斜坡道交通安全管控系统在锦丰金矿的应用

张社稷 杨巍巍

摘要：锦丰金矿地下矿山针对主斜坡道存在交通拥堵、运输效率低、安全风险高和车辆人员定位精度差等问题，采用数字化、信息化新技术设计了一套斜坡道交通安全管控系统。该系统采用先进的井下大规模光纤环网组网技术、井下无轨运输设备高精度定位技术、井下无轨运输车载终端技术、井下无轨运输车流管控技术及井下无轨运输车辆生产调度技术，在实际应用中效果较好，有效改善了上述问题，使主斜坡道的年通过能力提高5 %，企业年产值增加约3 898万元。

关键词：斜坡道交通安全管控系统;主斜坡道;数字化技术;信息化技术;井下无轨运输

中图分类号：TD65          文章编号：1001-1277（2021）08-0056-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20210812

数字化、自动化交通安全管控系统广泛应用于机场交通管制、铁路、公路、水运及城市交通管理，并且日益成熟，但该技术在矿山井下应用的实例较少。贵州锦丰矿业有限公司（下称“锦丰金矿”）位于贵州省黔西南布依族苗族自治州贞丰县境内，地下矿山采用斜坡道开拓方式，引进了大量的进口采掘、运输、湿喷混凝土设备，均为无轨轮式行走方式，加上安全、生产、技术等管理人员的车辆，井下斜坡道交通运输异常繁忙，存在交通拥堵、运输效率低、安全风险高和车辆人员定位精度差的问题。斜坡道的通过能力成为制约锦丰金矿生产能力的关键因素，采用数字化、信息化新技术设计了一套斜坡道交通安全管控系统，拟解决锦丰金矿斜坡道交通拥堵和人员定位不精确的问题。

1 工程背景

锦丰金矿采用斜坡道开拓方式，坑内运输采用10台载质量为45 t的AD45B型矿用卡车。主斜坡道净断面面积为 23.37 m2（宽5.0 m，高5.5 m），斜坡道口位于矿体中部下盘 560 m 标高处，折返式向下延伸，截至2020年末已延伸至30 m中段，主要担负井下矿石和废石的运输，以及人员、材料、设备的下放和运出工作。采礦方法为上向水平分层进路式胶结充填采矿法，巷道及采矿进路掘进、锚网支护均采用阿特拉斯Boomer 282双臂凿岩台车，Normet喷浆车人工遥控完成喷浆支护工作，6台斗容量为6 m3的铲运机出矿，所有采场实现了无轨机械化开采。通风方式为机械抽出式通风，新鲜风由进风井、斜坡道进入，污风从东西回风井抽出地表。锦丰金矿已建成完善的地下矿山通讯系统、地下矿山人员定位系统、地下矿山监测监控系统、地下矿山紧急避险系统（205 m 中段设避险硐室）、地下矿山压风自救系统、地下矿山供水施救系统，并通过了当地相关管理部门的验收。

锦丰金矿原设计开采方式为“露天+地下”联合开采，总设计生产规模120万t/a。2015年末露天矿开采结束后，矿山出矿任务全部集中到地下开采。地下矿山原设计的75万t/a生产能力远远达不到选矿厂的生产需要，为满足生产，需增加采掘设备，提高生产能力。随着井下基建和生产任务的加重，以及采矿深度的增加，采矿难度不断增大，运输距离也不断延长，车辆不断增多，井下斜坡道交通系统不堪重负。矿山一部现有各种生产作业车辆48台，加上承包商生产及辅助车辆25台，共计73台车辆均需通过主斜坡道进出井下，主斜坡道宽为5.0 m，仅允许单车通行。各种生产作业车辆仅依靠灯光、鸣笛、对讲系统进行沟通协调避让，其存在以下问题：①斜坡道经常堵车，严重影响生产效率;②如果避让不及时容易发生碰撞，存在重大安全隐患;③井上作业指挥人员无法实时掌握井下生产作业情况，只能依靠管理人员下井进行生产检查;④现有6大系统采用区域性定位，精度低、时效性差。

2 交通安全管控系统

为解决主斜坡道存在的安全生产问题，有效提高井下主斜坡道的利用效率，提高运矿能力，满足日益增加的井下生产任务和基建需求，锦丰金矿与丹东东方测控技术股份有限公司合作，采用数字化、信息化新技术对主斜坡道及井下各种生产车辆进行升级改造，为主斜坡道设计了一套先进的井下交通安全管控系统。该系统采用了先进的井下大规模光纤环网组网技术、井下无轨运输设备高精度定位技术、井下无轨运输车载终端技术、井下无轨运输车流管控技术及井下无轨运输车辆生产调度技术，建立了井下综合网络传输平台、井下无线传感网络覆盖系统、井下采运安全管理系统、信号灯自动控制系统，实现了人员和车辆的精确定位、信号灯自主控制，达到了改善井下交通状况、保障运输安全、提高主斜坡道利用效率和运输能力的目的。

2.1 井下综合网络传输平台

井下综合网络传输平台由千兆工业环网和千兆接入子网系统[1]组成。千兆工业环网及接入子网考虑环网冗余设计，确保网络传输平台的稳定可靠性，其系统网络拓扑图如图1所示。网络平台采用完全开放的、国际公认的网络标准IEC61158，具备成熟的第三方连接能力。

系统通过光缆环网方式实现以太网连接，即骨干网上任何一点的光缆连接意外断开，系统都能通过反向环的方式提供后备以太网链路，保证系统可用性的同时兼顾经济性。

2.2 井下无线传感网络覆盖系统

井下无线传感网络覆盖系统[2]是在矿区井下建立无线网络通讯覆盖，并将井下无线网络与骨干网连接起来，使用者通过无线方式可以在井下任何地方和任何时间接入网络。通信网既要满足井下安全生产的需要，又要满足地面生产、指挥、管理及人们生活等各方面的通信需求。

2021年第8期/第42卷  机电与自动控制机电与自动控制  黄 金

无线传感网和光纤环网均有各自的缺点，在井下部署无线通讯系统时，无线设备挂接于光纤环网的多个节点上，每个无线传感设备相互桥接的同时还对井下工作面进行无线覆盖。当光纤环网出现故障时，无线传感网络依靠其健壮性和多跳性，利用其自身的路由及桥接功能，自动弥补光纤断点。各生产平硐光纤环网通过锦丰金矿主干光纤网络接入数据中心，使井下井上数据互联互通。

2.3 井下采運安全管理系统

井下采运安全管理系统依托井下综合传输平台，由车载终端、定位基站、信号灯、RFID激励器辅助定位系统及管理软件系统组成，其组成结构如图2所示。

2.4 信号灯自动控制系统

信号灯自动控制系统在卡车行驶过程中的定位精度可高达3 m。定位系统采用当前先进的Zigbee TOF技术（飞行时间测距法），可精确定位井下人员及车辆位置，对车辆工作状态、车辆种类及优先级别、巷道车辆状态、岔路口车辆行驶状态进行实时监控。基于飞行时间定位算法实现移动车辆定位，采取特殊的碰撞避免策略及灵活的随机算法保证高速不漏卡[3]。信号灯自动控制系统根据上述各种状态进行自动分析，根据制定的设备优先行驶级别自动管控行驶信号灯，避免设备发生碰撞，提高生产运输能力。信号灯自动控制系统工作原理如图3所示。

该系统布设覆盖了整个井下斜坡道、大部分联巷及主要生产穿脉的综合基站，信号覆盖良好，有线与无线网络通讯流畅。综合基站由各功能板卡集合而成，综合基站通过光纤联通，并组成了井下光纤环网，可实现组建环网、井下定位、WiFi覆盖、监测监控数据采集等功能。单基站可覆盖双向各400 m的定位信号和各300 m的WiFi信号。

3 工程应用

3.1 交通管控原则及工作原理

3.1.1 管控原则

交通管控根据优先级原则、行驶权裁判原则和预授权原则来设计。优先级原则是辅助车辆避让生产车辆（优先级别高）;行驶权裁判原则是后进入（路段）避让先进入、下行车辆避让上行车辆、车少方向避让车多方向、空载避让满载;预授权原则是车辆下井前在井口位置由车载终端电脑输入本次下井的首站目的地，终端将目的地信息发送至上位机，系统接收到车辆目的地信息后自动规划本次下井路线，并使规划后的路线结果参与车流管控算法。

3.1.2 工作原理

井下交通管控系统由车载终端、上位机运算控制端、信号灯指示端3大部分组成。车载终端包括车辆搭载的定位标识卡与终端电脑，定位标识卡具有移动定位与定点定位2项功能。移动定位功能是针对移动车辆的实时定位有延时误差设计的，是交通管控系统中应用的主要定位功能;定点定位功能需搭配激励器使用，激励器由激励线圈和射频读卡器组成，当装有定位标识卡的车辆进入激励器识别范围后，定位标识卡被激励，定位标识卡将自身的特征信息及激励（位置）信息通过无线传输至综合分站，综合分站将信息上传至控制中心，从而获取车辆准确的位置信息[4]。激励器安装在井下斜坡道各三岔口距路口中心点15 m处，如图4所示。

激励器将井下整体路径划分成多个相互关联的控制路段，激励器的激励信息则反馈路段的车流情况，实现对路段车流的控制，如图5所示，图5中A、B两点即为一条控制路段。

车辆出入路段的定位信息经激励器激励后发送至系统后台服务器运算中心，运算中心根据车辆的优先级，预先计算出每台车辆的下一步动作，包括前行通过、原地等待和择地避让3种，并通过信号灯提示给司机，其工作原理示意图如图6所示。

3.2 应用效果

实际应用过程中，系统给每段控制路段规划的车流均为单向车流，不会出现路段中相遇的情况，系统根据车辆优先级合理为每台车辆分配前方预占用路段，同时设定每条路段的合理跟车极限数值。司机按照信号灯的指示行驶，红灯停、绿灯行、黄灯避让，井下交通运行有序，高优先级车辆通过率高，系统运行安全高效。

优先级别控制规则允许车辆同向进入某一路段而互不影响，同时可以确保救援车辆等特殊车辆优先通行[5]，如应急救险的救援车、物料车，需要往井下某水平紧急运输重要物料，可以将运输车辆的优先级调整成最高，然后该运输车（急救车）就可以一路绿灯到达该水平，在最大限度保障运输行驶安全的情况下，以最快速度到达目的地，实际应用效果良好。

锦丰金矿井下交通安全管控系统工作情况如图7所示，该系统应用前经常发生堵车现象，安全风险较高，升级改造后，堵车现象大大减少，井下生产运输安全性得到保证。新系统应用前斜坡道运输效率低，投入使用后，运输效率明显提高。经测算，在2019年、2020年的实际运行中，主斜坡道平均运输通过能力达到4 000 t/d，比改造前2018年的3 818 t/d高出182 t/d，通过能力提高5 %。按照每年生产300 d，矿石品位3 g/t，综合回收率85 %，黄金价格280元/g估算，2019年、2020年每年黄金产量提高0.139 t，产值增加约3 898万元。

4 结 语

锦丰金矿主斜坡道从560 m井口至150 m中段之间各个分段联巷、各个路口安装交通安全管控系统终端（信号灯）后，极大地解决了主斜坡道存在的交通拥堵、运输效率低、安全风险高和车辆、人员定位精度差等诸多问题，实践证明主斜坡道的通过能力提高了5 %，年产值增加约3 898万元。从2020年底开始，锦丰金矿将该系统的应用进一步推广到主斜坡道150 m～30 m及西斜坡道全部分段路口，全面改善了锦丰金矿的井下运输管控系统，使锦丰金矿斜坡道交通安全管控水平上了一个新台阶，对同类型矿山具有积极的借鉴意义，值得推广。

[参 考 文 献]

[1] 孙纯宁，汪莹，薛敏蕾，等.煤矿千兆工业以太环网平台的设计与研究[J].煤炭科技，2011（1）：16-18.

[2] 胡照鹏.煤矿井下无线传感器网络覆盖控制技术研究[D].焦作：河南理工大学，2014.

[3] 宗玲玲.基于Zigbee TOF 技术的矿用高精度定位无线传感传输系统及产业化分析[J].电子测试，2014（12）：26-28.

[4] 殷贵生.矿井斜坡道无轨运输信号控制系统应用[J].铜业工程，2013（4）：55-57，85.

[5] HAVILAND D，MARSHALL J.Fundamental behaviours of production traffic in underground mine haulage ramps[J].International Journal of Mining Science and Technology，2015，25（1）：7-14.

Application of ramp transportation security control system in Jinfeng Gold Mine

Zhang Sheji，Yang Weiwei

（Guizhou Jinfeng Mining Limited）

Abstract：Traffic jam，low transportation efficiency，high safety risks and poor location precision of vehicles and personnel take place in the main ramp in the underground mine of Jinfeng Gold Mine.In light of that，new digitalized and informationized technology is used to design a set of ramp transportation security control system.The system uses advanced underground large-scale optical fiber ring network technology，high-precision locating technology for underground trackless transportation vehicles，vehicle-mounted terminal technology for underground trackless transportation vehicles，fleet flow control technology for underground trackless transportation vehicles，and production assignment technology of underground trackless transportation vehicles，and performs well in actual application，effectively improves the problems above，increases the annual pass capacity on the main ramp by 5 %，and creates 38.98 million yuan more profits for the enterprise annually.

Keywords：ramp transportation security control system;main ramp;digitalized technology;informationized technology;underground trackless transportation