智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統在煤礦中的應用

趙炳文,劉江斌,衛琛浩,黨文龍,李盟潔,李茂慶

(1.陜西陜煤榆北煤業有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜西陜煤曹家灘礦業有限公司,陜西 榆林 719000;3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710000)

0 引言

隨著煤礦生產技術水平的提高,無軌運輸設備及技術廣泛應用于現代化大型煤礦中,其中防爆無軌膠輪車是其中最重要的輔助運輸設備之一,擔負著除煤炭運輸以外的物料、設備甚至人員的運輸任務[1-2]。目前無軌膠輪車主要采用人工制動方式,但是受到巷道坡度、無軌膠輪車操作維護水平和駕駛員安全駕駛水平等因素的影響,經常出現車輛違規超載、剎車失靈或掛不上檔等現象,導致車輛失速,造成煤礦重大輔助運輸安全事故[3-4],威脅著煤礦附屬設施和從業人員的安全。因此,防爆無軌膠輪車失速攔截技術應用迫在眉睫。

針對無軌膠輪車失速問題,相關從業研究人員相繼提出不同的設計方案[5-9],傳統阻車器主要存在以下問題:傳統阻車器以有軌運輸為主,主要應用于軌道運輸車輛的失速攔截,針對無軌運輸阻車器研究較少;目前的無軌運輸阻車器主要以鋼絲繩、掛鉤、擋車板等剛性攔截為主,柔性防護效果不佳;傳統阻車器主要控制方式為電氣控制,智能化水平不高,無軌運輸系統與地面無法隨時進行監控指揮,容易造成重大運輸安全事故,管理存在滯后性。

隨著國家信息化與工業化的不斷深入融合,煤礦生產、運輸、管理智能化是推進煤炭行業高質量發展的必然要求,行業管理監督部門已陸續出臺相關政策法規,督促規范指導相關單位完成智能化煤礦建設要求。越來越多的智能化技術和裝備應用于大型煤礦[10-12]。針對煤礦輔助運輸,為了貫徹落實國家發改委《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》及國家能源局等部門關于《智能化示范煤礦建設管理暫行辦法》要求,《陜西省煤礦智能化建設指南》中規定:無軌膠輪車運輸系統應具有車輛智能調度、超員/超載/超速監測、車輛輔助駕駛、倒車聲光警示等功能,應配備失速攔截裝置。因此,設計應用新型的智能化無軌膠輪車安全防護裝置是煤礦井下斜巷運輸必不可少的安全措施之一。

曹家灘煤礦引進的智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統,是由陜西煤業化工技術研究院和濟南嘉宏科技有限公司聯合研發,結合無線通信技術,依托雷達測速、視頻監控及阻攔裝置等硬件設備,利用大數據進行提取、比對、加工處理,采集終端結構化及非結構化數據,通過存儲、加載、計算、渲染等方式實現車輛速度、阻攔裝置的工作狀態及巷道內視頻監控數據的實時性、可視性,從而為智能預警提供有效數據支撐,對失速車輛進行有效攔截。

1 智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統構建

1.1 系統關鍵組成

智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統主要由軟件部分、自動控制系統、機械部分組成。機械部分由柔性阻攔裝置、柔性緩沖裝置、執行機構組成,如圖1所示。

圖1 智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統架構

1.2 系統主要功能

智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統主要包括5部分功能。

設備自診斷:系統對關鍵設備的運行狀態進行檢測、診斷并智能報警,方便工作人員遠程維護。

通信雙保障:車載信號發射器的無線通信采用4G和LoRa這2種通信模式,實現無線通信的雙重保障。

柔性攔截:攔車網采用國內先進合成材料及納米流體吸能結構,車輛失速時可以實現對車輛的柔性攔截防護,避免攔截過程由于剛性破壞對人體造成二次傷害。且采用主動攔截和被動攔截2種觸發方式進行攔截,當車輛在失控或在超速的狀態時,攔截網對失速車輛實現百分之百攔得準和百分之百攔得住。

控制預警智能化:依托雷達測速、視頻監控及阻攔裝置等硬件設備,利用大數據進行提取、比對、加工處理,采集終端結構化及非結構化數據,通過存儲、加載、計算、渲染等方式實現車輛速度、阻攔裝置的工作狀態及巷道內視頻監控數據的實時性、可視性,從而為智能預警提供有效數據支撐,通過配置管理以實現預警指標自定義配置,利用信息化手段,將采集數據與自定義指標進行智能比對計算,對車輛超速、失速、阻攔裝置通信中斷、執行中斷及供電中斷等問題,進行相關的智能預警、信息推送及聲光提示。管理人員可對預警信息進行預警干預、預警解除等操作。

融合共享:該攔截系統可以與煤礦監控檢測系統融合,實現數據的共享與融合,便于管理者及時掌握車輛安全運行狀況,為安全生產管理提供數據支撐,是智能化礦山的重要組成部分。

1.3 系統防護機理

當防爆無軌膠輪車出現超速行駛或剎車失靈、掛擋失敗造成的速度失控時,雷達捕捉到超速信號或司機拍下車載信號發射按鈕后,車輛的實時信息通過網絡傳至軟件監控系統,軟件監控系統將信息推送至阻攔控制系統和巷道內的電子顯示、語音提示牌,提醒其他車輛有效避讓,避免二次事故的發生。同時系統通過射頻技術和光電技術雙重分析,計算出最佳攔截位置,下放柔性阻攔裝置,執行機構與軟件監控系統、無線射頻系統連接,控制柔性攔截裝置進入攔截狀態。

柔性緩沖吸能裝置是發揮攔截作用的主要作用機構,該裝置采用多級緩沖吸能結構,使用先進彈性材料與壓板吸能器配合,將膠輪車的沖擊能量轉化為柔性彈性材料的彈性變形和鋼絲繩與壓板之間的摩擦能,達到多級柔性緩沖制動的效果。每個吸能器的攔截能量可調,合理設置吸能量,實現對不同車輛的柔性攔截。

2 系統應用及效果分析

2.1 現場應用情況

曹家灘煤礦位于陜西省榆林市北部榆神煤化工基地,設計生產能力為1 500萬t/a,屬于國家大型煤礦。曹家灘獨特的地理形態對其運輸方式提出新的要求,根據井田的地形地貌及煤層賦存條件,礦井不具備露天開采或平硐開拓條件,考慮斜井開拓具有施工技術要求低;地面設施簡單;井底車場硐室小,工程量小;主運能力大,效率高;有利于作為人員安全出口等優勢,曹家灘礦井采用斜井開拓輔助運輸方式,適合該智能柔性失速攔截系統的實地應用。

為了進一步保證無軌膠輪車輔助運輸安全,曹家灘煤礦于2021年6月引入成套智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統。曹家灘煤礦副斜井全長4 012 m,坡度-5.5°,斷面為半圓拱形,凈斷面23.6 m2,凈寬6 900 mm,凈高5 750 mm,傾角比較平緩。根據曹家灘煤礦傾斜巷道道實際情況和經濟性、安全性原則,在距離副斜井洞口130 m處安裝一套攔車網裝置,其中,緩沖吸能裝置采用壓板吸能器,安裝在巷道兩側壁,吸能器中心離地面70 cm,2個吸能器邊距2.4 m,吸能器和地面平行。轉軸板中心距離地面70 cm,邊距第一個吸能器3 m,轉軸板和地面平行。雷達、射頻、語音固定在同一根橫梁上,安裝在巷道頂板,系統設定雷達限速20 km/h,當顯示速度在20 km/h以下時,顯示綠色,在20 km/h以上時,顯示紅色。各主要部件安裝效果如圖2所示。

圖2 主要部件安裝效果

柔性阻攔裝置安裝在巷道頂板,阻攔網離地距離,根據現場車輛車頭高度確定。固定緩沖鋼絲繩,折彎鋼絲繩最高處離地在1.8～2 m左右,最低處離地30 cm左右,鋼絲繩固定好后,多余的鋼絲繩割齊,并用2個繩卡固定,鋼絲繩和阻攔網連接環處,也用1個繩卡固定。曹家灘煤礦副斜井巷道總共安裝22套攔車網裝置,該攔截系統軟件控制平臺接入煤礦智能化礦山管理平臺,統一進行管理。巷道安裝攔車網如圖3所示。

圖3 攔車網實地安裝效果

通過系統軟件自定義設置定時任務,主動采集超速報警裝置主機、雷達測速傳感器等關鍵設備運行狀態數據。對采集數據上傳服務器軟件,進行分析、預警、展示,同時將預警信息及時推送至相關工作人員,便于工作人員實時掌握設備運行狀態,設備日常維護成本低。

2.2 應用效果分析

在此之前,曹家灘煤礦斜巷輔助運輸安全防護設施主要采取防撞墊、廢舊輪胎對失速車輛提供安全防護,由于其主要設置在巷道墻壁和道路兩側,針對失速車輛阻車效果有限,且車輛失速工況多變,這種防護方式對車輛和人員防護效果不佳,一旦發生失速事故,將嚴重威脅人員生命安全,影響煤礦生產效率;且地面管理人員不能及時了解車輛運行及防護裝置狀態,導致救援延遲。

智能無軌膠輪車失速攔截系統應用狀態如圖4所示,可以看到該系統實現實時監控車輛運行狀態,可以對當月及當日運行車輛總數、預警情況、攔截情況進行統計分析,對車輛實時速度、攝像儀和阻攔裝置進行監測預警,對容易超速的車輛和容易超速時段進行預警,并對超速車輛進行攔截。以該月為例,當月下井車輛共計100輛,其中載客車輛52輛,載貨車輛48輛,實現預警33次,車速超速預警28次,設備異常預警5次,成功攔截車輛1次,通過收集并分析運行數據,發現車輛容易超速時間段為下午16∶00～20∶00。曹家灘煤礦安裝智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統后,無軌運輸車輛及人員的防護水平明顯提高,進一步提高了該煤礦的智能化、信息化水平,目前已經累計安全運行6個月,大大提升了煤礦無軌膠輪車的運輸安全,減少了安全隱患,保證了職工生命和財產安全,具有良好的經濟和社會效益。

圖4 智能無軌膠輪車失速攔截系統應用效果

3 結語

針對煤礦斜井運輸安全現狀及智能化發展趨勢,通過介紹一種智能柔性無軌膠輪車失速攔截系統的構成和主要功能以及曹家灘礦井首次應用該失速攔截系統的現狀和效果,該系統已經完成安裝調試,正處于實際運行階段。其突出特點是利用智能化技術,結合柔性緩沖吸能材料,實現對失速無軌膠輪車進行主動與被動智能柔性攔截,同時可以實時監控車輛及攔截系統運行狀態,運輸安全管理水平成效顯著,為曹家灘煤礦井下輔助運輸系統安全運行提供了可靠保障,該攔截系統的應用對類似礦井具有顯著的借鑒作用和推廣價值。