某銅礦電機車無人駕駛技術應用可行性分析

〔摘 要〕以國內某大型銅硫地下礦山為例，針對該礦存在運輸量大、裝載點多、運輸路線長、運輸設備自動化不高等問題，結合深部擴建開拓運輸系統、生產規模、中段巷道布置、礦廢石裝載方式等設計方案，詳細論證了將電機車無人駕駛技術應用于該礦深部擴建工程的可行性。研究結果表明：通過對礦區深部中段高度、采場溜井設計、裝載方式以及中段運輸路徑等關鍵參數進行優化調整后，應用電機車無人駕駛技術可顯著提高中段運輸效率和井下本質安全水平，達到減員提質、降本增效的效果。

〔關鍵詞〕地下礦山;開拓運輸系統;裝載方式;無人駕駛

中圖分類號：TD524" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）05-0009-04

Analysis on the Feasibility of Unmanned Electric Locomotives Driving Technology in a Copper Mine

TAO Shuyin， FAN Fuquan

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" Taking a large-scale copper-sulfur underground mine in China as an example， in response to the existing problems such as large transport volume， a lot of loading points， long transport routes， and low automation of transport equipment in the mine， the paper discusses the feasibility of applying unmanned electric locomotives driving technology to the deep mine expansion project in detail in combination with the development amp; transportation system， production scale， layout of level drifts， and loading modes of ores/waste rocks in the deep expansion design proposal. The research results show that the application of unmanned electric locomotive driving technology can significantly improve the level transportation efficiency and the underground intrinsic safety level by optimizing and adjusting key parameters such as the height of the deep levels， design of the ore pass， loading mode， and level transportation paths， so as to achieve the effect of reducing the number of personnel， improving the quality， reducing the costs， and increasing the efficiency.

Keywords" underground mine; development amp; transportation system; loading mode; unmanned driving

隨著礦業發展模式的迭代更新，采礦業逐漸向規模化、協同化、集約化方向發展，礦山企業原有粗放型的發展模式已經無法適應當前資源開采、環保約束不斷強化的開采環境，安全管理壓力、生產成本、環保成本等均呈上升趨勢。在這種背景下，創新驅動發展已成為礦業發展的新主題，通過數字化管理和智能化管控，促進企業轉型升級是未來礦山可持續發展的必由之路[1-3]。

電機車運輸是地下采礦運輸系統的關鍵工程之一。現階段，我國地下礦山的電機車運輸仍以人工駕駛為主，然而由于井下作業條件復雜、司機操作不當等原因，人工駕駛電機車容易造成機車追尾、相撞、側翻等事故。電機車無人駕駛技術提供了一種安全可靠的運輸方案，從人員行為、作業環境和設備運轉三個方面提高礦山本質安全水平，達到了節能減排、減員增效的效果[4-6]。因此，適時地在地下采礦運輸系統中引入電機車無人駕駛技術，是處于戰略轉型期的礦山企業提升綜合競爭力，分步實施智能礦山建設的重要環節。本文以某銅礦深部開拓系統為例，探討無人駕駛技術在地下礦山的研發與應用。

1 電機車無人駕駛技術方案分析

1.1" 礦山現狀

該銅礦是國內大型銅、硫地下開采礦山，采選生產能力5 kt/d，開采對象以銅礦體和硫礦體為主，礦石中伴生有金、銀、鉛、鋅等多種有價元素。該礦采用上向水平分層充填采礦法和下向進路充填采礦法，采用豎井開拓方式，“主、副井+輔助斜坡道”的開拓方案。該礦現已開拓至10#中段，中段高度為40～50 m，目前主要生產中段為8#和9#中段，深部開拓系統設計范圍為11#～20#中段。

1.2" 技術可行性分析

結合生產現狀和深部開拓系統設計，技術人員計劃將電機車無人駕駛技術應用于該銅礦深部擴建工程。經初步分析，技術人員認為在深部12#中段采用電機車無人駕駛技術具有一定的技術可行性，理由如下：1）深部擴建的生產規模為10 kt/d，礦山生產能力大，服務年限長。2）為了適應該技術的應用，中段高度由50 m優化為100 m。屆時，12＃中段保有資源量會增加，占礦區資源總量的32.3%。服務年限為8 a左右，且單中段開采即可達產。3）采用淺孔爆破，礦石、廢石塊度小，含水量低，溜井放礦容易。4）12#中段溜井數量多，礦石溜井、廢石溜井共計17個，中段運輸路線長，僅靠人工操作、調度和管理，運輸效率很低。5）12#中段礦石、廢石運輸量大，同時工作的電機車多，需要配備的駕駛人員、裝卸礦人員數量多。6）根據以往的生產經驗，電機車發生追尾、撞擊安全事故的可能性較大。

1.3" 技術方案比較

為直觀地對電機車無人駕駛方案和有人駕駛方案進行比較，分別采用兩種技術方案進行方案設計：1）電機車無人駕駛方案。12#中段采場內礦石通過3 m3柴油鏟運機運至采場溜井，經頂裝式放礦機裝入6 m3底卸式礦車。每９輛礦車在中段內由20 t電機車單機牽引至新主井附近的溜破系統。礦石在此被破碎后，裝入箕斗提出地表。中段廢石則由20 t電機車單機牽引9輛6 m3底卸式礦車運至新主井附近的廢石溜井，卸載后，通過皮帶輸送至箕斗提出地表。2）電機車有人駕駛方案。11#、12#中段采場內礦石均通過3 m3柴油鏟運機運至采場溜井，經側裝式放礦機裝入4 m3底側卸式礦車。每１０輛礦車在中段內由10 t電機車雙機牽引至新主井附近的溜破系統。礦石在此被破碎后，裝入箕斗提出地表。中段廢石由10 t電機車雙機牽引10輛4 m3底側卸式礦車運至新主井附近的廢石溜井，卸載后，通過皮帶輸送至箕斗提出地表。

可以看出，兩種方案在礦山生產規模、中段有軌運輸、采場溜井裝礦、采場生產能力、新主井提升等前提條件上是一致的，但在中段高度、采場結構參數、生產中段數量、溜井裝礦方式及數量、中段巷道布置、中段運輸能力、機礦車選型及數量、電機車運輸路徑、人員及其他相關設備等前提條件上有所差異。兩種方案比較結果詳見表1。

可以看出，該礦中段運輸采用電機車無人駕駛方案的投資和年經營費用較低，可比費用現值更低，方案更優。

2 基于電機車無人駕駛技術的方案優化

為了讓電機車無人駕駛技術更具適應性和可靠性，對原方案中段高度、采場溜井、裝載方式以及中段運輸路徑等方面進行優化。

2.1" 中段高度優化

該銅礦目前中段高度為40～50 m，由于礦體屬于急傾斜礦脈，為高中段設置提供了基礎條件。同時，該礦正在建設的全尾砂膏體充填系統，能及時充填井下空區，保證采場作業循環運行正常，也為采場結構參數優化提供了有力保障。結合采礦方法特點，分段為主要回采單位，中段僅作為礦石、廢石集中運輸的巷道和風、水、電等管纜布設的通道。其高度僅受溜井卸礦高度、中段內礦石集中運輸能力等的影響。為適應電機車無人駕駛技術的應用，將中段高度調整為100 m，并將原兩個中段（１１＃、１２＃）合并為一個中段，作為礦石、廢石集中運輸中段，中部設無軌運輸副中段。

2.2" 溜井工程優化

電機車無人駕駛技術對巷道掘砌和軌道安裝的平整性、控制系統的精準性和運行過程的穩定性都提出了更高要求。為提高裝/卸載的連續性和穩定性，適當減少了裝載點的數量。由于中段高度的優化調整，采場結構參數也發生了相應的變化，礦石溜井數大幅減少。在正常情況下，2個礦塊設置1條礦石溜井；沿走向布置的中厚及薄礦脈或獨立不連續礦體可考慮3個礦塊共用1條礦石溜井。12#中段北區設計6條礦石溜井、2條廢石溜井（溜井傾角75°），采用穿脈裝礦；南區設計7條礦石溜井、3條廢石溜井（溜井傾角85°～90°），采用沿脈裝礦。廢石溜井與礦石溜井集中布置，共用車場，在減少工程量的同時，也便于運行管理。

2.3" 裝載方式優化

目前，礦車裝礦的方式有頂裝和側裝兩種，兩種裝礦方式各有優劣。1）頂裝式裝載的優點包括：可以快速連續地裝滿一列礦車，礦車裝滿系數高且能穩定保持在較小波動范圍內，裝礦效率高；裝載站內壁配有耐磨襯板，壽命長；裝載站可通過現場操作臺控制，也可在中控室進行遠程控制；裝載溜槽與礦倉底部采用法蘭連接，便于安裝、更換；液壓油缸側裝，設備檢修方便，安全性、可靠性更高。缺點是硐室工程量較大，設備投資高。2）側裝式裝載的優點是硐室工程量少，設備投資低。但由于其采用振動裝礦機裝礦或重型板式裝礦，均屬于斷續式裝礦方式，導致礦車裝滿系數較難控制，裝礦過程不穩定，易撒礦，裝礦不均勻，易造成礦車偏載。且由于電機位于設備下方，設備檢修困難。頂裝式與側裝式方案技術參數比較見表2。頂裝式裝載站在硐室工程量和設備配置上投資較大，但運行電機車的數量較少，裝車時間短，更有利于運輸系統的自動化運營和人性化管理，因此推薦采用頂裝式裝載。

2.4" 運輸路徑優化

12#中段分為北區和南區兩部分，北區裝礦點布置在穿脈中，每個穿脈與東西走向的沿脈巷道形成運輸環路；南區因礦體產狀由沿脈巷道形成較大的運輸環路，所有裝礦點均布置在沿脈中，并在裝礦點位置設雙軌巷道便于錯車。根據南、北區運輸效率計算結果，結合巷道布置、單雙軌道和轉轍機設置等多種因素分析，對12#中段南、北區運輸路徑進行優化和確定。

北區運輸路徑相對簡單。空載電機車從新主井附近的卸載站出發，經岔道口向北，沿北側沿脈巷道行駛，根據自動調度指令前往相應的穿脈裝礦。裝礦結束后，重載電機車駛出穿脈，進入中間沿脈巷道返回，由東向西到達卸載站，完成卸礦。所有電機車均為順時針方向行駛，北區運輸路徑詳見圖1。

南區運輸路徑相對復雜。空載電機車從新主井附近的卸載站出發，行至岔道口時，與去往北區的電機車一樣向北行駛，經過北側沿脈巷道后，在12#中段最東端駛入南側沿脈巷道。在南區裝載點完成裝礦后，繼續沿南側沿脈巷道行駛至中間沿脈巷道，由東向西到達卸載站，完成卸礦。所有電機車均為順時針方向行駛，南區運輸路徑詳見圖2。

另外，南區和北區運輸巷道交叉部分的軌道布置值得在實際生產實踐中進一步研究，以提高多輛電機車同時運輸的效率及安全可靠性。

3" "結論

礦業發展正處在深度結構調整的戰略轉型期，為促進行業技術進步，引導礦山高質量發展，國家制定并發布了一系列的政策文件，圍繞智能礦山建設進行了頂層設計。該銅礦作為某省標桿企業，率先引進電機車無人駕駛技術對于響應國家政策號召具有重要意義。此次針對某銅礦深部開拓系統的電機車無人駕駛方案設計有以下經驗可供參考：

1）電機車無人駕駛方案與有人駕駛方案相比，井下機車運行除巡檢、地表控制人員外，基本無人操作，可大大降低人為操作不當引發的設備故障和安全事故。中段運輸每班減少 6人，每年可節省近300萬元。電機車單位時間內的運輸量更大，礦石品位和可選性得到控制，運輸效率更高。在基建投資方面，采用電機車無人駕駛方案可節省約8 000萬元，基建工程量減少61 870 m3，經營成本方面減少524萬元，費用現值減少6 914萬元。另外，采用電機車無人駕駛技術，滿足了綠色礦山、智能礦山的建設要求，解決將來井下操作人員招工困難、易患職業病等問題，提高礦山生產組織效率和本質安全水平，故電機車無人駕駛方案更優。

2）根據礦山實際情況，對電機車將中段高度調整為100 m，個人駕駛方案進行了進一步優化：（1）中段高度優化后，礦石、廢石集中在一個主中段運輸，減少同時運輸的中段數；副中段不設礦石、廢石卸載車場，且主溜井不設分支溜井；中段裝載點減少，施工、管理簡單。（2）裝載站選擇裝滿系數和裝車效率更高、連續性更好的頂裝式裝載站，有利于電機車無人駕駛技術的應用。（3）對12#中段北區、南區兩部分的運輸路線進行了優化。優化后，南區電機車雖然需要繞行北側沿脈巷道，運輸線路相對較長，但是巷道布置簡單，雙軌巷道設置較短，轉轍機數量少，控制邏輯簡單，完全契合井下軌道運輸自動化系統簡單、高效、穩定的理念。

參考文獻

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