鏟運機自動化出礦技術及其應用前景

楊清平，趙興寬，吳國珉，岑佑華

(1.中色非洲礦業有限公司，贊比亞基特韋；2.大冶有色設計研究院有限公司，湖北大冶市 435232)

鏟運機自動化出礦技術及其應用前景

楊清平1，趙興寬1，吳國珉2，岑佑華2

(1.中色非洲礦業有限公司，贊比亞基特韋；2.大冶有色設計研究院有限公司，湖北大冶市 435232)

鏟運機自動化出礦技術是當今世界上最經濟高效的出礦技術，具有行駛速度快、設備運行效率高、運營成本低、安全風險低等顯著特點。介紹了國外鏟運機自動化出礦技術的發展、系統原理及應用效果，分析了其在國內地下礦山的應用前景。

鏟運機出礦；自動化系統；生產效率；應用前景

1 概 述

無軌設備自動化采礦技術研究與開發在國外已有20多年歷史，特別是隨著井下定位及導航技術、信號傳輸與通訊技術、微電子技術、智能控制技術、設備制造技術的長足發展，遙控鑿巖臺車、遙控鏟運機及自動化鏟運機出礦、自動卡車運輸在加拿大、智利、芬蘭、瑞典、澳大利亞、南非等采礦業發達國家的礦山得到廣泛應用，并取得了顯著效果，礦山生產效率、生產能力得到大幅提高，生產運營成本也大幅下降。采場出礦作為采礦工藝的重要一環，其作業的安全高效一直是礦山追求的最高目標，鏟運機自動化出礦必將是礦山發展的必然趨勢。

1.1 鏟運機自動化的發展

鏟運機自動化程度從低到高分為視距控制、視頻控制和全自動運行。為解決鏟運機進入采場空區出礦的安全問題，國內外均較早地采用了視距控制的鏟運機，收到了較好的使用效果。視距遙控鏟運機的原理及安裝最簡單，即將鏟運機上的操作部分復制到一個操作盒內，工人拿著操作盒在遠處看著鏟運機進行操作。視頻控制需要增加一套視頻信號傳輸設施，可以看著操作盒上屏幕的實時圖像對鏟運機進行遙控，對鏟運機遙控的距離比視距遙控遠；全自動運行鏟運機，從裝礦、運行到卸礦全部實現自動化，但所需要的輔助設施也更多更復雜。

1.2 全自動化鏟運機的特點

與傳統的人在駕駛室操作鏟運機相比，全自動鏟運機具有以下顯著特點：不需要人員駕駛鏟運機進入空區出礦，保證了人員安全；鏟運機在設備最佳狀態下運行穩定，避免了人員野蠻操作或操作不當對鏟運機造成的損害，從根本上杜絕了鏟運機與巷道碰撞情況的發生，降低了故障率，提高了鏟運機的使用壽命，降低了維護維修成本以及燃油和輪胎消耗；通過門禁系統隔絕了人員和其他設備進入鏟運機運行區域，保證了鏟運機本身及井下人員設備的安全；更快的工作循環意味著更高的產量，同時自動化鏟運機在井下交接班期間及爆破后都能工作，提高了設備利用率；人員在地表控制室或井下控制車上遠程操控鏟運機，遠離了危險區域，工作環境舒適，一個人最多可以同時控制3臺鏟運機，減少了操作人員的數量及人工成本。

通過對比分析，全自動化鏟運機生產效率最高(如圖1所示)，200 m單程運距循環時間的測算表明，全自動鏟運機能節省時間30～80 s。主要原因是相比于視距遙控鏟運機，全自動鏟運機節省了鏟運機司機上下車的時間；相比于視頻遙控鏟運機，全自動鏟運機運行速度更快。

圖1 不同自動化層級的鏟運機200 m單程運距循環時間對比

2 工作原理

自動化鏟運機系統包括以下主要系統：

(1)門禁控制系統(ACS)，布置進入屏障以控

制人員和設備進入自動化運行區域；

(2)操作站，用于操作人員控制系統及查看用戶地圖界面；

(3)MineLAN通訊網絡，為AutoMine?Loading -Lite子系統與自動化鏟運機間提供可靠且穩定的無線網絡連接；

(4)自動化鏟運機，鏟運機配有InfraFREETM導航系統及視頻系統，另外還包含MineLAN礦山局域網通訊模塊移動終端和ACS門禁模塊。

其工作原理如圖2所示。

圖2 自動化鏟運機系統構成及原理

2.1 網絡及通信系統要求

礦山局域網系統提供自動化鏟運機和門禁系統之間的通訊，網絡范圍涵蓋自動化作業區域和操作站內的設備。

所有的無線通訊基于IP協議并滿足IEEE802.11g協議的要求，理論速度為54 Mbit/s。有線通訊基于IP協議并滿足基于100/1000的IEE 802.3以太網協議的要求。所有設備之間連接的理論速度為100 Mbit/s或1000 Mbit/s。

為了達到實時操控的性能要求，自動化作業區內必須100%覆蓋無線網絡，即井下必須Wifi全覆蓋，能實現實時數據的傳輸。“視線可見”是首要的設計標準，設備天線和礦山局域網接入點之間無死角。

2.2 門禁系統

門禁系統(ACS)采用電子方式來確保系統的安全，防止鏟運機擅自離開作業區，禁止人工操作設備或人員進入該區域。

門禁系統由可移動式門禁組成，門禁必須安裝在自動化作業區的每個進口。由門禁隔離出一塊自動化作業區域，一個門禁由兩對激光門禁(稱為激光門禁對)構成，每對激光門禁間的最小間距為鏟運機的制動停車距離。

使用門禁系統時，操作人員有責任確保通往自動化作業區域的進口都正確安裝了安全設備。只有經過授權的鏟運機才能在自動化作業區內，人工操作設備及人員應保持在作業區外。

在下列情況下，門禁系統和安全裝置將使設備自動停機：激光門禁受到干擾；主開關的快速停機按鈕啟動(操作站)；門禁系統的快速停機按鈕啟動(位于門禁系統現場接線柜和控制箱)；按下鏟運機緊急停車按鈕(在安裝駕駛室及后車架)；鏟運機的無線通訊連接斷開。

2.3 機載設施

與傳統的人工操作鏟運機相比，全自動化鏟運機還需要加裝下列部件：

(1)InfraFREETM導航系統，主要由安裝在前后的兩個掃描儀組成；

(2)攝像視頻輔助系統，4個攝像頭；

(3)門禁控制的機載系統；

(4)無線通訊系統。

2.4 出礦路徑標定與更新

當鏟運機出礦第一次進行自動化運行時，首先需要進行自動化鏟運機的路徑標定，而當鏟運機出礦路徑發生變化時(如隨著進路采礦的進行，出礦路線延長)，需要對原有出礦路徑進行更新。

自動化鏟運機路徑標定與更新，首先需要鏟運機沿著出礦線路運行一遍識途(可在鏟運機駕駛室駕駛或操作站遠程操控)，運行途中鏟運機會用機載掃描儀自動記錄周圍環境和路徑數據，并儲存在內存中。然后，系統會對該掃描的路徑進行優化調整，調整設備邊緣至巷道兩幫距離最小不低于30 cm，并從較低速到較高速多次測試其運行情況，最終得到適合鏟運機自動運行的最佳路徑以及該路徑下的各處的最大速度和使用檔位。

系統提供了路徑的管理功能，可對不同的路徑進行命名和管理，將鏟運機開到指定路徑區域，為其選擇需要執行的路徑，鏟運機就會嚴格按照該出礦路徑行駛及作業。

2.5 操作站

鏟運機自動化系統(最多3個采場，3臺鏟運機)的所有功能可由一個獨立的操作站實現。操作站包括符合人機工程學設計的遙控操作控制臺、門禁系統用戶界面、監視系統人機界面和部件箱。

一個操作站對應多臺鏟運機(以下簡稱為一對多功能)，可以實現一個操作站對位于3個獨立采場內的3臺鏟運機進行操控，以下對此功能進行概括介紹：

(1)一名操作人員可從一個操作站控制多臺鏟運機(同一時間一臺)，當鏟運機到達聯入系統區域內的裝礦點時，系統會發出通知；

(2)操作人員在監控系統的顯示器上選擇所要操控的鏟運機；

(3)同一采場內，僅能有一臺自動化鏟運機進行工作(不具備交通管理系統)；

(4)每一個采場都通過獨立的門禁系統進行隔離；

(5)每個采場的門禁系統都在中控室有其對應的控制面板和PLC；

(6)可通過增加操作站的數量實現對更多采場及更多臺鏟運機的自動化控制。

操作站可設置于地表或遠程中控室內，可通過礦山的主干網絡或單獨的光纖網絡實現數據的傳送。圖3為地表常用的座椅式操作站，主要由6個部分構成：左扶手面板；右扶手面板；油門及制動踏板；門禁系統用戶界面；監測系統觸屏顯示器；視頻顯示及遠程遙控輔助系統。

圖3 座椅式操作站構造

2.6 其他選項

自動化鏟運還可以包含以下可選項，可使自動化鏟運機更可靠高效的運行：

(1)滅火系統，包括火源偵測，發動機自動停機；集成稱重系統(用于產量監控功能)；

(2)遙控救援組件(推薦當鏟運機在無支護條件下運行時選擇，如空場法)，該選項允許遠程釋放剎車，使鏟運機可以被牽引出來，也包含拖鉤視距可見遙控(當需要將鏟運機從未支護的頂板條件下進行救援時使用)；胎壓監測系統；自動化鏟運機機載部件對于超過＋35℃的溫度較為敏感，因此若工作環境超過＋35℃，則需加裝冷卻組件。

3 適用條件

3.1 固定出礦點或多作業面持續供礦

全自動鏟運機最適宜于在自然崩落法等可在固定出礦點長期出礦的礦山，或者單個采場礦量大的采場出礦。若單采場礦量小，則需要對生產區域進行組合開采，多采場同時爆破，然后封閉區域，統一給鏟運機供礦。總之，出礦點和出礦路線越集中越固定，可出礦的時間越長，自動化鏟運機運行的效率就越高。

3.2 對運行環境的要求

為保證鏟運機的高速運行，巷道斷面需滿足其高速運行要求，并盡量減少轉彎，運輸線路盡量平直。同時，運行道路要盡量平整，該設備自帶運行傾斜測量，車速會根據傾斜情況來自動調整運行速度。

保證適當的通風及溫度，自動化鏟運機機載部件對于超過＋35℃的溫度較為敏感，裝礦對能見度也有一定要求。

最后，要加強對設備的維護維系，維修及加油設施要科學布置，最大限度提高設備的完好率和使用效率。

4 應用實例

芬蘭Pyh?salmi Mine礦目前裝備有6臺鏟運機，分別為4臺LH621、1臺TORO11和1臺LH517。共裝備有3套AutoMine Loading-Lite單臺鏟運機自動化系統，這3套系統可控制4臺LH621及1臺TORO11，鏟運機從采場到溜井的平均運輸距離為250 m。操作站設置于移動面包車內，在采場外進行控制。每臺自動化鏟運機每年出礦能力可達30萬t，整個礦山產量由使用鏟運機自動化前的80萬t提高到140萬t以上；作業人員由210人下降至71人。

嘉能可公司位于加拿大的Kidd Creek礦，年生產能力230萬t。目前裝備四套Sandvik的單臺鏟運機自動化系統，控制4臺LH514鏟運機，操作站位于地表中控室，主要用在4個運輸水平之間的溜井倒運和空場法采場出礦，占總量70%。一個操作臺控制一臺鏟運機，主溜井口格篩上的液壓破碎錘也實現在地表控制，一人可同時控制4臺遙控液壓錘。目前，因該礦井深達3000 m，出入井耗時長，每天只能有12 h的有效工作時間(每天2班作業，每班10 h)。因此使用該自動化鏟運機后，每天有效時間增加至15 h，相應的礦山產能提高了50%。

Bolide公司位于瑞典的Malmberget礦山是CaterpillarMINGEM鏟運機自動化系統的試點之一，該礦使用的是CAT R2900G XTRA鏟運機，順利完成了12個月的測試實驗。據Caterpillar估算，測試期間有效提升鏟運機生產效率25%左右，與此同時設備發生碰撞的幾率，以及發生碰撞后維修設備和修補受損區域的時間都已降至為0。除此之外，在人員換班，爆破后通風等無人值守期間，設備可繼續運作，估算可以有效延長生產時間4～6 h。

據統計，采用Sandvik公司生產的自動化鏟運機出礦或自動化卡車運輸以及自動化鏟運機裝載與自動卡車聯合運輸的用戶全球已接近20個礦山，其中采用自動化鏟運機出礦的礦山12個，最高純作業時間每天達到 22 h，平均出礦效率提高了 20%以上。

5 應用前景分析

目前，國內鏟運機自動化技術仍處于初級階段，如凡口鉛鋅礦、大廠銅坑礦，僅僅局限于視距控制遙控鏟運機出礦。但隨著信息及通信技術的進步，必將推動鏟運機自動化出礦技術從現行的以傳統人工視距控制為主遙控出礦，向以先進傳感器及檢測監控系統、智能采礦設備、高速數字通信網絡、新型采礦工藝過程等集成化為主要技術特征的自動化采礦方向發展。因此，鏟運機自動化作為礦山采礦自動化一部分，是礦山未來的發展方向。

(1)礦山自動化是系統工程，需要相關專業緊密配合。要實現自動化設備的高效運行，相應的上下游工序及輔助設施也必須配套，才能實現高效率。鏟運機自動化需要采礦、鑿巖爆破、通風、機械、IT、網絡、設備維護、自動化等相關專業的相互配合，需要每個人對自動化鏟運機出礦的高度統一認識，避免人為干擾對自動化區域的影響(避免無關人員和設備進入自動化門禁區域)。同時自動化系統也存在逐步提升能力的問題，國外自動化鏟運機都是在運行多年的基礎上，設備運行時間才逐步得到提高的。

(2)鏟運機自動化出礦一定要適應礦山采礦方法，各采礦設備之間能力一定要匹配，不能有明顯短板。同時，要努力為井下員工和設備創造一個良好的工作環境，要著重解決好井下通風和路況及文明生產問題，最大限度地提高設備完好率和使用率，發揮設備效率，實現效益最大化。同時要加大考核，提高員工積極性，這是提高礦山生產效率的根本途徑。

(3)要加強設備的日常維護管理，保證設備的出勤率。不論是自動化設備(鏟運機、卡車)，還是其他無軌設備，每天的點檢和每周的強制保養是保持設備完好率和出勤率的重要保證，要杜絕設備帶病作業。

(4)要做好設備和系統操作人員培訓，實現專業化管理，確保系統可靠，簡化建設管理程序。無軌設備的維修、自動化系統的維護要盡可能做到由供貨商提供長期的技術服務與支持，不僅確保了系統設計建設的專業性與可靠性，而且專業化的技術服務也簡化了日常生產管理。

總之，鏟運機自動化出礦技術雖然在提高設備運行效率、提高礦山產能、減少礦山作業人員等方面有很大優勢，但是在推廣應用過程中依然存在較大阻力。主要原因一是前期自動化鏟運機及自動化輔助系統建設一次性投入較大；二是絕大多數礦山自動化系統是在原有系統上添加的，人員觀念轉變及生產磨合有一個過程，常常因為教育培訓不到位以及人員、設備進入自動化門禁區而導致系統自動停

機，加上輔助系統及輔助設施不配套，影響設備效率，導致設備不能發揮最大效能。

但只要堅定信心，抓好以上幾個方面系統建設和管理，鏟運機自動化技術應用前景將十分廣闊，將會給礦山帶來巨大的經濟效益。

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圖9 貫入度對橫向偏移的影響

5 結 論

在國內第一次采用工業試驗的方法對TBM盤形滾刀破碎巖石的機理及影響破巖力的因素進行了試驗研究，采用理論分析與高速攝影技術、計算機仿真技術和工業試驗相結合的方法，進行了大量不同掘進參數的切割試驗，分析了盤形滾刀破巖運動中由于巖石的不均質性導致的位移偏移情況，并對比分析了掘進參數對破巖軌跡偏移的影響規律，得到針對花崗巖切割的最優貫入度參數標準。本文研究內容為硬巖掘進機刀盤結構和刀具布置設計，以及掘進機位姿自動調整研究奠定了重要的技術基礎。

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(收稿日期：2016-05-19)

作者簡介：趙海峰(1978-)，男，遼寧沈陽人，博士，高級工程師，主要從事TBM和盾構機方面的技術研究工作，Email：zhaohaifeng2008＠hotmail.com。

2016-06-17)

楊清平(1965-)，男，湖北孝感人，高級工程師，主要從事采礦技術與管理工作，Email：251671170＠qq.com。