矿山无轨设备安全防护系统的创新设计与应用

一、矿山无轨设备安全风险分析

（一）作业环境风险

矿山作业环境复杂多变，露天矿山有陡坡、悬崖、松软地面等地形，地下矿山有狭窄巷道、低矮顶板、积水区等特殊环境。在露天矿山中，自卸卡车在陡坡路段行驶时，由于路面湿滑、坡度大容易发生侧翻，在地下矿山中，井下矿用运输车在狭窄巷道中穿行，稍有不慎就会与巷道壁发生碰撞，造成车辆损坏和人员伤亡。矿山环境中高粉尘会降低能见度，影响驾驶员视线，粉尘进入设备内部，会使机械部件加速磨损，增加设备故障风险。低光照条件下驾驶员难以准确判断路况和设备运行状态，从而增加事故发生概率。

（二）设备运行风险

矿山无轨设备多数时间处在重载、高速、持续工作状态，设备的机械系统、液压系统和电气系统一直承受较大负荷。很容易出毛病，传动系统的齿轮磨损，轴承损坏，会造成设备动力传输不正常，致使车辆失控，液压系统的泄漏，压力不稳，会影响设备动作的精确性与可靠性。如果铲运机铲斗突然落下，就会给周围人员和设备带来伤害，电气系统的短路，漏电等故障，既损害设备，又引发火灾，触电等重大事故。而且，设备频繁启动停止，紧急制动，还会加重零部件的磨损和疲劳，减小设备的安全性和可靠性。

（三）人为操作风险

驾驶员的操作技能与安全意识关乎矿山无轨设备的安全运行。有些驾驶员缺少专业培训，对设备操作生疏，碰到紧急情况时不知如何处理，容易引发事故，以操作挖掘机为例，驾驶员若不能恰当掌握挖掘角度和力度。就会造成铲斗碰撞周边物体或者伤害到其他人，而且有些驾驶员存在疲劳驾驶，违规操作等行为。像超速行驶，超载运输等，这些行为也加重了设备运行的安全风险，通过调查得知，由于人为操作失误引发的矿山设备安全事故占全部事故数量的50% 以上。

二、矿山无轨设备安全防护系统创新设计原则

（一）系统性原则

安全防护系统要覆盖设备运行的全部过程和环节，包含设备启动之前的检查，运行期间的即时监测和防护，出现故障后的应急处置等等。还要把机械防护，电子监测，智能控制等多种防护手段融合起来，形成一个完整的防护体系，从而做到对设备安全风险的全方位，多层次防控。

（二）可靠性原则

矿山作业环境恶劣，所以安全防护系统要有很高的可靠度，在各种复杂的工况下保持稳定的运行状态。系统所需的硬件设备应当具备优良的防护性特征，例如具备防水性能、防尘性能以及防震性能等等，以此来适应矿山所处的大环境。而所使用的软件方面算法则需要有着较好的抵抗干扰特性，容错功能要足够强，从而能够维持监测得到的数据信息是准确可靠的，并且相关决策也达到防护效果的要求。

（三）智能化原则

利用物联网、大数据、人工智能等先进技术，完成安全防护系统的智能化更新。针对设备运作数据实施即时采集并加以剖析，自动辨别安全风险，然后立即发出警报并采取相应的防护手段。而且，系统应当具有自学习与自适应的能力，可以依照设备运作工况的改变以及新出现的安全风险，持续改善防护策略。

（四）人性化原则

安全防护系统的设计要顾及驾驶员与维修人员的习惯及需求，界面应当简单明了，易于操作和理解，系统的预警提示需清楚明白。不能干扰驾驶员或者致使驾驶员产生误会，还要具备培训和引导的功能，助力驾驶员和维修人员提升安全意识和操作水平。

三、矿山无轨设备安全防护系统创新设

（一）多传感器融合监测子系统

多传感器融合监测子系统是安全防护系统的基石，在设备关键部位装设多种类型传感器。以达成设备运行状况及周边环境信息的全面获取，在设备本体上，设置振动传感器，温度传感器，压力传感器等，实时监测设备机械部件，液压系统，电气系统的工作参数，比如轴承振动，电机温度，液压管路压力等。比如振动传感器察觉到设备某部位振动幅值突然增大，大概表明此处存在机械故障，必要及时予以检查维修。

设备周边环境监测采用激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器和摄像头，激光雷达可以快速、准确的得到设备周边的三维空间信息，可以检测障碍物的位置、距离、形状，毫米波雷达在恶劣天气条件下（大雾、暴雨）穿透力强。可以对车辆前方、侧方障碍物实时监测，超声波传感器用于近距离检测，可以精准测量设备与周边物体的距离，摄像头可以提供可视化图像信息，帮助驾驶员和系统做出环境判断。

（二）智能预警子系统

智能预警子系统以多传感器融合监测子系统采集的数据为基础，借助人工智能算法对设备运行状况及周边环境展开即时评判，一旦察觉到安全风险便立刻发出警报，构建起完善的风险评判模型。通过对以往事故数据和设备运行数据加以学习，从而确定出各类风险等级的预警阈值。比如激光雷达探测到设备前方存在障碍物，而且距离低于安全阈值时，系统按照障碍物的移动速度和设备当前行驶速度来算出碰撞危险等级，如果危险等级较高，马上发出声光警报信号，提醒驾驶员执行制动或者规避操作。

而且智能预警子系统具有预警信息分级推送功能，对轻微的安全风险，比如设备某个部件温度稍微升高，系统只是在设备的仪表盘上显示预警提示。对严重的安全风险，比如即将发生碰撞事故，系统不但发出强烈的声光预警，还会通过短信、APP 等途径把预警信息推送给设备管理人员和有关人员，从而尽快采取应急办法。

（三）主动防护子系统

主动防护子系统属于安全防护系统的关键部分，当智能预警子系统发出预警时，主动防护子系统会自动执行防护措施。从而防止或者削减发生事故，在防碰撞方面，当系统察觉到有碰撞危险时，控制单元首先向设备的制动系统和转向系统发送指令。自动减慢车速或者转变行驶方向，进而避开障碍物，就拿巷道壁将要被碰上来说，主动防护子系统可以使得车辆自动减速并且改变行驶方向，从而保证井下矿用运输车安全穿过狭窄空间。

于设备侧翻风险而言，主动防护子系统把倾角传感器安装在设备之上，用它持续监测车辆的倾斜程度，如果察觉到车辆倾斜超出安全范围之后，就马上改变设备的重心位置，也许会控制液压系统使设备的工作部分降下来。或者调节车辆的悬挂系统，以此来提升车辆的稳定性，防止发生侧翻现象，而且这个主动防护子系统还可以同设备的动力系统实行联动作业。如果设备遇到异常的工况，就会自行限制发动机的功率或者是切断动力源，以免事故进一步扩大的情况发生。

（四）应急救援子系统

应急救援子系统是在事故发生之后，为了保证人员的生命安全以及减少设备的损失而设计的，系统配备紧急呼叫装置，当驾驶员出现紧急状况时，可以一键呼叫按钮给矿山调度中心发出求救信号。调度中心收到信号之后，就可以立即得到设备所在位置以及事故的类型，从而立刻启动应急救援预案，安排救援人员和设备赶往事故现场。

而且应急救援子系统还有自动报警功能，当设备出现严重的故障或者事故的时候，像车辆起火，电气短路等等。就会自动向附近的消防，急救等部门发出报警信息，而且还会给出事故的具体位置以及现场的情况描述，而且系统还可以通过设备上的摄像头。把事故现场的实时画面传送给救援人员，这样救援人员就能提前了解现场的情况，从而制定出更加有效的救援计划。

四、矿山无轨设备安全防护系统应用案例

（一）甘肃酒泉某露天钨矿应用案例

甘肃酒泉的这座露天钨矿，设计产能达 200 万吨 / 年。随着开采推进，边坡稳定性与设备运行安全愈发关键。2022 年，该矿启动边坡自动化监测系统一期项目招标，2024 年又开展二期增补、联网项目，中海达凭借专业实力成功中标并实施。其采用的矿山边坡自动化监测预警方案，以北斗高精度定位为核心，融合多传感器技术。在矿区 73 个关键点位建设移动式 GNSS 地表位移监测站，对边坡表面位移实现 24 小时实时自动化监测，并依不同区域设定差异化预警阈值。同时，配套建设1 处降雨量监测站、4 处地下水位监测站、1 处应力监测站、5 处内部位移监测站及 8 处边坡视频监测站。系统自 2022 年 8 月运行以来，92 套监测设备在线率始终保持100%，精准捕捉边坡形变，及时发出预警，助力矿山提前应对潜在滑坡风险。在无轨设备安全防护方面，自卸卡车、装载机等均安装多传感器融合监测装置，能敏锐感知周边环境。智能预警子系统根据监测数据实时评估碰撞风险，已成功触发超 500 次预警，有效避免多起设备碰撞事故。一次，装载机在靠近边坡作业时，主动防护子系统检测到边坡有微小位移迹象，迅速限制装载机行进，并向司机发出警报，避免因边坡坍塌可能引发的设备损毁与人员伤亡。应用该安全防护系统后，矿山无轨设备事故率降低 65%，设备维修成本下降 30% ，有力保障矿山高效、安全生产。

（二）山东黄金阿尔哈达矿业井下应用案例

山东黄金阿尔哈达矿业针对井下无轨设备运行安全难题，投入约 60 万元研发“井下无轨设备安防预警系统”。该系统基于定位技术，为井下无轨设备驾驶员提供全方位声光预警。在研发阶段，技术团队将系统在斜坡道、运输平巷及各类采区等复杂路况下，于不同无轨运装设备上反复测试、优化，并与现有井下人员定位系统深度融合。自 2024 年 9 月全面部署在井下人员车辆、铲运机、运矿卡车等主要无轨设备后（安装率达 100%），成效显著。多传感器融合监测子系统中的激光雷达与超声波传感器，在狭窄巷道内可精准探测巷道壁及障碍物，保障车辆安全行驶。智能预警子系统不仅能对车辆与巷道异常，如轮胎气压不足、顶板松动等情况及时预警，还能检测人员定位卡异常，消除潜在安全隐患。主动防护子系统在防碰撞、防侧翻方面表现出色。有一回，井下矿用运输车在湿滑弯道行驶时发生侧滑，主动防护子系统迅速调整车辆悬挂与重心，使车辆平稳通过，避免侧翻。应急救援子系统能快速定位设备故障，缩短救援时间。系统应用后，井下无轨设备相关事故率下降 60%，大幅提升井下作业安全性，为矿山安全生产管理提供全新思路与有效手段。

五、结论

矿山无轨设备安全防护系统创新设计及应用属于提升矿山安全生产水平的关键举措，本文通过对矿山无轨设备安全风险加以剖析。提出了系统性，可靠性，智能化以及人性化等创新设计原则，并对多传感器融合监测，智能预警，主动防护以及应急救援等创新子系统的具体设计思路和技术原理予以阐述。通过实际应用情形，可以充分展现安全防护系统在缩减事故发生率，守护人员生命安全并改良矿山经济效益方面的明显成果。

参考文献：

[1] 刘少结 . 金属矿山主提升设备安全监测与预警系统的设计与实现 [J]. 科学技术创新 ,2025,(07):177-180.

[2] 王悦 , 蔡霞 . 矿山机电机械设备安全管理的有效措施 [J]. 中国设备工程 ,2025,(02):56-58.

[3] 廖 小 旭 . 矿 山 机 电 设 备 安 全 事 故 分 析 及 管 理 对 策 [J]. 当 代 化 工 研究 ,2024,(10):125-127.