井工煤礦膠輪運輸裝備智能化技術研究與應用

阮進林，孫秀斌，薛志超，王萬貴

國能神東煤炭集團公司保德煤礦 山西忻州 036600

井工煤礦輔助運輸技術與裝備的發展大大提高了礦井的生產準備效率。據統計，全國在用的無軌膠輪車總量超過 16 000 臺，其中進口車輛約 500臺。國產無軌膠輪車的產品線覆蓋面齊全，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一直在飛速發展，其中，防爆柴油機技術、純液壓驅動技術、液力機械傳動技術、電驅動技術、輪邊制動技術及各種保護技術等已非常成熟。隨著煤礦智能化發展步伐不斷加快，輔助運輸裝備單機智能化水平亟待提高，以適應智能化發展的需要。

1 井工煤礦膠輪運輸裝備發展概述

近年來，井工煤礦輔助運輸裝備發展迅速，其供應商中，市場占有率較高、車型較齊全的國內企業有山西天地煤機、常州科試、連云港天明、萊州亞通、湖北塞弗精工等。經過近些年輔助運輸相關技術與裝備的發展和升級，我國已研制成功并應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 的工作面物料及設備的搬運需求。所有裝備實現了煤礦井下無軌輔助運輸作業的全覆蓋，可為不同地質條件的礦井提供優質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，防爆柴油機動力技術得到了較大發展，其燃油經濟性更高、排放更低，已研發出符合國 Ⅳ 排放的防爆電噴柴油機。目前，防爆柴油機無軌膠輪車基本完成了國 Ⅱ 到國 Ⅲ 排放機型的全部升級。安標中心于 2021 年 10 月 22 日發布的《礦用產品安全標志通用安全技術要求 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，該規定能有效提高鋰電池新能源車輛的續駛里程，有利于鋰電池車輛的應用與推廣。在整機方面，防爆新能源無軌膠輪車也得到了較大發展，除了常規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、快速掘進窄型物料運輸車等新能源新工藝裝備也將陸續投入使用。

井工煤礦膠輪運輸裝備的使用，既有利于減人增效，提高生產效率，提高煤礦安全，降低事故發生率，又在研發、設計、制造、試驗等多方面積累了寶貴的經驗，為進一步發展煤礦輔助運輸智能化奠定了扎實的基礎。

2 單機裝備智能化技術及應用

2020 年 2 月 25 日，為提升煤礦智能化水平，國家發展改革委、國家能源局等八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，國內煤礦開始啟動并加快推進礦井智能化建設。當前無軌輔助運輸智能化廣泛應用于微機控制、嵌入式系統、通信技術等相關方面，實現了車輛智能保護、車輛姿態監測和行車信息存儲、自動滅火、智能防撞、車輛定位、車載無線通信、智能調度與管理等功能，推動了煤礦井下輔助運輸智能化進程，既提高了運輸效率，降低了使用維護成本，又提高了人員和設備的安全性，為煤礦安全、高效生產起到了重要作用[4-5]。

井工煤礦膠輪運輸裝備單機智能化技術系統主要包括智能機車保護技術、輔助駕駛技術、自動駕駛技術、輔助安全技術等。智能機車保護技術實現了車輛動力、傳動及輔助功能等配套裝置的狀態監測和故障預警；輔助駕駛技術包括各種安全保障技術，確保車輛安全行駛；自動駕駛技術實現了車輛在井下有限巷道空間內的自動行駛，提高了輔助運輸的安全性；輔助安全技術包括減人、提效、增安等相關輔助性技術。

2.1 智能機車保護技術及應用

早期的煤礦用柴油機車自動保護裝置適用于煤礦井下以柴油機為動力的設備的監測和自動保護，可監測防爆無軌膠輪車 (人車、貨車、皮卡車、指揮車、特種車輛) 的發動機冷卻水溫、油溫、水位、油位、發動機轉速、行車速度、環境瓦斯濃度以及行駛里程等參數。當參數超標時，該保護裝置能夠根據設定邏輯報警或停車[6-7]。

新一代的智能機車保護 (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，除具備防爆柴油機自動保護外，還具備整車電氣參數監測、環境參數感知、圖像視頻監控、距離數據監測、整車燈光控制、數據傳輸以及語音調度通信等功能。該裝置由機車保護裝置主機及配套傳感器 (溫度元件、轉速元件、機油壓力元件、倒車檢測元件、剎車檢測元件、開關量水位元件、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、大容量數據存儲和無線數據傳輸功能 (4G/5G、WiFi)。智能機車保護系統組成如圖1 所示。

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

不同配置的智能機車保護裝置已在防爆柴油機無軌膠輪車、防爆特殊型鉛酸蓄電池無軌膠輪車和防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車上得到了廣泛應用。

2.2 輔助駕駛技術及應用

2.2.1 人員接近預警技術及應用

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

人員接近預警系統控制范圍如圖2 所示，深色陰影區域為停機區，淺色區域為報警區。當佩戴標識卡的人員進入報警區時，聲光報警器黃色燈光閃爍并發出“人員靠近請注意”的報警聲，同時輸出相應的開關量觸點信號，可以控制車輛減速；當佩戴標識卡的人員進入停機區時，聲光報警器紅色燈光閃爍并發出“人員危險請停機”的報警聲，同時輸出相應的開關量觸點信號，可以控制車輛剎車。

圖2 人員接近預警系統控制范圍Fig.2 Control range of warning system for personnel approaching

近年來，煤礦因運輸車輛發生擠碰造成人員傷亡的事故時有發生，井下膠輪運輸裝備配備人員接近預警系統的需求日益旺盛。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，多數出廠即配備了人員接近預警裝置。另外，國家能源集團、陜煤集團、兗礦集團等大型煤企陸續對在用的重型膠輪運輸裝備增配人員接近預警裝置，提高了車輛運行的安全性。

2.2.2 防疲勞駕駛預警技術及應用

礦用車輛防疲勞駕駛預警技術是一套基于先進圖像智能識別分析技術，可在煤礦巷道黑暗環境下，實時監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，并進行監控與數據分析的智能化系統[9]。其中，前向攝像頭可識別前方車輛、行人和車道線，結合車速，測算相對碰撞時間 (TTC)，提供防碰撞預警和車道偏離預警；面對駕駛員的攝像頭可識別異常的人臉面部狀態，一旦檢測到疲勞或姿態異常狀態，系統會通過語音提示駕駛員，注意行車安全。

防疲勞駕駛預警系統的功能包括駕駛員刷臉認證、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墨鏡。

陜煤集團張家峁礦防爆車輛配備了駕駛員疲勞駕駛預警系統，能對車輛駕駛員是否疲勞駕駛進行實時監督，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、疲勞狀態圖像等信息一起通過礦井網絡發送至煤礦調度中心，由調度人員根據接收到的信息，對疲勞駕駛人員采取安全措施并進行管控處理，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°全景環視技術及應用

礦用車輛 360°全景環視技術通過在無軌膠輪車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，采用超聲波雷達或毫米波雷達測距技術 (近距離探測使用超聲波雷達，探測距離為 0.1～1.5 m；遠距離探測使用毫米波雷達，探測距離為 2.0～40.0 m)，對障礙物進行有效識別并報警，控制車輛停機，可有效減少駕駛過程中刮蹭、碰撞等事故的發生。

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 360°全景拼接技術的難度較低，目前已有廠家在申請安標，但還沒有井下車輛可直接應用的產品；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，轉彎狀態時會引起前后攝像頭位置變化，由于沒有固定的參照物，圖像拼接技術難度大，需要引入其他傳感器數據做校準。

2.3 自動駕駛技術及應用

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，且井下產品在電氣方面受到煤礦防爆和安標認證的嚴格限制，地面自動駕駛相關硬件產品、軟件算法等無法直接應用于煤礦井下，技術門檻較高、落地難度較大[10]。

當前礦用膠輪車自動駕駛采用的技術路線多是在原來的防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車上加裝定位單元、環境感知單元、整車控制單元，根據收集到的環境信息對原車的油門、轉向、制動等系統進行相應控制，在井下路況較好的巷道內進行無人駕駛運行試驗。

目前已知部分企業在麻地梁煤礦、張家峁煤礦、小保當煤礦、布爾臺煤礦、上灣煤礦、曹家灘煤礦等煤礦現場開展了井下無軌膠輪車自動駕駛的相關測試和應用。上述自動駕駛系統在井工煤礦現場的應用案例中，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 車聯網架構，無法通過車與路側單元 (V2I)、車與云網平臺 (V2N)、車與車(V2V)、車與人 (V2P) 的數據交互去獲取井下巷道內動態環境信息，不具備為車輛提供超視距感知、變道碰撞預警、自適應巡航、車輛編隊協同決策等多種技術的能力，導致在井下只能實現低速簡易自動駕駛，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化運行。

中國煤炭科工集團太原研究院、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技術和裝備進行攻關，在陜煤集團陜北礦業張家峁礦業有限公司成功應用煤礦輔助運輸智能化系統與裝備，實現了鋰電池驅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 輔助安全技術及應用

2.4.1 自動潤滑技術

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

自動潤滑系統由集中潤滑泵、遞進式分配器、專用加注設備、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，通過液壓馬達驅動離心凸輪和壓力環，進行連續操作。離心凸輪的旋轉影響著傳輸活塞的吸力和壓力沖程，轉一圈完成一次吸油、推油動作。潤滑油經遞進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潤滑油倒吸離開主油路。集中潤滑泵筒內旋轉的攪拌器將潤滑油持續不斷地壓向內置多孔篩，使潤滑油進入泵房并存儲，其中，多孔篩還可以及時排出攪拌壓油過程中產生的氣泡。同時，還配備壓力緩沖閥為潤滑泵和管道系統提供保護，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。

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

2.4.2 自動滅火技術

礦用車載滅火技術包括煤礦輔助運輸膠輪車發動機艙、電動機等周圍的火焰探測、火災報警和自動滅火。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置在防爆膠輪車發動機艙周圍，當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送給滅火裝置控制器，繼而驅動滅火器罐出口處的防爆電動球閥，使滅火器內儲存的干粉滅火劑通過介質管路和噴嘴迅速工作，覆蓋發動機艙周圍，實現膠輪車輛發動機艙的自動滅火保護。該裝置還具備手動觸發功能，拉下控制器緊急拉環，啟動防爆電動球閥，也可實現手動一鍵滅火[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點是其可通過探測明火光波的波長和設定溫度來檢測火災的發生，可不受煙霧和起火點遠近的干擾，靈敏度高、檢測精確；缺點是系統的觸發需給控制器和電動球閥供電，如果車輛供電系統出現故障，該系統則無法正常工作。

3 結語

井工煤礦輔助運輸裝備現有智能化技術的應用在一定程度上提升了膠輪運輸裝備運行的可靠性，降低了維護工作量和成本，增加了裝備開機率。但上述技術更多的是集中于單機智能化小系統的獨立應用，智能化水平仍有待提升。后續結合礦井綜合一體化平臺及各種智能化分系統，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，進一步推動煤礦減人少人化進程。筆者認為后續輔助運輸裝備智能化發展趨勢如下：

(1) 單機技術多樣化 諸如清潔燃燒技術、防爆高比能量電池技術、電池高效管理技術、電池快換技術、整機底盤線控技術、噪音控制技術、輔助駕駛子系統技術等方面技術將會得到較大發展，輔助運輸裝備的可靠性和智能化程度將會得到進一步提升。

(2) 車輛運輸高效化 結合礦井車輛智能調度系統，車輛精確定位系統、交通標志管控系統、物資管控系統等系統的應用，將實現運輸車輛的高效運行和管理，提高車輛周轉率，節省能源和成本消耗。

(3) 車輛運維智能化 依托無線數據傳輸技術、智能機車保護技術、關鍵元部件故障診斷技術等，結合車輛燃油、電池使用情況、備件消耗情況、運行記錄、車輛故障率統計等信息，綜合判斷并發出警示，便于及時消除故障，提高車輛的智能運維能力。

(4) 車路協同自動駕駛 在提高單機線控技術水平實現車輛行駛精準控制的基礎上，充分利用礦井高精地圖系統、精準定位系統、車路協同無線傳輸系統等，利用相關算法進行最優路徑規劃和實時導航，結合車載感知設備，確保車輛主動避障和行駛安全，實現煤礦井下車路協同自動駕駛。