主斜井强力带式输送机智能巡检与纵撕断带协同防护指南

摘要与核心技术全景

带式输送机作为特大型现代矿井煤炭主提升的“主动脉”，承担着矿井 $100\%$ 的原煤连续外运任务。在我国陕北神府东胜、内蒙古鄂尔多斯、晋北及新疆特大型矿井中，主斜井大倾角强力皮带机呈现出“长距离（单机超 3~5 km）、大运量（4,000~8,000 t/h）、高带速（4.5~6.0 m/s）、高功率（数千至万千瓦驱动）”的极限工程特征。然而，在极端恶劣工况下，煤流中夹杂的超大块坚硬矸石、采掘锚杆、截齿、废弃金属配件等锐利硬物极易卡滞在溜煤槽漏斗落料点，刺穿高速运转的胶带，在几秒至十几秒内引发长达数百米甚至上千米的“纵向撕裂（Longitudinal Tearing）”，直接经济损失可达数千万元。

更为危险的是，上运或下运重载胶带机在发生张力突变、钢丝绳芯疲劳抽脱诱发断带时，巨大重力势能瞬间转化为动能，若低速重载逆止器或制动器因冲击过载失效，将导致千吨煤炭连同万米胶带以失控速度暴跌倒卷飞车，造成机毁人亡、井筒完全报废的特大恶性矿难。

中矿天智矿山机电与智能控制团队，依托中国矿业大学机电工程学院与矿山机械安全工程研究中心，研发了“主斜井强力带式输送机全息智能巡检与断带撕裂协同防护成套系统”。本文系统推导了长距离黏弹性胶带起制动动态张力波反演方程，给出了多光谱视觉边缘识别卷积算法架构与自锁抓捕器动力学制动力矩校核公式，制定了主斜井带式输送机智能化巡检与防灾 SOP，为全国高产高效现代化矿井主运输系统的本质安全提供权威指导。

一、主斜井强力输送机纵向撕裂机理与黏弹性张力波传播动力学

1.1 异物穿刺撕裂力学受力模型与裂缝失稳临界条件

尖锐金属杂物（如断裂锚杆、硬质合金截齿）在落料点刺穿胶带并受卡阻形成固定剪切刃，高速运动胶带在尖刃挤压下承受双向拉伸与剪切复合作用。根据格里菲斯（Griffith）断裂力学能量平衡准则，胶带由局部穿孔失稳演变为宏观连续纵向撕裂的临界牵引力 $F_{rip}^{crit}$ 满足：

$$F_{rip}^{crit} = 2 \cdot B_{belt} \cdot \left[ G_{IC} \cdot t_{cover} + \sum_{k=1}^{m} \left( \frac{\pi \cdot d_s^2}{4} \cdot \sigma_{bond} \cdot \frac{L_e}{S_k} \right) \right]$$

式中各项参数：

$B_{belt}$：撕裂裂纹开口等效宽度（m）；
$G_{IC}$：硫化芯胶与覆盖胶的 I 型裂纹临界应变能释放率（$\text{kJ/m}^2$）；
$t_{cover}$：上、下覆盖胶层累计有效厚度（mm）；
$d_s$：内部高强受拉镀锌钢丝绳芯直径（mm）；
$\sigma_{bond}$：钢丝绳芯与橡胶界面之间的黏结剪切强度（MPa）；
$L_e$：刺穿物对钢丝绳施加剪切拔出的等效有效长度（m）；
$S_k$：相邻钢丝绳芯横向中心间距（mm）。

主斜井强力带式输送机黏弹性动态张力波传播与多光谱视觉防撕裂智能连锁架构 — 图2：长距离大运量主斜井输送机黏弹性非定常动态张力波传播演化、微裂纹高速多光谱视觉识别与多级液压防飞车自锁协同控制机理

1.2 黏弹性胶带起制动非定常动态张力波动方程

钢丝绳芯输送带具有显著的黏弹性特征，在紧急停机或断带瞬间，动张力在纵向以应力波形式高速往复震荡传播。基于三参数固体流变模型（标准线性固体），一维动态位移响应偏微分方程为：

$$\rho_{belt} \cdot \frac{\partial^2 u(x,t)}{\partial t^2} - E_0 \cdot \frac{\partial^2 u(x,t)}{\partial x^2} - \eta_{visc} \cdot \frac{\partial^3 u(x,t)}{\partial t \partial x^2} = f_{drive}(x,t) - f_{res}(x) - m_c(x) \cdot g \cdot (\sin \theta \pm \mu_r \cdot \cos \theta)$$

式中：

$\rho_{belt}$：每延米胶带及煤流总质量（$\text{kg/m}$）；
$u(x,t)$：距离驱动滚筒 $x$ 处胶带微元在 $t$ 时刻的纵向轴向位移（m）；
$E_0$：钢丝绳芯综合等效动弹性模量（GPa）；
$\eta_{visc}$：橡胶内摩擦阻尼黏度系数（$\text{Pa}\cdot\text{s}$）；
$f_{drive}, f_{res}$：分别为驱动力与沿程运行阻力（N/m）；
$m_c(x)$：输送带上瞬时单位长度煤料载荷（kg/m）；
$\theta$：主斜井安装倾角（$14^\circ \sim 18^\circ$）；
$\mu_r$：托辊模拟旋转阻力摩擦系数（取 $0.015 \sim 0.022$）。

该方程揭示：当发生断带或撕裂紧急制动时，波速 $c = \sqrt{E_0 / \rho_{belt}}$ 可达 $1200 \sim 1800\text{ m/s}$。若机械制动系统介入时间超过 0.5 秒，反射应力波将在尾部滚筒形成张力波谷突变为零，导致托辊上胶带剧烈松弛飘带、打折卡死，随后波峰冲击反弹，瞬间扯断更多承载钢丝！

二、多光谱机器视觉 AI 撕裂识别与全息光纤巡检技术

2.1 线激光 + 多光谱深度融合高速视觉检测

针对井下煤尘弥漫、光照不均与煤泥覆盖等严苛环境，传统单一灰度工业相机误报率高达 $30\%$。中矿天智采用双模态多光谱融合视觉检测装置，布置在受料槽落料点后方 $5 \sim 10\text{ m}$ 处的承载下带表面：

线激光三维轮廓重构： 投射 450nm 蓝光高频调制线激光，以 2,000 帧/秒的速率采集胶带下表面三维深度点云，当激光条纹出现突变阶跃深度 $\Delta Z > 2.5\text{ mm}$ 时，毫秒级判定表面存在刺穿破损；
近红外多光谱吸收特征比对： 橡胶与钢丝绳、原煤在近红外波段（850nm 与 1300nm）具有截然不同的光谱反射率。当钢丝绳芯外露或撕裂缝隙产生时，光谱差分指数 $NDSI$ 发生跳变：

$$NDSI = \frac{R_{1300} - R_{850}}{R_{1300} + R_{850}} > 0.42$$

系统在 FPGA 边缘计算芯片中运行超轻量化卷积神经网络（MobileNetV4-Tiny），对几何撕裂特征与光谱特征进行加权判决。从异物刺穿到输出电气跳闸停机信号，全系统端到端处理时延严格控制在 35 毫秒以内！

主斜井强力皮带机防撕裂激光视觉检测仪与巡检机器人现场 — 图3：主斜井沿线轨道式防爆巡检机器人与布置于胶带下方的线激光多光谱撕裂高速识别传感器作业现场

2.2 分布式光纤声波与测温（DTS/DVS）全线托辊监控

长距离输送机拥有数万只托辊，托辊轴承轴承磨损卡死是诱发胶带摩擦起火的最主要导火索。

沿线敷设光纤传感缆： 在带式输送机机架两侧纵梁上全线卡接铠装感温阻燃光纤；
拉曼散射测温（DTS）： 空间采样间隔 $0.5\text{ m}$，测温精度 $\pm 1^\circ\text{C}$，当局部托辊区域温度异常超过 $65^\circ\text{C}$ 或温升速率 $\frac{dT}{dt} > 3.5^\circ\text{C/min}$ 时，系统准确定位至具体架号并自动声光报警；
相位敏感光时域反射（$\Phi$-OTDR / DVS）： 监听轴承异常干摩擦产生的高频声发射振动波（$1 \sim 5\text{ kHz}$），提前 72 小时预警托辊失效。

三、重载上运/下运防逆止动力学与全断面自锁抓捕机构

3.1 斜井大运量防逆止临界制动力矩校核

对于大倾角上运输送机，停机时满载物料产生的下滑力矩巨大。防逆转装置额定阻力矩 $M_{rev}$ 必须满足国家标准 2.0 倍以上的安全储备富裕系数：

$$M_{rev} \ge K_{safe} \cdot \left[ m_c^{full} \cdot g \cdot (\sin \theta - \mu_{min} \cdot \cos \theta) + m_{belt} \cdot g \cdot \sin \theta \right] \cdot \frac{D_{drum}}{2}$$

式中：$K_{safe}$ 为抗冲击安全系数（上运重载取 $2.2 \sim 2.5$）；$D_{drum}$ 为主传动滚筒直径（m）；$\mu_{min}$ 为极寒或潮湿恶劣工况下最小阻力系数（取 0.012）。采用液压低速大扭矩楔块式逆止器，安装在减速机低速轴端，彻底规避高速轴联轴器断裂导致逆止失效的致命隐患。

电液比例可控盘式制动装置与全截面自锁式防断带抓捕器特写 — 图4：主斜井电液比例智能可控盘式制动器液压站、多级闭环换向阀组与下带式楔块自锁抓捕机构特写

3.2 毫秒级全断面楔块式断带自锁抓捕机构工作原理

当主斜井发生恶性断带事故时，常规机械制动器无法作用于断裂处后方的滑脱胶带。沿主斜井每隔 $100 \sim 150\text{ m}$ 梯度安装一套全断面自锁抓捕器：

触发机构： 采用测速雷达与双向编码器联合监测，当断带后胶带产生反向滑移且逆向速度 $v_{rev} \ge 0.5\text{ m/s}$ 时，防爆电磁脱扣器在 50 毫秒内 动作；
楔块偏心摩擦锁死机理： 抓捕梁在重力与强力扭簧联合驱动下瞬间下旋，弧形耐磨楔块夹紧下坠胶带两翼，利用胶带自身巨大的下坠重力势能，通过斜面偏心楔紧效应转化为超大垂直夹紧力：

$$F_{clamp} = \frac{F_{slip} \cdot (\cot \alpha_{wedge} - \tan \phi_{steel})}{\cos \theta}$$

实现“越滑越紧、胶带受力均匀、绝不割裂胶带、80 毫秒内完全制动抱死”。

3.3 主斜井智能防护关键参数量化对账表

防护子系统类别	核心传感器与执行器	关键技术性能指标	动作响应时间标准	灾害遏制预期成效
纵向防撕裂系统	450nm蓝光线激光 + 近红外多光谱AI分析仪	空间检测盲区 $< 5\text{ mm}$，异物刺穿识别准确率 $>99.2\%$	$\le 35\text{ ms}$ 发出停机连锁	胶带撕裂长度控制在 $< 5.0\text{ m}$
全线托辊热失控监测	拉曼散射感温光纤 (DTS) + $\Phi$-OTDR声波震动	测温范围 $-20 \sim 120^\circ\text{C}$，定位精度 $\pm 0.5\text{ m}$	$< 3\text{ s}$ 刷新全线热斑	彻底杜绝托辊摩擦诱发煤尘/皮带火灾
重载防逆止制动	低速轴硬齿面楔块逆止器 + 电液比例盘式制动器	额定制动力矩达负荷力矩 $2.5\text{ 倍}$，减速度平稳可控	$< 80\text{ ms}$ 建立制动压力	停机软制动减速度控制在 $0.15 \sim 0.3\text{ m/s}^2$
恶性断带防飞车抓捕	离心测速雷达 + 偏心自锁自增力楔形夹紧梁	单组承载制动载荷 $\ge 650\text{ kN}$，沿井筒每 120m 梯级布置	$\le 50\text{ ms}$ 机构脱扣咬合	逆向溜带滑移滑行距离 $< 1.5\text{ m}$

四、输送机全生命周期智能巡检与纵撕应急处置 SOP

[多光谱AI识别刺穿] --> [PLC毫秒级切断驱动电源] --> [主电机与减速机软制动加压] --> [自锁防滑保护联动下落] --> [轨道机器人精确定位复查]

第一步（瞬态特征捕捉与边缘决策）： 受料槽下方多光谱视觉仪捕捉到刺穿光斑断裂，边缘计算节点瞬态确认撕裂特征并置位高电平硬节点；
第二步（全系统联锁停机跳闸）： 综保系统在 20ms 内断开变频器或高压主驱动电机断路器，切断电网动力输入；
第三步（比例可控减速缓制动）： 头部液压可控盘式制动器按照预设 S 曲线（减速度 $a = 0.25\text{ m/s}^2$）柔性抱闸加压，避免由于紧急机械抱死造成皮带强烈飘带折曲；
第四步（防逆转抓捕就位）： 沿线防逆止器与楔块抓捕梁处于待命状态，若动张力波突变检测到打滑即刻介入闭锁；
第五步（智能巡检机器人前往核查）： 调度中心调度沿井筒敷设的防爆巡检机器人快速移动至事故点，高清云台变焦拍摄破损截面，回传数字损伤评估报告指导快速硫化修补。

五、典型示范工程实证：陕煤某千万吨主力矿井主斜井改造

5.1 工程基本概况与历史痛点

陕煤榆神矿区某千万吨特大型矿井主斜井带式输送机，全长 $2,860\text{ m}$，垂直提升高度 $385\text{ m}$，井筒倾角 $16^\circ$，设计运量 $4,500\text{ t/h}$，带速 $4.8\text{ m/s}$，配备 ST5400 强力钢丝绳芯输送带（胶带带宽 $1800\text{ mm}$），四台 $1600\text{ kW}$ 变频电机驱动。在改造前曾因采煤机破损截齿混入煤流卡在主斜井漏斗处，导致胶带严重撕裂长达 $420\text{ m}$，更换修补胶带耗时 7 天，矿井被迫限产停产，直接与间接损失达 2,800 余万元。

5.2 智能化成套防护改造方案

矿方全面引入中矿天智“主斜井机器视觉 AI 撕裂与自锁断带综合防护系统”：

受料点智能防护： 在主斜井 3 处主受料槽下方安装双通道线激光+近红外多光谱高速机器视觉撕裂监测仪；
全线光纤感知： 沿井筒双侧机架部署 $6\text{ km}$ 铠装拉曼测温与声波振动复合传感光缆，实现 3,800 组托辊全覆盖；
全断面抓捕器升级： 在井筒下半段重载区密集布设 18 组电磁脱扣自锁防断带抓捕器，与主控 PLC 建立高速光纤工业总线互锁。

矿井机电副矿长与专家组审查输送机运行张力曲线与AI防撕裂报警响应测试 — 图5：矿井机电副矿长与矿山机械安全技术专家在智能集控中心审查主斜井输送机满载工况动态张力波动测试与毫秒级防撕裂联锁保护动作报告

5.3 改造后系统运行成效严密比对

核心关键运行指标	智能化防护系统改造前	改造后连续运转 18 个月实测	性能与安全提升幅度
纵向撕裂平均事故撕裂长度	$180 \sim 450\text{ m}$ (灾难级)	单次截齿异物触发撕裂仅 $1.85\text{ m}$	损失减少超 99.5%（微创停机）
撕裂检测综合报警响应延迟	$4.5 \sim 8.0\text{ 秒}$ (传统机械摆杆)	仅 32 毫秒 (视觉边缘 AI 输出)	响应速度提升近 150 倍
托辊轴承异常超温预警提前量	0 小时 (人工巡检巡查盲区大)	提前 $48 \sim 72\text{ 小时}$ 报警锁定具体托辊	实现零红热卡死起火
主斜井日常巡检人员配置	每班 4 人跟机巡检 (劳动强度极大)	全线无人化巡视，机器人全自动巡更	减员 12 人，年节约人工成本 180 万元
综合开机率与原煤外运保障率	92.4%	99.6%	实现矿井年增产创收超 6,000 万元

六、主斜井输送机防护疑难核心问答 (FAQ)

Q1：在原煤含有大块泥水、高粉尘附着在胶带下表面的恶劣工况下，视觉 AI 撕裂识别镜头如何保证长期清晰与零误报？

答：这是视觉检测系统能否在煤矿井下“用得住、靠得住”的关键工程设计：

气刀自洁防尘隔离罩： 相机光学窗口采用纳米级超疏水防刮钢化石英玻璃，配备微型防爆气泵产生 $0.4\text{ MPa}$ 脉冲压缩空气幕，形成高速正压风幕，严密阻隔粉尘与飞溅泥浆附着；
多波段吸收比对去噪算法： 原煤泥渣在红外波段表现为平缓连续吸收，而破损露出的镀锌钢丝或破裂橡胶截面具有陡峭的反光阶跃特性，AI 算法模型通过深度卷积特征金字塔（FPN）过滤掉大面积黏结煤泥假特征，杜绝误跳闸停机；
自适应动态补光调优： 采用高频调制脉冲频闪红外光源，发光频率与工业相机快门纳秒级严格同步，抗环境杂散光干扰能力提升 10 倍以上。

Q2：当主斜井皮带机在冬季低温或重载启动时，如何避免启动动张力峰值过大拉裂皮带？

答：必须实施“变频多机负荷动态平衡与软启动 S 曲线控制”：

主从变频驱动主功率自适应平衡： 采用基于主从总线通讯的高压变频调速系统，主驱动实行速度闭环，其余 3 台从机实行转矩跟随控制，确保 4 台电机输出轴功率偏差小于 $\pm 2\%$, 杜绝单机超载偏拉；
超长延时 S 型启动曲线： 重载启动加速度控制在 $0.05 \sim 0.15\text{ m/s}^2$，启动爬坡时间延长至 $90 \sim 120\text{ 秒}$，使黏弹性应力波平缓传遍整个输送带，将启动动张力动载系数从传统的 1.6~1.8 强制压降至 1.15 以下；
机尾全自动液压自控张紧绞车： 张紧液压站与 PLC 联动，在启动瞬间自动增加张紧力消除机尾松边垂度，启动完毕进入稳态运行后自动降低张紧力至巡航模式，大幅延长胶带疲劳寿命。

Q3：如果发生了恶性断带事故，楔块式自锁抓捕器夹紧后，胶带会被锋利的卡齿割裂报废吗？

答：绝不会。先进的断带抓捕器遵循“摩擦自增力柔性制动”理念：

大接触面积弧形耐磨衬瓦： 抓捕块表面采用仿生菱形交错齿纹，硬度经过严格热处理调质（HRC 45~48），齿尖倒钝圆弧化，避免应力集中直接扎透胶带覆盖层；
橡胶摩擦副自增力设计： 抓捕时夹紧力不是靠外部油缸生硬砸切，而是依靠胶带下坠牵引楔块滑动，利用橡胶与钢件的动摩擦阻力逐渐消耗巨大动能，滑动行程一般为 $0.8 \sim 1.5\text{ m}$ 即完全静止；
事故后无损快速复位： 事故处理完毕后，只需开动反向液压千斤顶顶开楔块，取出卡滞胶带，胶带表面仅有微量压痕，经硫化清洗后可继续投入安全服役。

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