(jīng)采場溜井振動放礦機(jī)裝入20 t坑內(nèi)卡車，沿沿脈運(yùn)輸巷道運(yùn)至4 122～4 047 m主溜井處卸載，再由主運(yùn)輸平硐內(nèi)裝載硐室振動放礦機(jī)裝入20 t坑內(nèi)卡車，經(jīng)主運(yùn)輸平硐運(yùn)至選廠原礦倉。4 047 m中段采用無軌運(yùn)輸方式，礦石經(jīng)采場溜井振動放礦機(jī)裝入20 t坑內(nèi)卡車，沿沿脈運(yùn)輸巷道和主運(yùn)輸平硐直接運(yùn)輸至選廠原礦倉。4 047 m以下各中段生產(chǎn)時，礦石由主井提升至4 077 m卸入轉(zhuǎn)載斜礦倉，再通過主運(yùn)輸平硐裝載硐室振動放礦機(jī)裝入20 t坑內(nèi)卡車，沿主運(yùn)輸平硐運(yùn)至選廠原礦倉，完成4 000 d礦石運(yùn)輸，需要8輛20 t坑內(nèi)卡車AJK- 20同時運(yùn)輸。

(3)膠帶運(yùn)輸方案

由于4 047 m主運(yùn)輸平硐已經(jīng)形成，考慮膠帶運(yùn)輸方案的主運(yùn)輸膠帶分為三段接力運(yùn)輸。4 047 m中段以下礦石經(jīng)溜井下放后通過主井箕斗提升至4 077 m卸礦站卸載后進(jìn)入斜礦倉，斜礦倉下方設(shè)破碎站，4 047 m中段及以上礦石通過現(xiàn)有的坑內(nèi)卡車經(jīng)斜坡道運(yùn)至斜礦倉處卸入。所有礦石經(jīng)破碎后，要求塊度不大于350 mm，通過振動給礦機(jī)給1#膠帶，經(jīng)除鐵后1#膠帶向2#膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)，再由2#、3#兩條膠帶將礦石運(yùn)輸至選廠。1#膠帶長135 m，2#膠帶長4 496 m，3#膠帶長415 m長，均為鋼絲繩芯皮帶，膠帶帶寬1 200 mm，運(yùn)行速度2 m/s，設(shè)計每條膠帶輸送能力為320 t/h，膠帶機(jī)均采用變頻調(diào)速。

1.2 運(yùn)輸方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)選擇的運(yùn)輸方案，采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)各項指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，其比較結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)輸方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

通過表1可以看出，從可比建設(shè)投資看，方案Ⅲ可比投資最高，方案Ⅰ次之，方案Ⅱ略低于方案Ⅰ，明顯低于方案Ⅲ；從總成本及單位礦石運(yùn)輸總成本上看，方案Ⅱ最高，方案Ⅲ次之，方案Ⅰ大幅度低于方案Ⅱ；從費用現(xiàn)值上看，在服務(wù)年限內(nèi)，方案Ⅰ的費用現(xiàn)值最低。因此，從經(jīng)濟(jì)效果上考慮，方案Ⅰ為最佳方案，即有軌運(yùn)輸方案。

2 無人駕駛電機(jī)車新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 無人駕駛電機(jī)車技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)礦山電機(jī)車運(yùn)輸存在控制設(shè)備較為落后、操作人員工作環(huán)境惡劣、交接班占用時間長、人為誤操作安全風(fēng)險高、運(yùn)行超速容易掉道等問題，導(dǎo)致電機(jī)車運(yùn)行速度較低、運(yùn)行效率不高。其次，傳統(tǒng)的信集閉系統(tǒng)存在很難準(zhǔn)確獲取電機(jī)車的運(yùn)行位置、系統(tǒng)區(qū)段劃分不夠合理、缺乏電機(jī)車調(diào)度功能等問題，無法實現(xiàn)精細(xì)化管理。

采用無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸能夠有效解決上述問題。在無人駕駛運(yùn)輸控制系統(tǒng)中，無人駕駛電機(jī)車是最關(guān)鍵的受控對象。電機(jī)車受控性、可靠性、少維護(hù)性、可維護(hù)性直接關(guān)系到無人駕駛運(yùn)輸控制系統(tǒng)的成敗。電機(jī)車傳統(tǒng)驅(qū)動調(diào)速方式為電阻和斬波兩種調(diào)速，而電阻調(diào)速和斬波調(diào)速的性能遠(yuǎn)低于變頻器驅(qū)動，因此本項目無人駕駛電機(jī)車設(shè)計選擇變頻器調(diào)速控制[8]。

2.2 無人駕駛電機(jī)車系統(tǒng)組成

無人駕駛電機(jī)車的主要整個電機(jī)車運(yùn)輸控制由九部分構(gòu)成，其主要子控制系統(tǒng)內(nèi)容如下：(1)以溜井料位為指導(dǎo)的綜合智能平衡礦石運(yùn)輸管控單元；(2)地表和地下遠(yuǎn)程遙控運(yùn)輸和裝礦單元；(3)電機(jī)車控制系統(tǒng)單元；(4)無人駕駛運(yùn)輸通訊系統(tǒng)單元；(5)無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)管理調(diào)度系統(tǒng)單元；(6)軌道控制和信號單元；(7)牽引變電所與架空線分區(qū)開關(guān)遠(yuǎn)程遙控和檢測單元；(8)自動卸礦單元；(9)視頻系統(tǒng)單元[9-12]。

該無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的電機(jī)車具備四種控制方式：(1)自動控制方式：用于電機(jī)車自動運(yùn)行控制方式；(2)遙控控制方式：用于電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控控制方式；(3)人工控制方式：用于電機(jī)車人工駕駛控制方式；(4)檢修控制方式：用于單電機(jī)車控制和檢修操作，與傳統(tǒng)電機(jī)車操作方式相同。

2.3 無人駕駛電機(jī)車控制系統(tǒng)

無人駕駛控制系統(tǒng)由無人駕駛電機(jī)車的控制系統(tǒng)、全巷道的無線通訊基站和光纜、中控室設(shè)備、無人駕駛調(diào)度系統(tǒng)、裝載站控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)轍機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸控制系統(tǒng)無線通訊骨干網(wǎng)采用工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)總線雙骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)，雙骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以大幅度提高無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸巷道通訊的可靠性和消除移動電機(jī)車通訊盲區(qū)。無線通訊骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 無線通訊骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 047 m主運(yùn)輸水平無人駕駛電機(jī)車主要功能包括以下內(nèi)容：(1)電機(jī)車自動運(yùn)行；(2)裝礦過程實現(xiàn)在中控室遠(yuǎn)程遙控；(3)實現(xiàn)在4 047 m主平硐現(xiàn)場無人操作生產(chǎn)；(4)在4 047 m主平硐設(shè)置中控室，中控室內(nèi)可以全面監(jiān)控運(yùn)輸該中段電機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，檢測實時位置(精度1 cm)及狀態(tài)顯示，并根據(jù)情況進(jìn)行實時調(diào)度；(5)調(diào)度系統(tǒng)自動下達(dá)各個電機(jī)車的運(yùn)輸任務(wù)；(6)改造裝載站，實現(xiàn)在中控室內(nèi)遠(yuǎn)程遙控裝礦；(7)頭尾雙機(jī)同步牽引聯(lián)動功能；(8)自動記錄運(yùn)輸中段生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計；(9)完善的保護(hù)功能，確保電機(jī)車安全可靠運(yùn)行；(10)歷史記錄追憶功能。

3 無人駕駛電機(jī)車效果分析

根據(jù)4 047 m主平硐運(yùn)輸系統(tǒng)配置情況，使用無人駕駛后，因為不需要現(xiàn)場交接班時間，有效工作時間超過20 h/d；同時有利于提高運(yùn)行速度，會提升運(yùn)輸能力。中控室總調(diào)1人/班，中控室裝礦工2人/班；考慮輪休及工段負(fù)責(zé)，共需工作人員共12人。而傳統(tǒng)有人駕駛方案，電機(jī)車司機(jī)及裝礦10人/班，考慮輪休及工段負(fù)責(zé)，共需要作業(yè)人員40人。

通過傳統(tǒng)電機(jī)車運(yùn)輸與無人駕駛電機(jī)運(yùn)輸方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，其投資和年運(yùn)營成本比較詳見表2。

表2 電機(jī)車運(yùn)輸方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

通過表2可以看出，與傳統(tǒng)電機(jī)運(yùn)輸方案相比，無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸方案投資增加980萬元，運(yùn)營成本減少391萬元/a，費用現(xiàn)值減少1 661萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯占優(yōu)。

可以看出，無人駕駛系統(tǒng)方案不但有利于提高運(yùn)輸安全和改善了工人工作環(huán)境等優(yōu)點，同時也有利于礦山經(jīng)濟(jì)效益提升。

4 結(jié)語

針對高海拔高寒礦井長距離運(yùn)輸?shù)奶攸c，本文以某銅礦4 047 m主平硐運(yùn)輸為研究背景，選擇高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方案，分析了采用無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸新技術(shù)的可行性和效果，可以得出以下結(jié)論。

(1)在運(yùn)輸方案初選中，選擇了電機(jī)車有軌運(yùn)輸、坑內(nèi)卡車無軌運(yùn)輸和膠帶運(yùn)輸三種方式，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較可以看出，在目前的經(jīng)濟(jì)條件下，采用有軌電機(jī)車運(yùn)輸方案的經(jīng)濟(jì)效益最好。

(2)通過對傳統(tǒng)有人駕駛和無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸?shù)姆桨竷?yōu)缺點分析，采用變頻技術(shù)的無人駕駛電機(jī)車運(yùn)輸雖然可比投資稍高，具有安全性可靠性更高的特點。

(3)針對高海拔高寒礦井，從減少勞動定員、改善作業(yè)環(huán)境的角度出發(fā)，開展無人駕駛機(jī)車運(yùn)輸有利于提升礦山自動化水平和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣性和示范效應(yīng)。