單斗鐵道工藝露天礦智能化建設(shè)技術(shù)研究

趙英拓，汪洪志，孫鵬遠

（撫順礦業(yè)集團有限責任公司 東露天礦，遼寧 撫順 113006）

當前，新一輪科技革命衍生出的云計算、人工智能等高新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷融合[1]，給煤炭工業(yè)帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，建設(shè)智能化露天礦已經(jīng)成為礦山發(fā)展的最新目標。對于傳統(tǒng)的單斗鐵道工藝露天礦，雖然擁有豐富的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，但也亟需依托云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)手段[2]，進一步提升各環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率和安全性。撫順東露天礦沿襲百年老礦撫順西露天礦開采經(jīng)驗，采用單斗鐵道工藝開采油頁巖，開采技術(shù)較為成熟，具有豐富的設(shè)計和生產(chǎn)管理經(jīng)驗，但相比智能礦山而言，單斗鐵道工藝露天礦存在著工序繁雜、人工投入多、生產(chǎn)效率低的問題。煤礦智能化時代，傳統(tǒng)工藝露天礦亟需打破陳規(guī)，吐故納新，在技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、安全可靠為原則下，逐步在設(shè)備和管理方面進行智能化升級，不斷提高單斗鐵道工藝露天礦智能化水平。

1 露天礦單斗鐵道工藝生產(chǎn)難點

露天礦開采過程中，單斗電鏟和鐵道運輸相配合的工藝具有悠久的歷史[3]，該工藝具有生產(chǎn)能力大、巖性和氣候適應(yīng)性強、經(jīng)濟合理運距長和節(jié)能環(huán)保的特點。撫順東露天礦礦區(qū)呈深凹狹長型，單斗鐵道工藝可充分發(fā)揮其經(jīng)濟合理運距長、適宜長距離工作線的優(yōu)勢，但該工藝也存在著不足，主要為電鏟采掘精度低、電機車冒進信號、地形測繪工作量大和端幫臺階擴采滯后等問題。

1）單斗電鏟采掘精度低。撫順東露天礦單斗電鏟型號主要有WK－4、FWK－6 和WK－10 等類型，勺斗容積分別為4、6、10 m3，采掘作業(yè)時由操作員操控電鏟，采掘質(zhì)量要求達到幫齊底平，30 m 工作線長度內(nèi)采后地盤高低差要求不大于0.3 m，坡頂線里進外出不大于1 m。露天礦采場的幫齊底平既是安全生產(chǎn)標準化的要求，也是安全高效生產(chǎn)的重要保證，對于鐵道運輸露天礦而言，電鏟采后平盤的平整度和坡度是否滿足鐵路移設(shè)要求，直接關(guān)系到鐵道運輸系統(tǒng)延伸速度和擴幫進度。東露天礦為典型的深凹型露天礦，設(shè)計空、重列車運輸最大縱向坡度不大于15‰，為確保鐵道運輸系統(tǒng)有序下延，新水平臺階開段溝縱向坡度必須不大于15‰。目前，電鏟在新水平臺階拉溝、鐵路站場干線區(qū)間調(diào)坡作業(yè)時，事先由生產(chǎn)技術(shù)人員使用手持GPS 定位儀現(xiàn)場采集標高，完成采掘工程設(shè)計后，采用插指示旗或鐵路軌面標記等方式放點，指導(dǎo)電鏟司機掌握采掘標高。這種繁雜流程，存在較多弊端:①生產(chǎn)技術(shù)人員手動取樣、放樣，電鏟司機讀數(shù)、操作，工序繁雜，人為誤差較大；②爆破震動，工程機械設(shè)備碾壓，指示旗掩埋丟失，雨雪、滲透水影響指示旗字跡模糊等原因[4]，均會導(dǎo)致電鏟司機讀數(shù)出現(xiàn)偏差。上述問題，會直接降低電鏟采掘標高精確度，影響幫齊底平質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率，甚至還會對站場和鐵路移設(shè)工期造成影響。結(jié)合現(xiàn)狀，亟需引用新的技術(shù)，改變現(xiàn)有的生產(chǎn)作業(yè)方式，提高電鏟采掘精度及生產(chǎn)效率。

2）列車冒進信號。撫順東露天礦采礦列車由準軌電機車和15 節(jié)車盒組成，準軌電機車型號有ZG150－1500、EL－1、37E、協(xié)設(shè)100T 斬波等類型，列車容積345 m3，平均長度230 m。列車由司機和車長操控，允許牽引和推進運行，指示信號有2 種類型，分別為色燈信號機信號和手旗信號[5]。列車處于牽引、推進狀態(tài)時，分別由司機、車長負責瞭望線路和信號。運行過程中，主要在進站、限速路段和裝車期間存在安全隱患。列車進站前，如遇色燈信號機故障及司機（車長）狀態(tài)不佳等情況，會因未確認地面信號造成冒進信號事故；線路管理單位在鐵路質(zhì)量達不到規(guī)定標準的區(qū)段設(shè)置臨時限速牌、解除牌[6]，如司機（車長）未看到限速牌，或限速牌受天氣影響指示不清晰，往往會造成超速行車，冒進信號事故；電鏟裝車前，電鏟操作員（副司機）持手旗引導(dǎo)列車定位停車，裝車時，需列車車長持手旗引導(dǎo)列車間斷行駛，完成逐節(jié)車盒與電鏟勺斗定位，這種人工引導(dǎo)列車定位的方式，受雨、雪、霧天氣影響，存在冒進信號隱患，也嚴重影響采裝效率。上述事件的共同點都需要人工確認行車信號，列車的安全運行太過于受人為操控影響，存在安全風險。

3）端幫臺階延伸進度滯后。撫順東露天礦礦體傾斜賦存，隨著采礦重心的下降，采區(qū)臺階以3 個/a的速度不斷增加，受鐵道運輸系統(tǒng)折返降深坡度15‰的需要，端幫采區(qū)路端臺階延伸進度必須保證鐵道運輸系統(tǒng)開拓下延要求。采區(qū)路端延伸時，一種方法是采用電鏟裝列車方式，但受列車長度影響，無法一次性完成整排車采裝作業(yè)，需要增加列車車盒摘掛環(huán)節(jié)；另一種方法是采用電鏟與液壓反鏟聯(lián)合裝列車方式，由液壓反鏟采裝路端200 m 內(nèi)工程量。上述2 種方法，受工藝特點影響只能在日間作業(yè)，雖然可以完成采區(qū)路端延伸，但存在著生產(chǎn)效率低，路端延伸進度慢，不能保證鐵道運輸系統(tǒng)開拓下延進度。隨著采區(qū)路端臺階的不斷增多，路端延伸工程量也隨之增加，亟需采取新的工藝方式提高采區(qū)路端臺階延伸效率。

2 智能化建設(shè)技術(shù)

撫順東露天礦智能化建設(shè)過程中，應(yīng)采用5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)建智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。首先，引進無人機測繪技術(shù)，利用其視角廣、機動性強、采集快速的特點[7]，從多層面對礦區(qū)進行遙感測繪和地理信息數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)礦區(qū)地形、地貌、道路數(shù)據(jù)的時時更新；其次，采用北斗定位技術(shù)，實時定位采礦設(shè)備運行軌跡，實現(xiàn)列車與單斗電鏟的智能聯(lián)動；最后，結(jié)合無人機技術(shù)的高精度動態(tài)地圖和采礦設(shè)備定位數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)采區(qū)路端臺階無人挖掘和無人礦卡運輸技術(shù)。在智能化設(shè)備方面，東露天礦采礦設(shè)備主要由百年老礦西露天礦引進，設(shè)備年代久遠，不具備全部淘汰更換智能化設(shè)備條件，只能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，添加智能模塊，實現(xiàn)信息收發(fā)與報警功能，滿足智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本需求。智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的核心目的，是解決現(xiàn)有工藝存在的弊病難題，達到安全高效生產(chǎn)的目的。

2.1 單斗電鏟定位技術(shù)

智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要時刻定位單斗電鏟采掘坐標、采掘方向等位置信息，可在單斗電鏟駕駛室操作臺增設(shè)信息收發(fā)顯示屏，同時增設(shè)定位模塊，實現(xiàn)單斗電鏟信息的收發(fā)功能。采礦術(shù)人員使用實時地形圖完成鐵道降深坡度設(shè)計后，將直接通過智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采掘坐標、設(shè)計高程文本文件遠程傳送至單斗電鏟接收端，利用北斗系統(tǒng)，定位電鏟當前位置及標高，實時獲取當前作業(yè)的軌跡與進度[1]，在電鏟電子顯示屏實時顯示作業(yè)高程與掘進方向，指導(dǎo)電鏟司機按設(shè)計要求作業(yè)。該技術(shù)可以有效提高電鏟采掘精度，省去人工放點、插旗、標記和標高比對等復(fù)雜環(huán)節(jié)，避免了受天氣、爆破等其它因素影響，可大幅提高電鏟采裝效率。

2.2 列車導(dǎo)航駐車技術(shù)

智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可有效預(yù)防列車冒進信號，提高生產(chǎn)效率，避免行車事故。列車進站前，當前方信號未開放，若列車闖過紅燈信號機，將接收到信號機前可變應(yīng)答器發(fā)送的紅燈報文，車載ATP 接收到信息后，將施加緊急制動，使列車在保護區(qū)段內(nèi)停車[8]；智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由線路管理單位實時更新限速區(qū)段信息，當列車駛?cè)胂匏賲^(qū)段未采取減速措施時，電子信息系統(tǒng)會立即向列車乘務(wù)員發(fā)送響鈴警報，提示加強瞭望，注意運行速度。智能鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的列車AR 系統(tǒng)檢測到乘務(wù)員存在瞌睡、精神不振時，可通過遠程提示的方式告警乘務(wù)人員注意安全駕駛，確保行車安全；在列車與電鏟定位停車方面，單斗電鏟定位技術(shù)與列車導(dǎo)航駐車技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)識別列車所在的采掘線路及行進方向信息，通過待裝列車導(dǎo)航駐車提示，提高待裝列車定位速度和安全性，減少人為因素導(dǎo)致的安全隱患，此舉對提高單斗鐵道工藝露天礦采裝效率具有積極作用。

2.3 無人挖掘和無人礦卡技術(shù)

單斗鐵道工藝露天礦端幫路端擴采進度直接關(guān)系到鐵道開拓系統(tǒng)下延速度，為解決現(xiàn)有采掘方式導(dǎo)致路端臺階延伸滯后問題，設(shè)計采取無人挖掘和無人礦卡技術(shù)提高端幫路端延伸速度。采區(qū)鐵道路端臺階主要為工作線盡頭200 m 內(nèi)工程量，該部分工程量可由卡車搗運至固定轉(zhuǎn)載線，由單斗電鏟完成裝列車作業(yè)。采區(qū)鐵道路端臺階采掘區(qū)間、卡車運行線路和排土場地一定時期內(nèi)相對固定，該環(huán)節(jié)作業(yè)工序較為簡單。結(jié)合作業(yè)條件，通過無人機測繪技術(shù)完成露天礦山空間信息的實時海量收集，快速提供完整的礦山地形地貌數(shù)據(jù)[9]，提供無人采掘和無人駕駛路徑數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)采區(qū)路端臺階無人挖掘和無人礦卡運輸技術(shù)。無人駕駛技術(shù)具有高效生產(chǎn)、主動性作業(yè)、數(shù)據(jù)精確的特點，消除了端幫延伸期間派遣地面人員的需要，符合智能礦山減員增效和安全作業(yè)的要求。

3 結(jié)語

目前，單斗鐵道工藝露天礦運用的采礦設(shè)備大多年代久遠，作業(yè)環(huán)節(jié)冗雜，在智能化建設(shè)的道路應(yīng)遵循“先基礎(chǔ)智能化再系統(tǒng)智能化”的原則，利用增設(shè)機電設(shè)備基礎(chǔ)硬件、自動控制器、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實時監(jiān)測采礦設(shè)備運行軌跡，提供采礦指導(dǎo)，減少人力資源投入。煤礦智能化建設(shè)是一項重大課題，單斗鐵道工藝露天礦在邁入智能礦山過程中，一定要順應(yīng)發(fā)展趨勢，揭露現(xiàn)有不足，明確建設(shè)目標和任務(wù)，通過博采眾長，取長補短，不斷加快單斗鐵道工藝露天礦向智能化礦山邁進的步伐，達到礦山安全高效生產(chǎn)的目的。