高海拔矿井长距离无人驾驶电机车运输方案研究

刘 海， 葛启发， 张维国， 谷龙飞

(1.香格里拉市云矿红牛矿业有限公司， 云南 香格里拉 674400； 2.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038；3.北京科技大学 土木与环境学院， 北京 100083)

0 概况

矿区地处滇西云岭支脉，区内地势南高北低，东高西低，海拔一般4 000～4 400 m，相对高差400 m以上，为深切割高山峡谷地貌。本区属寒温带气候，年平均气温5.4 ℃，最热月平均气温13.2 ℃，最冷月平均气温-3.8 ℃，日照百分率为49.6%。5月～10月气候较为温和，11月至翌年4月为积雪期。年平均降雨量619.9 mm，雨季(5月～10月)降水量占全年降水量的87.1%。无霜期仅128天。矿区处次稳定区，抗震设防烈度为Ⅶ度。

全矿内共圈定11个具有开发价值的工业矿体，考虑到4 182 m以上矿岩靠近地表，风化程度较高，节理裂隙发育，且矿量较少，设计将4 182 m以上矿体留作护顶矿柱。3 822 m以下及4线以南部分矿体勘探程度低，待探矿工程结束后再行利用。设计确定的开采范围为4 182～3 822 m标高、4#～13#勘探线之间的矿体，设计中段间自上而下回采，双中段同时开采，首采中段为4 122 m和4 047 m两个中段。根据开拓系统特点，4 122 m中段采用平硐开拓，4 047 m及其以下中段采用竖井+辅助斜坡道开拓，原设计4 122 m中段采用无轨运输，4 047 m及其以下中段采用有轨运输方式。目前该铜矿主井、副井、4 047 m中段巷道及主平硐工程已施工完成。

主运输平硐巷道净断面4.5×3.5 m(宽×高)，直线长度4.8 km。开口位于选厂西侧，终端与4 047 m中段采区相连，主要承担井下矿石、材料、设备及人员的运输任务，兼作进风通道。矿石运输能力4 000 t/d。平硐巷道掘进、水沟掘砌、地表有轨卸载站已施工完成。结合矿山建设的实际情况，针对高海拔高寒矿井的特点，从控制投资、降低运营成本和确保井下运输安全可靠的角度出发，开展4 047 m主平硐运输方案的研究[1-3]。

1 运输方案比较

1.1 可供选择的运输方式简介

矿床开拓是矿山建设的长远大计，一旦建成短时间内很难改变，后期改造难度也非常大。因此，在确定矿床开拓方案时，必须进行多方案的技术经济比较。一个合理的开拓方案，应该最大程度地满足生产的需要，系统简单、合理，管理方便，安全可靠，经济效益好，同时基建工程量小，投资省，基建时间短，并且能够兼顾未来发展的需要。按照主要开拓井巷的类型，矿床开拓可划分为平硐开拓、竖井开拓、斜井开拓、斜坡道开拓，以及多个开拓方式组合的联合开拓。矿山开拓系统选择需要根据矿床开采技术条件、地表地形条件、矿山生产规模、厂址位置、采矿方法等进行综合考虑。

针对该矿目前采选工业场地、主平硐和部分中段巷道已经建设完成的特点，以现有的建设条件为基础，以“高效、经济”为原则，开展4 047 m主平硐运输方案的选择，根据国内外部分矿山的生产经验，经过运输方案初选后，选定以下三种运输方式进行方案比较，分别为有轨电机车运输、井下无轨卡车运输和胶带运输三种方式[3-7]。

(1)有轨电机车运输方案

4 047 m中段及以上矿石通过4 047 m中段有轨运输，沿主平硐运至选厂，4 047 m中段以上以下矿石通过主井提升至上部矿仓，通过有轨电机车经4 047 m主平硐运至选矿厂。4 047 m中段及4 047 m主平硐内采用10 t架线式电机车双机牵引12辆4 m3底侧卸式矿车组成的列车组进行运输，完成矿石运输任务共需5列矿车，另外再备用1列车。

(2)无轨卡车运输方案

4 122 m中段采用无轨卡车运输方式，矿石经采场溜井振动放矿机装入20 t坑内卡车，沿沿脉运输巷道运至4 122～4 047 m主溜井处卸载，再由主运输平硐内装载硐室振动放矿机装入20 t坑内卡车，经主运输平硐运至选厂原矿仓。4 047 m中段采用无轨运输方式，矿石经采场溜井振动放矿机装入20 t坑内卡车，沿沿脉运输巷道和主运输平硐直接运输至选厂原矿仓。4 047 m以下各中段生产时，矿石由主井提升至4 077 m卸入转载斜矿仓，再通过主运输平硐装载硐室振动放矿机装入20 t坑内卡车，沿主运输平硐运至选厂原矿仓，完成4 000 d矿石运输，需要8辆20 t坑内卡车AJK- 20同时运输。

(3)胶带运输方案

由于4 047 m主运输平硐已经形成，考虑胶带运输方案的主运输胶带分为三段接力运输。4 047 m中段以下矿石经溜井下放后通过主井箕斗提升至4 077 m卸矿站卸载后进入斜矿仓，斜矿仓下方设破碎站，4 047 m中段及以上矿石通过现有的坑内卡车经斜坡道运至斜矿仓处卸入。所有矿石经破碎后，要求块度不大于350 mm，通过振动给矿机给1#胶带，经除铁后1#胶带向2#胶带转运，再由2#、3#两条胶带将矿石运输至选厂。1#胶带长135 m，2#胶带长4 496 m，3#胶带长415 m长，均为钢丝绳芯皮带，胶带带宽1 200 mm，运行速度2 m/s，设计每条胶带输送能力为320 t/h，胶带机均采用变频调速。

1.2 运输方案技术经济比较

根据选择的运输方案，采用技术经济各项指标进行综合比较，其比较结果如表1所示。

表1 运输方案主要技术经济指标比较表

通过表1可以看出，从可比建设投资看，方案Ⅲ可比投资最高，方案Ⅰ次之，方案Ⅱ略低于方案Ⅰ，明显低于方案Ⅲ；从总成本及单位矿石运输总成本上看，方案Ⅱ最高，方案Ⅲ次之，方案Ⅰ大幅度低于方案Ⅱ；从费用现值上看，在服务年限内，方案Ⅰ的费用现值最低。因此，从经济效果上考虑，方案Ⅰ为最佳方案，即有轨运输方案。

2 无人驾驶电机车新技术的应用

2.1 无人驾驶电机车技术发展

传统矿山电机车运输存在控制设备较为落后、操作人员工作环境恶劣、交接班占用时间长、人为误操作安全风险高、运行超速容易掉道等问题，导致电机车运行速度较低、运行效率不高。其次，传统的信集闭系统存在很难准确获取电机车的运行位置、系统区段划分不够合理、缺乏电机车调度功能等问题，无法实现精细化管理。

采用无人驾驶电机车运输能够有效解决上述问题。在无人驾驶运输控制系统中，无人驾驶电机车是最关键的受控对象。电机车受控性、可靠性、少维护性、可维护性直接关系到无人驾驶运输控制系统的成败。电机车传统驱动调速方式为电阻和斩波两种调速，而电阻调速和斩波调速的性能远低于变频器驱动，因此本项目无人驾驶电机车设计选择变频器调速控制[8]。

2.2 无人驾驶电机车系统组成

无人驾驶电机车的主要整个电机车运输控制由九部分构成，其主要子控制系统内容如下：(1)以溜井料位为指导的综合智能平衡矿石运输管控单元；(2)地表和地下远程遥控运输和装矿单元；(3)电机车控制系统单元；(4)无人驾驶运输通讯系统单元；(5)无人驾驶运输系统管理调度系统单元；(6)轨道控制和信号单元；(7)牵引变电所与架空线分区开关远程遥控和检测单元；(8)自动卸矿单元；(9)视频系统单元[9-12]。

该无人驾驶电机车运输控制系统的电机车具备四种控制方式：(1)自动控制方式：用于电机车自动运行控制方式；(2)遥控控制方式：用于电机车远程遥控控制方式；(3)人工控制方式：用于电机车人工驾驶控制方式；(4)检修控制方式：用于单电机车控制和检修操作，与传统电机车操作方式相同。

2.3 无人驾驶电机车控制系统

无人驾驶控制系统由无人驾驶电机车的控制系统、全巷道的无线通讯基站和光缆、中控室设备、无人驾驶调度系统、装载站控制系统、转辙机控制系统等部分组成。无人驾驶电机车运输控制系统无线通讯骨干网采用工业现场总线和工业以太网总线双骨干网结构，双骨干网结构可以大幅度提高无人驾驶电机车运输巷道通讯的可靠性和消除移动电机车通讯盲区。无线通讯骨干网结构示意如图1所示。

图1 无线通讯骨干网结构示意图

4 047 m主运输水平无人驾驶电机车主要功能包括以下内容：(1)电机车自动运行；(2)装矿过程实现在中控室远程遥控；(3)实现在4 047 m主平硐现场无人操作生产；(4)在4 047 m主平硐设置中控室，中控室内可以全面监控运输该中段电机车的运行状态，检测实时位置(精度1 cm)及状态显示，并根据情况进行实时调度；(5)调度系统自动下达各个电机车的运输任务；(6)改造装载站，实现在中控室内远程遥控装矿；(7)头尾双机同步牵引联动功能；(8)自动记录运输中段生产数据统计；(9)完善的保护功能，确保电机车安全可靠运行；(10)历史记录追忆功能。

3 无人驾驶电机车效果分析

根据4 047 m主平硐运输系统配置情况，使用无人驾驶后，因为不需要现场交接班时间，有效工作时间超过20 h/d；同时有利于提高运行速度，会提升运输能力。中控室总调1人/班，中控室装矿工2人/班；考虑轮休及工段负责，共需工作人员共12人。而传统有人驾驶方案，电机车司机及装矿10人/班，考虑轮休及工段负责，共需要作业人员40人。

通过传统电机车运输与无人驾驶电机运输方案进行经济分析，其投资和年运营成本比较详见表2。

表2 电机车运输方案经济指标对比

通过表2可以看出，与传统电机运输方案相比，无人驾驶电机车运输方案投资增加980万元，运营成本减少391万元/a，费用现值减少1 661万元，经济效益明显占优。

可以看出，无人驾驶系统方案不但有利于提高运输安全和改善了工人工作环境等优点，同时也有利于矿山经济效益提升。

4 结语

针对高海拔高寒矿井长距离运输的特点，本文以某铜矿4 047 m主平硐运输为研究背景，选择高效、经济的运输方案，分析了采用无人驾驶电机车运输新技术的可行性和效果，可以得出以下结论。

(1)在运输方案初选中，选择了电机车有轨运输、坑内卡车无轨运输和胶带运输三种方式，从技术经济的比较可以看出，在目前的经济条件下，采用有轨电机车运输方案的经济效益最好。

(2)通过对传统有人驾驶和无人驾驶电机车运输的方案优缺点分析，采用变频技术的无人驾驶电机车运输虽然可比投资稍高，具有安全性可靠性更高的特点。

(3)针对高海拔高寒矿井，从减少劳动定员、改善作业环境的角度出发，开展无人驾驶机车运输有利于提升矿山自动化水平和经济效益，具有很好的推广性和示范效应。