地下矿山铲运机智能远程遥控技术的应用

2024年3月17日发(作者：实践活动计划)

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１８

Ｏｃｔｏｂｅｒ．２０２０

现　代　矿　业

ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ

总第６１８期

２０２０年１０月第１０期

地下矿山铲运机智能远程遥控技术的应用

刘建东　王邦策　孙永茂　张　强　田奇志

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司）

　　摘　要　随着采矿行业的发展及采矿装备信息化水平的提高，智能化采矿将是未来采矿行业的

必经之路。地下铲运机作为地下采矿设备中的重要设备之一，其信息化水平的提升将对智能采矿的

发展起到极大推动作用。张庄矿业公司通过对国产铲运设备的智能化升级改造，实现了铲运机自主

导向行走、远程遥控出矿，对提升采矿行业智能化水平具有借鉴意义。

关键词　铲运机　远程遥控　自主导向行走

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

１　张庄矿简介

安徽马钢张庄矿业有限公司位于安徽省六安市

霍邱县霍邱铁矿区，ＴＦｅ矿石平均品位３３．２７％，Ｓ平

均含量０．１１％，Ｐ平均含量０．０４％。设计规模为采

选综合能力５００万ｔ／ａ，采用地下开采、竖井开拓、两

翼对角式通风。

张庄铁矿沿矿体走向方向按１００ｍ划分盘区，盘

区间留有１８ｍ盘区间柱，盘区内垂直矿体走向根据

矿体厚度通长布置矿房，采用隔一采一的矿房布置形

式，一步采矿房宽１５ｍ，二步采矿房宽１８ｍ。一步采

回采充填完，二步采矿房以胶结充填体为矿房边帮进

行回采。采矿方法采用大直径深孔阶段空场嗣后充

填法。设计中段高度６０ｍ，采用上向式回采，利用铲

１］

运机出矿

［

。

２］

设备之一，实现其智能控制具有极其重要的意义

［

。

如何结合国内矿山现有状况开发出适应国内矿

山的智能化系统设备、打破技术封锁实现关键技术国

产化将是具有重大意义的工作。本项目以远程遥控

地下铲运机的研发与工程应用示范为目标，以期达到

以点带面的作用，转化技术成果、积累地下采矿智能

设备开发与工程应用经验。

３　张庄矿地下铲运机智能远程遥控技术研究

成果

　　项目在张庄矿井下选定一个采区内建立无线网

使络通讯平台，选取１台国产铲运机进行技术改造，

用远程遥控实现铲运机的铲、装、卸、自主导向行走功

能，在张庄矿地表办公室内建立远程控制中心，用于

遥控铲运机的远程操作、状态监测和数据处理。

目前已实现单台铲运机地表远程遥控装卸矿、自

主导向行走、人工干预自动拐弯的功能。如图１所

示，司机远程遥控铲运机在溜井处卸矿后交出车辆控

制权

→

车辆沿直道１自动行驶

→

到达弯道１之前司

机拨动一次手柄

→

车辆自动转弯后沿直道２自动行

驶

→

到达弯道２之前司机拨动一次手柄

→

车辆自动

转弯后沿直道３自动行驶至装矿点

→

司机接手车辆

控制远程遥控装矿，装矿完成后交出车辆控制权车辆

自动行驶，按前面路线相同行驶过程反向行驶至溜井

处。

系统使用了独有的算法，对车载雷达所扫描的巷

道实时数据加以运算处理，排除巷道两侧路口及侧帮

不平整的干扰，保障铲运机在现场复杂的路况环境下

沿巷道中间直线平稳前进。该系统还有通信网络、车

辆改造、地面控制中心等关键性技术部分。

３．１　通信网络

基于ＷＬＡＮ技术的无线ＩＰ网络，支持８０２．１１ａ／

ｎ２×２ＭＩＭＯ，最高支持３００Ｍｂｐｓ速率，具有防水、防

２　地下矿山铲运机智能远程遥控技术研究的

必要性

　　随着我国经济的快速发展，对矿产资源的需求越

来越大，对矿山资源的开发不断加大，目前已经逐步

转入大规模的地下开采阶段；随着地下矿开采规模的

显著提高，采矿条件变得愈来愈恶劣，对人的安全威

胁也愈来愈大，但是对采矿效率的要求却越来越高。

面对越来越高的人工成本和越来越严峻的安全形势，

传统的采矿技术及方法已无法满足快速发展的采矿

行业要求。地下矿山智能开采技术成为我国地下矿

山开采中需求最为紧迫的部分，开展相关研究和工程

应用对于促进我国地下金属矿山安全、经济、高效开

采意义重大。智能采矿主要内容之一是井下采矿设

备的智能化，地下铲运机作为地下采矿设备中的重要

　　刘建东（１９８４—），男，高级工程师，２３７４００安徽省六安市霍邱县

周集镇。

１３４

地下矿山铲运机智能远程遥控技术的应用　　　　　　　　２０２０年１０月第１０期　　刘建东　王邦策等：

图１　试验矿房铲运机行驶路线

尘、宽温、宽电压设计和ＩＰ６７防护标准；用于铲运机

和地表控制中心进行信息交互，采用无线ＡＰ对铲运

机行走路线进行信号全覆盖，基站等设备通过网线连

接进入交换机，最终通过光缆传至地表控制中心，网

使用络延时在毫秒级且运行稳定。如图２所示，

ＷＣＳ３１３１ＡＲＴＧ三合一工业级无线ＡＰ／Ｂｒｉｄｇｅ／Ｃｌｉ

ｅｎｔ和ＷＣＳ１１３７实现移动设备接入无线网络，达到

５０ｍｓ快速漫游的功能。另外为了适应现场不可避

免的爆破振动情况，使用ＰｏＥ设备在遇到特殊情况

时可以进行设备的快速拆卸与恢复安装。

图２　通信网络架构

３．２　车辆改造

如图３所示，项目选用了一台国产铲运机进行改

造，对原车控制系统进行了读取及控制，另外根据需

要增加了控制单元，车载拾音器，车辆前后两个方向

各增加了ＬＭＳ１１１１０１００激光雷达和网络摄像头等。

控制单元将车辆状态信息、视频信息等上传至地面控

制中心，将控制中心的指令解析并执行以控制车辆动

作，另外控制单元会将雷达实时扫描的巷道信息进行

运算处理以实现铲运机的自主导向行走、自动转弯及

防碰撞处理。

３．３　地面控制中心

地面控制中心包含了操作座椅和控制显示系统

两部分。实现对整个系统的操作、查看视频、查看车

操作座椅将铲运机驾辆及设备状态等。如图４所示，

驶室内各项操作功能在座椅上模拟实现，并根据人体

工程学进行了适当的改进，可以遥控铲运机进行各种

动作，与司机在车内操作习惯基本一致。控制显示系

统，如图５所示在司机面前的是大尺寸曲面液晶显示

屏显示各类状态信息及视频，还有音箱将现场的声音

传至控制中心，辅助司机判断现场状况。

１３５

总第６１８期现代矿业２０２０年１０月第１０期

图３　车载设备安装示意图

３．４　安全光栅系统

该系统可以把铲运机的工作区域独立出来，避免

无关车辆、人员的闯入。当有如下情况时铲运机将暂

停运行：铲运机超出工作区域、人员进入、按下急停按

钮、铲运机失去信号连接。

４　存在的问题

项目实验过程中存在粉尘干扰的问题。在实际

出矿过程中，随着下部矿石不断被运走，上部矿石会

向下垮落，这个过程会扬起大量粉尘，当粉尘浓度过

图４　操作座椅

１—右操作手柄：控制铲斗升降、大臂翻转、辅助刹车；２—左操作手柄：

３—右控制箱：控制启动、急停、前后灯、喇叭、熄控制前后、转向、油门；

火；４—左控制箱：控制门禁系统、导向模式、主机电源；５—驾驶员座椅

大后，雷达波无法穿透粉尘，雷达误判车辆前方为巷

道墙壁，车辆会停止运行。另外当经历过数次此类情

况后，雷达表面局部会积累大量粉尘干扰雷达扫描数

据，从而导致雷达无法正确判断前进路线。

图５　控制显示系统

１—车辆指示显示档位、转向、急停、铲斗作业等；２—状态显示包括油压、油位、车速等实时车辆运行参数；３—网络状态实时显示

各网络设备网络状态；４—碰撞预警，相应位置图像由绿变黄表示该位置离巷道较近，当相应位置图像变红时，则车辆自动刹车；

５—车载前摄像头画面；６—车载后摄像头画面；７—现场环境雷达扫描二维图像实时模拟图；８—溜井摄像头画面

　　由于实验矿房处于回采阶段，无法洒水降尘，现

场环境又限制了通风降尘的效果，后期计划使用穿透

能力更强的长波雷达，并对雷达表面做特殊防尘处

１３６

理，以减少粉尘的干扰，具体效果将在后续实验中验

证及改进。

４１页）（下转第１

煤矿水砂膏体充填材料流变性质研究　　　　　　　　　　２０２０年１０月第１０期　　李　宁　于际凯等：

表５　膏体材料三轴流变不同围压各阶段应变量统计

１级

围压

瞬时

／ｋＰａ

应变

／％

流变

应变

／％

２级

瞬时

应变

／％

流变

应变

／％

３级

瞬时

应变

／％

流变

应变

／％

４级

瞬时

应变

／％

流变

应变

／％

在恒定的轴向应力下，围压增高，流变变形量减小。

参　考　文　献

［１］　周华强，侯朝炯，孙希奎，等．固体废物膏体充填不迁村采煤

Ｊ］．中国矿业大学学报，２００４，３３（２）：１５４１５９．［

［２］　周建保，齐胜春，王占川．太平煤矿膏体绿色充填开采技术实践

Ｊ］．山东煤炭科技，２００９（３）：２３２４．［

［３］　刘建功，陈勇．膏体注浆补强固体充填技术研究与应用［Ｊ］．中

国矿业，２０１９，２８（Ｓ１）：１４６１４９．

［４］　常庆粮．膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷的理论研究与实践

［Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２００９．

［５］　常庆粮，周华强，柏建彪，等．膏体充填开采覆岩稳定性研究与

实践［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１１，２８（２）：２７９２８２．

［６］　赵才智，周华强，瞿群迪，等．膏体充填料浆流变性能的实验研

究［Ｊ］．煤炭科学技术，２００６，３４（８）：５４５６．

［７］　赵才智．煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究［Ｄ］．徐州：

２００８．中国矿业大学，

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

瞬时变形，瞬时应变量随荷载增加而增加，应变增加

量呈现先减小后增大的趋势；在１级荷载下试样流变

．０７％，随荷载水平增加，流变变形变形量很小，为０

量显著增大，直至破坏。

（２）三轴试验中，试样流变变形量随着荷载水平

的增大而增加，在同级围压下，随着荷载水平的提高，

试样瞬时应变量呈现逐渐减小态势；在同级荷载下，

瞬时应变量与流变应变量均呈现出逐渐减小的趋势；

（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页）业环境。项目成果为地下矿山在恶劣环境及危险区

５　后期目标及应用前景

后期的研发应用目标将分几个阶段进行：

①

在现

有系统完善并稳定运行后，将进行车辆精确定位的系

统研究，绘制出出矿水平所有巷道的雷达扫描信息平

面图，实时定位车辆位置并在图上显示。

②

有了车辆

精确定位，将会进行系统扩展，不再局限于一个溜井

一个矿房出矿。另外将研究实现铲运机自动卸矿，自

主判断转弯路口，进一步减轻司机工作强度，最终实

现一人操作多台车辆。

③

系统移植应用于其他采矿

设备上，最终实现采矿设备全系统自动化、智能化。

经测算项目目前单台铲运机的出矿效率达到了

人工的９０％，单趟运行过程中需司机操作的时间不

足全部时间的一半，大大降低了劳动强度、改善了作

域出矿和残矿回收提供了有效的解决方案，对提升国

内采矿行业智能化水平具有切实的借鉴意义。后续

的系统化运行实验成功后将大大减少作业人员，降低

作业强度，减少作业风险，在国内矿山具有很大的推

３］

。广价值

［

参　考　文　献

［１］　王宝富．浅谈安徽霍邱张庄铁矿床围岩特征及成矿作用［Ｊ］．科

技创新导报，２０１１（２８）：５６．

［２］　战铠．地下金属矿山无轨采矿装备发展趋势［Ｊ］．采矿技术，

２００６，６（３）：３４３８．

［３］　方勇．遥控铲运机在蔡家营锌金矿的应用［Ｊ］．采矿技术，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、分闸线圈等部件，保证了圆锥破碎机稳定运行。（上接第１３８页）发生产的

［

。Ｓ７２００ＰＬＣ是小型可

５］

编程控制器，虽然体积小，但是功能十分强大

［

。在

本系统总体结构简单明了，易于操作，实用性较强，具

有一定的推广应用价值。

参　考　文　献

［１］　刘耀光．新型破碎机常见故障解决方案［Ｊ］．包钢科技，２０１９

（５）：１２１５．

［２］　王孝武，方敏，葛锁良．自动控制原理［Ｍ］．合肥：机械工业出版

２００９．社，

［３］　余健明，同向前，苏文成．供电技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００８．

［４］　张兴．电力电子技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０．

［５］　李方园．ＰＬＣ工程应用案例［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００９．

工业现场无论是用于检测或者控制，都能很好完成。

７２００ＰＬＣ。此次设计，选用的是西门子Ｓ

本次设计中，为了完成功能，至少需要１７个输入

点和１７个输出点。因此选择的ＣＰＵ型号为

ＣＰＵ２２４，加一个扩展模块ＥＭ２２３，具有３０个数字输

２６个数字输出。输入、输出点都留有余量，方便入、

扩展。

５　结　语

本系统投入生产运行后，提高了圆锥破碎机的安

全、保护性能。避免了圆锥破碎机空转时间过长、分

闸失灵，有效地保护了圆锥破碎机的上臂架轴承、铜

（收稿日期２０２００８０６）

１４１