高海拔礦井長距離無人駕駛電機車運輸方案研究

劉 海， 葛啟發， 張維國， 谷龍飛

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

0 概況

礦區地處滇西云嶺支脈，區內地勢南高北低，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。礦區處次穩定區，抗震設防烈度為Ⅶ度。

全礦內共圈定11個具有開發價值的工業礦體，考慮到4 182 m以上礦巖靠近地表，風化程度較高，節理裂隙發育，且礦量較少，設計將4 182 m以上礦體留作護頂礦柱。3 822 m以下及4線以南部分礦體勘探程度低，待探礦工程結束后再行利用。設計確定的開采范圍為4 182～3 822 m標高、4#～13#勘探線之間的礦體，設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。根據開拓系統特點，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，原設計4 122 m中段采用無軌運輸，4 047 m及其以下中段采用有軌運輸方式。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，終端與4 047 m中段采區相連，主要承擔井下礦石、材料、設備及人員的運輸任務，兼作進風通道。礦石運輸能力4 000 t/d。平硐巷道掘進、水溝掘砌、地表有軌卸載站已施工完成。結合礦山建設的實際情況，針對高海拔高寒礦井的特點，從控制投資、降低運營成本和確保井下運輸安全可靠的角度出發，開展4 047 m主平硐運輸方案的研究[1-3]。

1 運輸方案比較

1.1 可供選擇的運輸方式簡介

礦床開拓是礦山建設的長遠大計，一旦建成短時間內很難改變，后期改造難度也非常大。因此，在確定礦床開拓方案時，必須進行多方案的技術經濟比較。一個合理的開拓方案，應該最大程度地滿足生產的需要，系統簡單、合理，管理方便，安全可靠，經濟效益好，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合開拓。礦山開拓系統選擇需要根據礦床開采技術條件、地表地形條件、礦山生產規模、廠址位置、采礦方法等進行綜合考慮。

針對該礦目前采選工業場地、主平硐和部分中段巷道已經建設完成的特點，以現有的建設條件為基礎，以“高效、經濟”為原則，開展4 047 m主平硐運輸方案的選擇，根據國內外部分礦山的生產經驗，經過運輸方案初選后，選定以下三種運輸方式進行方案比較，分別為有軌電機車運輸、井下無軌卡車運輸和膠帶運輸三種方式[3-7]。

(1)有軌電機車運輸方案

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

(2)無軌卡車運輸方案

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

(3)膠帶運輸方案

由于4 047 m主運輸平硐已經形成，考慮膠帶運輸方案的主運輸膠帶分為三段接力運輸。4 047 m中段以下礦石經溜井下放后通過主井箕斗提升至4 077 m卸礦站卸載后進入斜礦倉，斜礦倉下方設破碎站，4 047 m中段及以上礦石通過現有的坑內卡車經斜坡道運至斜礦倉處卸入。所有礦石經破碎后，要求塊度不大于350 mm，通過振動給礦機給1#膠帶，經除鐵后1#膠帶向2#膠帶轉運，再由2#、3#兩條膠帶將礦石運輸至選廠。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，運行速度2 m/s，設計每條膠帶輸送能力為320 t/h，膠帶機均采用變頻調速。

1.2 運輸方案技術經濟比較

根據選擇的運輸方案，采用技術經濟各項指標進行綜合比較，其比較結果如表1所示。

表1 運輸方案主要技術經濟指標比較表

通過表1可以看出，從可比建設投資看，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；從費用現值上看，在服務年限內，方案Ⅰ的費用現值最低。因此，從經濟效果上考慮，方案Ⅰ為最佳方案，即有軌運輸方案。

2 無人駕駛電機車新技術的應用

2.1 無人駕駛電機車技術發展

傳統礦山電機車運輸存在控制設備較為落后、操作人員工作環境惡劣、交接班占用時間長、人為誤操作安全風險高、運行超速容易掉道等問題，導致電機車運行速度較低、運行效率不高。其次，傳統的信集閉系統存在很難準確獲取電機車的運行位置、系統區段劃分不夠合理、缺乏電機車調度功能等問題，無法實現精細化管理。

采用無人駕駛電機車運輸能夠有效解決上述問題。在無人駕駛運輸控制系統中，無人駕駛電機車是最關鍵的受控對象。電機車受控性、可靠性、少維護性、可維護性直接關系到無人駕駛運輸控制系統的成敗。電機車傳統驅動調速方式為電阻和斬波兩種調速，而電阻調速和斬波調速的性能遠低于變頻器驅動，因此本項目無人駕駛電機車設計選擇變頻器調速控制[8]。

2.2 無人駕駛電機車系統組成

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

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

2.3 無人駕駛電機車控制系統

無人駕駛控制系統由無人駕駛電機車的控制系統、全巷道的無線通訊基站和光纜、中控室設備、無人駕駛調度系統、裝載站控制系統、轉轍機控制系統等部分組成。無人駕駛電機車運輸控制系統無線通訊骨干網采用工業現場總線和工業以太網總線雙骨干網結構，雙骨干網結構可以大幅度提高無人駕駛電機車運輸巷道通訊的可靠性和消除移動電機車通訊盲區。無線通訊骨干網結構示意如圖1所示。

圖1 無線通訊骨干網結構示意圖

4 047 m主運輸水平無人駕駛電機車主要功能包括以下內容：(1)電機車自動運行；(2)裝礦過程實現在中控室遠程遙控；(3)實現在4 047 m主平硐現場無人操作生產；(4)在4 047 m主平硐設置中控室，中控室內可以全面監控運輸該中段電機車的運行狀態，檢測實時位置(精度1 cm)及狀態顯示，并根據情況進行實時調度；(5)調度系統自動下達各個電機車的運輸任務；(6)改造裝載站，實現在中控室內遠程遙控裝礦；(7)頭尾雙機同步牽引聯動功能；(8)自動記錄運輸中段生產數據統計；(9)完善的保護功能，確保電機車安全可靠運行；(10)歷史記錄追憶功能。

3 無人駕駛電機車效果分析

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

通過傳統電機車運輸與無人駕駛電機運輸方案進行經濟分析，其投資和年運營成本比較詳見表2。

表2 電機車運輸方案經濟指標對比

通過表2可以看出，與傳統電機運輸方案相比，無人駕駛電機車運輸方案投資增加980萬元，運營成本減少391萬元/a，費用現值減少1 661萬元，經濟效益明顯占優。

可以看出，無人駕駛系統方案不但有利于提高運輸安全和改善了工人工作環境等優點，同時也有利于礦山經濟效益提升。

4 結語

針對高海拔高寒礦井長距離運輸的特點，本文以某銅礦4 047 m主平硐運輸為研究背景，選擇高效、經濟的運輸方案，分析了采用無人駕駛電機車運輸新技術的可行性和效果，可以得出以下結論。

(1)在運輸方案初選中，選擇了電機車有軌運輸、坑內卡車無軌運輸和膠帶運輸三種方式，從技術經濟的比較可以看出，在目前的經濟條件下，采用有軌電機車運輸方案的經濟效益最好。

(2)通過對傳統有人駕駛和無人駕駛電機車運輸的方案優缺點分析，采用變頻技術的無人駕駛電機車運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、改善作業環境的角度出發，開展無人駕駛機車運輸有利于提升礦山自動化水平和經濟效益，具有很好的推廣性和示范效應。