智能機(jī)器人在寧煤公司智能礦山建設(shè)中的應(yīng)用

賈冬冬

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司金鳳煤礦，寧夏鹽池 751504）

1 智能機(jī)器人的應(yīng)用背景

為貫徹黨中央國務(wù)院關(guān)于人工智能的決策部署，推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，促進(jìn)我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2020年3月，由國家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財政部、科技部、教育部8 部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2020年11月25日，國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局響應(yīng)8 部委號召，下達(dá)了《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》，在71 座智能化示范煤礦中，國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱“寧煤公司”）下屬的棗泉煤礦、紅柳煤礦、金鳳煤礦赫然在列，3 座礦井一次性入選，足見寧煤公司對智能化建設(shè)的重視程度。目前，這3 座礦井的初步設(shè)計已經(jīng)完成，其中有很大一部分涉及智能機(jī)器人的使用。2021年12月28日，工業(yè)和信息化部等15 部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，更加明確了煤礦機(jī)器人使用的范圍，寧煤公司結(jié)合現(xiàn)場井下工人作業(yè)場景，本著減輕工人勞動強(qiáng)度、降低工人作業(yè)危險度的原則，以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，提出智能水倉清淤、無人飛艇巡檢、自主噴漿作業(yè)等一系列的機(jī)器人需求，同時，未來智能機(jī)器人的建設(shè)能夠有力推動國家相關(guān)政策的執(zhí)行。

2 智能機(jī)器人的國內(nèi)使用情況

目前，國內(nèi)比較成熟的機(jī)器人主要側(cè)重于巡檢機(jī)器人、采煤機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)器人、選矸機(jī)器人等，一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，例如，無人駕駛等先進(jìn)技術(shù)，也已經(jīng)在準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦地面卡車實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)，無人駕駛甚至已實(shí)現(xiàn)了自主避障。巡檢機(jī)器人包括軌道式、輪式、履帶式，可以搭載攝像儀或各類傳感器，可實(shí)現(xiàn)照相、氣體濃度探測、紅外探測、自主避障等功能，該類機(jī)器人廠家眾多，如神東大柳塔煤礦的山西戴德智能巡檢機(jī)器人、同煤大唐塔山煤礦實(shí)地應(yīng)用的中信重工第四代井下巡檢機(jī)器人、神東補(bǔ)連塔煤礦上線的天津華寧皮帶巡檢機(jī)器人、大柳塔煤礦的危險氣體巡檢機(jī)器人、保德煤礦的液壓開槽機(jī)器人等。

如果以上機(jī)器人都是單個系統(tǒng)使用，那么陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)公司則將智能機(jī)器人做到了集群化研發(fā)，2021年7月，開發(fā)出了智能化綜合管控與機(jī)器人集群協(xié)同調(diào)度平臺，現(xiàn)有與在研地面及井下機(jī)器人近20 種，覆蓋《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》相關(guān)機(jī)器人種類的40%以上，初步實(shí)現(xiàn)集群效應(yīng)。

在寧煤公司中智能機(jī)器人也得到了廣泛使用，其中金鳳煤礦建成的武漢七環(huán)變電所軌道巡檢機(jī)器人、紅柳煤礦使用的自動焊接機(jī)器人、麥垛山煤礦帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)、靈新洗煤廠的智能選矸機(jī)器人，以及覆蓋寧煤公司80%綜采工作面成套自動化設(shè)備的使用，都為寧煤公司智能化建設(shè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。

3 寧煤公司智能機(jī)器人的設(shè)計思路

寧煤公司機(jī)器人的建設(shè)借鑒了全國范圍內(nèi)先進(jìn)機(jī)器人的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對于應(yīng)用成熟的機(jī)器人如選矸機(jī)器人、軌道巡檢機(jī)器人等，直接“復(fù)制粘貼”到各礦井使用，在此基礎(chǔ)上寧煤公司與中煤科工集團(tuán)正在聯(lián)合開發(fā)井下清淤機(jī)器人、主運(yùn)輸皮帶無人飛艇巡檢機(jī)器人、綜采工作面電纜自動拖拽裝置、巷道噴漿機(jī)器人共4 種較為先進(jìn)實(shí)用的特種礦山井下用機(jī)器人。除綜采工作面電纜自動拖拽裝置目前市面上有基礎(chǔ)產(chǎn)品外，其余的3 種均為全國范圍內(nèi)首創(chuàng)，如果研發(fā)成功，將填補(bǔ)市場空白。目前，項(xiàng)目正處于研發(fā)階段，尚未投入使用[1]。

4 寧煤公司特色機(jī)器人概述

4.1 井下清淤機(jī)器人

自主化水下清淤機(jī)器人要具備滿足自主淤積監(jiān)測和自主清淤作業(yè)要求的探測系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)和清淤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在線自主淤積層厚度監(jiān)測、水倉儲水三維空間自主構(gòu)建、水倉淤積程度和蓄水能力在線評估。研究基于光纖慣導(dǎo)、多普勒計程儀以及模型參考自適應(yīng)位置推算的水下高精度自主定位技術(shù)，使當(dāng)前及未來礦井機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)定位涉及的初始對準(zhǔn)、覆蓋式自主清淤作業(yè)、自主返航過程中的高精度定位和導(dǎo)航技術(shù)。自主化水下清淤機(jī)器人的設(shè)計不僅要求具備單體設(shè)備排淤能力，還需根據(jù)礦井實(shí)際清淤排淤工藝進(jìn)行配套工藝設(shè)計及控制策略調(diào)整，從而滿足大多數(shù)煤礦對于礦井水倉清淤排淤自動化的需求（見圖1）。

圖1 井下水倉清淤機(jī)器人設(shè)計圖

該機(jī)器人是采用“剛性液壓履帶行走+液壓動力驅(qū)動裝置+高效礦用混凝土泵”組成的高效清倉機(jī)器人，將稠煤泥通過遠(yuǎn)程遙控柱塞泵輸送到采空區(qū)。整機(jī)為全液壓先導(dǎo)控制，為適應(yīng)水倉工作環(huán)境，電力部分只包括：一臺YBQ22KW 礦用隔爆型潛水泵用電動機(jī)、一臺KXB120 礦用隔爆控制箱（外置電纜拖放裝置）、礦用隔爆型電磁閥及礦用FYF/FYS30無線遙控裝置。為保證機(jī)器人可將淤泥推到柱塞泵附近，機(jī)器人需要具有一定的軌跡規(guī)劃能力，并設(shè)置清淤機(jī)器人水倉避碰的安全保障機(jī)制，因此，提出基于“同步自主避碰+高效清淤”并行自主行為優(yōu)化方法，研究在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自主化清淤機(jī)器人高效可靠清淤作業(yè)、自主返航等作業(yè)流程中自主避碰與軌跡規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)高精度局部環(huán)境探測和在線全局地圖構(gòu)建相結(jié)合的路徑規(guī)劃。

水倉清淤機(jī)器人作業(yè)過程中設(shè)置3 個工作區(qū)，每個工作區(qū)放置一臺柱塞泵。柱塞泵固定預(yù)埋至水倉底部坑槽內(nèi)，上面鋪設(shè)格柵板，泵送的淤泥通過固定的管路泵送至緩沖攪拌設(shè)備。清淤機(jī)器人按照規(guī)劃路徑，通過程序控制，把每個工作區(qū)泵送設(shè)備周圍的淤泥源源不斷地推至泵送輸入口。為提高工作效率，巷道每隔40 m 布置一組泵送裝置，分為3 個工作區(qū)，機(jī)器人在某一工作區(qū)工作時，該泵開始工作。

機(jī)器人由淤泥鏟裝置、行走裝置、液壓動力系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、無線遙控電氣系統(tǒng)和卷纜收放裝置等組成，按照設(shè)置自主或人工遙控完成清淤作業(yè)；清淤機(jī)器人驅(qū)動液壓部分具有精準(zhǔn)控制功能，避免機(jī)器人運(yùn)動時出現(xiàn)不受控制的大幅度動作現(xiàn)象；推土機(jī)器人自帶電纜收放功能裝置；全液壓驅(qū)動，整個系統(tǒng)要求采用開式回路，具備清淤裝置控制油路、負(fù)載反饋式比例多路閥組成的油路（行走等功能油路）；配置有激光傳感器+雙目視覺傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)與推土機(jī)器人推鏟的聯(lián)動控制。

水倉機(jī)器人攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括自主監(jiān)測、自主定位、自主導(dǎo)航、自主避障及適應(yīng)井下水倉惡劣環(huán)境的機(jī)械、電控技術(shù)[2]。

水倉清淤機(jī)器人如果研發(fā)成功，可以改變煤礦之前依靠人工穿上防水服，進(jìn)入水倉用礦車或者鏟車人工將淤泥清出的情況，可以節(jié)省5～10 名清倉人員，沒有人員進(jìn)入水倉作業(yè)，大大提高了安全性，同時，減少了局部通風(fēng)機(jī)的使用，更有利于節(jié)能。

全程無人干預(yù)、自主檢測、避障、清淤高度集成化的機(jī)器人設(shè)計相信在不久的將來一定能在煤礦井下水倉內(nèi)發(fā)揮巨大的作用。

4.2 井下無人飛艇機(jī)器人

寧煤公司第二項(xiàng)開創(chuàng)性的機(jī)器人當(dāng)屬井下無人飛艇機(jī)器人（見圖2），該飛艇采用蠕動飛行技術(shù)，蠕動飛行是利用仿生學(xué)原理，通過蒙皮材料與巷道頂部摩擦，艇體扭動、擺動形成動力，使飛艇緩慢沿巷道頂部攀爬飛行的一種飛行技術(shù)。機(jī)身內(nèi)充滿氦氣，氦氣比重低，約大氣密度的1/10，1 m3約1 kg 浮力，可為飛艇提供升力。飛艇艇體外膜材料要容納氦氣，本身重量要低，要具有一定強(qiáng)度，彈性要好，不易刺穿，拼接后不漏氣。聚四氟乙烯膜作飛艇氦氣內(nèi)膽，通過壓鑄加強(qiáng)條，使氣囊充氣前保持一定形狀。多個氣囊串聯(lián)，中間使用可變?nèi)嵝圆牧线B接。中間連接可變?nèi)嵝圆牧?，具有電場作用下形變能力，通過對其施加電壓，改變材料的彈性。反復(fù)有序的控制材料的形變，可實(shí)現(xiàn)飛艇的空中扭轉(zhuǎn)或擺動、伸縮等動作。通過連貫的動作組合，實(shí)現(xiàn)飛艇的蠕動飛行。飛行器在井下無法避免尖銳的金屬碰撞摩擦，聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。通過飛行器前緣加固設(shè)計和幾何形狀的優(yōu)化，可有效避免飛艇主動碰撞引起的撕裂或刺穿。飛艇表面材料覆有統(tǒng)一朝向傾斜45°的纖毛，艇體在伸縮蠕動時，纖毛充當(dāng)棘爪，鉤掛巖面，使艇體移動。通過薄膜內(nèi)貼沉薄膜天線，使用飛行器可與周邊近場通訊設(shè)備進(jìn)行信息交互，并高效地存儲利用剩余能量[3]。

圖2 井下無人飛艇設(shè)計圖

該飛艇可實(shí)現(xiàn)全自主巡檢功能，包括自主起飛、降落、偵檢、傳輸?shù)裙δ?。機(jī)身搭載攝像儀及氣體分析設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程拍照、遠(yuǎn)程氣體分析及粉塵濃度測定，代替工人在布滿粉塵的巷道內(nèi)巡檢，飛艇經(jīng)過通訊基站信號覆蓋范圍時，將現(xiàn)場情況的照片及傳感器數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到指揮中心，并可對采集的飛行、掃描等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為決策提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)支持多媒體形式發(fā)布信息，能以不同的模式按照區(qū)域顯示態(tài)勢、文本、表格和音視圖像信息。

無人飛艇攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有：自主起飛、巡檢、遠(yuǎn)程監(jiān)測、抓拍、信號傳輸及外皮材料的選用。

該飛艇設(shè)計在紅柳煤礦主斜井帶式輸送機(jī)上巡檢使用，設(shè)計續(xù)航時間為1 h，續(xù)航里程不小于1 000 m，可實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)連續(xù)巡檢。該技術(shù)是首次應(yīng)用到井下，如果能夠成功使用，可以替代人工巡檢，每天減少3 名巡檢人員，將巡檢人員從煤塵飛揚(yáng)的環(huán)境中徹底解放。

4.3 井下噴漿機(jī)器人

煤礦井下噴漿作業(yè)時，噴漿料用混凝土料噴到巷道壁上時會大幅度回彈，噴漿機(jī)攪拌過程中也會揚(yáng)起大量的水泥灰，造成空氣極度污濁，吸入的混凝土顆粒對人體危害極大，極易造成職業(yè)病，噴漿機(jī)器人的研發(fā)就是為了解決這個難題（見圖3）。

圖3 噴漿機(jī)器人設(shè)計圖

噴漿機(jī)器人是應(yīng)用于井下巷道，能夠多角度噴射混凝土的一種智能作業(yè)機(jī)器人，主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、噴漿工具端、驅(qū)動模塊、智能感知模塊、控制模塊和通信模塊組成。機(jī)器人的作業(yè)流程：首先通過人工對作業(yè)面進(jìn)行作業(yè)區(qū)域范圍規(guī)劃，機(jī)器人機(jī)載激光雷達(dá)對已規(guī)劃面進(jìn)行激光掃描建模，構(gòu)建作業(yè)面三維數(shù)字模型。其次計算機(jī)通過三維數(shù)字模型計算機(jī)械臂運(yùn)動軌跡及作業(yè)面施工量，地面調(diào)度人員按施工量配送混凝土及調(diào)度罐車，罐車及泥漿泵車到位后，展開噴漿作業(yè)施工。最后噴漿作業(yè)施工結(jié)束，即可對已完成作業(yè)面進(jìn)行激光二次建模，并將該數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)中心。重復(fù)上述步驟，完成巷道噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作。具體指標(biāo)：移動速度（空載）中最大移動速度1 m/s；噴漿回彈率低于20%；連續(xù)工作時間不低于3 h。

該機(jī)器人攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括：噴漿臂運(yùn)動軌跡計算、三維自主建模、自主計算噴漿用量。該機(jī)器人率先全套在棗泉煤礦設(shè)計使用，如果能夠?qū)嶒?yàn)成功，可以減少2～3 名噴漿人員，只留2～3 名上料人員在后巷補(bǔ)充上料即可，噴漿總作業(yè)人數(shù)可以從原來的6 人減少到3 人。

4.4 其他先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

除了以上機(jī)器人外，寧煤公司計劃使用撿矸機(jī)器人、主運(yùn)巡檢機(jī)器人、綜采工作面電纜自動拖拽裝置、綜采工作面沿空留巷擋矸支架、綜采智能化開采控制技術(shù)、智能掘進(jìn)技術(shù)、高低壓開關(guān)柜“五遙”功能改造、基于UWB 技術(shù)的精確人員定位技術(shù)、5G 車輛無人駕駛、副立井提升系統(tǒng)電梯智能化改造、綜采工作面TGIS 透明開采技術(shù)、智能安檢、智能采暖、智能供水、智能通風(fēng)、智能潤滑以及大量機(jī)房硐室無人化改造等先進(jìn)技術(shù)。本次智能化建設(shè)覆蓋面廣、涵蓋專業(yè)多、改造技術(shù)多樣，能夠大幅度提高煤礦智能化水平，為3 個國家示范礦井達(dá)到中級標(biāo)準(zhǔn)提供支持。

5 結(jié)語

煤礦井下機(jī)器人的廣泛使用，響應(yīng)國家政策，能夠大幅度替代工人從事危險作業(yè)，相信不久的將來我國會出現(xiàn)一大批更先進(jìn)更智能的產(chǎn)品，形成一個以煤礦機(jī)器人為核心的產(chǎn)業(yè)鏈，持續(xù)不斷地推動煤礦行業(yè)的蓬勃發(fā)展。