煤炭资源开采是人类在地下进行的生产活动，由于矿山地质条件多变复杂，为建设安全稳定可靠的人类作业和装备运行的开采环境，煤矿井下需同时运行探测、通风、排水、防火、供电、开采、主运输、辅助运输等近百个子系统，这些子系统类似人体器官，共同形成一个规模巨大、结构复杂的运行体系。经过多年发展，矿井系统先后经历了机械化、单机自动化、综合自动化、数字化等阶段，现如今正处于智能化初级阶段。现阶段煤矿安全高效矿井系统的机械化程度达到90%以上，单机自动化日趋完善，多系统数字矿山综合自动化系统得到应用，建成了一批千万吨级矿井群。然而，煤矿智能生产各系统自动化、智能化发展水平不尽相同，就煤矿总体的信息化、智能化程度而言，还有待改进和提升。目前，我国在开采地质条件好的地方（如陕蒙地区的神东煤炭、小保当煤矿、黄陵一号井、新元煤矿等）已开展智能化开采试点，但暂时还无法推广到地质开采条件复杂的矿井。高效生产矿井的主煤流运输、排水等其他生产系统虽能基本实现地面远程集控，但尚未实现无人自主运行；辅助运输系统自动化程度相对较低，转运环节多、用工数量大，安全事故频发，迫切需要智能化装备实现减员提效”。基于上述问题，笔者总结了国内外煤矿在辅助运输系统的研究和应用现状，分析了辅运过程中存在的现实问题，并对煤矿辅助运输系统的发展合理展望，同时提出了几项与之密切相关的关键技术。
1 国内外煤矿辅助运输现状
煤矿辅助运输泛指煤矿生产过程中除煤炭运输外的各种运输的总和，主要包括材料、设备、人员和矸石等的运输，运输方式分有轨运输和无轨运输两大类，其中有轨运输装备分为双轨（绞车、电机车、柴油机车）和悬挂单轨（单轨吊），无轨运输装备主要指胶轮车。国内外大中型煤矿常用的新型高效辅运设备为无轨运输设备（无轨胶轮车）、轨道运输设备和单轨吊车3大类，如图1所示。受开拓方式和地质条件影响，存在组合运输方式共同完成煤矿辅助运输。相较于有轨辅助运输，无轨胶轮车具有机动灵活、爬坡能力强、用途广、运行成本低、效率高等优势，且能实现点到点的辅助运输，正逐步取代有轨机车。
图1 煤矿辅助运输设备
1.1国外现状
20世纪50年代，国外主要煤炭开采国家就已着手解决煤矿辅助运输系统的机械化问题，20世纪80年代相继建成了符合本国煤矿特点的煤矿辅助运输系统[3]。目前，国外煤矿使用的高效辅助运输设备主要包括单轨吊、卡轨车、齿轨车和无轨胶轮车，与传统辅助运输设备相比有诸多优点：①安全性高速度快，具有安全制动系统、防掉道系统及安全监控等装置；②爬坡能力强，能在坡度较大、起伏较多、弯道及道岔较多的路段行驶；③牵引力大，可对散料和长料集装运输、整体搬运重型物料；④能实现不经转载的远距离端到端的连续运输；⑤配套设备完整，可运输多种物料，便于机械化装卸作业。
美国、英国、德国、澳大利亚和南非等国家在井下无轨辅助运输车方面积累了丰富的研究经验，于20世纪80年代进入快速发展期。多数无轨胶轮车厂商是原金属、非金属矿山车辆制造厂，他们在车辆低排放、低污染技术基础上进行升级改造，研制出了符合煤矿防爆需求、矮型要求的新型无轨胶轮车。据不完全统计，国外约有12家厂商具备无轨胶轮车批量生产能力。根据使用途径分类，可分为运输类（占无轨胶轮车的75%左右）和铲运类无轨胶轮车（占无轨胶轮车的25%左右）。根据动力源分类，可分为柴油无轨胶轮车、新能源无轨胶轮车和拖电缆胶轮车梭车，占比分别为85%，10%和5%。近年来，重载型多用途的柴油机或新能源无轨胶轮车正在不断完善和发展中，牵引动力方面更倾向于采用污染小、功率大的蓄电池技术。目前，世界上多数先进采煤国家都广泛生产和使用无轨辅助运输车，大幅提高了煤矿的生产效率。
1.2 国内现状
我国煤矿辅助运输机械化研究起步较晚，20世纪70年代，国家“七五”科技攻关计划才确定“矿井高效辅助运输设备”的研制。经过对国外技术的吸收创新和持续发展，已成功的试制、改进、定型、生产、推广和应用了柴油机单轨吊、绳牵引胶套轮齿轨卡轨车、柴油机胶套轮齿轨卡轨车、无极绳连续牵引车、柴油机无轨胶轮车、新能源无轨胶轮车等现代化高效辅运装备，彻底改变了我国煤矿没有国产辅助运输设备可选、可用的局面。但是诸多装备的投入使用并未从根本上解决煤矿井下辅助运输的痛点，大多数矿井设计思想缺乏创新和整体观念、仍然停留在继续延用传统辅助运输模式的层面，如：①在斜井、暗斜井使用串车进行提升作业；②在水平大巷使用驾线、柴油机或蓄电池机车甚至是无极绳绞车进行作业；③在采区上下山巷道，多使用无极绳或调度绞车,且伴有人力运输；④运输车辆多为使用普通轨道的平板车、固定型矿车、翻斗车等；⑤物资装卸方式主要为人推肩扛，再使用如手动葫芦、千斤顶、撬棍等简单机械进行辅助；⑥人员输送方面，斜井垂深超过50 m、水平大巷运输距离超过1 500 m才配备有斜井人车和平巷人车，其余情况均为步行。上述辅助运输方式落后导致工人劳动强度大、安全性低，采区辅助运输过分依赖人海战术，严重浪费人力和物力资源。
目前，我国多数煤矿企业的辅助运输系统多采用卡轨车、单轨吊、齿轨机车、胶套轮机车等轨道运输方式，部分大型、特大型矿井使用无轨胶轮车和铲运车进行运输作业。20世纪80年代末期开始，国外无轨辅助运输胶轮车陆续进入国内市场。1988年同煤集团引进20T级支架搬运车1台；1994年潞安集团漳村矿从英国艾姆科公司引进4台880型胶轮车；1993年起，神华集团神东矿区、充矿集团济三煤矿和晋城寺河煤矿先后成套引进4个国家多达数10种型号的无轨胶轮车。与此同时以中煤科工集团太原研究院、常州研究院等为代表的单位，开始研究和试制矿用防爆柴油机无轨胶轮车。1997年，中煤科工集团太原研究院成功研发出5款胶轮车，可以取代部分进口车；2000年中煤科工集团太原院成功研制出井下客货两用无轨胶轮车，促进了我国井下辅助运输现代化的发展进程。近年来，中煤科工集团太原研究院、常州研究院、湖北康晨安保矿业设备有限公司、莱州亚通重工集团、山西黑牛机械制造有限公司等多家研究院及企业均参与了煤矿辅助运输设备的研发及生产。经过长期的科研攻关，我国无轨胶轮车得到长足发展，拥有自主知识产权的无轨胶轮车逐步投入实际应用，已摆脱依赖进口的局面、基本实现国产化。目前国内有70多家企业为矿井提供无轨胶轮车及相关服务，每年出厂新车量约2 500台，用户集中在内蒙古、陕北、山西、宁夏、新疆地区以斜井和平硐为主的大型国有煤矿，便于无轨胶轮车直接进出地下空间。无轨胶轮车车载电气以适配生产为主，包括新车出厂配套和维修市场配套2种模式，涉及发电机、调节器、后备电池箱、启动电源箱与启动电机（电启动车辆专用）、通信联络装置、倒车雷达等，车辆的维修方式几乎是就地维修，极少数特种车辆需要返厂维修。
综上所述，无轨胶轮车系统的运行极大提高了辅助运输环节的工作效率、大幅减少了辅助运输环节用工数量、降低了人员的劳动强度。随着煤矿辅助运输的快速发展，无轨胶轮车系统将凭借其独有的优势逐渐取代传统有轨运输车。
2 煤矿辅助运输系统存在问题与挑战
2.1 现存问题
智能矿山体系建设自下而上包括设备层、控制层、生产执行层、管理层和决策支持层等层级的智能化建设，需要统一的矿山数据库、规范的数据接口、标准化的作业流程及智能系统的支撑，任一层次的缺失均会限制先进生产线的优势发挥。
煤炭开采生产环境恶劣致使自动化程度远落后于其他行业，并表现出发展不平衡的特点。虽然有较多自动化供应商进入煤矿行业，如硬件设备厂商、系统集成厂商、信息管理软件厂商等，但由于缺乏统一的规划和标准，大多数设备和系统是独立运行的，无法实现网络交互和信息共享，这种情况极大限制了煤矿生产力，导致落后的生产关系无法匹配先进的开采与生产工艺。
传统的采掘生产技术规范一直延续至今，与运输系统适配性低，导致整个辅助运输系统流程复杂，同时如断面小、坡度大、起伏多、转载多的交叉巷道设计限制了部分先进辅助运输装备在井下的使用。煤矿辅助运输系统的设计，尤其是辅助运输设备的选型，到目前仍然停留在仅根据生产运输量等参数选型适配的局面，而非从矿井的实际生产角度综合考虑，如结合现场地质条件、工程施工量、经济成本与收益、作业效率等因素，它们间的相互作用关系并没有纳入辅助运输系统的设计过程，这种情况一定程度上制约了我国煤炭工业辅助运输系统的发展。
与此同时，在前几年煤矿经济效益遭遇断崖式下滑的过程中，煤矿技术人员和年轻人员的流失严重，现在从事井下工作的主力军为70后、80后和极少数90后。综上所述，煤矿辅助运输环节任务“减人提效”的迫在眉睫。
2.2 机遇与挑战
原国家煤矿安全监察局〔2015〕63号文关于开展“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动通知，明确要求煤矿井下辅助运输自动化必须实现全工艺运输系统的机械化、运输过程连续化并减少人员30%左右，实现煤矿井下运输过程连续化和综合化、驱动方式多样化、运输集装化、转载机械化并减少人员30%左右。近年来，我国各大能源集团、煤矿企业和相关成套设备制造商等单位正在逐步扩大对煤矿辅助运输系统的研发、建设和应用力度，解决方案“百花齐放”，不同的辅运方式、不同的辅运设备既有关联性又有竞争性。煤矿企业在设备专业性、高效性和技术先进性等方面投入了大量的人力财力物力，为煤矿井下辅助运输做出了巨大努力。
煤矿井下辅助运输网络的重要特征是不可重复性，尤其在采区内，运输系统设计合理与否直接关系到能否正常运行，设计环节必须综合考虑设备特点、设备适应性、设备维护量、巷道开拓的工程量等。因此，与煤矿采掘工作面相比，辅助运输系统的机械化、自动化、智能化发展相对缓慢，在建设智慧煤矿的过程中已成为制约智能化总体水平提高的薄弱环节，对煤矿智能辅助运输系统的构建则是解决此问题的机遇所在。
煤矿辅助运输的物料品种繁多、形状各异、存在中途拆分和回收等情况，若要实现对物料全过程追踪并与ERP系统无缝对接，难度较大，鲜有煤矿做到辅助运输全过程的信息化监督与管理。另一方面，煤矿井下巷道为受限空间，常伴有瓦斯和煤尘等爆炸性物质，下井使用的任何设备必须具备MA认证，需要对地面的搬运和码垛系统进行本安化改造和完善才能使用，存在较高的技术难度和行业门槛。
3 未来展望及分析
3.1 煤矿辅助运输系统展望
煤矿辅助运输技术方面，需达到“三化”，即设备物联化（依托井下位置服务和无线通信完成辅运设备互通互联）、物料集装化（针对散料采用规格化集装）、转运自动化（研制自动接驳转运装置），如图2所示。在设计煤矿辅助运输系统时，首先需要完善行业标准规划，采用统一的通信方式，方便不同供应商生产的设备互通互联，使所有设备组成一个整体智能化系统，便于管理；其次应该充分考虑选用的辅助运输设备的性能指标及适用环境，为其创造一个安全高效的工作环境，尽可能的让整个系统创造出更大的经济和社会效益。在确定辅助运输系统时应该选取从供料点到用料点的直接传输，减少中途转载停顿，节约人力物力，提高运输效率；针对不同矿井生产环境差异较大的问题，应该从各矿实际出发，选用合适的设备，同时需要不断研究新的辅助运输设备，以适应复杂多样化的井下环境。
图2 辅助运输技术设想
煤矿辅助运输应用方面，必须革新传统和现行的辅助运输工艺方式，真正实现适合煤矿井下特殊工况环境的固定岗位无人值守与沿线有人巡检相结合的运行模式，如图3所示。传统辅助运输条极差，成本高，经常出现巷道积水、有害气体等复杂环境，采掘工作面工作区域分布分散，这就要求煤矿辅助运输系统需要一定的统一性和灵活性，方便出现问题时可及时发现并上报。辅助运输作业是最容易发生事故的环节之一，应加大监管力度，建立完整完善的条例制度，严禁任何可能产生安全隐患的设备下井。
图3 辅助运输应用设想
3.2 关键技术分析
1）物料编码标准。针对辅助运输环节涉及的物料，遵从智慧矿山架构和物联网信息编码规则，研究符合煤矿特点的物资信息编码标准，逐步形成行业和国家标准便于接入矿山物联网体系。基于此，可对申请、审批、出库、装车、运输、卸载交接等流程进行全面管控，并与煤矿ERP系统实现互联。
2）集装箱规格标准。针对煤矿在用的矿车规格进行调研，研究诸如尺寸规格、锁口方式、吊具方式、物料卸载方式，制定符合无轨胶轮车、有轨机车、单轨吊等主流辅助运输系统的集装箱规格标准，实现集装箱在辅助运输车辆上的通用化适配。
3）仓储电子化及装卸自动化。针对矿井的货场、料场进行调研，明确供应商包装盒条码、生产货场货架、物料包装等指定标准，研究智能化仓储系统，根据用料申请自动调度物料和集装箱，通过AGV实现物料寻找与装卸车引导、车场装箱自动编组等功能。
4）辅助运输过程控制。针对辅助运输过程中的路径特点，研究多种运输方式（轨道机车、无轨胶轮车等）融合调度管控的信集闭系统，通过车辆网手段实现车辆与风门、信号灯等的联动，在巷道交叉口、轨道与无轨交叉路段等区域实现精准快速的交通指挥功能。
5）自动接驳系统设计。主要针对车料分离（集装箱）和车料不分离（车皮倒换）2类，研究接驳缓冲堆场规划与设计，开发自动接驳装置（立体吊装装置、车辆导引装置等），根据《煤矿机器人重点研发目录》指导，可研制车场推车和摘挂钩机器人进行辅助。
6）集装箱的定位和回收。主要针对空集装箱进行识别判断、确定在井下作业区域的具体位置，根据集装箱空箱位置、规格确定空箱的回收时间和顺序，调度附近空载或合适车辆进行高效转载运输，减少井下空箱滞留率、加快集装箱在地面和井下周转使用率。
7）井下无人驾驶车辆。主要是针对无轨胶轮车，有轨机车和单轨吊系统有轨道运行自动驾驶实现相对简单且已有实际应用，无轨胶轮车无人驾驶借鉴地面无人车技术，针对井下环境研究环境探测与感知、卫星拒止环境定位、车辆线控改造、自动驾驶相关算法等。
