井工煤礦膠輪運輸裝備智能化技術(shù)研究與應(yīng)用

阮進(jìn)林，孫秀斌，薛志超，王萬貴

國能神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦 山西忻州 036600

井工煤礦輔助運輸技術(shù)與裝備的發(fā)展大大提高了礦井的生產(chǎn)準(zhǔn)備效率。據(jù)統(tǒng)計，全國在用的無軌膠輪車總量超過 16 000 臺，其中進(jìn)口車輛約 500臺。國產(chǎn)無軌膠輪車的產(chǎn)品線覆蓋面齊全，完全滿足我國煤礦輔助運輸需求。20 多年來，我國井工煤礦膠輪運輸裝備技術(shù)一直在飛速發(fā)展，其中，防爆柴油機(jī)技術(shù)、純液壓驅(qū)動技術(shù)、液力機(jī)械傳動技術(shù)、電驅(qū)動技術(shù)、輪邊制動技術(shù)及各種保護(hù)技術(shù)等已非常成熟。隨著煤礦智能化發(fā)展步伐不斷加快，輔助運輸裝備單機(jī)智能化水平亟待提高，以適應(yīng)智能化發(fā)展的需要。

1 井工煤礦膠輪運輸裝備發(fā)展概述

近年來，井工煤礦輔助運輸裝備發(fā)展迅速，其供應(yīng)商中，市場占有率較高、車型較齊全的國內(nèi)企業(yè)有山西天地煤機(jī)、常州科試、連云港天明、萊州亞通、湖北塞弗精工等。經(jīng)過近些年輔助運輸相關(guān)技術(shù)與裝備的發(fā)展和升級，我國已研制成功并應(yīng)用的井工煤礦輔助運輸無軌膠輪車型包括運人車、運料車及成套搬家裝備 3 大類、7 個系列、30 余款產(chǎn)品，其載重覆蓋 1～ 100 t 全系列。支架搬運車系列成套裝備可滿足采高 1.6～ 8.0 m 的工作面物料及設(shè)備的搬運需求。所有裝備實現(xiàn)了煤礦井下無軌輔助運輸作業(yè)的全覆蓋，可為不同地質(zhì)條件的礦井提供優(yōu)質(zhì)的無軌輔助運輸綜合解決方案[1-3]。

在膠輪運輸裝備動力方面，防爆柴油機(jī)動力技術(shù)得到了較大發(fā)展，其燃油經(jīng)濟(jì)性更高、排放更低，已研發(fā)出符合國 Ⅳ 排放的防爆電噴柴油機(jī)。目前，防爆柴油機(jī)無軌膠輪車基本完成了國 Ⅱ 到國 Ⅲ 排放機(jī)型的全部升級。安標(biāo)中心于 2021 年 10 月 22 日發(fā)布的《礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志通用安全技術(shù)要求 礦用防爆鋰離子蓄電池電源 (試行)》中對運輸車輛用電源鋰離子蓄電池的額定容量放寬到不超過 230 Ah，該規(guī)定能有效提高鋰電池新能源車輛的續(xù)駛里程，有利于鋰電池車輛的應(yīng)用與推廣。在整機(jī)方面，防爆新能源無軌膠輪車也得到了較大發(fā)展，除了常規(guī)的鉛酸蓄電池重型系列搬運車和鋰電池運人車、材料車等車型外，薄煤層新能源成套搬家裝備、薄煤層新能源鏟運機(jī)、快速掘進(jìn)窄型物料運輸車等新能源新工藝裝備也將陸續(xù)投入使用。

井工煤礦膠輪運輸裝備的使用，既有利于減人增效，提高生產(chǎn)效率，提高煤礦安全，降低事故發(fā)生率，又在研發(fā)、設(shè)計、制造、試驗等多方面積累了寶貴的經(jīng)驗，為進(jìn)一步發(fā)展煤礦輔助運輸智能化奠定了扎實的基礎(chǔ)。

2 單機(jī)裝備智能化技術(shù)及應(yīng)用

2020 年 2 月 25 日，為提升煤礦智能化水平，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，國內(nèi)煤礦開始啟動并加快推進(jìn)礦井智能化建設(shè)。當(dāng)前無軌輔助運輸智能化廣泛應(yīng)用于微機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)、通信技術(shù)等相關(guān)方面，實現(xiàn)了車輛智能保護(hù)、車輛姿態(tài)監(jiān)測和行車信息存儲、自動滅火、智能防撞、車輛定位、車載無線通信、智能調(diào)度與管理等功能，推動了煤礦井下輔助運輸智能化進(jìn)程，既提高了運輸效率，降低了使用維護(hù)成本，又提高了人員和設(shè)備的安全性，為煤礦安全、高效生產(chǎn)起到了重要作用[4-5]。

井工煤礦膠輪運輸裝備單機(jī)智能化技術(shù)系統(tǒng)主要包括智能機(jī)車保護(hù)技術(shù)、輔助駕駛技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、輔助安全技術(shù)等。智能機(jī)車保護(hù)技術(shù)實現(xiàn)了車輛動力、傳動及輔助功能等配套裝置的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警；輔助駕駛技術(shù)包括各種安全保障技術(shù)，確保車輛安全行駛；自動駕駛技術(shù)實現(xiàn)了車輛在井下有限巷道空間內(nèi)的自動行駛，提高了輔助運輸?shù)陌踩?；輔助安全技術(shù)包括減人、提效、增安等相關(guān)輔助性技術(shù)。

2.1 智能機(jī)車保護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

早期的煤礦用柴油機(jī)車自動保護(hù)裝置適用于煤礦井下以柴油機(jī)為動力的設(shè)備的監(jiān)測和自動保護(hù)，可監(jiān)測防爆無軌膠輪車 (人車、貨車、皮卡車、指揮車、特種車輛) 的發(fā)動機(jī)冷卻水溫、油溫、水位、油位、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、行車速度、環(huán)境瓦斯?jié)舛纫约靶旭偫锍痰葏?shù)。當(dāng)參數(shù)超標(biāo)時，該保護(hù)裝置能夠根據(jù)設(shè)定邏輯報警或停車[6-7]。

新一代的智能機(jī)車保護(hù) (控制) 裝置適用于井下各種防爆車輛，以滿足整車智能化需求，保障車輛行車安全。在功能方面，除具備防爆柴油機(jī)自動保護(hù)外，還具備整車電氣參數(shù)監(jiān)測、環(huán)境參數(shù)感知、圖像視頻監(jiān)控、距離數(shù)據(jù)監(jiān)測、整車燈光控制、數(shù)據(jù)傳輸以及語音調(diào)度通信等功能。該裝置由機(jī)車保護(hù)裝置主機(jī)及配套傳感器 (溫度元件、轉(zhuǎn)速元件、機(jī)油壓力元件、倒車檢測元件、剎車檢測元件、開關(guān)量水位元件、模擬量液位元件、傾角傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、超聲波雷達(dá)傳感器等) 組成。綜合顯示器具備儀表界面顯示、全景影像顯示、大容量數(shù)據(jù)存儲和無線數(shù)據(jù)傳輸功能 (4G/5G、WiFi)。智能機(jī)車保護(hù)系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 智能機(jī)車保護(hù) (控制) 裝置系統(tǒng)Fig.1 Intelligent vehicle protection (control) device system

不同配置的智能機(jī)車保護(hù)裝置已在防爆柴油機(jī)無軌膠輪車、防爆特殊型鉛酸蓄電池?zé)o軌膠輪車和防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車上得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 輔助駕駛技術(shù)及應(yīng)用

2.2.1 人員接近預(yù)警技術(shù)及應(yīng)用

礦用車輛人員接近預(yù)警技術(shù)可實現(xiàn)井下人員向車輛、車輛向車輛靠近時聲光報警及車輛停機(jī)，能有效降低人員傷亡和財產(chǎn)損失[8]。人員接近預(yù)警裝置主要由礦用澆封兼本安型讀卡器、標(biāo)識卡、礦用本安型聲光報警器組成，采用 UWB 高精度測距技術(shù)，實時測量人員與設(shè)備之間的距離，并通過讀卡器設(shè)置車輛報警區(qū)與停機(jī)區(qū)，人員進(jìn)入不同的區(qū)域時報警器會發(fā)出不同的聲光報警信號，同時輸出對應(yīng)的開關(guān)觸點信號，控制車輛停止行走或停機(jī)。

人員接近預(yù)警系統(tǒng)控制范圍如圖2 所示，深色陰影區(qū)域為停機(jī)區(qū)，淺色區(qū)域為報警區(qū)。當(dāng)佩戴標(biāo)識卡的人員進(jìn)入報警區(qū)時，聲光報警器黃色燈光閃爍并發(fā)出“人員靠近請注意”的報警聲，同時輸出相應(yīng)的開關(guān)量觸點信號，可以控制車輛減速；當(dāng)佩戴標(biāo)識卡的人員進(jìn)入停機(jī)區(qū)時，聲光報警器紅色燈光閃爍并發(fā)出“人員危險請停機(jī)”的報警聲，同時輸出相應(yīng)的開關(guān)量觸點信號，可以控制車輛剎車。

圖2 人員接近預(yù)警系統(tǒng)控制范圍Fig.2 Control range of warning system for personnel approaching

近年來，煤礦因運輸車輛發(fā)生擠碰造成人員傷亡的事故時有發(fā)生，井下膠輪運輸裝備配備人員接近預(yù)警系統(tǒng)的需求日益旺盛。目前，新出廠的膠輪車，尤其是駕駛員視線不好的重型支架搬運車和鏟板車，多數(shù)出廠即配備了人員接近預(yù)警裝置。另外，國家能源集團(tuán)、陜煤集團(tuán)、兗礦集團(tuán)等大型煤企陸續(xù)對在用的重型膠輪運輸裝備增配人員接近預(yù)警裝置，提高了車輛運行的安全性。

2.2.2 防疲勞駕駛預(yù)警技術(shù)及應(yīng)用

礦用車輛防疲勞駕駛預(yù)警技術(shù)是一套基于先進(jìn)圖像智能識別分析技術(shù)，可在煤礦巷道黑暗環(huán)境下，實時監(jiān)測駕駛員的頭部運動、眼皮運動、眼睛閉合頻率、凝視方向、打哈欠頻率等面部信息，并進(jìn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析的智能化系統(tǒng)[9]。其中，前向攝像頭可識別前方車輛、行人和車道線，結(jié)合車速，測算相對碰撞時間 (TTC)，提供防碰撞預(yù)警和車道偏離預(yù)警；面對駕駛員的攝像頭可識別異常的人臉面部狀態(tài)，一旦檢測到疲勞或姿態(tài)異常狀態(tài)，系統(tǒng)會通過語音提示駕駛員，注意行車安全。

防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的功能包括駕駛員刷臉認(rèn)證、駕駛員開車瞌睡檢測、駕駛員打哈欠檢測、駕駛員開車抽煙檢測、駕駛員開車打電話檢測、駕駛員開車注意力不集中檢測、駕駛員離崗/攝像頭遮擋檢測等，還可穿透駕駛員佩戴的近視鏡和絕大多數(shù)墨鏡。

陜煤集團(tuán)張家峁礦防爆車輛配備了駕駛員疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，能對車輛駕駛員是否疲勞駕駛進(jìn)行實時監(jiān)督，通過語音報警提醒疲勞駕駛的駕駛員，并將其所在位置、時間、疲勞狀態(tài)圖像等信息一起通過礦井網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至煤礦調(diào)度中心，由調(diào)度人員根據(jù)接收到的信息，對疲勞駕駛?cè)藛T采取安全措施并進(jìn)行管控處理，有效解決了煤礦因駕駛員疲勞駕駛造成運輸事故這一難題，確保了煤礦輔助運輸安全。

2.2.3 360°全景環(huán)視技術(shù)及應(yīng)用

礦用車輛 360°全景環(huán)視技術(shù)通過在無軌膠輪車360°車身周圍安裝能覆蓋車輛周邊所有視場范圍的6～10 個低照度廣角攝像頭，對同一時刻采集到的多路視頻影像進(jìn)行拼接融合，處理成一張車輛周邊360°的車身俯視圖并在中控臺顯示，使駕駛員能夠直觀地看到車輛四周情況。同時，采用超聲波雷達(dá)或毫米波雷達(dá)測距技術(shù) (近距離探測使用超聲波雷達(dá)，探測距離為 0.1～1.5 m；遠(yuǎn)距離探測使用毫米波雷達(dá)，探測距離為 2.0～40.0 m)，對障礙物進(jìn)行有效識別并報警，控制車輛停機(jī)，可有效減少駕駛過程中刮蹭、碰撞等事故的發(fā)生。

對于整體底盤式車輛，攝像頭安裝位置和朝向可以固定，實現(xiàn) 360°全景拼接技術(shù)的難度較低，目前已有廠家在申請安標(biāo)，但還沒有井下車輛可直接應(yīng)用的產(chǎn)品；對于鉸接式車輛，360°全景拼接最大的難點在于攝像頭的朝向不是完全固定的，轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時會引起前后攝像頭位置變化，由于沒有固定的參照物，圖像拼接技術(shù)難度大，需要引入其他傳感器數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)。

2.3 自動駕駛技術(shù)及應(yīng)用

由于煤礦井下無 GNSS 信號、頂板條件突變、光照度極低、伴有粉塵、水汽、爆炸性和腐蝕性氣體，且井下產(chǎn)品在電氣方面受到煤礦防爆和安標(biāo)認(rèn)證的嚴(yán)格限制，地面自動駕駛相關(guān)硬件產(chǎn)品、軟件算法等無法直接應(yīng)用于煤礦井下，技術(shù)門檻較高、落地難度較大[10]。

當(dāng)前礦用膠輪車自動駕駛采用的技術(shù)路線多是在原來的防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車上加裝定位單元、環(huán)境感知單元、整車控制單元，根據(jù)收集到的環(huán)境信息對原車的油門、轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制，在井下路況較好的巷道內(nèi)進(jìn)行無人駕駛運行試驗。

目前已知部分企業(yè)在麻地梁煤礦、張家峁煤礦、小保當(dāng)煤礦、布爾臺煤礦、上灣煤礦、曹家灘煤礦等煤礦現(xiàn)場開展了井下無軌膠輪車自動駕駛的相關(guān)測試和應(yīng)用。上述自動駕駛系統(tǒng)在井工煤礦現(xiàn)場的應(yīng)用案例中，除曹家灘和上灣煤礦的實施案例外，均采用單車智能的模式，由單車完成所有自動駕駛的感知決策功能，不依賴于 C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，無法通過車與路側(cè)單元 (V2I)、車與云網(wǎng)平臺 (V2N)、車與車(V2V)、車與人 (V2P) 的數(shù)據(jù)交互去獲取井下巷道內(nèi)動態(tài)環(huán)境信息，不具備為車輛提供超視距感知、變道碰撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航、車輛編隊協(xié)同決策等多種技術(shù)的能力，導(dǎo)致在井下只能實現(xiàn)低速簡易自動駕駛，且自動駕駛車輛的改裝成本昂貴，車輛無法合法下井運營以滿足常態(tài)化運行。

中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院、開采研究院通過對井工煤礦輔助運輸車輛智能化自動駕駛相關(guān)技術(shù)和裝備進(jìn)行攻關(guān)，在陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)張家峁礦業(yè)有限公司成功應(yīng)用煤礦輔助運輸智能化系統(tǒng)與裝備，實現(xiàn)了鋰電池驅(qū)動皮卡車從地面到井下終點往返約 5 km的智能駕駛。駕駛途中，皮卡車能夠循跡行駛，跟車行駛，定點停車，緊急制動，實現(xiàn)了全過程自動駕駛。圖3 為自動駕駛皮卡車。

圖3 自動駕駛皮卡車Fig.3 Self-driving pickup truck

2.4 輔助安全技術(shù)及應(yīng)用

2.4.1 自動潤滑技術(shù)

礦用膠輪車上潤滑點較多，遍布于機(jī)身的各個地方。早期的車輛保養(yǎng)完全由人工進(jìn)行逐個補油，費時費力，經(jīng)常由于保養(yǎng)不及時造成比較嚴(yán)重的機(jī)械故障；發(fā)展到集中潤滑階段后，會將整車的關(guān)鍵潤滑部位通過管路集中布置在一到兩處，再由人工逐一進(jìn)行補油操作，相比分散式注油，其優(yōu)點是減少漏打概率，工作地點更集中，效率較高；最后發(fā)展為現(xiàn)在的自動潤滑方式，由自動潤滑泵實現(xiàn)對整車關(guān)鍵潤滑點的間歇性定量自動潤滑，潤滑及時、效率更高。

自動潤滑系統(tǒng)由集中潤滑泵、遞進(jìn)式分配器、專用加注設(shè)備、高壓油管及管路附件組成[11]。集中潤滑泵是一種液壓柱塞泵，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動離心凸輪和壓力環(huán)，進(jìn)行連續(xù)操作。離心凸輪的旋轉(zhuǎn)影響著傳輸活塞的吸力和壓力沖程，轉(zhuǎn)一圈完成一次吸油、推油動作。潤滑油經(jīng)遞進(jìn)式分配器和高壓油管輸送到各潤滑點，傳送活塞處的單向閥可防止?jié)櫥偷刮x開主油路。集中潤滑泵筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)的攪拌器將潤滑油持續(xù)不斷地壓向內(nèi)置多孔篩，使?jié)櫥瓦M(jìn)入泵房并存儲，其中，多孔篩還可以及時排出攪拌壓油過程中產(chǎn)生的氣泡。同時，還配備壓力緩沖閥為潤滑泵和管道系統(tǒng)提供保護(hù)，潤滑時間和潤滑間隔靠電磁換向閥控制液壓油的通斷來實現(xiàn)。

自動潤滑系統(tǒng)已在潤滑點多、潤滑油需求量大的重型搬運車上得到應(yīng)用，使用效果理想。不足之處是其只能實現(xiàn)定時潤滑，無法對潤滑點處的情況進(jìn)行判斷和識別，潤滑點經(jīng)常有油滲出，浪費較嚴(yán)重。

2.4.2 自動滅火技術(shù)

礦用車載滅火技術(shù)包括煤礦輔助運輸膠輪車發(fā)動機(jī)艙、電動機(jī)等周圍的火焰探測、火災(zāi)報警和自動滅火。自動滅火裝置主要由礦用隔爆型火焰探測器、礦用隔爆型滅火裝置控制器、礦用隔爆型電動球閥、干粉滅火器、介質(zhì)管路及噴嘴等組成，如圖4 所示。其工作原理為，n個火焰探測器均勻預(yù)置在防爆膠輪車發(fā)動機(jī)艙周圍，當(dāng)任一火焰探測器探頭捕捉到火焰信號 (光波探測或感溫元件)，火焰探測器將信號發(fā)送給滅火裝置控制器，繼而驅(qū)動滅火器罐出口處的防爆電動球閥，使滅火器內(nèi)儲存的干粉滅火劑通過介質(zhì)管路和噴嘴迅速工作，覆蓋發(fā)動機(jī)艙周圍，實現(xiàn)膠輪車輛發(fā)動機(jī)艙的自動滅火保護(hù)。該裝置還具備手動觸發(fā)功能，拉下控制器緊急拉環(huán)，啟動防爆電動球閥，也可實現(xiàn)手動一鍵滅火[12]。

圖4 自動滅火裝置Fig.4 Automatic fire extinguishing device

礦用車載自動滅火裝置的優(yōu)點是其可通過探測明火光波的波長和設(shè)定溫度來檢測火災(zāi)的發(fā)生，可不受煙霧和起火點遠(yuǎn)近的干擾，靈敏度高、檢測精確；缺點是系統(tǒng)的觸發(fā)需給控制器和電動球閥供電，如果車輛供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)則無法正常工作。

3 結(jié)語

井工煤礦輔助運輸裝備現(xiàn)有智能化技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上提升了膠輪運輸裝備運行的可靠性，降低了維護(hù)工作量和成本，增加了裝備開機(jī)率。但上述技術(shù)更多的是集中于單機(jī)智能化小系統(tǒng)的獨立應(yīng)用，智能化水平仍有待提升。后續(xù)結(jié)合礦井綜合一體化平臺及各種智能化分系統(tǒng)，輔助運輸裝備智能化程度將會更高，運行將會更加清潔高效，進(jìn)一步推動煤礦減人少人化進(jìn)程。筆者認(rèn)為后續(xù)輔助運輸裝備智能化發(fā)展趨勢如下：

(1) 單機(jī)技術(shù)多樣化 諸如清潔燃燒技術(shù)、防爆高比能量電池技術(shù)、電池高效管理技術(shù)、電池快換技術(shù)、整機(jī)底盤線控技術(shù)、噪音控制技術(shù)、輔助駕駛子系統(tǒng)技術(shù)等方面技術(shù)將會得到較大發(fā)展，輔助運輸裝備的可靠性和智能化程度將會得到進(jìn)一步提升。

(2) 車輛運輸高效化 結(jié)合礦井車輛智能調(diào)度系統(tǒng)，車輛精確定位系統(tǒng)、交通標(biāo)志管控系統(tǒng)、物資管控系統(tǒng)等系統(tǒng)的應(yīng)用，將實現(xiàn)運輸車輛的高效運行和管理，提高車輛周轉(zhuǎn)率，節(jié)省能源和成本消耗。

(3) 車輛運維智能化 依托無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、智能機(jī)車保護(hù)技術(shù)、關(guān)鍵元部件故障診斷技術(shù)等，結(jié)合車輛燃油、電池使用情況、備件消耗情況、運行記錄、車輛故障率統(tǒng)計等信息，綜合判斷并發(fā)出警示，便于及時消除故障，提高車輛的智能運維能力。

(4) 車路協(xié)同自動駕駛 在提高單機(jī)線控技術(shù)水平實現(xiàn)車輛行駛精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)上，充分利用礦井高精地圖系統(tǒng)、精準(zhǔn)定位系統(tǒng)、車路協(xié)同無線傳輸系統(tǒng)等，利用相關(guān)算法進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃和實時導(dǎo)航，結(jié)合車載感知設(shè)備，確保車輛主動避障和行駛安全，實現(xiàn)煤礦井下車路協(xié)同自動駕駛。