井工煤礦運輸系統智能化技術現狀及發展趨勢

陳曉晶

（1. 中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

井工煤礦運輸系統一般是指在井工煤礦掘進和采煤過程中完成煤、矸石、人員、材料、設備等運輸任務，由若干機械裝備和電氣裝置所組成的系統。其根據運輸對象不同，一般分為主運輸系統和輔助運輸系統。主運輸系統一般采用多條帶式輸送機（或刮板輸送機）和井下緩沖煤倉搭接的方式實現煤炭連續高效運輸，主要負責從井下回采工作面、掘進工作面經工作面巷道、中轉煤倉、大巷、井底煤倉、主斜井（或立井）提升系統、地面上倉至原煤倉的煤及矸石運輸任務，目前我國除少數年產量幾十萬噸的老舊礦井仍采用軌道機車+斜井絞車或立井提升的非連續運輸工藝外，大部分礦井都采用帶式輸送機+斜井或立井提升的連續運輸工藝。輔助運輸系統在煤礦生產中主要完成除煤炭運輸以外的人員、物料、設備、矸石等運輸工作。目前在我國除了傳統的軌道機車+斜井絞車或副立井提升的非連續運輸工藝外，西北地區千萬噸高產高效礦井尤其是斜井開拓的礦井已普遍采用無軌膠輪車的“點到點”運輸工藝[1-6]。井工煤礦運輸系統與采煤、掘進、機電、通風系統一樣，在煤礦安全生產過程中具有舉足輕重的作用。從2015年國家安全生產監督管理總局提出的在煤礦等重點行業領域開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，到2020年2月國家發展改革委、國家能源局、應急管理部等八部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，以及2021年國家能源局印發的《煤礦智能化建設指南（2021年版）》（以下稱《指南》），均明確提出了對煤礦主運輸和輔助運輸智能化建設的要求[1-3]。本文結合筆者2020年至今參與多個煤業集團井工煤礦智能化建設指南智能運輸專項編制過程中的調研研討成果及多年工作經驗，就井工煤礦運輸系統智能化技術現狀、存在問題、關鍵技術及發展趨勢展開論述。

1 井工煤礦運輸系統智能化現狀及存在的問題

井工煤礦運輸系統具有覆蓋區域廣、設備種類多、運輸對象雜等特點，是目前煤礦井下生產過程中用人多和事故頻發的主要環節。據統計，近5 a運輸事故在煤礦事故總數中占比為13%，排名第2，導致死亡人數占比為7%[4]。另外，目前大部分井工煤礦招工難，普遍呈現老齡化嚴重現象。在智能化方面，井工煤礦運輸系統主要實現了底層裝備的機械化、電氣化和單一系統的自動化，在裝備自動化、信息化和系統融合方面與《指南》還存在較大差距[1-7]。通過井工煤礦運輸系統智能化建設達到減人提效、產業升級的需求緊迫。

1.1 主運輸系統智能化現狀及存在的問題

井工煤礦主運輸系統的工藝特點是運輸距離長、搭接轉載點多、運輸效率高。在底層裝備方面，煤礦用帶式輸送機已完全實現國產化，產品系列越來越豐富，代表廠商主要有中煤科工集團上海有限公司、寧夏天地西北煤機有限公司、兗礦集團大陸機械有限公司、淮南煤礦機械有限公司、衡陽運輸機械有限公司、力博重工科技股份有限公司、焦作科瑞森重裝股份有限公司、沈陽沈礦重型礦山設備制造有限公司、江蘇嘉軒智能工業科技股份有限公司、上海精基實業有限公司等。技術參數已逐步接近國際先進水平，特別是在長距離、大運量、高帶強、大功率帶式輸送機，快速掘進后配套長距離同步延伸連續帶式輸送機，無基礎快速拆裝可伸縮帶式輸送機等方面取得了很大成果。目前煤礦用帶式輸送機最大運距為12 800 m，最大傾角為35°，最大帶寬為2.2 m，最高帶速為6.3 m/s，最大運量為7 500 t/h，最大裝機功率為5×3 150 kW，最高帶強為ST7500。

在主運輸系統智能化方面，主要實現了帶式輸送機單機控制和集中控制。國內大部分煤礦基本實現了地面遠程控制整個煤流運輸系統功能。在單臺帶式輸送機保護及控制裝置的基礎上，煤流集中控制系統通過煤礦井下工業以太網形成實時監控網絡，管控平臺具備完善的生產監控管理功能，通過工業電視子系統進行圖像監視，以保障人員及設備安全，通過調度電話子系統對現場人員進行調度并快速檢查、處理現場故障信息。代表廠家主要有天津華寧電子有限公司、天津貝克電氣有限公司、天地（常州）自動化股份有限公司、西安華光信息技術有限責任公司、江蘇三恒科技股份有限公司、淮南萬泰電子股份有限公司等。然而，當前主運輸系統存在運行能耗高、沿線保護可靠性差、用工多等問題。天地（常州）自動化股份有限公司、華夏天信智能物聯股份有限公司、中信重工開誠智能裝備有限公司、寧夏廣天夏電子科技有限公司、山西戴德測控技術有限公司等在智能感知、智能運行、智能巡檢等方面開展了進一步研究[8]。主運輸系統向從工作面到地面原煤倉全對象有人巡視、無人值守、協同經濟運行的管控一體化新模式發展，是當前階段國內煤礦智能主運輸系統的發展趨勢。

目前主運輸系統智能化技術存在的問題主要包括以下4個方面。

（1） 在頂層規劃和標準體系方面：缺乏能達成行業共識的煤礦主運輸系統智能化建設頂層規劃和體系標準。

（2） 在單機保護和控制方面：帶面撕裂檢測和轉載點卡堵檢測因誤動作多，基本不投入使用；無法實現整條帶面上的煤量分布感知，沿線傳輸網絡（包括數據和語音）未實現數字化，且鏈路單一。

（3） 在單機沿線關鍵感知方面：目前對帶式輸送機機械易損部件關鍵運行特征的感知主要集中在機頭、機尾等轉載點，如電動機、減速機、滾筒、電氣開關等，對于沿線的托輥、H型架、帶面、環境等，由于距離長，幾乎沒有很好的感知手段。

（4） 在煤流系統協同管控方面：沿線各緩沖煤倉煤量檢測不準確；緩沖煤倉下口給煤機無法實現給煤量精準控制；帶載啟停過程和根據帶面載荷動態智能控制張緊力和制動力的模型缺失；一般僅實現了順煤流、逆煤流啟停，運行過程中僅少部分實現了根據單條輸送帶瞬時煤流的變頻調速。

1.2 輔助運輸系統智能化現狀及存在的問題

井工煤礦輔助運輸系統的工藝特點是運輸線路經常變化、水平或傾斜線路互相交錯、線路復雜、工作地點分散、運輸環節多、待運物料品種繁多且形狀各異。我國煤礦輔助運輸系統主要以軌道機車、單軌吊、無軌膠輪車等1種或多種混合的運輸工藝為主，現階段安全高效礦井的輔助運輸主要以無軌膠輪車、單軌吊等“點對點”運輸方式為主要發展方向。在底層裝備方面，實現了基本國產自主的機械化、電氣化和簡單自動化。單軌吊部分源于進口，如德國沙爾夫、德國貝克、捷克芬瑞特、捷克斯達迪夫等公司的產品。近年來國產單軌吊技術取得了長足發展，主要廠家包括石家莊煤礦機械有限責任公司、尤洛卡（山東）礦業科技有限公司、太原重型機械集團有限公司、常州科研試制中心有限公司、徐州立人單軌運輸裝備有限公司等。單軌吊裝備已逐步具備了視頻監控、無線遙控、開機自檢、故障診斷等功能。從20世紀80年代開始，我國在引進國外先進技術的同時，逐步研制煤礦無軌輔助運輸裝備，并取得了顯著成果，現已研制成功的車型包括運人車、運料車、搬運車、專用作業車的全系產品，國產化率超過90%，已實現完全替代進口，近5 a內已無進口車型的采購記錄。目前國內市場占有率較高、車型較齊全的無軌膠輪車廠家包括山西天地煤機裝備有限公司、常州科研試制中心有限公司、連云港天明裝備有限公司、萊州亞通重型裝備有限公司等。無軌膠輪車裝備驅動逐步向電噴、電動或混合動力方向發展，已具備車輛智能保護、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。

在輔助運輸系統智能化方面，主要實現了功能側重點不同的各類單系統自動化，各系統之間無法互聯互通。目前國內輔助運輸系統主要以軌道機車信集閉系統、無軌膠輪車紅綠燈調度系統、絞車調度通信系統等監測監控類單系統為主，各系統之間缺少融合。雖然也出現了類似地面物流的井下物資管理系統和滴滴打車系統等信息化應用嘗試，但由于缺乏整個輔助運輸環節的人、車、物之間的數據互通和關聯，目前各系統仍是獨立運行的。傳統的輔助運輸監控系統廠家主要有天地（常州）自動化股份有限公司、合肥工大高科信息科技股份有限公司、山西科達自控股份有限公司、武漢七環電氣有限公司、淮南潤成科技股份有限公司等。隨著煤礦井下人員精確定位系統的推廣應用，逐步出現了深圳翌日科技有限公司、南京北路智控科技股份有限公司、遼寧瑞華實業集團有限公司等人員定位系統廠家以人、車定位合一的方式推廣輔助運輸監控系統的解決方案。輔助運輸向人、車、物全過程管控一體化模式發展是當前階段國內智能輔助運輸系統的發展趨勢[9-10]。

目前煤礦輔助運輸系統智能化存在的問題主要包括以下4個方面：

（1） 在頂層規劃和標準體系方面：缺乏能達成行業共識的煤礦輔助運輸系統智能化建設頂層規劃和體系標準。

（2） 在系統融合方面：煤礦井下輔助運輸沿線各子系統重復建設，如車輛定位系統、紅綠燈調度系統、機車信集閉系統、單軌吊控制系統、絞車電控系統、架空乘人裝置電控系統等，這些系統的底層設備間無法有效融合。

（3） 在機車單機智能化方面：現有煤礦機車尤其是無軌膠輪車的車載終端裝置面臨全方位技術升級與換代需求；目前車輛僅實現了傳統的信號調度，在車輛智能調度、輔助駕駛、核心驅動控制及故障自診斷等技術方面處于起步階段。

（4） 在井下作業無人化方面：煤礦井下遠程遙控特種作業及無人駕駛車輛關鍵技術尚屬空白。

2 井工煤礦運輸系統智能化關鍵技術

2.1 主運輸系統智能化關鍵技術

2.1.1 基于全數字化的FCS分布式帶式輸送機通信控制技術

傳統帶式輸送機單機保護及控制裝置一般采用機頭配置防爆PLC+帶式輸送機通信保護裝置的方式，沿線一般采用電源線+脈沖編碼線+閉鎖線+語音線+低速總線的多芯電纜進行傳輸，存在控制架構復雜、信號易受電磁干擾、沿線數字化擴展困難、系統自診斷能力弱等問題。基于全數字化的FCS（Fieldbus Control System，現場總線控制系統）分布式帶式輸送機通信控制技術采用模塊化、標準化、本安化、平臺化設計，將數字傳輸、開放式可編程控制、基于機器視覺的增強型保護檢測技術充分融合，實現煤礦井下帶式輸送機智能通信、檢測與控制。其架構如圖1所示。

圖1 基于全數字化的FCS分布式帶式輸送機通信控制架構Fig. 1 Distributed communication control structure of belt conveyor based on full digital fieldbus control system

與傳統的帶式輸送機通信控制技術相比，基于全數字化的FCS分布式帶式輸送機通信控制技術在以下2個方面實現突破。

（1） 全數字傳輸。將數據、語音融合進行數字傳輸，將傳統帶式輸送機沿線傳輸信號由4種混合信號（電平、編碼脈沖、總線、語音）整合為1種數字信號（總線），具有抗變頻電磁干擾、長距離傳輸性能強、語音無傳輸衰減等特點。

（2） 分布式架構設計。可靈活實現帶式輸送機沿線各類保護，給煤機、煤倉煤位等信號就近總線接入，并可靈活實現帶式輸送機多機互聯和區域控制模式（圖2）。

圖2 帶式輸送機多機互聯和區域控制Fig. 2 Multi-machine interconnection and zone control of belt conveyor

2.1.2 基于機器音視覺的多傳感融合增強型帶式輸送機保護技術

傳統帶式輸送機一般采用八大保護（打滑保護、堆煤保護、跑偏保護、超溫灑水保護、煙霧保護、撕裂保護、雙向急停開關保護、張力下降保護），其中多為單點保護，如機頭堵煤保護主要依靠接觸式堵煤開關，其對安裝位置有一定要求，在正常運輸過程中易被煤塊誤砸損壞或誤動作，導致頻繁停機。基于機器音視覺的多傳感融合增強型帶式輸送機保護技術引入機器音視覺判斷技術，采用工業高速相機（含音視頻采集功能）、結構光發射器，結合傳統保護傳感器及轉載點前后的煤流量，以多傳感融合計算盒為邊緣計算核心，基于機器視覺技術，采用多傳感融合計算方式實現正帶面流量和異物檢測、正反帶面異常檢測、轉載點卡堵趨勢檢測等增強型保護檢測功能[11-15]。保護裝置如圖3所示。該技術可將傳統的單點檢測和事后報警轉變為多點融合檢測和事前預測，大大提高帶式輸送機保護的可靠性。

圖3 基于機器音視覺的多傳感融合增強型帶式輸送機保護裝置Fig. 3 Enhanced protection devices for belt conveyor based on multi-sensor fusion of machine audio-vision

2.1.3 煤流線協同經濟運行控制技術

煤流線協同經濟運行控制技術以全煤流線所有設備為控制對象，采用多點感知融合技術，根據來煤和載荷分布情況，應用協同控制策略，在保證全線不灑煤的前提下實現煤多快運、煤少慢運的協同經濟運行[16-17]。其應用界面如圖4所示。

圖4 主運煤流協同控制系統界面Fig. 4 Coordinate control system interface of main coal flow transportion

2.2 輔助運輸系統智能化關鍵技術

2.2.1 基于工業互聯網架構的煤礦井下輔助運輸管控一體化技術

傳統煤礦井下輔助運輸系統由多個子系統構成，各系統之間底層設備互不相通，各自在地面采用上位機軟件實現監控。基于工業互聯網架構的煤礦井下輔助運輸管控一體化技術基于統一的工業互聯網架構基礎軟件平臺和一體化通信定位網絡，采用工作流、智能報表、GIS地圖等組件，實現基于二維、三維地圖的輔助運輸一體化管控應用APPs（PC端、手機端、車機端），包括車輛調度、物資管控、運輸管理等[18]。其架構如圖5所示。

圖5 基于工業互聯網架構的煤礦井下輔助運輸管控一體化技術架構Fig. 5 Management and control integration technology structure of underground coal mine auxiliary transportation based on industrial Internet

2.2.2 煤礦井下車聯網及無人駕駛技術

煤礦井下車聯網及無人駕駛技術架構如圖6所示。該技術通過井工煤礦車聯網系統管控礦井車、人、移動設備等動目標，實現礦用無軌膠輪車監控、車路協同、路徑規劃等功能；通過車載智能感知與控制系統的多傳感融合技術，實現障礙物感知，并通過域控制器對車輛進行控制，實現車輛自動避障行駛與路徑合理優化；通過雙模轉向電動無軌膠輪車線控系統實現上層域控制器與底層線控系統通信，并完成車輛基于預瞄軌跡點的橫向與縱向控制[19]。

圖6 煤礦井下車聯網及無人駕駛技術架構Fig. 6 Vehicle-to-everything and unmanned driving technology structure in underground coal mine

與地面車聯網及無人駕駛技術相比，煤礦井下車聯網及無人駕駛關鍵技術在以下6個方面實現突破。

（1） 針對煤礦井下狹長空間及復雜工況環境，通過礦用5G基站、終端、核心網和5G+遠程管控平臺，實現地面遠程對煤礦井下無人駕駛全景交互、應急干預，傳輸時延≤10 ms。

（2） 針對煤礦井下衛星拒止環境，依托基于UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）精確定位技術的煤礦井下位置服務系統，研發煤礦井下類GNSS（Global Navigation Satellite System，全球定位導航系統）、語義級高精地圖和礦用智能路側單元，地圖精度≤10 cm，定位精度≤30 cm，實現煤礦井下自動駕駛車規級定位。

（3） 針對井下爆炸性復雜環境，研制煤礦井下用高性價比本安型激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、車載攝像儀等傳感器；設計DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise，具有噪聲的基于密度的空間聚類）算法，開發井下特征障礙物識別模型；融合MRSU（Mine Road Side Unit，礦用路側單元）網絡信息，實現水幕、煤塵等煤礦井下特殊障礙物檢測。

（4） 針對《煤礦安全規程》中功耗受限要求，研制煤礦井下機車用本安型智能域控制器，解決自動駕駛系統高算力與低功耗平衡問題；設計基于機器視覺引導匹配算法，融合緊組合導航定位算法、MPC（Model Predictive Control，模型預測控制）算法，解決SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即時定位與地圖構建）“長廊效應”問題。

（5） 針對煤礦新能源無軌膠輪車，研究基于礦用電動無軌膠輪車的線控底盤技術，研制礦用線控雙模轉向、線控電子液壓制動總成、線控油門和線控檔位系統，輔以前后橋控模塊、ABS（Anti-locked Braking System，防抱死剎車系統）電磁閥、轉向傳感器、輪速機等，通過CAN總線交互方式，實現上層域控制器與底層線控系統的通信和電子車控，控制整車達到目標速度，并反饋實現閉環。

（6） 形成全本安型智能機車保護控制裝置（圖7），裝置硬件動態增減和功能可軟件定義；全面引入AI（Artificial Intelligence，人工智能）算法進行智能決策、自動執行，以實現煤礦井下高級輔助（或自動）駕駛可量產的應用推廣。

圖7 全本安型智能機車保護控制裝置Fig. 7 Full intrinsic safety type intelligent locomotive protection and control devices

3 井工煤礦運輸系統智能化發展趨勢

根據《指南》中對井工煤礦智能主煤流運輸系統和智能輔助運輸系統的要求，結合上述對井工煤礦運輸系統智能化技術現狀、主要問題及關鍵技術的論述，從近期和中遠期來看，井工煤礦運輸系統智能化發展趨勢如下。

3.1 “十四五”初中期發展趨勢

根據《指南》對初級智能化建設的要求，采用成熟技術直接開展井工煤礦運輸系統初級智能化建設。

（1） 主運輸系統實現地面集中流程控制+現場有人巡視、無人值守的作業模式。煤礦現有的地面集中流程控制+現場有人巡視、無人值守的作業模式已經具備成熟技術條件，通過對帶式輸送機傳統八大保護（尤其是堵煤和撕裂保護）進行完善和升級，能極大程度地提高保護的可靠性。同時通過增加沿線視頻監控和語音聯絡裝置，以及煤倉煤量監測、給煤機控制及產量監控裝置，可更好地實現在地面遠程一鍵流程啟停功能。

（2） 輔助運輸系統實現對運輸裝備遠程集中管控的作業模式。基于信息化的煤礦輔助運輸一體化管控作業模式目前已經具備成熟的技術條件，通過該技術可實現礦井輔助運輸裝備的遠程集中管控。

3.2 “十四五”末發展趨勢

在“十四五”初期智能化建設的基礎上，對于基礎好的礦井，鼓勵應用相對成熟技術，示范先行。根據《指南》對中級智能化建設的要求，開展井工煤礦運輸系統中級智能化建設。

（1） 主運輸系統實現煤流協同經濟運行+機器人輔助巡視、無人值守的作業模式。系統底層可增加集中潤滑、油脂監測、AI增強型保護、智能降塵及防滅火等裝置或系統，提高設備運轉的可靠性與安全性；在固定煤流線增加沿線機器人輔助巡檢，減小巡檢人員勞動強度；以全煤流線所有設備為控制對象，采用多點感知融合技術對全煤流線帶面載荷分布進行精確感知，在保證全線不灑煤的前提下實現煤多快運、煤少慢運的協同經濟運行。

（2） 輔助運輸系統實現運輸裝備高可靠運行+物資遠程集中管控及固定線路固定車型的無人駕駛作業模式。加大對輔助運輸環節中人、車、物的全面精細化管控，大幅提升輔助運輸管理水平，同時減少大量跟車、領料、接料人員。采用數字與實景相結合方式，構建二維、三維高精地圖，同時通過對車輛安裝相機、雷達等傳感器，采用機器學習算法實現高級駕駛輔助功能，大幅提升車輛駕駛的安全性。應用車聯網和智能車輛傳感控制技術，實現固定線路、固定車型遠程（虛實同步）干預無人駕駛模式，在一定線路和車型上實現無人駕駛，示范智能輔助運輸模式。

3.3 2035年中遠期發展趨勢

在“十四五”末期智能化建設基礎上，針對未成熟和卡脖子技術，持續開展科研探索。根據《指南》對高級智能化建設的要求，逐步進行井工煤礦運輸系統高級智能化建設。

（1） 主運輸系統實現煤流全線常態化智能運行+機器人智能巡視的作業模式。全面引入AI感知和執行技術，實現整個主運輸系統從底層裝備到頂層系統整體的智能感知、智能決策、自動執行，真正實現全線常態化局部智慧無人作業模式。

（2） 輔助運輸系統實現運輸裝備故障自診斷+自動裝載接駁的全線常態化無人駕駛作業模式。依托車輛本體分布式總線智能控制、智能識別、邊緣計算、可靠伺服控制等技術的提升，實現井下所有車型（機車、單軌吊、運料車、搬運車、特種作業車）的常態化無人駕駛，運輸過程實現物資集裝化，轉運點實現物資自動裝卸載。

4 結論

結合對井工煤礦運輸系統智能化技術現狀、主要問題、關鍵技術及發展趨勢分析，認為現階段我國井工煤礦運輸系統智能化建設和研究要點如下：

（1） 在主運輸系統方面，應重點研究基于機器音視覺多傳感融合的帶面載荷、轉載點卡堵、正反帶面異常等增強型帶式輸送機保護檢測裝置，并實現其在帶式輸送機上的常態化應用。持續研究智能巡檢機器人及MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）無線自組網技術，加強對帶式輸送機沿線環境參數、托輥異常、H架異常、輸送帶跑偏等的在線檢測；通過擬人化的轉載點排堵和帶面異物挑揀技術，實現井下固定崗位常態化無人。

（2） 在輔助運輸系統方面，應推廣精細化閉環管控和高級輔助駕駛。重點持續研究煤礦井下無人駕駛和自動裝卸載技術，技術難點在于如何依托井下車聯網降低無人駕駛車輛對算力和感知的要求，實現全局精確定位導向和局部精準避障、繞障，以及如何精確控制液壓鉸鏈的轉向。探索輔助運輸物資的集裝化和轉運自動化，這將實現井工煤礦輔助運輸工藝模式的變革。