煤礦井下水倉清理機器人系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

石軍杰，高貴軍，游青山，安 彬，邱建都

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；4.太原市軌道交通發(fā)展有限公司，山西 太原 030000)

國家煤礦安監(jiān)局針對煤礦災(zāi)害重、風(fēng)險大和下井人員多等問題，提出的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》中運輸類機器人就包含水倉清理機器人。采用機器人對水倉進行清理，可以將清倉工人從危險的工作環(huán)境中解放出來。對強化煤礦安全生產(chǎn)管理、真正實現(xiàn)減員增效、節(jié)能降耗具有重要意義[2]。

現(xiàn)有的水倉清理設(shè)備自動化程度低，需要工作人員跟機進行操作，存在一定的風(fēng)險。本文研發(fā)一套適用于煤礦井下水倉煤泥自主清理機器人系統(tǒng)，采用多種傳感器、攝像頭結(jié)合，實現(xiàn)對水倉煤泥清理進程及水倉清理機器人位姿的監(jiān)測，采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)遠程操控機器人進行清倉及對工作面狀態(tài)監(jiān)測。解決煤礦水倉清理的難題，提高生產(chǎn)效率，達到“機械化換人，自動化減人”的目的[3]。

1 水倉清理機器人系統(tǒng)組成

礦井水倉自主清理機器人系統(tǒng)由清倉機器人、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及地面工作站組成，如圖1所示。

圖1 水倉清理機器人系統(tǒng)組成

清倉機器人主體屬于水倉清理機器人系統(tǒng)的井下工作模塊，負責清理煤泥、煤泥脫水、運輸及井下水倉信息的采集。主要由絞龍連續(xù)挖取裝置、煤泥泵送裝置、快速振動脫水篩、履帶行走裝置、帶式輸送機、照明設(shè)備、激光雷達、里程計及避障裝置等組成。清倉機器人行走機構(gòu)采用履帶行走裝置，可保護水倉底部結(jié)構(gòu)，通過性和爬坡能力強，適應(yīng)水倉的帶傾角結(jié)構(gòu)，且不易打滑，牽引附著能力好。清倉機器人組成如圖2所示。

圖2 清倉機器人主體

水倉清理機器人各種傳感器及攝像頭采集到的信息使用無線通訊系統(tǒng)傳輸，可將實時數(shù)據(jù)傳輸至地面遠程控制端。通訊系統(tǒng)使用5G無線通訊系統(tǒng)，能夠準確、全面的獲取井下水倉清理數(shù)據(jù)及環(huán)境視頻，實現(xiàn)井上井下各種數(shù)據(jù)的快速傳輸及根據(jù)現(xiàn)場情況對設(shè)備進行遠程控制。無線通訊系統(tǒng)主要組成部分有無線基站、交換機及各個終端。無線基站主要由基站收發(fā)臺及基站控制器組成，基站收發(fā)臺可看作一個無線調(diào)制解調(diào)器，負責信號的接收和發(fā)送及處理，起到連接機器人與上位機，實時傳輸數(shù)據(jù)的作用?；究刂破髫撠熕械男盘柦涌诠芾恚饕菬o線信道的分配、釋放與管理，保證數(shù)據(jù)信號實時傳輸。水倉清理機器人也配備紅外遙控功能，可供井下跟機人員進行操控應(yīng)對突發(fā)緊急情況。

水倉清理機器人的供電系統(tǒng)由變壓器、控制面板、可控開關(guān)及供電電纜組成。清倉機器人上電機額定電壓為660V，供電電纜提供660V電壓，其上一些部件，如液壓油箱散熱風(fēng)扇、井下照明設(shè)備等額定電壓為220V，通過變壓器降壓后才可以正常工作。電控柜上有相應(yīng)的控制面板，可在緊急情況時，跟機人員現(xiàn)場操作，也可由地面遠程控制端通過控制模塊進行操控。對用電設(shè)備進行遠程控制及設(shè)備數(shù)據(jù)采集時，需要使用PLC系統(tǒng)進行操作。水倉清理機器人的供電電纜纏繞在電纜盤架上，可隨機器人的移動自動收放電纜長度。

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地面工作站主要包括遠程操作軟件平臺和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。遠程操作軟件平臺是水倉清理機器人遠程控制清倉的操作界面，可以實時查看清倉機器人的清倉進度、機器人位姿及工作面的實際清理狀況，可以調(diào)取清倉機器人清倉過程中的各種數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整操作程序，可在地面實現(xiàn)對清倉機器人的遠程控制。

上位機系統(tǒng)作為水倉清理機器人的中樞，負責處理和顯示各種信號。視頻采集攝像頭采集清倉機器人清淤過程中水倉內(nèi)煤泥的狀態(tài)、挖取裝置與脫水裝置工作時的圖像信號，通過上位機中的圖像識別算法，監(jiān)測煤泥處理。通過激光雷達、位置傳感器、里程計和IMU等多傳感器融合的方法獲取水倉清理機器人的位姿信息，減小定位誤差，滿足清倉機器人的實時定位需求，方便操控人員掌握其狀態(tài)。

2 水倉清理智能控制系統(tǒng)

水倉清理智能控制系統(tǒng)是上位機系統(tǒng)的一部分，是水倉清理機器人的決策層。針對井下水倉復(fù)雜的地形環(huán)境，需要使用大量的滿足煤礦防爆要求的傳感器來進行智能監(jiān)測。

1)有害氣體傳感器。水倉清理機器人上安裝有高靈敏度的CO、CH4、H2S傳感器。清倉工人進入水倉工作時，對溫度、距離等信息易感知，對甲烷、一氧化碳等有害氣體難以感知，容易導(dǎo)致氣體中毒，危害身體健康。利用傳感器實時監(jiān)測水倉內(nèi)的環(huán)境信息，當環(huán)境中的有害氣體濃度達到檢測值時，自動報警，避免事故發(fā)生。

2)激光雷達傳感器。激光雷達主要負責水倉清理機器人在煤礦水倉的定位與井下水倉的地圖構(gòu)建，采樣頻率高達8000次/s，可以使機器人更快速、精確的見圖。

3)壓力傳感器。清倉機器人挖取、行走裝置由液壓驅(qū)動，在關(guān)鍵管路上安裝壓力傳感器對其壓力進行監(jiān)測，保證清倉機器人正常工作。

4)超聲波傳感器。在清倉機器人與水倉壁臨近的四個角上安裝有超聲波傳感器，負責清倉機器人本體與水倉壁之間距離的檢測。

3 水倉清理機器人性能參數(shù)及功能

3.1 性能參數(shù)

煤礦井下水倉清理機器人的技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2 工作環(huán)境要求

1)水倉斷面高度大于等于2.2m。

2)水倉斷面寬度大于等于2.5m。

3)水倉入口坡度小于等于25°。

4)水倉長度小于等于500m。

5)煤泥淤積厚度小于等于1.5m。

表1 水倉清理機器人的技術(shù)特征

3.3 功能說明

煤礦井下水倉清理機器人系統(tǒng)可代替人工完成礦井水倉淤積煤泥的清理工作，清倉效率高，大大減輕了清倉工人的勞作強度；將機器視覺技術(shù)與無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可在水倉外或者地面實現(xiàn)井下水倉清理進度及水倉煤泥狀態(tài)的監(jiān)測，從而控制水倉清理機器人自主清倉，無需清倉人員在水倉內(nèi)跟機操作，減少井下危險區(qū)作業(yè)人數(shù)，降低安全風(fēng)險。配備自動避障與定位技術(shù)，可自動調(diào)整位姿，避免損壞機器人本身與水倉墻體結(jié)構(gòu)，有效避免潛在危險發(fā)生。

該煤礦水倉清理機器人系統(tǒng)可實現(xiàn)的主要功能有：

1)視頻信號采集。清倉機器人主體安裝有礦用本安防爆云臺攝像機，10倍變焦，360°無限位旋轉(zhuǎn)，能在光線較暗的條件下獲得良好的視頻信號效果，抗干擾性好，實現(xiàn)清倉時的現(xiàn)場狀況觀察，掌握清倉進程及時調(diào)整機器運行方式。

2)智能清倉功能。水倉清理機器人支持全自動清倉模式、遙控清倉模式和就地控制模式。全自動清倉模式包括智能清倉和聯(lián)動清倉兩種模式。智能清倉模式下，水倉清理機器人根據(jù)事先定下的清倉任務(wù)、進程等信息，自動進行水倉內(nèi)煤泥的清理。聯(lián)動清倉模式下，由遠程操作控制平臺根據(jù)井下水倉情況下指令，清倉機器人按指令進行清倉、停機等一系列操作。遙控清倉模式下，由工作人員根據(jù)井下實際情況手動遙控清倉機器人，完成清倉工作。就地控制模式下，清倉人員可通過按電控柜控制面板上的按鈕實現(xiàn)對清倉機器人的操控。

3)自動定位功能。水倉煤泥淤積多超過1m，清倉任務(wù)繁重，在正常8h班制的情況下，水倉清理機器人每天可向前清理煤泥20m，隨后需返回水倉外，次日進行清倉時，清倉機器人可根據(jù)上次清倉存留的定位數(shù)據(jù)確定本次清倉的起始位置。清倉機器人的自動定位功能是清倉機器智能化運行的必要條件。

4)主動避障及位姿調(diào)整功能。煤礦井下水倉環(huán)境惡劣，整體為一封閉型巷道，墻壁上布有很多管道和線路，使得井下環(huán)境更加復(fù)雜。當激光雷達和位置傳感器檢測到清倉機器人與前進路上的障礙物(如墻壁、管路等)的距離小于預(yù)設(shè)值時，機器人停止，自動調(diào)整機身角度避免水與障礙物發(fā)生碰撞，損壞清倉機器人與水倉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。水倉清理機器人上安裝有陀螺儀，可根據(jù)傾斜角度判斷清倉機器人有無側(cè)傾風(fēng)險，可后退再次清理一邊履帶行走裝置下的煤泥，保障清倉工作穩(wěn)定安全進行。

5)煤泥狀態(tài)智能監(jiān)測功能。由于煤礦煤層賦存條件的不同，開采方式的不同，煤礦水倉具有不同的特點，水倉沉積的煤泥也具有不同的黏性。水倉清理機器人的挖取裝置由液壓驅(qū)動，其液壓管路上安裝有壓力傳感器，可將壓力信號轉(zhuǎn)換為模擬量傳回上位機，通過該方法可自動判斷出煤泥的黏度，從而自動調(diào)節(jié)稀釋噴頭的噴水量實現(xiàn)淤積煤泥黏度自動調(diào)節(jié)，使煤泥處于清倉機易清理的狀態(tài)，保障煤泥清理的效率。

6)管路、線纜自動收放功能。水倉清理機器人配備泵送管路收放盤及電纜收放盤架，當清倉機器人在水倉內(nèi)清倉時，根據(jù)機器人在井下的位置變化，自動調(diào)節(jié)泵送管路及電纜線的長度，取代人工在井下鋪設(shè)管路及線纜，使清倉工藝更加便捷。

7)水資源循環(huán)使用。煤泥水混合物經(jīng)過快速振動脫水篩脫水后，煤泥含水率小于40%，使用膠帶運輸至指定位置，分離出來的水通過管路回收進入補水稀釋管中循環(huán)使用。

8)處理后煤泥數(shù)據(jù)采集功能。在輸送帶上配有對稱式帶式輸送機稱量裝置，可對脫水處理過的煤泥進行稱重，并將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)端存儲，實現(xiàn)煤泥清理班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、月產(chǎn)量和年產(chǎn)量的統(tǒng)計和結(jié)算，優(yōu)化生產(chǎn)管理。

4 水倉清理機器人應(yīng)用實例

目前，該水倉清理機器人系統(tǒng)已在潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司礦井水倉投入使用。水倉清理機器人清理煤泥過程中將水倉中煤泥狀態(tài)以及振動篩處理后煤泥狀態(tài)的視頻信號通過無線基站傳到上位機進行處理，使用圖像識別算法得出煤泥的處理量，存入數(shù)據(jù)庫，方便調(diào)取監(jiān)測。調(diào)度室工作人員可通過水倉清理機器人監(jiān)控系統(tǒng)界面和視頻信息獲得井下水倉及水倉清理機器人的狀態(tài)信息。當煤泥處理量小于設(shè)定的數(shù)值時，清倉機器人自行移動或者由地面控制人員控制清倉機器人移動清理其余地方的煤泥。

水倉清理機器人的使用，使得水倉清理人員無需進入水倉，只需在安全的地方控制水倉清理機器人進行水倉清淤，降低工人的勞動強度，大大提高了水倉清理效率，能夠在較長時間內(nèi)保證水倉的有效容積，為煤礦涌水提供最大的安全容積，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

水倉清理機器人集煤泥自主挖掘、脫水、運輸于一體，通過多種傳感器、攝像頭配合使用及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)對水倉煤泥清理進程及機器人位姿的監(jiān)測，并及時高效地清理水倉中的煤泥。水倉清理機器人的應(yīng)用可取代人工對煤礦井下水倉進行清理工作，極大降低清倉人工的投入，提高企業(yè)生產(chǎn)的安全性與生產(chǎn)效率，符合國家加快建設(shè)煤礦智能化的要求，具有顯著的社會意義與經(jīng)濟效益。