煤礦機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

李浩 張瑞平，2 李城磊

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037000；2.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037000)

2020年2月，國(guó)家能源局聯(lián)合多個(gè)部委印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要深入推進(jìn)煤炭開發(fā)和提高煤礦智能化水平，重點(diǎn)煤礦企業(yè)要從基礎(chǔ)上完成工作面環(huán)境少人甚至無人化，到2025年大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦要基本實(shí)現(xiàn)智能化。受限于礦井下惡劣及復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用一直是是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的難題之一。為了響應(yīng)國(guó)家煤礦智能化的號(hào)召，煤礦機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用勢(shì)在必行。隨著5G技術(shù)及人工智能的興起，為煤礦機(jī)器人的研發(fā)提供了技術(shù)支持與保障。

1 機(jī)器人助力煤礦智能化升級(jí)

在當(dāng)代工業(yè)中，機(jī)器人指能自動(dòng)處理及完成任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用以替代或幫助人類工作，煤礦機(jī)器人特指完成掘進(jìn)、采礦、通風(fēng)、運(yùn)輸、選煤等工作任務(wù)的機(jī)器人。在煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程中，由事故頻發(fā)、勞動(dòng)密集、自動(dòng)化程度低的傳統(tǒng)礦井轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩咝А⒓夹g(shù)密集、無人化的智能礦井，煤礦機(jī)器人無疑是推進(jìn)智能化煤礦建設(shè)的基礎(chǔ)，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用可有目的性地解決特殊崗位的困難，減少煤礦事故的發(fā)生率，提高煤炭的開采效率[1-2]。

當(dāng)前，對(duì)煤礦機(jī)器人的研究已成為熱點(diǎn)問題。鑒于此，我國(guó)煤監(jiān)局根據(jù)煤礦工作用途將煤礦機(jī)器人分為了掘進(jìn)、采煤、救援、安控以及運(yùn)輸五大類煤礦機(jī)器人，又將其五大類具體分為了38種煤礦機(jī)器人，如圖1所示。其中掘進(jìn)和采煤機(jī)器人主要為煤礦進(jìn)行生產(chǎn)及開采；煤礦救援機(jī)器人主要應(yīng)用于煤礦出現(xiàn)事故后的探測(cè)及救援，即在事故發(fā)生后迅速進(jìn)入井下開展受災(zāi)人員搜救等工作；安控機(jī)器人主要應(yīng)用于煤礦中的各種作業(yè)環(huán)境下的安全參數(shù)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估診斷以及安全預(yù)警等功能；運(yùn)輸機(jī)器人主要應(yīng)用于不同煤礦環(huán)境下對(duì)于煤炭、煤機(jī)裝備及人員的運(yùn)輸。煤礦機(jī)器人的種類正好涵蓋了煤礦中各種高危崗位的作業(yè)，可以將礦工從不穩(wěn)定的工作環(huán)境中解放出來。

圖1 煤礦機(jī)器人分類

2 各類煤礦機(jī)器人的“入駐”及其特色

2.1 掘進(jìn)類

國(guó)內(nèi)外目前廣泛采用的三種掘進(jìn)技術(shù)——綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)技術(shù)、掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)，都需要不同的配套設(shè)備，并且有各自的適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)的相關(guān)設(shè)備與國(guó)外都有很大差距。煤礦掘進(jìn)機(jī)器人不是單一的個(gè)體，而是一套機(jī)器群組，這套機(jī)器群組要完成鉆探、支護(hù)、錨固、裝載運(yùn)輸?shù)纫幌盗腥蝿?wù)。掘進(jìn)機(jī)器人群組要求能夠隨時(shí)通過傳感器收集到礦井環(huán)境的信息，自主做出最適合掘進(jìn)生產(chǎn)的方案，再回饋給執(zhí)行機(jī)器人，最后機(jī)器人之間協(xié)調(diào)配合完成任務(wù)。此外，機(jī)器人群組還應(yīng)具有自主定位與自動(dòng)駕駛功能，能夠自主進(jìn)行煤巖識(shí)別與切割，并及時(shí)反饋信息于地面操控中心。

對(duì)于掘進(jìn)類的機(jī)器人，真正智能化的煤礦機(jī)器人群組目前還不能應(yīng)用到生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的是機(jī)器人化的掘進(jìn)設(shè)備，如久益12CM30型掘錨機(jī)，采用集成錨固系統(tǒng)，截割和錨固可同時(shí)進(jìn)行；太原煤炭研究院將掘裝功能與錨桿鉆機(jī)結(jié)合，研發(fā)的機(jī)器人化掘進(jìn)群組集成了截割、裝運(yùn)、錨桿支護(hù)等功能，擴(kuò)大了適用范圍，提升了掘進(jìn)效率。2020年9月10日，陜煤榆北煤業(yè)正式投入使用國(guó)內(nèi)第一套煤礦智能快速掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)。煤礦智能快速掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，攻破了煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件的智能掘進(jìn)難題，可存在多崗位作業(yè)同步進(jìn)行，減少了掘進(jìn)工作崗位的工人，顯著降低了生產(chǎn)過程中事故的發(fā)生率；而煤炭的生產(chǎn)效率卻大大提高[3]。

最近幾年來，隨著智能礦山無人化開采工作面理論的提出，涌現(xiàn)出眾多的公司參與到煤礦智能化掘進(jìn)技術(shù)的研發(fā)中來，其中西安重裝西煤機(jī)公司以陜煤為平臺(tái)，研發(fā)出了安全可靠的煤礦智能化快速掘錨成套裝備。其所投用的掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，寬6.5 m、高4～4.5 m，提高效率至60%以上；掘進(jìn)工作面操作人員減少至8人，不僅提高了礦井掘進(jìn)的速度與效率，而且能有效地提高支護(hù)的質(zhì)量。該系統(tǒng)的研制應(yīng)用將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)煤礦井下的巷道安全與智能化生產(chǎn)。

2.2 采煤類

采煤工作面的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成熟，但從自動(dòng)化割煤到智能化割煤，體現(xiàn)著割煤技術(shù)質(zhì)的飛躍，基礎(chǔ)機(jī)械自動(dòng)化與智能化的結(jié)合，為未來的采煤機(jī)器人AI算法預(yù)測(cè)割煤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。“煤礦機(jī)器人+AI”實(shí)現(xiàn)智能自主感知、最優(yōu)分析決策和知識(shí)學(xué)習(xí)進(jìn)化，從而形成礦山立體感知、自主學(xué)習(xí)、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)。目前，機(jī)器人輕質(zhì)材料、動(dòng)力供給、智能化傳感與識(shí)別等核心技術(shù)尚不成熟，而且超前支護(hù)機(jī)器人、充填支護(hù)機(jī)器人等機(jī)器人需要更先進(jìn)且精密的技術(shù)，且研究起來困難相對(duì)比較大，未來這幾種機(jī)器人仍是采煤類機(jī)器人研究的重要方向。

神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦投入使用了新型的采煤工作面機(jī)器人群，該機(jī)器人群可進(jìn)行自主預(yù)測(cè)或記憶采煤，采用各種傳感器感知割煤數(shù)據(jù)，用智能AI算法結(jié)合人工操作經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)割煤，計(jì)算出最優(yōu)截割輪廓線，反饋到割煤程序中，且該機(jī)器人群均可由井上控制臺(tái)集中配合控制，采煤過程智能化程度高，不僅代替了人工操作，且優(yōu)于人工操作。這讓錦界煤礦采煤工作面實(shí)現(xiàn)了國(guó)家所倡導(dǎo)的無人與智能化煤礦建設(shè)，提高了錦界煤礦的采煤效率，進(jìn)一步推動(dòng)了該礦的智能化礦山建設(shè)。

2.3 運(yùn)輸類

在煤礦中，煤炭運(yùn)輸是煤礦崗位中不可或缺的一部分，主要有煤礦井下主運(yùn)輸與礦井輔助運(yùn)輸以及露天礦運(yùn)輸。如今隨著科技的進(jìn)步和5G時(shí)代的來臨，礦山運(yùn)輸設(shè)備也逐步實(shí)現(xiàn)智能化，礦山運(yùn)輸正在向無人值守智能化時(shí)代邁步[4]。隨著前幾年機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中，運(yùn)輸類煤礦機(jī)器人一共列出11種，文獻(xiàn)[4]中根據(jù)其機(jī)器人屬性分為了3類，如圖2所示。對(duì)于運(yùn)輸機(jī)器人來說，其先進(jìn)的實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)、導(dǎo)航定位、自主避障、路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤控制等核心技術(shù)成為了各大公司研究改進(jìn)并投入市場(chǎng)的一大挑戰(zhàn)。

圖2 運(yùn)輸機(jī)器人詳細(xì)分類

前幾年對(duì)于煤礦企業(yè)來說，機(jī)械臂主導(dǎo)的運(yùn)輸機(jī)器人依舊很少應(yīng)用在煤礦工作中。但隨著機(jī)械臂機(jī)器人技術(shù)的穩(wěn)定，智能選矸機(jī)器人近期出現(xiàn)在大眾視野。2019年潞安集團(tuán)常村煤礦正式引進(jìn)首臺(tái)“智能選矸機(jī)器人”代替人工選矸，這標(biāo)志著潞安在建設(shè)綠色、環(huán)保、智能化礦山方面邁出了一大步，同時(shí)選矸機(jī)器人將工人從嘈雜、高強(qiáng)度的惡劣環(huán)境中解放出來，起到了“減人增效”的作用。前幾年煤礦中的清理服務(wù)型機(jī)器人因受到礦井各個(gè)儲(chǔ)存?zhèn)}環(huán)境惡劣以及其組成清理機(jī)器人的構(gòu)件材料限制而發(fā)展緩慢。2020年國(guó)家電投內(nèi)蒙古公司在露天煤礦投入使用了新型研發(fā)的煤倉清理機(jī)器人。該機(jī)器人的入職，使煤倉減少了因物料掛壁堆積形成倉容減小而造成擁堵的現(xiàn)象，同時(shí)也提高了煤礦的物料外運(yùn)速度和效率，還讓如此高危險(xiǎn)的崗位實(shí)現(xiàn)了無人化，做到了真正地“減人增效”。

無人車駕駛技術(shù)一直是運(yùn)輸機(jī)器人中的重點(diǎn)，但無人駕駛技術(shù)一直處于不成熟狀態(tài)。2019年4月，梅山鋼鐵公司也開始研究運(yùn)行了新款無人駕駛運(yùn)輸車，這是全世界首臺(tái)自主導(dǎo)航無人駕駛運(yùn)輸車。同年5月，包鋼白云鄂博鐵礦為推動(dòng)智能化礦山建設(shè)，響應(yīng)國(guó)家號(hào)召與中國(guó)移動(dòng)合作建設(shè)了全世界首個(gè)基于5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的無人駕駛礦車項(xiàng)目，該項(xiàng)合作的完成可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)V車的遠(yuǎn)程控制及精準(zhǔn)?？颗c自主避障等指令。該項(xiàng)目提高了該礦的采煤運(yùn)輸水平及效率，同時(shí)也標(biāo)志著該礦向智能化礦山建設(shè)邁出了歷史性的一步。

2.4 安控類

在煤礦生產(chǎn)過程中，安全巡檢對(duì)于保障煤礦生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。然而傳統(tǒng)的人工巡檢效率低下，但由于在安全生產(chǎn)中這一步驟必不可少，所以在生產(chǎn)過程中巡檢工作必須進(jìn)行，而利用智能巡檢機(jī)器人輔助礦井人員進(jìn)行巡視，可及時(shí)發(fā)覺礦井設(shè)備的異?，F(xiàn)象，排除設(shè)備運(yùn)行隱患，提高煤炭開發(fā)效率和巡檢質(zhì)量，起到減員增效、安全生產(chǎn)的作用[5-6]。

巡檢機(jī)器人是專門為復(fù)雜的礦井環(huán)境下的巡檢工作而設(shè)計(jì)的，其功能為可移動(dòng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)，屬于監(jiān)測(cè)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的新型技術(shù)，裝有最新的不同種類的傳感器來檢測(cè)工作環(huán)境；同時(shí)具有較強(qiáng)的信號(hào)傳輸，可將信息及時(shí)反饋地面總控制面。利用智能巡檢機(jī)器人輔助礦井人員對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行巡視，可及時(shí)發(fā)覺礦井設(shè)備的異?，F(xiàn)象，排除設(shè)備運(yùn)行隱患。

2020年11月18日，神東補(bǔ)連塔煤礦智能礦101膠帶機(jī)首臺(tái)膠帶機(jī)巡檢機(jī)器人正式上線運(yùn)行，助力主運(yùn)系統(tǒng)無人化值守、智能化巡視再上新臺(tái)階。補(bǔ)連塔煤礦101主運(yùn)膠帶運(yùn)輸機(jī)是一部上倉皮帶，長(zhǎng)200 m，坡度傾角達(dá)到了45°，日常巡視費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且現(xiàn)場(chǎng)為多塵環(huán)境，給巡視工作人員職業(yè)健康防護(hù)帶來很大挑戰(zhàn)。該款機(jī)器人通過上位控制系統(tǒng)音頻、視頻進(jìn)行深度分析，具備膠帶機(jī)沿線環(huán)境、設(shè)施異常狀況和設(shè)備故障適時(shí)診斷、預(yù)警功能，將員工從惡劣作業(yè)環(huán)境中解放出來，推動(dòng)技術(shù)一流示范礦井建設(shè)取得新進(jìn)展[7]。

綜采工作面屬于煤礦井下最復(fù)雜危險(xiǎn)的工作環(huán)境，因其環(huán)境的復(fù)雜，人工巡檢一直是危險(xiǎn)崗位，尤其是危險(xiǎn)氣體的巡檢屬于煤礦井下最復(fù)雜危險(xiǎn)的工作環(huán)境。2021年4月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研制的常態(tài)化開展井下危險(xiǎn)作業(yè)的煤礦巡檢機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。這臺(tái)由晉能控股集團(tuán)研制的危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人具備井下全地形行走能力，最大行走速度不低于1.5 m/s，最大越障高度不低于250 mm，最大涉水深度不低于350 mm，連續(xù)行走時(shí)間不低于2 h。機(jī)器人采用遠(yuǎn)距離無線遙控方式控制，可探測(cè)甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣及溫度、濕度、壓差等環(huán)境參數(shù)信息，同時(shí)具備紅外圖像采集功能。雖然這臺(tái)機(jī)器人還不能實(shí)現(xiàn)智能巡檢，但面對(duì)井下惡劣環(huán)境，其全地形行走能力使其具有了廣闊的實(shí)用空間。

2.5 救援類

救援類機(jī)器人主要是當(dāng)煤礦發(fā)生事故后，面對(duì)復(fù)雜多變的事故環(huán)境，收集井下環(huán)境中所探測(cè)到的各種溫度、濕度以及瓦斯含量等基礎(chǔ)信息，并根據(jù)所收集到的信息做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，為救援人員進(jìn)行救援工作提供信息支持。該類機(jī)器人可自主導(dǎo)航定位及通過AI算法自主運(yùn)動(dòng)控制來進(jìn)行事故環(huán)境的探索與檢測(cè)，擁有先進(jìn)的傳感器進(jìn)行勘測(cè)多變的復(fù)雜環(huán)境，具有較強(qiáng)的信號(hào)接收與輸送裝置，可與地面救援人員進(jìn)行信息傳遞；同時(shí)該類機(jī)器人擁有前沿的防爆控制系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)惡劣的救災(zāi)環(huán)境，而穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是救援機(jī)器人正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)此其控制系統(tǒng)必須擁有高穩(wěn)定、強(qiáng)可靠、實(shí)時(shí)性好等基礎(chǔ)性能[8]。

2007年開誠(chéng)智能集團(tuán)研制出國(guó)內(nèi)首款礦用井下?lián)岆U(xiǎn)機(jī)器人。2016年8月3日，在同煤集團(tuán)塔山煤礦井下環(huán)境中試驗(yàn)了由北京理工大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和中科院沈陽自動(dòng)化所共同承擔(dān)的國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“煤礦災(zāi)害救援機(jī)器人的研究開發(fā)與應(yīng)用”。此次三臺(tái)煤礦環(huán)境探測(cè)機(jī)器人、兩臺(tái)煤礦救援機(jī)器人與一臺(tái)煤礦滅火機(jī)器人在塔山煤礦成功運(yùn)行。該機(jī)器人正式投入煤礦使用后，采用機(jī)器人進(jìn)行井下環(huán)境監(jiān)測(cè)和搜救將使塔山礦井搶險(xiǎn)救災(zāi)能力提升到一個(gè)新水平。

2021年5月17日救援機(jī)器人中的一款新型礦用偵察救援機(jī)器人在貴州豫能安順煤礦試驗(yàn)執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)，該機(jī)器人在環(huán)境惡劣的情況下，其“火眼金睛”讓一切態(tài)勢(shì)盡收眼底，同時(shí)還輕松的攜帶著所需要的救援物資，解決了煤礦救援人員在煤礦井下救援時(shí)所面臨的人身安全問題及實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)采集不足等問題。某礦用救災(zāi)搶險(xiǎn)機(jī)器人如圖3所示。

圖3 礦用救災(zāi)搶險(xiǎn)機(jī)器人

3 亟待解決的煤礦機(jī)器人核心技術(shù)

從“十二五”提出煤礦智能化至今，雖然取得了很大的成就，但仍屬于培育成熟階段，由于煤炭生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，煤礦機(jī)器人的發(fā)展仍有許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

首先，煤礦機(jī)器人在復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境工作，安全保護(hù)與防爆設(shè)計(jì)要求極嚴(yán)，關(guān)鍵模塊為了達(dá)到防爆要求，就需要尺寸、重量等參數(shù)加大，無法做到輕量化，從而影響煤礦機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，尤其影響井下復(fù)雜地形的適應(yīng)性。

其次，面對(duì)不穩(wěn)定的工作環(huán)境時(shí)很容易遇到突發(fā)事故，很可能會(huì)造成機(jī)器人短路、傳感器失效或續(xù)航能源動(dòng)力不足等故障。因此煤礦機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及材料、能源續(xù)航能力、遠(yuǎn)程通信與感知、控制系統(tǒng)等重要部分成為研發(fā)所有不同種類煤礦機(jī)器人的技術(shù)核心。

再次，井下潮濕、光照不足、視線不佳、粉塵大，這些不利因素造成煤礦機(jī)器人在信息精準(zhǔn)感知、實(shí)施目標(biāo)檢測(cè)、路徑規(guī)劃與避障智能控制以及其可靠性穩(wěn)定性等方面是研發(fā)應(yīng)用的一大難題[9-10]。

除此之外，煤礦井下機(jī)器人的充電技術(shù)、精準(zhǔn)導(dǎo)航技術(shù)、全地形適應(yīng)能力、井下機(jī)器人群的協(xié)作性等，也是目前需要攻克的技術(shù)難題。

4 結(jié)語

伴隨著智能化時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟與5G網(wǎng)絡(luò)的推廣將會(huì)為礦山智能化的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在全球智能化時(shí)代的趨勢(shì)下，礦山智能化也只是時(shí)間問題。而煤礦機(jī)器人的出現(xiàn)將有力地推動(dòng)了煤礦智能化的建設(shè)?？紤]到國(guó)家對(duì)煤炭的穩(wěn)定需求，煤礦生產(chǎn)的惡劣環(huán)境以及智能化時(shí)代的到來，機(jī)器人入駐煤礦崗位是勢(shì)在必行。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，在不久的將來，煤礦生產(chǎn)將會(huì)實(shí)現(xiàn)真正的無人化。