单斗铁道工艺露天矿智能化建设技术研究

赵英拓，汪洪志，孙鹏远

（抚顺矿业集团有限责任公司 东露天矿，辽宁 抚顺 113006）

当前，新一轮科技革命衍生出的云计算、人工智能等高新技术与传统产业不断融合[1]，给煤炭工业带来了新的机遇与挑战，建设智能化露天矿已经成为矿山发展的最新目标。对于传统的单斗铁道工艺露天矿，虽然拥有丰富的生产管理经验，但也亟需依托云计算、物联网和大数据等新技术手段[2]，进一步提升各环节生产效率和安全性。抚顺东露天矿沿袭百年老矿抚顺西露天矿开采经验，采用单斗铁道工艺开采油页岩，开采技术较为成熟，具有丰富的设计和生产管理经验，但相比智能矿山而言，单斗铁道工艺露天矿存在着工序繁杂、人工投入多、生产效率低的问题。煤矿智能化时代，传统工艺露天矿亟需打破陈规，吐故纳新，在技术可行、经济合理、安全可靠为原则下，逐步在设备和管理方面进行智能化升级，不断提高单斗铁道工艺露天矿智能化水平。

1 露天矿单斗铁道工艺生产难点

露天矿开采过程中，单斗电铲和铁道运输相配合的工艺具有悠久的历史[3]，该工艺具有生产能力大、岩性和气候适应性强、经济合理运距长和节能环保的特点。抚顺东露天矿矿区呈深凹狭长型，单斗铁道工艺可充分发挥其经济合理运距长、适宜长距离工作线的优势，但该工艺也存在着不足，主要为电铲采掘精度低、电机车冒进信号、地形测绘工作量大和端帮台阶扩采滞后等问题。

1）单斗电铲采掘精度低。抚顺东露天矿单斗电铲型号主要有WK－4、FWK－6 和WK－10 等类型，勺斗容积分别为4、6、10 m3，采掘作业时由操作员操控电铲，采掘质量要求达到帮齐底平，30 m 工作线长度内采后地盘高低差要求不大于0.3 m，坡顶线里进外出不大于1 m。露天矿采场的帮齐底平既是安全生产标准化的要求，也是安全高效生产的重要保证，对于铁道运输露天矿而言，电铲采后平盘的平整度和坡度是否满足铁路移设要求，直接关系到铁道运输系统延伸速度和扩帮进度。东露天矿为典型的深凹型露天矿，设计空、重列车运输最大纵向坡度不大于15‰，为确保铁道运输系统有序下延，新水平台阶开段沟纵向坡度必须不大于15‰。目前，电铲在新水平台阶拉沟、铁路站场干线区间调坡作业时，事先由生产技术人员使用手持GPS 定位仪现场采集标高，完成采掘工程设计后，采用插指示旗或铁路轨面标记等方式放点，指导电铲司机掌握采掘标高。这种繁杂流程，存在较多弊端:①生产技术人员手动取样、放样，电铲司机读数、操作，工序繁杂，人为误差较大；②爆破震动，工程机械设备碾压，指示旗掩埋丢失，雨雪、渗透水影响指示旗字迹模糊等原因[4]，均会导致电铲司机读数出现偏差。上述问题，会直接降低电铲采掘标高精确度，影响帮齐底平质量，降低生产效率，甚至还会对站场和铁路移设工期造成影响。结合现状，亟需引用新的技术，改变现有的生产作业方式，提高电铲采掘精度及生产效率。

2）列车冒进信号。抚顺东露天矿采矿列车由准轨电机车和15 节车盒组成，准轨电机车型号有ZG150－1500、EL－1、37E、协设100T 斩波等类型，列车容积345 m3，平均长度230 m。列车由司机和车长操控，允许牵引和推进运行，指示信号有2 种类型，分别为色灯信号机信号和手旗信号[5]。列车处于牵引、推进状态时，分别由司机、车长负责瞭望线路和信号。运行过程中，主要在进站、限速路段和装车期间存在安全隐患。列车进站前，如遇色灯信号机故障及司机（车长）状态不佳等情况，会因未确认地面信号造成冒进信号事故；线路管理单位在铁路质量达不到规定标准的区段设置临时限速牌、解除牌[6]，如司机（车长）未看到限速牌，或限速牌受天气影响指示不清晰，往往会造成超速行车，冒进信号事故；电铲装车前，电铲操作员（副司机）持手旗引导列车定位停车，装车时，需列车车长持手旗引导列车间断行驶，完成逐节车盒与电铲勺斗定位，这种人工引导列车定位的方式，受雨、雪、雾天气影响，存在冒进信号隐患，也严重影响采装效率。上述事件的共同点都需要人工确认行车信号，列车的安全运行太过于受人为操控影响，存在安全风险。

3）端帮台阶延伸进度滞后。抚顺东露天矿矿体倾斜赋存，随着采矿重心的下降，采区台阶以3 个/a的速度不断增加，受铁道运输系统折返降深坡度15‰的需要，端帮采区路端台阶延伸进度必须保证铁道运输系统开拓下延要求。采区路端延伸时，一种方法是采用电铲装列车方式，但受列车长度影响，无法一次性完成整排车采装作业，需要增加列车车盒摘挂环节；另一种方法是采用电铲与液压反铲联合装列车方式，由液压反铲采装路端200 m 内工程量。上述2 种方法，受工艺特点影响只能在日间作业，虽然可以完成采区路端延伸，但存在着生产效率低，路端延伸进度慢，不能保证铁道运输系统开拓下延进度。随着采区路端台阶的不断增多，路端延伸工程量也随之增加，亟需采取新的工艺方式提高采区路端台阶延伸效率。

2 智能化建设技术

抚顺东露天矿智能化建设过程中，应采用5G互联网技术，创建智能铁路网络系统。首先，引进无人机测绘技术，利用其视角广、机动性强、采集快速的特点[7]，从多层面对矿区进行遥感测绘和地理信息数据采集，实现矿区地形、地貌、道路数据的时时更新；其次，采用北斗定位技术，实时定位采矿设备运行轨迹，实现列车与单斗电铲的智能联动；最后，结合无人机技术的高精度动态地图和采矿设备定位数据信息，实现采区路端台阶无人挖掘和无人矿卡运输技术。在智能化设备方面，东露天矿采矿设备主要由百年老矿西露天矿引进，设备年代久远，不具备全部淘汰更换智能化设备条件，只能在现有基础上，添加智能模块，实现信息收发与报警功能，满足智能铁路网络系统基本需求。智能铁路网络系统建设的核心目的，是解决现有工艺存在的弊病难题，达到安全高效生产的目的。

2.1 单斗电铲定位技术

智能铁路网络系统要时刻定位单斗电铲采掘坐标、采掘方向等位置信息，可在单斗电铲驾驶室操作台增设信息收发显示屏，同时增设定位模块，实现单斗电铲信息的收发功能。采矿术人员使用实时地形图完成铁道降深坡度设计后，将直接通过智能铁路网络系统将采掘坐标、设计高程文本文件远程传送至单斗电铲接收端，利用北斗系统，定位电铲当前位置及标高，实时获取当前作业的轨迹与进度[1]，在电铲电子显示屏实时显示作业高程与掘进方向，指导电铲司机按设计要求作业。该技术可以有效提高电铲采掘精度，省去人工放点、插旗、标记和标高比对等复杂环节，避免了受天气、爆破等其它因素影响，可大幅提高电铲采装效率。

2.2 列车导航驻车技术

智能铁路网络系统可有效预防列车冒进信号，提高生产效率，避免行车事故。列车进站前，当前方信号未开放，若列车闯过红灯信号机，将接收到信号机前可变应答器发送的红灯报文，车载ATP 接收到信息后，将施加紧急制动，使列车在保护区段内停车[8]；智能铁路网络系统由线路管理单位实时更新限速区段信息，当列车驶入限速区段未采取减速措施时，电子信息系统会立即向列车乘务员发送响铃警报，提示加强瞭望，注意运行速度。智能铁路网络系统内的列车AR 系统检测到乘务员存在瞌睡、精神不振时，可通过远程提示的方式告警乘务人员注意安全驾驶，确保行车安全；在列车与电铲定位停车方面，单斗电铲定位技术与列车导航驻车技术相结合，可实现识别列车所在的采掘线路及行进方向信息，通过待装列车导航驻车提示，提高待装列车定位速度和安全性，减少人为因素导致的安全隐患，此举对提高单斗铁道工艺露天矿采装效率具有积极作用。

2.3 无人挖掘和无人矿卡技术

单斗铁道工艺露天矿端帮路端扩采进度直接关系到铁道开拓系统下延速度，为解决现有采掘方式导致路端台阶延伸滞后问题，设计采取无人挖掘和无人矿卡技术提高端帮路端延伸速度。采区铁道路端台阶主要为工作线尽头200 m 内工程量，该部分工程量可由卡车捣运至固定转载线，由单斗电铲完成装列车作业。采区铁道路端台阶采掘区间、卡车运行线路和排土场地一定时期内相对固定，该环节作业工序较为简单。结合作业条件，通过无人机测绘技术完成露天矿山空间信息的实时海量收集，快速提供完整的矿山地形地貌数据[9]，提供无人采掘和无人驾驶路径数据，可实现采区路端台阶无人挖掘和无人矿卡运输技术。无人驾驶技术具有高效生产、主动性作业、数据精确的特点，消除了端帮延伸期间派遣地面人员的需要，符合智能矿山减员增效和安全作业的要求。

3 结语

目前，单斗铁道工艺露天矿运用的采矿设备大多年代久远，作业环节冗杂，在智能化建设的道路应遵循“先基础智能化再系统智能化”的原则，利用增设机电设备基础硬件、自动控制器、无线网络等技术，实时监测采矿设备运行轨迹，提供采矿指导，减少人力资源投入。煤矿智能化建设是一项重大课题，单斗铁道工艺露天矿在迈入智能矿山过程中，一定要顺应发展趋势，揭露现有不足，明确建设目标和任务，通过博采众长，取长补短，不断加快单斗铁道工艺露天矿向智能化矿山迈进的步伐，达到矿山安全高效生产的目的。