煤矿辅助运输防爆车辆电动化和数智化的应用探究

近年来，《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确要求推进井下车辆新能源替代计划，这促使业界探索以磷酸铁锂电池为核心的动力系统革新，并依托工业互联网实现车辆集群控制。

一、煤矿辅助运输防爆车辆电动化和数智化的意义

在“双碳”目标与智能化矿山建设的时代背景下，煤矿辅助运输防爆车辆的电动化与数智化转型不仅是技术革新的必然趋势，更是行业实现绿色安全发展的核心驱动力。电动化技术通过以锂电池、电机驱动系统替代传统燃油动力，能够有效降低井下有害气体排放，改善作业环境，同时减少机械传动损耗，提升能源利用效率；数智化则借助5G 通信、物联网、人工智能等技术，实现车辆运行状态实时监测、路径智能规划与远程协同调度，显著降低人工操作风险，提高运输系统的灵活性与响应速度。二者深度融合，不仅为煤矿安全生产提供了技术保障，更通过优化资源配置、降低运营成本，为煤炭行业高质量发展注入新动能，对推动我国能源产业绿色低碳转型具有重要战略意义。

二、煤矿辅助运输防爆车辆电动化的技术路径

2.1 动力系统电动化改造

驱动电机选型：针对井下重载运输需求（单车载重 5-20 吨），选用永磁同步电机（功率 50-150kW），其效率高达 95% （较传统柴油发动机高 30% ），且调速范围宽（ 0-3000r/min ），适配井下复杂路况（坡度 ⩽14^∘ ）。永磁同步电机凭借内置高磁性稀土永磁体，可实现高效的机电能量转换，降低运行时的铁损与铜损。例如，某矿用 10 吨级电动防爆车采用 80kW 永磁同步电机，通过矢量控制技术优化转矩输出，满载爬坡速度达 8km/h ，满足井下运输要求。此外，电机采用全封闭水冷散热系统，能在 40% 高温环境下持续稳定运行，保障长时间重载作业需求。

电池与充电系统设计：采用磷酸铁锂电池（容量 200-500Ah），具备本安型防爆特性（防爆等级 Exd Ⅰ），循环寿命超 2000 次（支持深度放电）。磷酸铁锂电池因热稳定性强、无爆炸风险，成为井下运输的理想选择。充电系统采用井下隔爆型充电机，支持快充模式（1.5-2小时充满），并配备电池管理系统（BMS），实时监测电池温度、电压、SOC（StateofCharge）。BMS 系统集成均衡控制功能，可自动调节单体电池电量，避免过充过放。当单体电池温差超 5% 或电压异常时自动断电保护。某煤矿试点中，电动防爆车单次充电可运行 8-10 小时，满足一班制运输需求。同时，为应对突发用电需求，车辆还配备了应急充电接口，可通过便携式应急电源补充电量。

传动与制动系统优化：取消传统机械变速箱，采用电机直驱或行星齿轮减速器，减少传动损耗（效率提升 10% ）。电机直驱模式下，动力传递路径缩短，响应速度提升 20% ，有效降低维护成本。制动系统采用“电制动 + 机械制动”复合模式，电制动可回收 15%-20% 的制动能量（反馈至电池），机械制动作为应急保障，确保制动距离 ⩽10m （车速 20km/h 时）。电制动采用再生回馈控制策略，在车辆减速时将动能转化为电能存储，机械制动则采用湿式多片制动器，具备高摩擦系数与耐磨性能，即使在潮湿泥泞的井下环境也能提供可靠制动力。

2.2 防爆与安全设计

电气系统防爆：电机、控制器、电池箱等关键部件采用隔爆外壳（防护等级 IP65），电缆接头使用防爆插销，避免电火花外泄。例如，电池箱采用双层隔爆结构，内层防爆等级Exd Ⅰ，外层防护水淋与碰撞，通过1500V耐压试验与火焰隔爆试验。外层壳体采用高强度铝合金材质，经特殊阳极氧化处理，抗冲击强度达50J，有效抵御井下落石冲击。同时，电气系统内部填充环氧树脂灌封材料，进一步隔绝电气元件与外界环境，防止瓦斯渗透引发危险。

冗余安全设计：配备双回路电源系统，主电源故障时备用电源（容量 10% 总电量）可维持转向、制动等关键功能30 分钟；设置急停按钮、倒车影像、声光报警装置，当检测到瓦斯浓度超 0.5% 时自动停机并报警。某矿用电动防爆车在瓦斯浓度突升时，3 秒内完成停机，未发生安全事故。

三、煤矿辅助运输防爆车辆数智化的实现方式

3.1 智能驾驶技术应用

环境感知与定位：车辆集成多源异构感知设备，构建三维立体感知网络。核心配置包括：16 线激光雷达（探测距离 50m ，角分辨率 0.2^∘ ）、77GHz 毫米波雷达（具备 -40% 至 85°C 宽温工作能力，抗粉尘穿透率达90% ）及星光级夜视摄像头（最低照度 0.001Lux ）。通过多传感器数据融合算法，实现对井下行人、矿车、管道等目标的动态识别，障碍物检测精度达 ±0.5m 。定位系统采用 UWB 定位基站与惯性导航深度融合方案，在复杂电磁环境下仍能保持厘米级定位精度（误差 ⩽30cm ），结合预先构建的高精度三维电子地图（含巷道拓扑结构、限高限宽参数），为自动驾驶提供可靠地理信息支撑。

路径规划与自主行驶：基于改进型 Dijkstra 算法构建动态路径规划模型，通过实时采集井下各区域交通流量数据，自动规避拥堵路段。在固定运输路线场景中，车辆已实现 L4 级自动驾驶功能：当检测到 5m 范围内行人时，系统将在 0.8 秒内触发紧急制动；自动会车过程中，车速精确控制在 5km/h ，保持 3m 安全间距；自动停靠功能通过视觉 - 惯性融合定位，实现误差 ⩽50cm 的精准对接。

远程控制与协同调度：依托井下 5G 网络切片技术（传输时延⩽10ms ，带宽 ⩾100Mbps ），建立车辆与地面控制中心的毫秒级通信链路。在突发状况下，地面驾驶员可通过 VR 远程驾驶舱实现实时接管，操控响应延迟低于人眼可感知阈值。智能调度平台基于数字孪生技术，对井下运输系统进行 1:1 虚拟建模，通过 AI 算法优化任务分配策略，实现物料需求与车辆资源的智能匹配。实际应用中，车辆平均等待时间缩短40% ，整体利用率提升 20% 。

3.2 状态监测与故障诊断

多参数实时监测：车辆部署智能传感器阵列，覆盖动力系统、传动系统、制动系统等关键部位，实时采集电机转速、电池SOC、制动片磨损量等 50 余项核心参数。数据通过边缘计算节点进行预处理后，上传至云端工业互联网平台。当电机轴承温度超过 80% 或制动片厚度低于 3mm 时，系统将通过声光报警、短信推送等多渠道预警，预警准确率经实测达 92% 。

智能故障诊断：基于随机森林算法构建故障诊断模型，通过对1200+ 历史故障案例的深度学习，实现对 20 类常见故障的智能识别，诊断准确率达 95% 。系统不仅能自动定位故障部件（如电池单体电压失衡、电机缺相故障），还可生成包含故障原因分析、维修步骤指导、备件清单的三维可视化维修方案。某煤矿应用后，平均故障处理时间从4 小时大幅缩短至1 小时，设备非计划停机率下降 65% 。

结语：

煤矿辅助运输防爆车辆的电动化与数智化是矿井绿色化、智能化转型的重要组成部分，二者协同应用可实现“安全提升、效率提高、成本降低、环保改善”的多重目标。尽管面临技术、成本、标准等挑战，但随着政策支持与技术进步，这些问题将逐步解决。

参考文献：

[1] 袁晓明 . 煤矿无轨辅助运输工艺和发展方向研究 [J]. 煤炭工程 ,2019,051(005):1- 5.

[2] 郝明锐 . 矿用纯电动防爆车辆续驶里程提升技术研究 [J]. 煤炭科学技术 ,2019,047(002):156- 160.

[3] 任志勇 . 纯电动防爆车辆续驶里程影响因素研究 [J]. 煤炭科学技术 ,2019,047(002):150- 155.