智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统在煤矿中的应用

赵炳文,刘江斌,卫琛浩,党文龙,李盟洁,李茂庆

(1.陕西陕煤榆北煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司,陕西 榆林 719000;3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710000)

0 引言

随着煤矿生产技术水平的提高,无轨运输设备及技术广泛应用于现代化大型煤矿中,其中防爆无轨胶轮车是其中最重要的辅助运输设备之一,担负着除煤炭运输以外的物料、设备甚至人员的运输任务[1-2]。目前无轨胶轮车主要采用人工制动方式,但是受到巷道坡度、无轨胶轮车操作维护水平和驾驶员安全驾驶水平等因素的影响,经常出现车辆违规超载、刹车失灵或挂不上档等现象,导致车辆失速,造成煤矿重大辅助运输安全事故[3-4],威胁着煤矿附属设施和从业人员的安全。因此,防爆无轨胶轮车失速拦截技术应用迫在眉睫。

针对无轨胶轮车失速问题,相关从业研究人员相继提出不同的设计方案[5-9],传统阻车器主要存在以下问题:传统阻车器以有轨运输为主,主要应用于轨道运输车辆的失速拦截,针对无轨运输阻车器研究较少;目前的无轨运输阻车器主要以钢丝绳、挂钩、挡车板等刚性拦截为主,柔性防护效果不佳;传统阻车器主要控制方式为电气控制,智能化水平不高,无轨运输系统与地面无法随时进行监控指挥,容易造成重大运输安全事故,管理存在滞后性。

随着国家信息化与工业化的不断深入融合,煤矿生产、运输、管理智能化是推进煤炭行业高质量发展的必然要求,行业管理监督部门已陆续出台相关政策法规,督促规范指导相关单位完成智能化煤矿建设要求。越来越多的智能化技术和装备应用于大型煤矿[10-12]。针对煤矿辅助运输,为了贯彻落实国家发改委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》及国家能源局等部门关于《智能化示范煤矿建设管理暂行办法》要求,《陕西省煤矿智能化建设指南》中规定:无轨胶轮车运输系统应具有车辆智能调度、超员/超载/超速监测、车辆辅助驾驶、倒车声光警示等功能,应配备失速拦截装置。因此,设计应用新型的智能化无轨胶轮车安全防护装置是煤矿井下斜巷运输必不可少的安全措施之一。

曹家滩煤矿引进的智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统,是由陕西煤业化工技术研究院和济南嘉宏科技有限公司联合研发,结合无线通信技术,依托雷达测速、视频监控及阻拦装置等硬件设备,利用大数据进行提取、比对、加工处理,采集终端结构化及非结构化数据,通过存储、加载、计算、渲染等方式实现车辆速度、阻拦装置的工作状态及巷道内视频监控数据的实时性、可视性,从而为智能预警提供有效数据支撑,对失速车辆进行有效拦截。

1 智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统构建

1.1 系统关键组成

智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统主要由软件部分、自动控制系统、机械部分组成。机械部分由柔性阻拦装置、柔性缓冲装置、执行机构组成,如图1所示。

图1 智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统架构

1.2 系统主要功能

智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统主要包括5部分功能。

设备自诊断:系统对关键设备的运行状态进行检测、诊断并智能报警,方便工作人员远程维护。

通信双保障:车载信号发射器的无线通信采用4G和LoRa这2种通信模式,实现无线通信的双重保障。

柔性拦截:拦车网采用国内先进合成材料及纳米流体吸能结构,车辆失速时可以实现对车辆的柔性拦截防护,避免拦截过程由于刚性破坏对人体造成二次伤害。且采用主动拦截和被动拦截2种触发方式进行拦截,当车辆在失控或在超速的状态时,拦截网对失速车辆实现百分之百拦得准和百分之百拦得住。

控制预警智能化:依托雷达测速、视频监控及阻拦装置等硬件设备,利用大数据进行提取、比对、加工处理,采集终端结构化及非结构化数据,通过存储、加载、计算、渲染等方式实现车辆速度、阻拦装置的工作状态及巷道内视频监控数据的实时性、可视性,从而为智能预警提供有效数据支撑,通过配置管理以实现预警指标自定义配置,利用信息化手段,将采集数据与自定义指标进行智能比对计算,对车辆超速、失速、阻拦装置通信中断、执行中断及供电中断等问题,进行相关的智能预警、信息推送及声光提示。管理人员可对预警信息进行预警干预、预警解除等操作。

融合共享:该拦截系统可以与煤矿监控检测系统融合,实现数据的共享与融合,便于管理者及时掌握车辆安全运行状况,为安全生产管理提供数据支撑,是智能化矿山的重要组成部分。

1.3 系统防护机理

当防爆无轨胶轮车出现超速行驶或刹车失灵、挂挡失败造成的速度失控时,雷达捕捉到超速信号或司机拍下车载信号发射按钮后,车辆的实时信息通过网络传至软件监控系统,软件监控系统将信息推送至阻拦控制系统和巷道内的电子显示、语音提示牌,提醒其他车辆有效避让,避免二次事故的发生。同时系统通过射频技术和光电技术双重分析,计算出最佳拦截位置,下放柔性阻拦装置,执行机构与软件监控系统、无线射频系统连接,控制柔性拦截装置进入拦截状态。

柔性缓冲吸能装置是发挥拦截作用的主要作用机构,该装置采用多级缓冲吸能结构,使用先进弹性材料与压板吸能器配合,将胶轮车的冲击能量转化为柔性弹性材料的弹性变形和钢丝绳与压板之间的摩擦能,达到多级柔性缓冲制动的效果。每个吸能器的拦截能量可调,合理设置吸能量,实现对不同车辆的柔性拦截。

2 系统应用及效果分析

2.1 现场应用情况

曹家滩煤矿位于陕西省榆林市北部榆神煤化工基地,设计生产能力为1 500万t/a,属于国家大型煤矿。曹家滩独特的地理形态对其运输方式提出新的要求,根据井田的地形地貌及煤层赋存条件,矿井不具备露天开采或平硐开拓条件,考虑斜井开拓具有施工技术要求低;地面设施简单;井底车场硐室小,工程量小;主运能力大,效率高;有利于作为人员安全出口等优势,曹家滩矿井采用斜井开拓辅助运输方式,适合该智能柔性失速拦截系统的实地应用。

为了进一步保证无轨胶轮车辅助运输安全,曹家滩煤矿于2021年6月引入成套智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统。曹家滩煤矿副斜井全长4 012 m,坡度-5.5°,断面为半圆拱形,净断面23.6 m2,净宽6 900 mm,净高5 750 mm,倾角比较平缓。根据曹家滩煤矿倾斜巷道道实际情况和经济性、安全性原则,在距离副斜井洞口130 m处安装一套拦车网装置,其中,缓冲吸能装置采用压板吸能器,安装在巷道两侧壁,吸能器中心离地面70 cm,2个吸能器边距2.4 m,吸能器和地面平行。转轴板中心距离地面70 cm,边距第一个吸能器3 m,转轴板和地面平行。雷达、射频、语音固定在同一根横梁上,安装在巷道顶板,系统设定雷达限速20 km/h,当显示速度在20 km/h以下时,显示绿色,在20 km/h以上时,显示红色。各主要部件安装效果如图2所示。

图2 主要部件安装效果

柔性阻拦装置安装在巷道顶板,阻拦网离地距离,根据现场车辆车头高度确定。固定缓冲钢丝绳,折弯钢丝绳最高处离地在1.8～2 m左右,最低处离地30 cm左右,钢丝绳固定好后,多余的钢丝绳割齐,并用2个绳卡固定,钢丝绳和阻拦网连接环处,也用1个绳卡固定。曹家滩煤矿副斜井巷道总共安装22套拦车网装置,该拦截系统软件控制平台接入煤矿智能化矿山管理平台,统一进行管理。巷道安装拦车网如图3所示。

图3 拦车网实地安装效果

通过系统软件自定义设置定时任务,主动采集超速报警装置主机、雷达测速传感器等关键设备运行状态数据。对采集数据上传服务器软件,进行分析、预警、展示,同时将预警信息及时推送至相关工作人员,便于工作人员实时掌握设备运行状态,设备日常维护成本低。

2.2 应用效果分析

在此之前,曹家滩煤矿斜巷辅助运输安全防护设施主要采取防撞垫、废旧轮胎对失速车辆提供安全防护,由于其主要设置在巷道墙壁和道路两侧,针对失速车辆阻车效果有限,且车辆失速工况多变,这种防护方式对车辆和人员防护效果不佳,一旦发生失速事故,将严重威胁人员生命安全,影响煤矿生产效率;且地面管理人员不能及时了解车辆运行及防护装置状态,导致救援延迟。

智能无轨胶轮车失速拦截系统应用状态如图4所示,可以看到该系统实现实时监控车辆运行状态,可以对当月及当日运行车辆总数、预警情况、拦截情况进行统计分析,对车辆实时速度、摄像仪和阻拦装置进行监测预警,对容易超速的车辆和容易超速时段进行预警,并对超速车辆进行拦截。以该月为例,当月下井车辆共计100辆,其中载客车辆52辆,载货车辆48辆,实现预警33次,车速超速预警28次,设备异常预警5次,成功拦截车辆1次,通过收集并分析运行数据,发现车辆容易超速时间段为下午16∶00～20∶00。曹家滩煤矿安装智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统后,无轨运输车辆及人员的防护水平明显提高,进一步提高了该煤矿的智能化、信息化水平,目前已经累计安全运行6个月,大大提升了煤矿无轨胶轮车的运输安全,减少了安全隐患,保证了职工生命和财产安全,具有良好的经济和社会效益。

图4 智能无轨胶轮车失速拦截系统应用效果

3 结语

针对煤矿斜井运输安全现状及智能化发展趋势,通过介绍一种智能柔性无轨胶轮车失速拦截系统的构成和主要功能以及曹家滩矿井首次应用该失速拦截系统的现状和效果,该系统已经完成安装调试,正处于实际运行阶段。其突出特点是利用智能化技术,结合柔性缓冲吸能材料,实现对失速无轨胶轮车进行主动与被动智能柔性拦截,同时可以实时监控车辆及拦截系统运行状态,运输安全管理水平成效显著,为曹家滩煤矿井下辅助运输系统安全运行提供了可靠保障,该拦截系统的应用对类似矿井具有显著的借鉴作用和推广价值。