井工煤矿胶轮运输装备智能化技术研究与应用

阮进林，孙秀斌，薛志超，王万贵

国能神东煤炭集团公司保德煤矿 山西忻州 036600

井工煤矿辅助运输技术与装备的发展大大提高了矿井的生产准备效率。据统计，全国在用的无轨胶轮车总量超过 16 000 台，其中进口车辆约 500台。国产无轨胶轮车的产品线覆盖面齐全，完全满足我国煤矿辅助运输需求。20 多年来，我国井工煤矿胶轮运输装备技术一直在飞速发展，其中，防爆柴油机技术、纯液压驱动技术、液力机械传动技术、电驱动技术、轮边制动技术及各种保护技术等已非常成熟。随着煤矿智能化发展步伐不断加快，辅助运输装备单机智能化水平亟待提高，以适应智能化发展的需要。

1 井工煤矿胶轮运输装备发展概述

近年来，井工煤矿辅助运输装备发展迅速，其供应商中，市场占有率较高、车型较齐全的国内企业有山西天地煤机、常州科试、连云港天明、莱州亚通、湖北塞弗精工等。经过近些年辅助运输相关技术与装备的发展和升级，我国已研制成功并应用的井工煤矿辅助运输无轨胶轮车型包括运人车、运料车及成套搬家装备 3 大类、7 个系列、30 余款产品，其载重覆盖 1～ 100 t 全系列。支架搬运车系列成套装备可满足采高 1.6～ 8.0 m 的工作面物料及设备的搬运需求。所有装备实现了煤矿井下无轨辅助运输作业的全覆盖，可为不同地质条件的矿井提供优质的无轨辅助运输综合解决方案[1-3]。

在胶轮运输装备动力方面，防爆柴油机动力技术得到了较大发展，其燃油经济性更高、排放更低，已研发出符合国 Ⅳ 排放的防爆电喷柴油机。目前，防爆柴油机无轨胶轮车基本完成了国 Ⅱ 到国 Ⅲ 排放机型的全部升级。安标中心于 2021 年 10 月 22 日发布的《矿用产品安全标志通用安全技术要求 矿用防爆锂离子蓄电池电源 (试行)》中对运输车辆用电源锂离子蓄电池的额定容量放宽到不超过 230 Ah，该规定能有效提高锂电池新能源车辆的续驶里程，有利于锂电池车辆的应用与推广。在整机方面，防爆新能源无轨胶轮车也得到了较大发展，除了常规的铅酸蓄电池重型系列搬运车和锂电池运人车、材料车等车型外，薄煤层新能源成套搬家装备、薄煤层新能源铲运机、快速掘进窄型物料运输车等新能源新工艺装备也将陆续投入使用。

井工煤矿胶轮运输装备的使用，既有利于减人增效，提高生产效率，提高煤矿安全，降低事故发生率，又在研发、设计、制造、试验等多方面积累了宝贵的经验，为进一步发展煤矿辅助运输智能化奠定了扎实的基础。

2 单机装备智能化技术及应用

2020 年 2 月 25 日，为提升煤矿智能化水平，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，国内煤矿开始启动并加快推进矿井智能化建设。当前无轨辅助运输智能化广泛应用于微机控制、嵌入式系统、通信技术等相关方面，实现了车辆智能保护、车辆姿态监测和行车信息存储、自动灭火、智能防撞、车辆定位、车载无线通信、智能调度与管理等功能，推动了煤矿井下辅助运输智能化进程，既提高了运输效率，降低了使用维护成本，又提高了人员和设备的安全性，为煤矿安全、高效生产起到了重要作用[4-5]。

井工煤矿胶轮运输装备单机智能化技术系统主要包括智能机车保护技术、辅助驾驶技术、自动驾驶技术、辅助安全技术等。智能机车保护技术实现了车辆动力、传动及辅助功能等配套装置的状态监测和故障预警；辅助驾驶技术包括各种安全保障技术，确保车辆安全行驶；自动驾驶技术实现了车辆在井下有限巷道空间内的自动行驶，提高了辅助运输的安全性；辅助安全技术包括减人、提效、增安等相关辅助性技术。

2.1 智能机车保护技术及应用

早期的煤矿用柴油机车自动保护装置适用于煤矿井下以柴油机为动力的设备的监测和自动保护，可监测防爆无轨胶轮车 (人车、货车、皮卡车、指挥车、特种车辆) 的发动机冷却水温、油温、水位、油位、发动机转速、行车速度、环境瓦斯浓度以及行驶里程等参数。当参数超标时，该保护装置能够根据设定逻辑报警或停车[6-7]。

新一代的智能机车保护 (控制) 装置适用于井下各种防爆车辆，以满足整车智能化需求，保障车辆行车安全。在功能方面，除具备防爆柴油机自动保护外，还具备整车电气参数监测、环境参数感知、图像视频监控、距离数据监测、整车灯光控制、数据传输以及语音调度通信等功能。该装置由机车保护装置主机及配套传感器 (温度元件、转速元件、机油压力元件、倒车检测元件、刹车检测元件、开关量水位元件、模拟量液位元件、倾角传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、超声波雷达传感器等) 组成。综合显示器具备仪表界面显示、全景影像显示、大容量数据存储和无线数据传输功能 (4G/5G、WiFi)。智能机车保护系统组成如图1 所示。

图1 智能机车保护 (控制) 装置系统Fig.1 Intelligent vehicle protection (control) device system

不同配置的智能机车保护装置已在防爆柴油机无轨胶轮车、防爆特殊型铅酸蓄电池无轨胶轮车和防爆锂离子蓄电池无轨胶轮车上得到了广泛应用。

2.2 辅助驾驶技术及应用

2.2.1 人员接近预警技术及应用

矿用车辆人员接近预警技术可实现井下人员向车辆、车辆向车辆靠近时声光报警及车辆停机，能有效降低人员伤亡和财产损失[8]。人员接近预警装置主要由矿用浇封兼本安型读卡器、标识卡、矿用本安型声光报警器组成，采用 UWB 高精度测距技术，实时测量人员与设备之间的距离，并通过读卡器设置车辆报警区与停机区，人员进入不同的区域时报警器会发出不同的声光报警信号，同时输出对应的开关触点信号，控制车辆停止行走或停机。

人员接近预警系统控制范围如图2 所示，深色阴影区域为停机区，浅色区域为报警区。当佩戴标识卡的人员进入报警区时，声光报警器黄色灯光闪烁并发出“人员靠近请注意”的报警声，同时输出相应的开关量触点信号，可以控制车辆减速；当佩戴标识卡的人员进入停机区时，声光报警器红色灯光闪烁并发出“人员危险请停机”的报警声，同时输出相应的开关量触点信号，可以控制车辆刹车。

图2 人员接近预警系统控制范围Fig.2 Control range of warning system for personnel approaching

近年来，煤矿因运输车辆发生挤碰造成人员伤亡的事故时有发生，井下胶轮运输装备配备人员接近预警系统的需求日益旺盛。目前，新出厂的胶轮车，尤其是驾驶员视线不好的重型支架搬运车和铲板车，多数出厂即配备了人员接近预警装置。另外，国家能源集团、陕煤集团、兖矿集团等大型煤企陆续对在用的重型胶轮运输装备增配人员接近预警装置，提高了车辆运行的安全性。

2.2.2 防疲劳驾驶预警技术及应用

矿用车辆防疲劳驾驶预警技术是一套基于先进图像智能识别分析技术，可在煤矿巷道黑暗环境下，实时监测驾驶员的头部运动、眼皮运动、眼睛闭合频率、凝视方向、打哈欠频率等面部信息，并进行监控与数据分析的智能化系统[9]。其中，前向摄像头可识别前方车辆、行人和车道线，结合车速，测算相对碰撞时间 (TTC)，提供防碰撞预警和车道偏离预警；面对驾驶员的摄像头可识别异常的人脸面部状态，一旦检测到疲劳或姿态异常状态，系统会通过语音提示驾驶员，注意行车安全。

防疲劳驾驶预警系统的功能包括驾驶员刷脸认证、驾驶员开车瞌睡检测、驾驶员打哈欠检测、驾驶员开车抽烟检测、驾驶员开车打电话检测、驾驶员开车注意力不集中检测、驾驶员离岗/摄像头遮挡检测等，还可穿透驾驶员佩戴的近视镜和绝大多数墨镜。

陕煤集团张家峁矿防爆车辆配备了驾驶员疲劳驾驶预警系统，能对车辆驾驶员是否疲劳驾驶进行实时监督，通过语音报警提醒疲劳驾驶的驾驶员，并将其所在位置、时间、疲劳状态图像等信息一起通过矿井网络发送至煤矿调度中心，由调度人员根据接收到的信息，对疲劳驾驶人员采取安全措施并进行管控处理，有效解决了煤矿因驾驶员疲劳驾驶造成运输事故这一难题，确保了煤矿辅助运输安全。

2.2.3 360°全景环视技术及应用

矿用车辆 360°全景环视技术通过在无轨胶轮车360°车身周围安装能覆盖车辆周边所有视场范围的6～10 个低照度广角摄像头，对同一时刻采集到的多路视频影像进行拼接融合，处理成一张车辆周边360°的车身俯视图并在中控台显示，使驾驶员能够直观地看到车辆四周情况。同时，采用超声波雷达或毫米波雷达测距技术 (近距离探测使用超声波雷达，探测距离为 0.1～1.5 m；远距离探测使用毫米波雷达，探测距离为 2.0～40.0 m)，对障碍物进行有效识别并报警，控制车辆停机，可有效减少驾驶过程中刮蹭、碰撞等事故的发生。

对于整体底盘式车辆，摄像头安装位置和朝向可以固定，实现 360°全景拼接技术的难度较低，目前已有厂家在申请安标，但还没有井下车辆可直接应用的产品；对于铰接式车辆，360°全景拼接最大的难点在于摄像头的朝向不是完全固定的，转弯状态时会引起前后摄像头位置变化，由于没有固定的参照物，图像拼接技术难度大，需要引入其他传感器数据做校准。

2.3 自动驾驶技术及应用

由于煤矿井下无 GNSS 信号、顶板条件突变、光照度极低、伴有粉尘、水汽、爆炸性和腐蚀性气体，且井下产品在电气方面受到煤矿防爆和安标认证的严格限制，地面自动驾驶相关硬件产品、软件算法等无法直接应用于煤矿井下，技术门槛较高、落地难度较大[10]。

当前矿用胶轮车自动驾驶采用的技术路线多是在原来的防爆锂离子蓄电池无轨胶轮车上加装定位单元、环境感知单元、整车控制单元，根据收集到的环境信息对原车的油门、转向、制动等系统进行相应控制，在井下路况较好的巷道内进行无人驾驶运行试验。

目前已知部分企业在麻地梁煤矿、张家峁煤矿、小保当煤矿、布尔台煤矿、上湾煤矿、曹家滩煤矿等煤矿现场开展了井下无轨胶轮车自动驾驶的相关测试和应用。上述自动驾驶系统在井工煤矿现场的应用案例中，除曹家滩和上湾煤矿的实施案例外，均采用单车智能的模式，由单车完成所有自动驾驶的感知决策功能，不依赖于 C-V2X 车联网架构，无法通过车与路侧单元 (V2I)、车与云网平台 (V2N)、车与车(V2V)、车与人 (V2P) 的数据交互去获取井下巷道内动态环境信息，不具备为车辆提供超视距感知、变道碰撞预警、自适应巡航、车辆编队协同决策等多种技术的能力，导致在井下只能实现低速简易自动驾驶，且自动驾驶车辆的改装成本昂贵，车辆无法合法下井运营以满足常态化运行。

中国煤炭科工集团太原研究院、开采研究院通过对井工煤矿辅助运输车辆智能化自动驾驶相关技术和装备进行攻关，在陕煤集团陕北矿业张家峁矿业有限公司成功应用煤矿辅助运输智能化系统与装备，实现了锂电池驱动皮卡车从地面到井下终点往返约 5 km的智能驾驶。驾驶途中，皮卡车能够循迹行驶，跟车行驶，定点停车，紧急制动，实现了全过程自动驾驶。图3 为自动驾驶皮卡车。

图3 自动驾驶皮卡车Fig.3 Self-driving pickup truck

2.4 辅助安全技术及应用

2.4.1 自动润滑技术

矿用胶轮车上润滑点较多，遍布于机身的各个地方。早期的车辆保养完全由人工进行逐个补油，费时费力，经常由于保养不及时造成比较严重的机械故障；发展到集中润滑阶段后，会将整车的关键润滑部位通过管路集中布置在一到两处，再由人工逐一进行补油操作，相比分散式注油，其优点是减少漏打概率，工作地点更集中，效率较高；最后发展为现在的自动润滑方式，由自动润滑泵实现对整车关键润滑点的间歇性定量自动润滑，润滑及时、效率更高。

自动润滑系统由集中润滑泵、递进式分配器、专用加注设备、高压油管及管路附件组成[11]。集中润滑泵是一种液压柱塞泵，通过液压马达驱动离心凸轮和压力环，进行连续操作。离心凸轮的旋转影响着传输活塞的吸力和压力冲程，转一圈完成一次吸油、推油动作。润滑油经递进式分配器和高压油管输送到各润滑点，传送活塞处的单向阀可防止润滑油倒吸离开主油路。集中润滑泵筒内旋转的搅拌器将润滑油持续不断地压向内置多孔筛，使润滑油进入泵房并存储，其中，多孔筛还可以及时排出搅拌压油过程中产生的气泡。同时，还配备压力缓冲阀为润滑泵和管道系统提供保护，润滑时间和润滑间隔靠电磁换向阀控制液压油的通断来实现。

自动润滑系统已在润滑点多、润滑油需求量大的重型搬运车上得到应用，使用效果理想。不足之处是其只能实现定时润滑，无法对润滑点处的情况进行判断和识别，润滑点经常有油渗出，浪费较严重。

2.4.2 自动灭火技术

矿用车载灭火技术包括煤矿辅助运输胶轮车发动机舱、电动机等周围的火焰探测、火灾报警和自动灭火。自动灭火装置主要由矿用隔爆型火焰探测器、矿用隔爆型灭火装置控制器、矿用隔爆型电动球阀、干粉灭火器、介质管路及喷嘴等组成，如图4 所示。其工作原理为，n个火焰探测器均匀预置在防爆胶轮车发动机舱周围，当任一火焰探测器探头捕捉到火焰信号 (光波探测或感温元件)，火焰探测器将信号发送给灭火装置控制器，继而驱动灭火器罐出口处的防爆电动球阀，使灭火器内储存的干粉灭火剂通过介质管路和喷嘴迅速工作，覆盖发动机舱周围，实现胶轮车辆发动机舱的自动灭火保护。该装置还具备手动触发功能，拉下控制器紧急拉环，启动防爆电动球阀，也可实现手动一键灭火[12]。

图4 自动灭火装置Fig.4 Automatic fire extinguishing device

矿用车载自动灭火装置的优点是其可通过探测明火光波的波长和设定温度来检测火灾的发生，可不受烟雾和起火点远近的干扰，灵敏度高、检测精确；缺点是系统的触发需给控制器和电动球阀供电，如果车辆供电系统出现故障，该系统则无法正常工作。

3 结语

井工煤矿辅助运输装备现有智能化技术的应用在一定程度上提升了胶轮运输装备运行的可靠性，降低了维护工作量和成本，增加了装备开机率。但上述技术更多的是集中于单机智能化小系统的独立应用，智能化水平仍有待提升。后续结合矿井综合一体化平台及各种智能化分系统，辅助运输装备智能化程度将会更高，运行将会更加清洁高效，进一步推动煤矿减人少人化进程。笔者认为后续辅助运输装备智能化发展趋势如下：

(1) 单机技术多样化 诸如清洁燃烧技术、防爆高比能量电池技术、电池高效管理技术、电池快换技术、整机底盘线控技术、噪音控制技术、辅助驾驶子系统技术等方面技术将会得到较大发展，辅助运输装备的可靠性和智能化程度将会得到进一步提升。

(2) 车辆运输高效化 结合矿井车辆智能调度系统，车辆精确定位系统、交通标志管控系统、物资管控系统等系统的应用，将实现运输车辆的高效运行和管理，提高车辆周转率，节省能源和成本消耗。

(3) 车辆运维智能化 依托无线数据传输技术、智能机车保护技术、关键元部件故障诊断技术等，结合车辆燃油、电池使用情况、备件消耗情况、运行记录、车辆故障率统计等信息，综合判断并发出警示，便于及时消除故障，提高车辆的智能运维能力。

(4) 车路协同自动驾驶 在提高单机线控技术水平实现车辆行驶精准控制的基础上，充分利用矿井高精地图系统、精准定位系统、车路协同无线传输系统等，利用相关算法进行最优路径规划和实时导航，结合车载感知设备，确保车辆主动避障和行驶安全，实现煤矿井下车路协同自动驾驶。