遙控電動鏟運機在吳集鐵礦的工業(yè)試驗與研究

陳天宇 解天宙

（五礦礦業(yè)智慧礦山研究院）

近些年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，信息化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化等技術已經(jīng)在很大程度上融入到了傳統(tǒng)采礦行業(yè)之中，讓老舊的采礦技術得到了革新與發(fā)展［1］。隨著相關信息技術的發(fā)展和先進設備的出現(xiàn)，為井下大型鏟運設備的遠程遙控提供了技術支持，在國際上已有礦山成功實現(xiàn)了遠程遙控駕駛和自助出礦，如在智利的全球最大地下銅礦Codelco和全球最大的地下鐵礦瑞典基律納等礦山都裝備有山特維克AutoMine Lite自動化出礦系統(tǒng)，相關技術基本成熟，但國內(nèi)尚未有成功推廣的案例。隨著設備自動化和智能化水平不斷提高，井下“無人”和“少人”成為新的發(fā)展方向。但是，受井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣、網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定、巷道及采場條件較差等因素影響，井下大型智能化設備，尤其是非煤礦山大型鏟運設備的探索和實踐相對較少。目前國內(nèi)電動鏟運機還以現(xiàn)場人工駕駛為主，工作環(huán)境差，事故率也較高，不利于未來礦山發(fā)展。

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司吳集鐵礦位于安徽省六安市霍邱縣，吳集鐵礦（北段）屬于國內(nèi)大型地下磁鐵礦礦山。吳集鐵礦采用階段高度為100 m、分段高度為25 m的階段空場嗣后充填采礦方法［2］，采用人工駕駛LH514E型6 m3電動鏟運機出礦。人工駕駛電動鏟運機存在人員配置多，工作環(huán)境差，勞動強度大，連續(xù)出礦能力差等缺點。隨著地下礦開采規(guī)模的顯著提高，采礦條件變得愈來愈惡劣，對人的安全威脅也愈來愈大［3］。為降低一線作業(yè)人員的工作風險，改善一線作業(yè)人員的工作環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，進行遙控電動鏟運機在吳集鐵礦的試驗與研究。

1 電動鏟運機智能化出礦系統(tǒng)概況

1.1 項目簡介

LH514E Automine Lite2.0電動鏟運機智能化出礦系統(tǒng)包括機載自動化組件、ACS門禁系統(tǒng)、地表操作站、MineLAN通訊網(wǎng)絡和智能化運行系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)集成了Can-bus總線控制、激光雷達、慣導陀螺儀、車載導航電腦、工業(yè)無線網(wǎng)絡、安全光柵等多種高新技術，推動了井下鏟裝出礦作業(yè)由機械化向智能化的演進。

該套系統(tǒng)由電動鏟運機司機在地表控制室操作控制，在鏟裝環(huán)節(jié)由駕駛員人工遠程操作，行進環(huán)節(jié)、卸礦環(huán)節(jié)、返回裝礦點環(huán)節(jié)皆為系統(tǒng)自動運行。為保障系統(tǒng)運行安全，該系統(tǒng)需在無人的全封閉環(huán)境運行，故采用ACS門禁系統(tǒng)，將試驗采場封閉為無人環(huán)境，禁止任何人員進入采場干擾電動鏟運機正常運行，如有人員誤入采場區(qū)域，將觸發(fā)ACS門禁系統(tǒng)，系統(tǒng)自動緊急停車，防止出現(xiàn)意外傷害，保障人員和設備的安全。

1.2 系統(tǒng)配置

圖1展示的即為安徽開發(fā)礦業(yè)AutoMine?Lite系統(tǒng)應用方案。1臺自動化配置的設備在封閉工作區(qū)運行，由控制臺遠程控制。

AutoMine?Lite涉及的關鍵組件有無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)（MineLAN）、配備AutoMine Lite車載系統(tǒng)的LH514E鏟運機、ACS門禁系統(tǒng)—光柵式門禁、光纖有線網(wǎng)絡、遙控操控臺機柜、遙控操作臺。

1.3 MineLAN生產(chǎn)區(qū)域無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)

MineLAN系統(tǒng)提供自動鏟運機與ACS系統(tǒng)以及與地面控制室之間的通訊。所有無線通訊都基于IP，完全兼容IEEE 802.11g協(xié)議，理論上通訊速度可達54 Mbit/s。

1.4 網(wǎng)絡熱點（AP）

自動出礦局域網(wǎng)部件組成見圖2。

電源盒用作網(wǎng)絡熱點的中繼供電，同時也作為熱點與組件盒（控制室）之間的以太網(wǎng)接口。

1.5 網(wǎng)絡技術要求

在鏟運自動化現(xiàn)場與控制室之間建立專用光纖網(wǎng)絡是最簡單可靠的解決方案。且此方案無需特殊系統(tǒng)配置及其它連接。

使用2只單獨的單模光纖轉(zhuǎn)換器（光模塊）在控制室與鏟運自動化現(xiàn)場系統(tǒng)之間建立連接。網(wǎng)絡架構見圖3。

所有光纖網(wǎng)絡都基于IP，且與100/1000 BASE IEE802.3協(xié)議兼容。

1.6 車載自動系統(tǒng)總成

自動化配置的LH514E鏟運機擁有車載InfraFREE?導航及視頻系統(tǒng)。其它組件包括MineLAN移動客戶終端及車載安全控制模塊。

選裝滅火系統(tǒng)（比如Ausul系統(tǒng)），用于檢測鏟運機起火且自動啟動滅火功能，在Automine Lite應用中為強制要求，必須配備。

1.7 ACS門禁系統(tǒng)

ACS系統(tǒng)由可移動式門禁組成，其必須安裝在自動區(qū)域的每一個入口［4］。將礦山自動運行區(qū)與其它區(qū)隔離，且防止危險情況，并確保自動區(qū)連續(xù)運行。

標準門禁配置為2對光柵，由現(xiàn)場機柜及控制機柜組成。光柵安裝間距根據(jù)鏟運機最小停車距離確定。

1.8 遠程控制室

遠程控制室主要由遠程控制臺及操控臺機柜組成。

2 實施方案

2.1 井下專用光纖

系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊包括值班室到吳集采場-300 m水平的專用光纖，8-1#和8-2#采區(qū)內(nèi)的無線通訊網(wǎng)絡（MineLAN）。如果用戶指定井下某處作為臨時控制室，則還需從此臨時控制室架設到采區(qū)的光纜。

2.2 專用光纖布置方案

光纖網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的骨干通訊部分，連接控制室、吳集采場井下-300 m水平區(qū)域網(wǎng)絡熱點（AP）、光柵門禁及LH514E車載以太網(wǎng)客戶端。

單模光纖在吳集采場-300 m水平8-1#及8-3#采區(qū)的終端位置為采變硐室內(nèi)部，與網(wǎng)絡機柜安裝位置相同。

2.3 井下MineLAN及ACS系統(tǒng)布置安裝原則

MineLAN及ACS的布置直接影響到Automine的運行是否穩(wěn)定可靠。需要考慮LH514E型鏟運機的最高車速以及現(xiàn)場實際情況，同時考慮物理隔離門的建造方案及ACS門禁的安裝位置。

2.4 地下MineLAN及ACS門禁布置方案

根據(jù)山特維克AutoMine系統(tǒng)的要求，每臺自動化遙控的鏟運機必須運行在各自獨立的封閉區(qū)域，即通過光柵或者物理方式將該區(qū)域與人工操作區(qū)域隔離。

在自動化改造的LH514E型鏟運機運行區(qū)域及可及之處，要求WIFI網(wǎng)絡信號強度達到系統(tǒng)要求最低值以上，且無盲區(qū)全覆蓋。而MineLAN WIFI熱點（AP）的布置策略，尤其是天線的布置方式將直接影響所搭建MineLAN的關鍵參數(shù)值。同時，為減少安裝及后期設備轉(zhuǎn)場工作量，在確保關鍵指標滿足技術要求的情況下，在布置方案設計過程中，要盡力考慮使用最少的AP達到預期效果。在鏟運機行進過程中，其車載WIFI客戶端與AP的連接會動態(tài)的在各個AP之間切換，見圖4。

在鏟運機運行的整個封閉區(qū)域，要求確保任何位置都有網(wǎng)絡覆蓋。針對吳集采場-300 m水平的8-1#，8-3#采區(qū)，設計如下MineLAN布置方案。

總共需布置6臺AP。在8-1#及8-3#采區(qū)各布置2臺AP，每臺AP配置2根延長饋線連接的全向天線，每根天線布置于各條采礦進路正對面頂部，同時也兼顧穿脈信號覆蓋。同時在延脈及溜井附近也各布置1臺AP。

ACS門禁系統(tǒng)布置方案在圖5中也有體現(xiàn)。在電梯井附近安裝有一套光柵門禁，守住入口，防止在系統(tǒng)自動運行時，其他人員或車輛進入。

2.5 鏟運機電纜錨固

在空間允許的情況下，電鏟的高壓供電電纜錨固點必須位于自動化區(qū)域內(nèi)部。這樣布置的目的是避免在鏟運機行駛的過程中，高壓電纜的抖動引起門禁光柵的誤觸發(fā)。

3 現(xiàn)場實施

3.1 AP安裝

在施工過程中，要確保AP主機安裝在較安全的位置，不易被鏟運機碰到或落石砸到。

天線要盡量安裝在巷道頂部居中位置，所有天線必須垂直水平面安裝，以防止信號衰減。

3.2 電纜敷設

為有效避免被鏟運機剮蹭，所有信號電纜及220 V供電電纜安裝高度盡量高于3 m。電纜水平敷設時必須與巷道走向一致，且貼著巷道頂部或側(cè)壁布置。垂直方向敷設時必須與地面成90°，即橫平豎直。電纜改變敷設方向時要求成90°轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎處應有適宜的圓弧。

電纜懸掛點的間距在水平巷道或傾斜巷道內(nèi)應保持1 m。懸掛高度符合下列要求（以下高度以掛電纜鉤予埋件為準）：主要運輸巷道不低于1.6 m，掘進與回采巷道不低于1.6 m，機電硐室不低于1.6 m。

懸掛應有適當?shù)乃神Y度，一般以電纜拉直后自然下垂為宜。要求掛線打電纜吊掛眼，固定電纜鉤的預埋件埋入后裸露長度不超過50 mm。電纜應每根分開吊掛，根據(jù)電纜截面由上而下吊掛，高壓電纜懸掛在最上鉤。電纜安設經(jīng)過躲避硐室時，必須拐彎進硐室吊掛，硐室內(nèi)拐彎處電纜鉤底部靠幫固定。

嚴禁用小電纜鉤掛大電纜，同一地點或同一地段掛同一根電纜只允許用同一類型的電纜鉤。巷道側(cè)壁掛有2根以上的電纜時，不得交叉，且松馳度一致，不得錯鉤吊掛。通訊電纜、信號電纜及電力電纜掛在同一側(cè)。電纜不得掛風筒或水管上，不得遭受淋水，如有淋水需要予以保護。電纜上嚴禁懸掛任何其它物件。

電纜與供風管、供水管在巷道一側(cè)吊掛時，必須敷設在管子上方并保持0.3 m以上的間距。盤圈或盤8字形的電纜不得帶電。高低壓電纜敷設在同一側(cè)時，高低壓電纜之間的距離大于100 mm。高壓電纜之間、低壓電纜之間的距離不得小于50 mm。巷道內(nèi)的通信和信號電纜應與電力電纜分掛在井巷的兩側(cè)，如果受條件所限，在巷道內(nèi)應敷設在電力電纜上方0.1 m以上的地方。

嚴禁用金屬鐵絲包扎懸掛電纜，無論高低壓電纜都不允許有打結現(xiàn)象。

電纜接線盒加板固定牢固，確保不使接線盒兩端的電纜受縱向拉力，接線盒不遭受淋水。如確實在接線盒上方存在淋水現(xiàn)象，必須用防水材料對其進行保護。接線盒調(diào)高，防止淋水沿電纜進入接線盒。接線盒吊掛時銘牌向外。

通過風門、防火門、電氣設備隔墻等敷設電纜時應有穿墻套管保護。

3.3 地面控制室安裝

地面控制室位于安徽開發(fā)礦業(yè)調(diào)度樓10樓。遙控控制臺、控制柜及電源柜在出廠時已經(jīng)完全組裝調(diào)試好，到達現(xiàn)場后僅需進行簡單接線即可。

接線完成后，系統(tǒng)上電，檢查是否可以進入系統(tǒng)，能成功進入系統(tǒng)即表示系統(tǒng)正常。

4 實施效果

4.1 生產(chǎn)效率

由于8-3#采場環(huán)境較差，巷道寬度不足，電動鏟運機運行時轉(zhuǎn)彎半徑過小，造成運行過程中易出現(xiàn)墻體剮蹭的問題，故影響其運行速度和出礦效率。基于以上問題，在8-1#采場的設計中，為滿足電動鏟運機自主運行條件，拓寬了巷道尺寸，在后續(xù)試驗過程中明顯提高了運行速度，并提高了出礦效率。

由表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出，試運行過程中由最初每小時出礦約為17斗，到后期每小時出礦超過20斗，每斗出礦噸數(shù)較為平均，每斗為8～8.5 t，然而ACS門禁和礦石大塊導致的停機時間最長，每班均有出現(xiàn)。在初期測試中，存在卸礦坑頂部高度過低的問題，在卸礦過程中發(fā)生了鏟斗與卸礦坑頂部巖石刮蹭，后期經(jīng)過改造，提高了卸礦坑頂部高度，解決了卸礦鏟斗刮蹭問題。后期隨著自動駕駛路徑的不斷優(yōu)化和遙控電動鏟運機駕駛員駕駛熟練度的提高，出礦效率得到了一定的提升。

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4.2 環(huán)境效益

遙控電動鏟運機由于將操作臺移動至地表控制室內(nèi)，與人工駕駛電動鏟運機相比，可隔絕井下噪聲污染，遠離井下悶熱潮濕的工作環(huán)境，無人駕駛和自動卸礦可大幅度降低駕駛員的勞動強度，大幅改善員工的作業(yè)環(huán)境。對于現(xiàn)場采場來說，由于現(xiàn)場不再設置值班人員，可降低采場內(nèi)部通風成本。

4.3 材料消耗

在試運行期間內(nèi)，該款設備的故障率極低，改造后從未發(fā)生任何剮蹭事故。由于設備采用自動行駛、自動卸礦，運行速度平穩(wěn)，故設備材料消耗大大降低。

4.4 安全情況

由于該套設備采用遠程遙控駕駛，現(xiàn)場不再設置人員，可杜絕由鏟運機引發(fā)的現(xiàn)場人員事故。由于該套設備裝備有多種先進的雷達裝置，可精確定位設備位置，防止設備跑偏，在緊急情況還可自動進行緊急制動，防止車輛發(fā)生側(cè)翻或剮蹭事故。

4.5 人員配置

每部署運行一套電動鏟運機智能化出礦系統(tǒng)，可以替換井下一線生產(chǎn)工人9名。如果多套系統(tǒng)聯(lián)合部署，在一定條件下可以實現(xiàn)1臺操作站控制3臺鏟運機，使出礦作業(yè)勞動效率大幅度提升。

4.6 待改進事項

測試過程中仍有一些問題：①在遙控電動鏟運機運行的過程中，出現(xiàn)震動會導致光柵門禁系統(tǒng)的激光點出現(xiàn)位移，造成ACS門禁系統(tǒng)報警，導致系統(tǒng)緊急停車，需現(xiàn)場人工復位系統(tǒng)才能繼續(xù)運行；②在遙控電動鏟運機運行的過程中，設備高速運行帶起的塵土和碎石也有可能阻礙光柵門禁系統(tǒng)的激光信號，造成ACS門禁系統(tǒng)報警，導致系統(tǒng)緊急停車，需現(xiàn)場人工復位系統(tǒng)才能繼續(xù)運行；③部分大塊礦石會影響設備的運行，易損壞遙控電動鏟運機的鏟斗和鏟齒，并在卸礦過程中易堵塞卸礦坑，故經(jīng)常需要系統(tǒng)停車進行緊急破塊處理，嚴重影響設備運行效率。

5 結語

經(jīng)過一段時間試運行，該套遙控電動鏟運機系統(tǒng)可明顯改善電動鏟運機駕駛員的工作環(huán)境，大幅降低駕駛員的工作強度，提高電動鏟運機運行安全性。經(jīng)過一段時間運行和調(diào)整后，運行效率也有所提高，隨著駕駛員駕駛技術的不斷提高和系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，運行效率將進一步提高。未來進行遙控電動鏟運機全面推廣時，應提前進行采場布置，優(yōu)化采場設計，避免因巷道斷面寬度過窄或者頂板高度不足的問題造成設備刮擦損壞或運行效率降低。如果可以改進或優(yōu)化ACS門禁系統(tǒng)，采取多重門禁方案或通過其他方式降低外界因素對ACS門禁系統(tǒng)的影響，可大幅度提高設備運行效率。如果可以優(yōu)化采場爆破設計，降低礦石大塊率，則既可以提高設備運行效率，又可以減少設備磨損。研究智能化控制系統(tǒng)，將無人駕駛車輛、遙控駕駛鏟運機、智能鑿巖臺車等其他設備實現(xiàn)信息互通互聯(lián)，建立地下系統(tǒng)化的智能設備運行網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化［5］。