我國煤礦煤機智能技術(shù)與裝備發(fā)展研究

葛世榮 ，張晞, ，薛光輝, *，任懷偉 ，王宏偉 ，龐義輝 ，范磊,

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；2. 煤礦智能化與機器人創(chuàng)新應(yīng)用應(yīng)急管理部重點實驗室，北京 100083；3. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機械與電氣工程學(xué)院，北京 100083；4. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；5. 天地科技股份有限公司，北京100013；6. 山西省煤礦智能裝備工程研究中心，太原 030024；7. 太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，太原 030024）

一、前言

能源是國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要支撐[1,2]，但其伴生的CO2過度排放成為引發(fā)氣候變化的主要因素。在全球范圍內(nèi)經(jīng)濟社會與能源產(chǎn)業(yè)形成了低碳化發(fā)展的大趨勢，我國也正式提出“雙碳”戰(zhàn)略，實現(xiàn)碳達峰、碳中和成為我國經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求[3]。也要注意到，富煤貧油少氣的能源賦存特性[4～6]決定了煤炭是我國的主體能源和重要工業(yè)原料。2022年，世界煤炭消費量超過8×109t[7]，我國原煤產(chǎn)量為4.56×109t，同比增長10.5%[8,9]。當前煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費總量中的占比分別超過67%、56%[10]，預(yù)測2030年煤炭的一次能源占比仍有46.3%[11]。因此，在未來相當長一段時期內(nèi)煤炭仍是經(jīng)濟發(fā)展、能源安全穩(wěn)定的“壓艙石”“穩(wěn)定器”[12～14]。

構(gòu)建以煤基能源為保障，具有清潔低碳、安全高效特征的能源體系，是保障我國能源安全、建設(shè)能源強國的重要途徑[15,16]。與龐大的煤炭產(chǎn)能相對應(yīng)，我國是全球最大的煤機市場國、煤機需求國。為實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標，我國煤機市場正在進行階段性的調(diào)控和整頓，面臨著市場集中、行業(yè)整合、技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新等方面的挑戰(zhàn)；但也蘊藏著諸多新的發(fā)展機遇，以煤機裝備技術(shù)的智能化、無人化、機器人化為代表，成為煤炭行業(yè)綠色低碳、安全高效轉(zhuǎn)型升級的新質(zhì)支撐力量。

相關(guān)已有研究主要涉及“雙碳”背景下能源領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展[17,18]、能源消費結(jié)構(gòu)與煤炭消費趨勢[19]、煤炭能源升級戰(zhàn)略[20]、煤炭行業(yè)發(fā)展路徑[21～23]、煤炭資源強國建設(shè)[24]等宏觀內(nèi)容，井工煤礦智能化開發(fā)技術(shù)進展[25,26]、40 年來煤機裝備制造發(fā)展歷程和煤炭工業(yè)科技創(chuàng)新成就[27,28]等技術(shù)內(nèi)容?！丁笆奈濉敝悄苤圃彀l(fā)展規(guī)劃》（2021 年）、《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（2020 年）[29]、《煤炭工業(yè)“十四五”裝備制造發(fā)展指導(dǎo)意見》（2021 年）等政策文件也明確了煤機技術(shù)與裝備高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向。值得指出的是，盡管煤炭行業(yè)與技術(shù)研究成果較多，但針對煤機智能技術(shù)與裝備開展的發(fā)展研究明顯不足[30,31]。

煤機智能技術(shù)與裝備范圍非常廣泛，既有井工礦智能技術(shù)與裝備，也有露天礦智能技術(shù)與裝備，還有煤炭洗選與煤化工智能技術(shù)與裝備等。本文聚焦我國井工礦煤機智能技術(shù)與裝備，總結(jié)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、分析關(guān)鍵技術(shù)體系、辨明產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，以期為“雙碳”發(fā)展背景下的煤機裝備高質(zhì)量發(fā)展研究提供參考。

二、煤機智能技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

（一）煤機智能技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

“十三五”以來，我國主要煤機裝備基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，“三機一架”（采煤機、掘進機、刮板輸送機和液壓支架）等關(guān)鍵裝備已達到了國際領(lǐng)先或先進水平[32]。一批超大采高智能化綜采綜放、智能快速掘進支護、大運量帶式輸送機等主煤流運輸、煤礦機器人等煤機智能裝備為智能煤礦建設(shè)提供了強大支撐。

1. 煤機智能裝備支撐系統(tǒng)

基于第五代移動通信技術(shù)（5G）網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延和廣連接的移動通信特點，煤機智能裝備支撐系統(tǒng)已形成了“端 - 邊 - 云”三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)了煤機裝備海量數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸和互聯(lián)。煤炭科技工作者構(gòu)建了綜采工作面三維虛擬數(shù)字孿生分析決策技術(shù)架構(gòu)；基于多維地球物理精細探測方法，構(gòu)建了全空間、全方位地質(zhì)動態(tài)模型技術(shù)體系[33]，為煤炭智能精準開采[1]提供了透明地質(zhì)條件和三維采場空間數(shù)字化模型。煤機智能裝備研究院所和生產(chǎn)廠家采用分布式架構(gòu)集控系統(tǒng)軟件，研發(fā)了多設(shè)備協(xié)同作業(yè)一體化控制中心，基于統(tǒng)一的服務(wù)器、存儲及數(shù)據(jù)接口標準構(gòu)建協(xié)同作業(yè)控制平臺，實現(xiàn)了遠程、共享、平行協(xié)同作業(yè)。

2. 智能綜采綜放裝備

我國已開展了8 m 超大采高綜采、7 m 超大采高綜放等一批重大實踐[34～36]，取得了超大采高智能采煤機、智能刮板輸送機及液壓支架等標志性成果，引領(lǐng)了特厚煤層開采及高端裝備的發(fā)展方向。神東煤炭集團公司聯(lián)合高校、科研院所以及煤機裝備制造企業(yè)研制的8～9 m超大采高智能采煤機總裝機功率達3450 kW，整機重量為220～230 t，可實現(xiàn)9 m 厚煤層一次采全高；8 m 超大采高液壓支架和大運量智能刮板輸送機實現(xiàn)了輸送、轉(zhuǎn)載、破碎及皮帶自移機尾等裝備系統(tǒng)集成；創(chuàng)成的回風(fēng)順槽無反復(fù)支護裝備提高了兩巷作業(yè)的自動化水平，保障了工作面設(shè)備群的協(xié)同高效推進。8.8 m 超大采高雙滾筒采煤機（生產(chǎn)能力為6000 t/h）、超大工作阻力液壓支架（支架工作阻力為26 000 kN）、大運量高強度刮板輸送機（輸送量為6000 t/h）、大流量乳化液泵站（最大流量為1350 L/min）和超長運輸距離智能單點驅(qū)動帶式輸送機（帶長為6000 m，帶寬為1.8 m）等組成的8.8 m超大采高綜采智能成套技術(shù)裝備在神東煤炭集團的上灣煤礦投入應(yīng)用[37]，創(chuàng)造了單日割煤22 刀、日產(chǎn)6.55×104t 的紀錄。薄及極薄煤層智能開采技術(shù)與裝備也有較大發(fā)展，解決了大功率較薄煤層高效開采采煤機的關(guān)鍵技術(shù)難點，突破了刨煤機成套關(guān)鍵技術(shù)與裝備，研制出了螺旋鉆采煤機，薄煤層采煤機、刨煤機、連采機及其配套的液壓支架、刮板輸送機等關(guān)鍵裝備都已實現(xiàn)了成套國產(chǎn)化。

3. 智能快速掘進支護成套裝備

我國已形成了適用于不同煤層條件下煤礦的智能快速掘進工藝技術(shù)與裝備[25,38]，研制的煤礦快速掘錨成套裝備系統(tǒng)實現(xiàn)了掘、支、運一體化連續(xù)協(xié)同作業(yè)，可完成寬6.5 m、高4.5 m大斷面巷道機械化施工，掘、錨同步作業(yè)，設(shè)計掘進速度可達1500 m/月。集成掘、支、錨、運、通風(fēng)、除塵等智能裝備的護盾式快速掘進系統(tǒng)在陜西小保當煤礦實現(xiàn)了工程應(yīng)用。以“掘錨一體機+錨運破+大跨距轉(zhuǎn)載”成套裝備為基礎(chǔ)，精準導(dǎo)航為引導(dǎo)，多機協(xié)同控制為核心，建成了基于“地理信息系統(tǒng)（GIS）+三維可視化”掘進遠程集控系統(tǒng)。長距離、大坡度斜井專用掘進機實現(xiàn)巷道開挖、砌襯、出渣、運輸、排水與通風(fēng)等功能的系統(tǒng)集成，成功應(yīng)用于補連塔煤礦，創(chuàng)造了單日進尺42 m，單月進尺639 m 的記錄[26]。中國鐵建重工集團股份有限公司研制的由掘錨一體機、錨桿鉆車、自移式皮帶機組成的智能型大斷面快速掘錨成套裝備[38]在國家能源集團、陜西煤業(yè)化工集團有限責(zé)任公司、中國中煤能源集團有限公司等大型煤炭集團進行了應(yīng)用，提高了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦巷道的智能化快速掘進水平。薄煤層掘進機國產(chǎn)化機型有20 多種，主要有EBZ-132、135、150A和160等。

4. 主 / 輔助運輸系統(tǒng)智能裝備

圍繞長距離、大運量和高速度帶式輸送機在設(shè)計制造、安全運行等方面的突出問題，科研院所和企業(yè)合作研制出了具有國際先進水平的超大型帶式輸送機。煤炭科技工作者基于智能化煤礦對煤流系統(tǒng)提出的智能調(diào)控及無人值守的新要求，圍繞高效、節(jié)能、可靠、無人的目標，取得了高性能輸送帶、驅(qū)動技術(shù)、煤流檢測等技術(shù)新突破。近年來，國產(chǎn)化變頻一體機完成了進口產(chǎn)品的替代，形成了功率為315～2000 kW、電壓為660～3300 V的全系列礦用產(chǎn)品。無人駕駛技術(shù)也已經(jīng)在井工礦的無軌膠輪車、單軌吊、有軌電機車等輔助運輸系統(tǒng)中開展了試驗研究。科研人員研制出了遠距離大運量帶式輸送機及其系統(tǒng)，實現(xiàn)了永磁電機直接驅(qū)動、張力分布式調(diào)節(jié)、大跨度空間轉(zhuǎn)彎等關(guān)鍵技術(shù)[39]。

5. 煤礦機器人

據(jù)統(tǒng)計，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局規(guī)劃的38種機器人中已有31種在煤礦現(xiàn)場進行了應(yīng)用[1]，臨時支護、露天礦穿孔爆破、巷道沖塵、巷道清理和密閉砌筑等5種機器人已立項研發(fā)，僅有充填支護機器人和井下?lián)岆U作業(yè)機器人尚屬空白。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目資助下研制的機器人化掘進機群，由掘進機器人、支護機器人、鉆錨機器人、支架搬運機器人、轉(zhuǎn)載機器人和帶式輸送機機器人等組成，具有多機協(xié)同、平行作業(yè)、自主定位與導(dǎo)航、自適應(yīng)智能截割等功能。巡檢類機器人現(xiàn)已廣泛替代人工進行工作面、帶式輸送機、巷道、變電所和水泵房等場所的巡檢作業(yè)，實現(xiàn)了多崗位的無人值守。智能噴漿機器人投入使用后，作業(yè)人數(shù)減少至2人，日噴漿進度提升至30 m 左右，混凝土回彈率降至20%以內(nèi)，年節(jié)約成本120萬元。搬運機器人可實現(xiàn)1 t重載搬運作業(yè)，可節(jié)約作業(yè)人數(shù)2～3 人，工作效率可提高35%左右。

（二）煤機智能技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢

我國煤炭開采經(jīng)歷了人工、炮采、普采、綜采、智能開采等技術(shù)發(fā)展階段[30,40]，目前處于智能化開采的初級階段。煤機裝備相應(yīng)經(jīng)歷了動力化助人、機械化替人、自動化減人和智能化無人等不同階段。目前，我國煤機裝備正在朝著智能化、高端化、成套化方向發(fā)展[41]。

1. 向高端智能裝備方向發(fā)展，構(gòu)建綠色、低碳、安全高效的煤機裝備產(chǎn)業(yè)鏈

綠色、低碳、安全高效的煤炭智能開采需要煤機智能技術(shù)與裝備的支撐，要求煤機裝備向綠色、低碳、安全、高效方向發(fā)展。高端智能煤機裝備的發(fā)展要求加強煤礦智能化裝備基礎(chǔ)理論研究和核心基礎(chǔ)零部件、先進基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料等共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，重點突破精準地質(zhì)探測、精確定位與數(shù)據(jù)高效連續(xù)傳輸、智能快速掘進、復(fù)雜地質(zhì)條件智能綜采、永磁直驅(qū)連續(xù)化輔助運輸、露天無人開采作業(yè)、重大危險源智能感知與預(yù)警、煤礦機器人等技術(shù)與裝備，提高國產(chǎn)化水平，構(gòu)造綠色、低碳、安全、高效的煤機裝備產(chǎn)業(yè)鏈。重點打造10 m超大采高綜采等一批標桿性示范項目，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展。

2. 向成套智能裝備方向發(fā)展，構(gòu)建不同復(fù)雜地質(zhì)條件下智能化采煤技術(shù)與裝備

科研院所和煤機制造企業(yè)經(jīng)過多年對復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層、中厚煤層和厚煤層智能化開采技術(shù)與裝備的理論研究與實踐探索，研發(fā)了以采煤機、液壓支架、刮板輸送機、以巷道集中監(jiān)控為基本框架的智能采煤成套技術(shù)與裝備，初步形成了薄煤層、中厚煤層、大采高與超大采高和特厚煤層等智能化采煤模式。薄煤層和中厚煤層智能化綜采還涉及工作面自動找直、液壓支架自動跟機與遠程干預(yù)、采煤機記憶截割與遠程干預(yù)、刮板輸送機煤流負荷平衡控制、綜采智能集中控制、工作面視頻監(jiān)控、安全監(jiān)測聯(lián)動聯(lián)制和超前支護智能控制等關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備。厚煤層智能綜采關(guān)鍵技術(shù)與裝備還包括大采高工作面防片幫智能控制、大采高底軟智能控制、大采高視頻智能監(jiān)控和大采高安全保障等。智能掘進裝備已形成適應(yīng)不同地質(zhì)條件的快速掘進工藝和成套裝備。此外，采煤裝備精準定位、煤巖界面智能識別、圍巖自適應(yīng)支護、智能糾偏、智能煤流運輸系統(tǒng)等核心關(guān)鍵技術(shù)還需深入研究，以提高智采工作面的自主能力和對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。

3. 向“新基建”方向發(fā)展，構(gòu)建煤礦新型基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)煤礦智能化的“地基”

新型基礎(chǔ)設(shè)施包括5G 基站、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)七大領(lǐng)域。煤礦基礎(chǔ)設(shè)施體系需依托5G、大數(shù)據(jù)、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，以新發(fā)展為理念，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧煤礦綜合信息一體化管控平臺，為煤礦提供數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級以及融合創(chuàng)新等服務(wù)，以提高煤礦的自動化、信息化和智能化水平。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為煤礦裝備海量數(shù)據(jù)傳輸和泛在連接提供了無限可能，大數(shù)據(jù)、人工智能為煤礦裝備的智能計算和智能決策提供了強大理論與技術(shù)支撐，為煤礦智能裝備的應(yīng)用提供了平臺基礎(chǔ)。煤礦智能化的投入比煤礦綜合機械化投入增加約30%，將開辟煤炭行業(yè)新一輪“新基建”空間，尤其在5G 通信、大數(shù)據(jù)中心建設(shè)等方面將加速發(fā)展，“新基建”賦能的煤礦智能裝備在構(gòu)建煤礦新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)煤礦智能化的“地基”中扮演著重要角色。

三、煤機智能裝備關(guān)鍵技術(shù)體系

近年來，在國家科技研發(fā)項目的資助下，煤炭科技工作者開展了大量科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，在煤炭智能化開采基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、重大智能裝備和工程示范應(yīng)用等領(lǐng)域取得了許多重大突破，為我國煤炭智能化開采提供了重要的技術(shù)和裝備支撐，也為國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

（一）煤礦智能裝備支撐技術(shù)

煤礦裝備智能化主要包括環(huán)境智能感知、行為決策與智能控制、狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷，需要大量的技術(shù)支撐，主攻方向包括礦井透明地質(zhì)精細化模型構(gòu)建、煤礦災(zāi)害預(yù)測與防治、煤礦環(huán)境的智能感知與實時重構(gòu)、煤礦裝備狀態(tài)感知與智能決策控制等。將5G 通信、人工智能和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)與煤礦智能化“地基”深度融合，形成環(huán)境感知 - 分析決策 - 智能控制 - 閉環(huán)反饋的運行模式，研制礦井智能閉環(huán)管控平臺系統(tǒng)，形成集監(jiān)測、預(yù)警、防控、應(yīng)急于一體的閉環(huán)管控體系，實現(xiàn)煤礦地質(zhì)模型的實時精細化構(gòu)建、煤礦災(zāi)害智能感知與預(yù)防和煤礦裝備分析決策與智能控制。由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、工作面智能開采決策系統(tǒng)、液壓動力執(zhí)行系統(tǒng)、煤礦地面井下一體化控制中心、高效通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成的新一代無人化智能開采控制系統(tǒng)與裝置為煤礦無人化智能開采提供系統(tǒng)和環(huán)境支撐。未來，還要加強基礎(chǔ)材料、制造加工工藝、設(shè)備可靠性等基礎(chǔ)理論研究，增強煤機裝備的可靠性。

（二）智能綜采綜放技術(shù)

智能綜采綜放技術(shù)主要是指采煤機、液壓支架、刮板輸送機、帶式輸送機和巷道集中控制等智能化技術(shù)[42,43]。采煤機的智能化技術(shù)主要包括基于角度傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的姿態(tài)感知技術(shù)，基于機載超低照度高清晰攝像儀視頻監(jiān)控技術(shù)，基于高速率、大帶寬、低延時的交互通信技術(shù)，基于傳感檢測與控制的記憶截割技術(shù)，基于慣性導(dǎo)航的自主定位技術(shù)和基于多參數(shù)辨識的煤巖識別技術(shù)。液壓支架智能控制技術(shù)包括自動移架、跟機、調(diào)斜與調(diào)直，自適應(yīng)護幫，智能供液、放頂煤智能控制、超前支護智能控制、端頭支護的智能控制和巷道集中控制等。刮板輸送機智能控制技術(shù)包括智能自啟動、智能調(diào)速、多功率協(xié)調(diào)控制、智能緊鏈與斷鏈監(jiān)控、自動調(diào)直、采運協(xié)同和智能控制系統(tǒng)等。此外，大采高防片幫冒頂智能控制技術(shù)，高精度地質(zhì)探測及精準地質(zhì)建模技術(shù)，基于數(shù)字孿生的單機控制、順槽集中控制和地面遠程控制等都是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。薄及極薄煤層開采智能技術(shù)與裝備的主攻方向主要有薄煤層智能化開采、高效卸壓開采和稀缺煤種高采出率開采技術(shù)，以及開發(fā)大功率矮機身滾筒采煤機、無人化自動化刨煤機、無人化螺旋鉆采煤機和連續(xù)采煤機成套裝備等。

（三）智能快速掘進技術(shù)

煤礦掘進工作面空間狹長、環(huán)境惡劣、工序復(fù)雜，存在成套掘進裝備系統(tǒng)地質(zhì)適應(yīng)性差、自動化和智能化程度低、單機可靠性低等問題，難以滿足掘進工作面平行作業(yè)等快速掘進的需要[44～46]，采掘接續(xù)失調(diào)，掘支矛盾突出。為實現(xiàn)巷道快速掘進，需解決智能快速掘進成套技術(shù)與裝備在掘支錨護等工藝裝備的自動化、智能化乃至機器人化，研制智能快速掘進成套技術(shù)與裝備，以實現(xiàn)適應(yīng)不同地質(zhì)條件的煤礦巷道的快速掘進。其主攻方向涉及到的主要技術(shù)包括智能超前探測技術(shù)、掘進裝備的位姿精準檢測與導(dǎo)向技術(shù)、煤巖特性智能識別技術(shù)、自適應(yīng)截割技術(shù)、智能支護技術(shù)和智能除塵技術(shù)、智能快速掘進工藝與協(xié)同控制技術(shù)等。此外，支護工藝、支護材料、噴涂材料等的研究也需加強，以使支護工藝簡單化、支護材料輕型化，為智能快速掘進提供支撐。薄及極薄煤層的快速掘進技術(shù)主要是在降低掘進機高度的同時，研制低矮型的掘進與支護裝備，實現(xiàn)少巖化快速掘進。

（四）主 / 輔助運輸系統(tǒng)智能感知與控制技術(shù)

煤礦主運輸系統(tǒng)有礦用提升機、帶式輸送機等關(guān)鍵裝備；輔助運輸系統(tǒng)有單軌吊、有軌機車和無軌膠輪車等關(guān)鍵裝備。礦用提升機已實現(xiàn)智能化無人值守運行，其智能感知與控制技術(shù)主要是運行決策與健康維護，主要包括其運行分析決策與智能控制、狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷。帶式輸送機智能感知與控制技術(shù)包括智能驅(qū)動、自動張緊、自移機尾、智能保護和煤流智能管控等。此外，采用圖像識別、伽馬射線檢測、變頻控制以及機器人巡檢等技術(shù)實現(xiàn)煤流量智能檢測與控制、膠帶撕裂與斷帶保護和鐵絲、鋼扦等異物智能識別與分揀是帶式輸送機主煤流運輸系統(tǒng)全方位感知與常態(tài)化智能運行的關(guān)鍵保障。精細化閉環(huán)管控和高級輔助駕駛技術(shù)是連續(xù)化輔助運輸系統(tǒng)智能化的主攻方向，包括基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下輔助運輸管控技術(shù)、煤礦井下車聯(lián)網(wǎng)與無人駕駛技術(shù)。

（五）煤礦機器人技術(shù)

煤礦機器人是面向煤炭行業(yè)的特種機器人，是煤礦智能化技術(shù)與裝備發(fā)展的新方向，是傳統(tǒng)煤機裝備和現(xiàn)代機器人技術(shù)交叉融合的創(chuàng)新成果。其發(fā)展面臨著許多關(guān)鍵的共性技術(shù)[47～49]，主要有本體防爆安全設(shè)計理論與方法、行走與作業(yè)機構(gòu)設(shè)計、長續(xù)航高效動力及其驅(qū)動設(shè)計、多傳感器融合環(huán)境智能感知與障礙識別技術(shù)、受限封閉空間自主定位與導(dǎo)航技術(shù)、狹長空間高可靠抗干擾通信技術(shù)、可靠性測試與評估方法和多機器人群協(xié)同控制技術(shù)等。將煤礦機器人與5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和數(shù)字孿生等新技術(shù)融合以提升其智能化水平是當前的研究熱點。

四、煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

隨著智能煤礦建設(shè)的深入，支撐智慧煤礦建設(shè)的裝備研制也不斷與新一代信息技術(shù)深度融合，呈現(xiàn)出眾多的發(fā)展方向，初步構(gòu)建出了面向未來的煤機裝備綠色、低碳、智能產(chǎn)業(yè)體系。

（一）煤機裝備關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和先進加工工藝

智能煤機裝備的應(yīng)用提升了煤炭智能開采的水平，同時煤炭智能開采也要求智能煤機裝備具備高可靠性，以保障煤炭智能開采作業(yè)的安全高效。關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和先進加工工藝的應(yīng)用是提高煤機裝備可靠性的根本途徑。目前，我國大型煤機裝備的設(shè)計加工工藝、高強度基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵核心零部件等與國際先進水平相比還存在一定差距，也滯后于我國煤炭工業(yè)的整體發(fā)展水平。因此，煤機裝備基礎(chǔ)核心零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和先進加工制造工藝等瓶頸技術(shù)的研究和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料及先進加工工藝的突破可為我國煤機智能裝備的高可靠性提供保障。

（二）煤機裝備柔性制造和虛擬仿真

由于煤炭賦存條件的復(fù)雜性，其生產(chǎn)裝備具有一定的個性化和特殊性，煤機裝備生產(chǎn)模式多為小批量訂單式為主，再加上煤機裝備結(jié)構(gòu)件多、類型和材料不同，從而要求煤機裝備生產(chǎn)制造工藝離散化和柔性化。柔性制造技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)在智能制造的實現(xiàn)中扮演著重要的角色，可為智能煤機裝備的離散與柔性制造提供高效率、低成本的有效支撐。柔性制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興制造技術(shù)，數(shù)控智能設(shè)備的應(yīng)用是柔性制造的基礎(chǔ)。虛擬仿真技術(shù)有面向產(chǎn)品制造工藝和裝備、面向產(chǎn)品和面向生產(chǎn)管理三個層面的仿真技術(shù)。針對煤機裝備生產(chǎn)制造工藝的離散化和柔性化，煤機裝備制造業(yè)充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點，建立相應(yīng)的虛擬裝配、性能驗證和柔性制造執(zhí)行系統(tǒng)，應(yīng)用柔性生產(chǎn)線、自動化立體庫、自動導(dǎo)引車（AGV）、工業(yè)機器人和自動上下料系統(tǒng)建立數(shù)字化柔性制造產(chǎn)線，實現(xiàn)煤機裝備生產(chǎn)計劃的訂單式、數(shù)字化和自適應(yīng)管理，為煤機裝備個性化定制和小批量生產(chǎn)提供條件。

（三）煤機裝備再制造

從煤機裝備價值來看，綜采設(shè)備占比約為60%～75%，占據(jù)煤機市場的主要份額。其中，采煤機、液壓支架和刮板輸送機等煤機核心設(shè)備的服務(wù)壽命一般為5～8年，煤炭生產(chǎn)存在巨大的設(shè)備更新需求。在智能煤礦建設(shè)和設(shè)備更新驅(qū)動下，現(xiàn)有煤機裝備面臨著技術(shù)改造升級、修復(fù)和再制造的巨大市場和發(fā)展機遇。煤機裝備再制造是循環(huán)經(jīng)濟“再利用”的高級形式，是促進國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容。煤機裝備再制造是煤機裝備全生命周期管理的延伸和提升，是實現(xiàn)煤機裝備制造綠色化、低碳化發(fā)展理念的有效途徑，是實現(xiàn)既有煤機裝備技術(shù)、性能和價值升級的有效手段。煤機裝備再制造技術(shù)包括再制造先進設(shè)計技術(shù)、毛坯壽命評估技術(shù)、復(fù)合表面工程技術(shù)和智能化再制造技術(shù)等。

（四）基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合

煤機裝備的個性化定制和訂單式生產(chǎn)模式要求煤機裝備的制造高度協(xié)同。基于時間的分工協(xié)同和基于空間的個性化定制服務(wù)均需要強大的數(shù)據(jù)獲取能力與實時的智能服務(wù)能力來支撐。5G 技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能煤礦建設(shè)中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。5G 技術(shù)的高速率、大帶寬、廣連接和低時延特性及其數(shù)字化生態(tài)重塑了煤機智能裝備生產(chǎn)和服役過程中人、機器與數(shù)據(jù)三者的實時連接、協(xié)作互動關(guān)系。煤機裝備自身及其生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高效可靠穩(wěn)定傳輸與交換是其智能化的關(guān)鍵，深度融合5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可為煤機智能裝備提供必要的數(shù)據(jù)鏈路和平臺支持，可極大提升我國煤機裝備產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)鏈和價值鏈內(nèi)涵，推動我國煤機制造業(yè)實現(xiàn)向智能化、高端化和服務(wù)化升級轉(zhuǎn)型。

（五）工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能

煤機裝備從制造到服役的整個過程均伴隨著海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。工業(yè)大數(shù)據(jù)是煤機裝備制造和生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，貫穿于煤機裝備的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造和應(yīng)用的整個生命周期，是推動煤機裝備智能創(chuàng)新的核心技術(shù)力量，尤其是以數(shù)據(jù)挖掘和分析為核心的應(yīng)用和服務(wù)。人工智能（AI）主要研究知識表示、認知建模、推理應(yīng)用、機器感知、機器思維、機器學(xué)習(xí)和智能系統(tǒng)等。傳統(tǒng)技術(shù)與AI技術(shù)深度融合后，運用AI 技術(shù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘分析可有效解決煤機裝備產(chǎn)業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、制造裝配到管理服務(wù)等全生命周期的管理問題。大數(shù)據(jù)和AI 技術(shù)已成為煤機裝備產(chǎn)業(yè)不斷提升創(chuàng)新能力與可持續(xù)競爭優(yōu)勢的新引擎，不斷推動其邁向更高的智能化階段。

（六）物聯(lián)網(wǎng)智能感知與互聯(lián)

煤機裝備的智能化有賴于對環(huán)境的智能感知和數(shù)據(jù)的高速互聯(lián)，因此智能感知與互聯(lián)技術(shù)是煤機智能裝備的關(guān)鍵技術(shù)。煤機智能裝備從制造到生產(chǎn)全過程，均需要通過有線或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控，與制造和生產(chǎn)有關(guān)的各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)需實時傳輸給控制中心，甚至上傳到大數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)分析。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備監(jiān)控管理、環(huán)境監(jiān)測、能源管理與安全生產(chǎn)管理等方面。物聯(lián)網(wǎng)智能感知與互聯(lián)技術(shù)融入到煤機智能裝備的各制造和應(yīng)用環(huán)節(jié)，可改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和資源消耗，是我國煤機裝備制造業(yè)由傳統(tǒng)制造提升到智能制造的必由之路，也是實現(xiàn)煤機智能裝備可靠運行的有效保障。

（七）信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)是通過計算資源與物理資源的緊密協(xié)調(diào)與配合來進行系統(tǒng)建模的，提供制造、生產(chǎn)相關(guān)事物與計算空間的映射理論框架，具有適應(yīng)性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性和可用性等特點。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體提供更加實時、高效、智能的運行或操作服務(wù)，是集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。數(shù)字孿生智采工作面[50]是數(shù)據(jù)可視化、人機強交互和工藝自優(yōu)化的高逼真采煤工作面三維鏡像場景，高度依賴煤機裝備的單機智能化、集群自主化和遠程智能管控技術(shù)，涉及物理工作面、虛擬工作面、孿生數(shù)據(jù)、信息交互、模型驅(qū)動、邊緣計算、沉浸式體驗、云端服務(wù)、信息物理系統(tǒng)和智能終端等關(guān)鍵技術(shù)?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)，煤機裝備可利用其物理模型、歷史運行和傳感器更新數(shù)據(jù)，在虛擬空間中反映其全生命周期過程，為我國煤機裝備產(chǎn)業(yè)提供研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)過程的狀態(tài)智能感知、實時精確分析、科學(xué)決策和精準執(zhí)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)，也為煤機智能裝備更加精細、安全、穩(wěn)定的運行決策與安全管控提供理論與技術(shù)支撐。

五、發(fā)展建議

基于我國煤機智能技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀，面向煤炭工業(yè)“十四五”規(guī)劃建設(shè)綠色、高效、安全的智能煤礦總體戰(zhàn)略[51]，我國煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)瞄準煤礦高端智能裝備，加強技術(shù)攻關(guān)，培育創(chuàng)新人才、完善產(chǎn)業(yè)布局，增強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和繼承創(chuàng)新能力，推動產(chǎn)業(yè)升級。

（一）加強煤機智能技術(shù)與裝備攻關(guān)，形成煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)

加強煤礦智能裝備的基礎(chǔ)理論研究和基礎(chǔ)材料、先進制造工藝等共性核心技術(shù)研發(fā)，重點突破精準地質(zhì)探測、精確定位與高效數(shù)據(jù)傳輸、“掘 -支 - 錨”一體化智能快掘、智能綜采綜放、連續(xù)高效主煤流 / 無人駕駛輔助運輸、危險源智能感知與預(yù)警、煤礦機器人等技術(shù)與裝備，打造10 m超大采高綜采等標桿性示范項目，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展，提升煤機智能裝備研制水平。應(yīng)堅持示范成功后再進行成套推廣的研發(fā)策略；堅持綠色和服務(wù)型煤炭裝備制造，積極探索煤機裝備虛擬仿真、柔性制造與再制造技術(shù)，利用5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，發(fā)展先進制造和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合的新模式新業(yè)態(tài)，推動煤機裝備制造與服務(wù)協(xié)同發(fā)展，打造煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)。

（二）完善煤機研制人才支撐體系，建立示范引領(lǐng)機制

加強創(chuàng)新驅(qū)動，積極開展國際交流合作，引進國外先進管理與技術(shù)裝備，內(nèi)外聯(lián)動銜接國內(nèi)與國際標準，強化標準化基礎(chǔ)，構(gòu)建知識、信息、技術(shù)與人才等要素支撐的優(yōu)勢體系，打造“政產(chǎn)學(xué)研資”緊密合作的創(chuàng)新生態(tài)。推進煤機智能裝備研發(fā)試驗中心建設(shè)、工業(yè)強基、智能制造、綠色制造和高端裝備創(chuàng)新等工程建設(shè)，推動煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。完善人才支撐體系，鼓勵高校、科研院所與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新與應(yīng)用高水平人才，支持建立行業(yè)協(xié)會高級人才儲備庫和企業(yè)人才庫，大力發(fā)展職業(yè)教育和專業(yè)培訓(xùn)，健全完善職業(yè)資格和人才評價制度。建立示范引領(lǐng)機制，研究發(fā)布煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展指數(shù)和報告，總結(jié)典型經(jīng)驗，為煤機智能裝備制造企業(yè)提供示范引領(lǐng)。

（三）規(guī)劃引導(dǎo)與產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化并舉，推進產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化

加強規(guī)劃引導(dǎo)，發(fā)揮協(xié)會和行業(yè)聯(lián)盟的作用，綜合考慮我國煤炭資源分布、環(huán)境容量和市場空間等因素，統(tǒng)籌分析我國煤炭裝備的市場需求，引導(dǎo)煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)勢區(qū)域、向集群化轉(zhuǎn)型升級，重點發(fā)展“2 高5 重”（北京、上海2 市高端制造企業(yè)集群；山東、河南、河北、山西、陜西5省重點制造企業(yè)集群）煤炭產(chǎn)業(yè)裝備集群，推進創(chuàng)新工程建設(shè)，打造具有戰(zhàn)略性和全局性的高效協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈，精準合理布局，補短鏈、延中鏈、強長鏈，增強產(chǎn)業(yè)鏈韌性。鼓勵煤機裝備制造企業(yè)深度融入全球產(chǎn)業(yè)鏈體系，向集群化轉(zhuǎn)型升級，創(chuàng)建煤機智能裝備產(chǎn)業(yè)集群，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模和效益。智能技術(shù)與裝備宜采取先研發(fā)、試驗再推廣的模式，優(yōu)先在地質(zhì)條件較好的礦井開展工業(yè)性試驗，成熟后再推廣。

（四）建立煤機研制創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，保障煤機智能技術(shù)與裝備持續(xù)升級

加快相關(guān)法律法規(guī)、產(chǎn)業(yè)政策的制定 / 修訂，為煤機裝備制造業(yè)發(fā)展提供制度保障和營商環(huán)境；加快培育建設(shè)企業(yè)技術(shù)中心、重點實驗室等科技創(chuàng)新平臺，吸引國內(nèi)外一流科研院所、知名院校合作建設(shè)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化中心，積極完善標準體系，夯實標準化基礎(chǔ)，支持建設(shè)智能化采掘裝備、主輔運輸裝備等數(shù)字孿生、可靠性模擬試驗臺和智能控制、智能檢測試驗臺等高水平研發(fā)平臺，提高產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)能力和可靠性保障能力；重點支持采掘裝備、主輔運輸設(shè)備關(guān)鍵元部件、耐腐蝕耐磨高強度新材料制造及熱處理、變頻與永磁電機、高可靠性圓環(huán)鏈、無托輥及空氣懸浮帶式輸送機等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，支持新型大功率智能運輸設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)與升級換代。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務(wù)沖突。

Received date:July 21, 2023;Revised date:September 28, 2023

Corresponding author:Xue Guanghui is an associate professor from School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing. His major research fields include coal mine robot, coal mine equipment automation and intelligence, and wireless sensor network. E-mail: xgh@cumtb.edu.cn.

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “High Quality Development Strategy of Coal Machinery Equipment Manufacturing in Shanxi” (2022-XY-42)