地下礦山鏟運機智能遠程遙控技術的應用

2024年3月17日發(作者：實踐活動計劃)

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１８

Ｏｃｔｏｂｅｒ．２０２０

現　代　礦　業

ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ

總第６１８期

２０２０年１０月第１０期

地下礦山鏟運機智能遠程遙控技術的應用

劉建東　王邦策　孫永茂　張　強　田奇志

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

　　摘　要　隨著采礦行業的發展及采礦裝備信息化水平的提高，智能化采礦將是未來采礦行業的

必經之路。地下鏟運機作為地下采礦設備中的重要設備之一，其信息化水平的提升將對智能采礦的

發展起到極大推動作用。張莊礦業公司通過對國產鏟運設備的智能化升級改造，實現了鏟運機自主

導向行走、遠程遙控出礦，對提升采礦行業智能化水平具有借鑒意義。

關鍵詞　鏟運機　遠程遙控　自主導向行走

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４６０８２．２０２０．１０．０４１

１　張莊礦簡介

安徽馬鋼張莊礦業有限公司位于安徽省六安市

霍邱縣霍邱鐵礦區，ＴＦｅ礦石平均品位３３．２７％，Ｓ平

均含量０．１１％，Ｐ平均含量０．０４％。設計規模為采

選綜合能力５００萬ｔ／ａ，采用地下開采、豎井開拓、兩

翼對角式通風。

張莊鐵礦沿礦體走向方向按１００ｍ劃分盤區，盤

區間留有１８ｍ盤區間柱，盤區內垂直礦體走向根據

礦體厚度通長布置礦房，采用隔一采一的礦房布置形

式，一步采礦房寬１５ｍ，二步采礦房寬１８ｍ。一步采

回采充填完，二步采礦房以膠結充填體為礦房邊幫進

行回采。采礦方法采用大直徑深孔階段空場嗣后充

填法。設計中段高度６０ｍ，采用上向式回采，利用鏟

１］

運機出礦

［

。

２］

設備之一，實現其智能控制具有極其重要的意義

［

。

如何結合國內礦山現有狀況開發出適應國內礦

山的智能化系統設備、打破技術封鎖實現關鍵技術國

產化將是具有重大意義的工作。本項目以遠程遙控

地下鏟運機的研發與工程應用示范為目標，以期達到

以點帶面的作用，轉化技術成果、積累地下采礦智能

設備開發與工程應用經驗。

３　張莊礦地下鏟運機智能遠程遙控技術研究

成果

　　項目在張莊礦井下選定一個采區內建立無線網

使絡通訊平臺，選取１臺國產鏟運機進行技術改造，

用遠程遙控實現鏟運機的鏟、裝、卸、自主導向行走功

能，在張莊礦地表辦公室內建立遠程控制中心，用于

遙控鏟運機的遠程操作、狀態監測和數據處理。

目前已實現單臺鏟運機地表遠程遙控裝卸礦、自

主導向行走、人工干預自動拐彎的功能。如圖１所

示，司機遠程遙控鏟運機在溜井處卸礦后交出車輛控

制權

→

車輛沿直道１自動行駛

→

到達彎道１之前司

機撥動一次手柄

→

車輛自動轉彎后沿直道２自動行

駛

→

到達彎道２之前司機撥動一次手柄

→

車輛自動

轉彎后沿直道３自動行駛至裝礦點

→

司機接手車輛

控制遠程遙控裝礦，裝礦完成后交出車輛控制權車輛

自動行駛，按前面路線相同行駛過程反向行駛至溜井

處。

系統使用了獨有的算法，對車載雷達所掃描的巷

道實時數據加以運算處理，排除巷道兩側路口及側幫

不平整的干擾，保障鏟運機在現場復雜的路況環境下

沿巷道中間直線平穩前進。該系統還有通信網絡、車

輛改造、地面控制中心等關鍵性技術部分。

３．１　通信網絡

基于ＷＬＡＮ技術的無線ＩＰ網絡，支持８０２．１１ａ／

ｎ２×２ＭＩＭＯ，最高支持３００Ｍｂｐｓ速率，具有防水、防

２　地下礦山鏟運機智能遠程遙控技術研究的

必要性

　　隨著我國經濟的快速發展，對礦產資源的需求越

來越大，對礦山資源的開發不斷加大，目前已經逐步

轉入大規模的地下開采階段；隨著地下礦開采規模的

顯著提高，采礦條件變得愈來愈惡劣，對人的安全威

脅也愈來愈大，但是對采礦效率的要求卻越來越高。

面對越來越高的人工成本和越來越嚴峻的安全形勢，

傳統的采礦技術及方法已無法滿足快速發展的采礦

行業要求。地下礦山智能開采技術成為我國地下礦

山開采中需求最為緊迫的部分，開展相關研究和工程

應用對于促進我國地下金屬礦山安全、經濟、高效開

采意義重大。智能采礦主要內容之一是井下采礦設

備的智能化，地下鏟運機作為地下采礦設備中的重要

　　劉建東（１９８４—），男，高級工程師，２３７４００安徽省六安市霍邱縣

周集鎮。

１３４

地下礦山鏟運機智能遠程遙控技術的應用　　　　　　　　２０２０年１０月第１０期　　劉建東　王邦策等：

圖１　試驗礦房鏟運機行駛路線

塵、寬溫、寬電壓設計和ＩＰ６７防護標準；用于鏟運機

和地表控制中心進行信息交互，采用無線ＡＰ對鏟運

機行走路線進行信號全覆蓋，基站等設備通過網線連

接進入交換機，最終通過光纜傳至地表控制中心，網

使用絡延時在毫秒級且運行穩定。如圖２所示，

ＷＣＳ３１３１ＡＲＴＧ三合一工業級無線ＡＰ／Ｂｒｉｄｇｅ／Ｃｌｉ

ｅｎｔ和ＷＣＳ１１３７實現移動設備接入無線網絡，達到

５０ｍｓ快速漫游的功能。另外為了適應現場不可避

免的爆破振動情況，使用ＰｏＥ設備在遇到特殊情況

時可以進行設備的快速拆卸與恢復安裝。

圖２　通信網絡架構

３．２　車輛改造

如圖３所示，項目選用了一臺國產鏟運機進行改

造，對原車控制系統進行了讀取及控制，另外根據需

要增加了控制單元，車載拾音器，車輛前后兩個方向

各增加了ＬＭＳ１１１１０１００激光雷達和網絡攝像頭等。

控制單元將車輛狀態信息、視頻信息等上傳至地面控

制中心，將控制中心的指令解析并執行以控制車輛動

作，另外控制單元會將雷達實時掃描的巷道信息進行

運算處理以實現鏟運機的自主導向行走、自動轉彎及

防碰撞處理。

３．３　地面控制中心

地面控制中心包含了操作座椅和控制顯示系統

兩部分。實現對整個系統的操作、查看視頻、查看車

操作座椅將鏟運機駕輛及設備狀態等。如圖４所示，

駛室內各項操作功能在座椅上模擬實現，并根據人體

工程學進行了適當的改進，可以遙控鏟運機進行各種

動作，與司機在車內操作習慣基本一致。控制顯示系

統，如圖５所示在司機面前的是大尺寸曲面液晶顯示

屏顯示各類狀態信息及視頻，還有音箱將現場的聲音

傳至控制中心，輔助司機判斷現場狀況。

１３５

總第６１８期現代礦業２０２０年１０月第１０期

圖３　車載設備安裝示意圖

３．４　安全光柵系統

該系統可以把鏟運機的工作區域獨立出來，避免

無關車輛、人員的闖入。當有如下情況時鏟運機將暫

停運行：鏟運機超出工作區域、人員進入、按下急停按

鈕、鏟運機失去信號連接。

４　存在的問題

項目實驗過程中存在粉塵干擾的問題。在實際

出礦過程中，隨著下部礦石不斷被運走，上部礦石會

向下垮落，這個過程會揚起大量粉塵，當粉塵濃度過

圖４　操作座椅

１—右操作手柄：控制鏟斗升降、大臂翻轉、輔助剎車；２—左操作手柄：

３—右控制箱：控制啟動、急停、前后燈、喇叭、熄控制前后、轉向、油門；

火；４—左控制箱：控制門禁系統、導向模式、主機電源；５—駕駛員座椅

大后，雷達波無法穿透粉塵，雷達誤判車輛前方為巷

道墻壁，車輛會停止運行。另外當經歷過數次此類情

況后，雷達表面局部會積累大量粉塵干擾雷達掃描數

據，從而導致雷達無法正確判斷前進路線。

圖５　控制顯示系統

１—車輛指示顯示檔位、轉向、急停、鏟斗作業等；２—狀態顯示包括油壓、油位、車速等實時車輛運行參數；３—網絡狀態實時顯示

各網絡設備網絡狀態；４—碰撞預警，相應位置圖像由綠變黃表示該位置離巷道較近，當相應位置圖像變紅時，則車輛自動剎車；

５—車載前攝像頭畫面；６—車載后攝像頭畫面；７—現場環境雷達掃描二維圖像實時模擬圖；８—溜井攝像頭畫面

　　由于實驗礦房處于回采階段，無法灑水降塵，現

場環境又限制了通風降塵的效果，后期計劃使用穿透

能力更強的長波雷達，并對雷達表面做特殊防塵處

１３６

理，以減少粉塵的干擾，具體效果將在后續實驗中驗

證及改進。

４１頁）（下轉第１

煤礦水砂膏體充填材料流變性質研究　　　　　　　　　　２０２０年１０月第１０期　　李　寧　于際凱等：

表５　膏體材料三軸流變不同圍壓各階段應變量統計

１級

圍壓

瞬時

／ｋＰａ

應變

／％

流變

應變

／％

２級

瞬時

應變

／％

流變

應變

／％

３級

瞬時

應變

／％

流變

應變

／％

４級

瞬時

應變

／％

流變

應變

／％

在恒定的軸向應力下，圍壓增高，流變變形量減小。

參　考　文　獻

［１］　周華強，侯朝炯，孫希奎，等．固體廢物膏體充填不遷村采煤

Ｊ］．中國礦業大學學報，２００４，３３（２）：１５４１５９．［

［２］　周建保，齊勝春，王占川．太平煤礦膏體綠色充填開采技術實踐

Ｊ］．山東煤炭科技，２００９（３）：２３２４．［

［３］　劉建功，陳勇．膏體注漿補強固體充填技術研究與應用［Ｊ］．中

國礦業，２０１９，２８（Ｓ１）：１４６１４９．

［４］　常慶糧．膏體充填控制覆巖變形與地表沉陷的理論研究與實踐

［Ｄ］．徐州：中國礦業大學，２００９．

［５］　常慶糧，周華強，柏建彪，等．膏體充填開采覆巖穩定性研究與

實踐［Ｊ］．采礦與安全工程學報，２０１１，２８（２）：２７９２８２．

［６］　趙才智，周華強，瞿群迪，等．膏體充填料漿流變性能的實驗研

究［Ｊ］．煤炭科學技術，２００６，３４（８）：５４５６．

［７］　趙才智．煤礦新型膏體充填材料性能及其應用研究［Ｄ］．徐州：

２００８．中國礦業大學，

１００２．４１０．１６

２００２．０２０．１１

３００１．７０．１１

０．３２０．１６

０．２５０．１４

０．２８０．２１

０．１７０．１６

０．２５０．１５

０．１６０．１４

０．０８０．２３

０．０８０．１９

０．０９０．１３

瞬時變形，瞬時應變量隨荷載增加而增加，應變增加

量呈現先減小后增大的趨勢；在１級荷載下試樣流變

．０７％，隨荷載水平增加，流變變形變形量很小，為０

量顯著增大，直至破壞。

（２）三軸試驗中，試樣流變變形量隨著荷載水平

的增大而增加，在同級圍壓下，隨著荷載水平的提高，

試樣瞬時應變量呈現逐漸減小態勢；在同級荷載下，

瞬時應變量與流變應變量均呈現出逐漸減小的趨勢；

（收稿日期２０２００２２４）

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄

（上接第１３６頁）業環境。項目成果為地下礦山在惡劣環境及危險區

５　后期目標及應用前景

后期的研發應用目標將分幾個階段進行：

①

在現

有系統完善并穩定運行后，將進行車輛精確定位的系

統研究，繪制出出礦水平所有巷道的雷達掃描信息平

面圖，實時定位車輛位置并在圖上顯示。

②

有了車輛

精確定位，將會進行系統擴展，不再局限于一個溜井

一個礦房出礦。另外將研究實現鏟運機自動卸礦，自

主判斷轉彎路口，進一步減輕司機工作強度，最終實

現一人操作多臺車輛。

③

系統移植應用于其他采礦

設備上，最終實現采礦設備全系統自動化、智能化。

經測算項目目前單臺鏟運機的出礦效率達到了

人工的９０％，單趟運行過程中需司機操作的時間不

足全部時間的一半，大大降低了勞動強度、改善了作

域出礦和殘礦回收提供了有效的解決方案，對提升國

內采礦行業智能化水平具有切實的借鑒意義。后續

的系統化運行實驗成功后將大大減少作業人員，降低

作業強度，減少作業風險，在國內礦山具有很大的推

３］

。廣價值

［

參　考　文　獻

［１］　王寶富．淺談安徽霍邱張莊鐵礦床圍巖特征及成礦作用［Ｊ］．科

技創新導報，２０１１（２８）：５６．

［２］　戰鎧．地下金屬礦山無軌采礦裝備發展趨勢［Ｊ］．采礦技術，

２００６，６（３）：３４３８．

［３］　方勇．遙控鏟運機在蔡家營鋅金礦的應用［Ｊ］．采礦技術，２０１２

（４）：２３２４．

（收稿日期２０２００７２６）

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄

４］

套、分閘線圈等部件，保證了圓錐破碎機穩定運行。（上接第１３８頁）發生產的

［

。Ｓ７２００ＰＬＣ是小型可

５］

編程控制器，雖然體積小，但是功能十分強大

［

。在

本系統總體結構簡單明了，易于操作，實用性較強，具

有一定的推廣應用價值。

參　考　文　獻

［１］　劉耀光．新型破碎機常見故障解決方案［Ｊ］．包鋼科技，２０１９

（５）：１２１５．

［２］　王孝武，方敏，葛鎖良．自動控制原理［Ｍ］．合肥：機械工業出版

２００９．社，

［３］　余健明，同向前，蘇文成．供電技術［Ｍ］．北京：機械工業出版社，

２００８．

［４］　張興．電力電子技術［Ｍ］．北京：科學出版社，２０１０．

［５］　李方園．ＰＬＣ工程應用案例［Ｍ］．北京：中國電力出版社，２００９．

工業現場無論是用于檢測或者控制，都能很好完成。

７２００ＰＬＣ。此次設計，選用的是西門子Ｓ

本次設計中，為了完成功能，至少需要１７個輸入

點和１７個輸出點。因此選擇的ＣＰＵ型號為

ＣＰＵ２２４，加一個擴展模塊ＥＭ２２３，具有３０個數字輸

２６個數字輸出。輸入、輸出點都留有余量，方便入、

擴展。

５　結　語

本系統投入生產運行后，提高了圓錐破碎機的安

全、保護性能。避免了圓錐破碎機空轉時間過長、分

閘失靈，有效地保護了圓錐破碎機的上臂架軸承、銅

（收稿日期２０２００８０６）

１４１