煤矿井下防爆胶轮车安全运行智能化系统的应用

张万永

（中煤平朔发展集团有限公司，山西朔州 036000）

0 引言

随着能源需求的不断扩大，对煤矿的发展要求越来越高，本质安全与智能化矿井建设已被国家列入相关要求。矿井井下辅助运输设备如绞车、架空电车、单轨吊、齿轨车、防爆胶轮车等运输设备在斜井和立井中普及使用。随着新时代煤矿安全发展硬性需求，煤矿辅助运输系统设备不断淘汰更新。防爆胶轮车运输以其高效性、适用性、经济性、安全性而发展为矿井井下辅助运输的主要形式。

据不完全统计，全国中大型矿井，特别是在大区域煤炭生产基地，矿井辅助运输85%以上使用防爆胶轮车运输。但随着煤矿井下胶轮车的大量投入使用以及煤矿井下环境的复杂性，井下防爆胶轮车辅助运输的不安全性日益突出，安全事故频频发生，急需建立防爆胶轮车使用的规范、标准，以适应煤矿本质安全发展的需求。在防爆胶轮车现有安全状况下进行理论探讨和可行性研究，为尽快发展煤矿井下无轨胶轮车安全运行智能系统的应用打下坚实的理论和实践基础。

针对井下防爆胶轮车生产厂家不一、车型众多的特点（经调查矿用防爆胶轮车至少有20 多个种类，大小、尺寸不一），目前对井下现有车辆的安全要求仅停留在生产厂家根据自身设计和使用采购单位要求安装简易的车载报警和倒车报警等常规的安全保护，对车辆安全运行和人员防撞达不到本质安全可靠性，存在极大的缺陷，这也是导致井下无轨胶轮车发生安全事故和人身事故的根本原因。以WCJS18RE 型防爆无轨胶轮车为例，说明该车型的基本功能、结构及使用。

1 WCJS18RE 型防爆无轨胶轮车

WCJS18RE 型防爆无轨胶轮车是一款以防爆柴油机为动力，液力传动、四轮驱动的井下无轨式运输机械。主要用于煤矿井下人员运输，采用国产六缸发动机，性能稳定，动力强劲；特质煤矿井下专用运人底盘，安全系数高、运行稳定、速度快、制动安全，可实现煤矿井上至井下一次性运输人员，降低了工人劳动强度，是井下人员运输的首选车型。主要技术特点如下：

（1）特制高强度中央铰接车架，分体长度短，适应于斜井、罐笼立井；四轮驱动，爬坡能力强，通过性好。

（2）采用双回路液压制动系统（在其中一条液压回路出现故障时，另一条液压回路可以正常实施制动），提高制动安全性能。

（3）设置行车、驻车紧急两套制动系统，两套制动系统相互独立互不干涉。行车制动采用轮边湿式多盘制动器，能够适应长距离下坡工况。驻车、停车制动采用美国进口元件，为失效安全性（即在车辆行车制动系统失效、或发动机突然停机时，制动器失去油压，内部制动弹簧回位，制动器锁死，从而实现自动制动停车，进一步提高安全性能）。设有手动解除制动系统，方便维修及拖车。

（4）采用多种安全保护措施提高安全性能，包括排气温度、发动机水温、发动机表面温度、低水位、机油压力、瓦斯浓度等，其中任何一项指标超出或不达标，车辆立即自动停车熄火保护。

（5）采用新型防爆波纹盘式阻火装置，质量轻，可减少功率损失15%，日常清理维护方便、排气阻力小、运行成本低，更换波纹片便可达到新阻火器的性能。

（6）采用煤矿专用底盘，液压助力中央铰接转向，拐弯半径小，机动灵活，驾驶舒适性好。

（7）全封闭式客箱，运行安全性好，车厢内可增设操纵机构，实现双向驾驶。

（8）车厢三门侧开，内部有通长的左、右双排座椅，各座位试制保险带，便于乘坐。

（9）后车厢内设置报警按钮，便于乘车人员与司机沟通。

（10）第四代国Ⅲ高压共轨柴油机，排放达到GB 20891—2014第3 阶段要求。

（11）车辆互锁装置：当后车厢车门打开时，停车制动器自动处于工作状态，确保乘车人员安全。

（12）车辆闭锁装置：行车过程中车辆自动闭锁，车门无法打开，确保行车安全。

通过WCJS18RE 型防爆无轨胶轮车的相关技术要求和功能使用可以看出，矿井防爆胶轮车虽然通过改造加装防碰撞、可视等安全设施，但仍存在设计上气动起停车保护连锁不可靠不稳定、制动系统故障、未设置超速限速保护、视线盲区、井下条件、管理缺陷等原因而发生碰、撞、挤等车辆损坏、伤人事故，达不到本质安全的效果和目的。在对于如何安全运行，怎样做到安全可靠，杜绝设备和人身事故，达到辅助运输本质安全还没有完整的体系标准和切实可靠的具体措施，是急需解决的问题。

2 辅助运输本质安全体系建立标准和实施措施

煤矿井下防爆胶轮车运输真正实现本质安全运行，应做好以下工作：①车辆必须使用更加安全可靠的湿式多盘制动器；②车辆应具有先导本安型电控、液控联锁自动启停车控制方式；③车辆超速时自动限速控制功能；④具有煤矿井下人与车、车与车区域定位功能，通过物联原理实现车辆区域识别、集束散发、人车分离、精准测距、报警停车的可靠的本质安全系统，进而将物联原理推广到煤矿其他区域系统。

前三项工作标准可以在设计、技术革新上解决，以下重点论述如何实现煤矿井下人与车、车与车区域定位功能，通过物联原理实现车辆范围识别、集束散发、人车分离、精准测距、报警停车的可靠的本质安全系统。

按照国家建设煤矿智能化矿井要求，矿井必须建设完善煤矿井下六大系统，其中人员精确定位系统包括环网系统、读卡分站、人员定位分站、识别卡、电源箱、终端等，目前各矿井在建设矿井时都已实现。

人员定位系统是一种结合位置物联网、GIS 可视化等技术，通过系统智能分析和多源数据的立体展示，实现地面调度全方位了解井下全区域人员空间位置，对井下人员有序调度，实时安全预警及应急状态智能调控，有效提高安全管理。

目前，一些矿井简单实现了对车辆的点位置定位管理，并能实时传送到调度集中监控调度管理。但实现车辆安全运行和人员安全管理，杜绝运输事故和人员伤害，就必须做好人车互联、车车互联，也就是井下每辆车都能实现对区域内的每一个入井人员、每一辆车进行识别并进行智能安全判断，实现绝对安全。解决方案是在煤矿现有的人员定位系统基础上，实现区域内（如采煤工作面辅助运输巷道，有人有车的巷道）车辆和人员定位（范围识别）；车辆对人员识别（一对多点），辨识人员、精准测距；设定安全距离语音提醒和报警停车。安全距离识别精准度是确保人员安全的可靠保障，要具备识别人员坐在车辆内部的三维空间定位功能，和在安全距离内（如9 m 内开始报警，1.5 m 内停车）实现绝对保护。绝对保护就是人员在车辆以外1.5 m 范围内确保车辆自动停车。在人员辨识方面，为提高精准辨识人员，可以在车辆前后及盲区位置增加基于人体感温传感热成像智能防护系统，和人员位置定位系统相互补充，实现本质安全。

关于井下人员精确定位系统，据调查统计，目前煤矿安装使用的井下人员定位监控系统生产商有十几家，系统不统一，软硬件不一样，给井下无轨胶轮车安全运行智能系统的安装应用带来了挑战。实现车辆智能系统与矿井现有人员定位系统软硬件的兼容是必须优先解决的问题。需要开发一个车辆智能模块化子系统，与各矿井的人员定位监控系统进行兼容，这需要矿井人员定位监控系统的研发单位参与合作或提供相关的兼容措施。

3 防爆胶轮车辅助运输智能化管理系统的研究运用

3.1 系统概况

智能化矿山基础信息平台、信息管控平台、智能化车载终端系统，需要安装井下交通信号灯和更换原基站内定位模块，从而实现防爆胶轮车精准定位与智能调度、红绿灯自动控制、车辆超速监测报警、重点区域限流和限入、人员安全防护及车载智能终端显示功能。同时，通过定位、视频、语音、广播系统的互联互通与应急联动，实现人车一体化调度，贯彻“叫得灵、叫得通”的系统特征，随时呼叫目标车辆，及时与矿调度室及其他部门和人员建立联系，提高运输工作效率与矿井辅助运输安全保障性（图1）。

图1 防爆胶轮车辅助运输智能化管理系统

3.2 系统建设

辅助运输智能信息化生产管控系统包括车辆调度、物资管理、运输过程监测等环节，联动控制，借助辅助运输车辆运行信息管控平台，实现对车辆基本信息、运维信息、车辆运行等信息的统一管理。车载智能化系统包括车载智能终端、毫米波雷达、基于热成像的人员智能防护系统、驾驶员危险动作识别系统、倒车影像、倒车雷达等，用于提升辅助运输车辆的信息化水平和主动安防能力。

（1）采用先进、成熟、实用的UWB（Ultra Wide Band，超宽带）定位技术，静态定位精度可达到30 cm。

（2）井下控制箱采集、分析车辆实时位置信息。

（3）系统决策信号参考车辆位置、方向、数量、时间等多种条件综合判断控制信号灯，提高系统的通用性。

3.3 主要功能

（1）车辆定位：基于UWB 精确定位技术实现对车辆在井下的实时位置信息监测，并能够以车辆的位置信息为基础进行车辆行驶避让信号的自动控制；定位准确，为信号闭锁提供车辆接近、进入和离开信号控制区域提供实时的、准确的依据。

（2）信息展示功能：系统软件显示定位卡号、当前坐标、距离值、移动方向等车辆实时信息。

（3）报警提醒功能：可展示所有车辆的报警信息，包含车牌号、开始时间、报警类型等，其中报警类型又可分为超速报警、闯红灯报警、超时停留报警、闯入报警、低电压报警、求救报警等。

（4）信号灯自动控制：系统能够按照矿井车辆运行方式、矿井条件和车辆的定位信息，自动控制井下交叉路口、错车硐室设置的信号灯。信号自动控制时，可实现车辆接近优先闭锁、区间占用闭锁、区间车辆超限闭锁，闭锁可区分车辆类型（重型车、轻型车）控制。地面系统主备机、传输网络故障时，不影响井下信号控制功能。

（5）人工调度优先功能：系统具备人工调度优先的功能。特殊情况下，可通过地面主机的系统软件发送调度命令，指定区间车辆上行或下行的优先顺序，井下控制箱按照接收的控制命令对信号灯进行控制，实现地面人工调度。

（6）数据管理功能：系统软件监听并存储总线数据，能够对运行过程数据、系统操作记录等信息进行存储、查询，可以对车辆历史轨迹进行回放、重演，还可对车辆运行、司机违章、车辆出现的故障信息等建立数据库管理。

（7）远程联网管理功能：系统软件提供标准的通讯协议，可方便地与全矿井平台或其他系统平台汇接。

（8）车辆运行信息管理：可实时记录、显示井下车辆运行情况，及车速、里程、水温、油温等车辆运行信息。

（9）车辆运维信息管理：对矿上使用的各种型号车辆进行全生命周期管理，记录从到矿后的维修信息，包括维修时间、配件更换情况、维修费用等信息，建立数据库管理，依托于维修信息的记录分析，可以实现针对各种型号车辆的年/月/周维修费用统计、易损坏部件统计、易损坏部件计划性维修等功能。

（10）车载智能化管理：具备车辆运行数据显示、车辆运行视频显示、语音交互、司乘对讲等功能；具备拨号、语音通话、视频通话等功能，通过井下的通信网络和调度系统，实现调度通话功能；通过采集、判断车辆运行信息，具备超速报警、车辆故障判断功能；具备数据上传功能，可借助井下通信网络实现视频、车辆运行信息上传功能。

4 结语

防爆胶轮车辅助运输智能化应用改造可以基本实现井下车辆调度、定位、报警、信息传送的信息自动化，但仍然没有实现胶轮车辅助运输的智能化本质安全运行，没有彻底解决人车互联、人车三维识别以及人体感温传感热成像的智能化要求，与当前以至今后煤矿的本质安全发展仍有差距，需要进一步将理论研究和实践应用相结合，推广使用井下5G 系统的智能化研究和升级，实现快速、精准的矿山智能数字化管理，以实现防爆胶轮车辅助运输的本质安全。