礦井安全巡檢機(jī)器人核心功能探究

［摘 要］近年來，我國(guó)煤礦安全事故頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。尤其是井下特殊的工作環(huán)境和工作條件，極大地影響了煤礦安全生產(chǎn)。雖然國(guó)家近年來加大了對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的投入，但仍有許多問題有待解決。傳統(tǒng)的煤礦安全巡檢工作大多采用人工巡視方式，存在著任務(wù)繁重、勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢人員多、效率低下、安全性差等問題，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患。因此，為了提高煤礦安全生產(chǎn)水平，保障礦工生命安全，建設(shè)智能化礦井勢(shì)在必行。文章探討了傳統(tǒng)煤礦安全巡檢工作存在的問題，針對(duì)上海煤科所研發(fā)的隔爆兼本安型礦用煤倉(cāng)巡檢機(jī)器人進(jìn)行了分析，對(duì)其功能及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了探討。

［關(guān)鍵詞］礦井；安全巡檢機(jī)器人；核心功能；技術(shù)應(yīng)用

［中圖分類號(hào)］TP242 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0058–03

1 傳統(tǒng)煤礦安全巡檢工作存在的問題

1.1 無法實(shí)現(xiàn)巡檢質(zhì)量的全程追溯

傳統(tǒng)的煤礦安全巡檢工作是由人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢，即人工在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到規(guī)定地點(diǎn)，使用檢查工具對(duì)規(guī)定的設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果由巡檢員簽字確認(rèn)。這種工作方式不僅效率低、易出錯(cuò)，且當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由于巡檢人員無法及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，只能將設(shè)備停產(chǎn)或?qū)收显O(shè)備進(jìn)行拆卸維修后再恢復(fù)生產(chǎn)，對(duì)煤礦生產(chǎn)造成極大影響。

1.2 人員巡檢效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)大

煤礦安全巡檢工作重復(fù)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，煤礦企業(yè)為了提高井下人員作業(yè)安全會(huì)安排一定數(shù)量的人員對(duì)礦井進(jìn)行日常安全巡檢。許多煤礦企業(yè)對(duì)煤礦安全巡檢工作的重要性認(rèn)識(shí)不足，將其作為一項(xiàng)“例行性”工作對(duì)待，缺乏必要的管理制度和技術(shù)手段。隨著礦井開采深度不斷增加，礦井作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，井下工作人員數(shù)量逐漸增多，對(duì)煤礦企業(yè)進(jìn)行日常巡檢和隱患排查工作的難度也越來越大。這不僅降低了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，也增大了煤礦生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 無法實(shí)現(xiàn)安全隱患的及時(shí)整改

在煤礦生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)安全隱患，卻不能及時(shí)整改。例如，在瓦斯檢查中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，但因?yàn)闊o法確定瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的原因，無法及時(shí)采取有效措施?；蛟诿旱V井下進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)時(shí)會(huì)遇到斷層或陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的巷道，當(dāng)巷道內(nèi)出現(xiàn)煤塵時(shí)可能會(huì)因?yàn)榉蹓m濃度過高而導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。煤礦企業(yè)需要及時(shí)排除這些安全隱患，并根據(jù)安全隱患的情況及時(shí)進(jìn)行整改。然而傳統(tǒng)煤礦巡檢方式不能滿足安全生產(chǎn)管理的需要，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦事故隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和整改。

2 煤礦礦井安全巡檢機(jī)器人核心功能

煤礦井下機(jī)器人的出現(xiàn)給礦井安全巡檢帶來了新的方式和手段。傳統(tǒng)的煤礦巡檢方式主要是人工巡檢，隨著礦井生產(chǎn)的機(jī)械化、智能化程度越來越高，傳統(tǒng)的巡檢方式已經(jīng)很難滿足當(dāng)前煤礦井下安全生產(chǎn)的需要，需要進(jìn)行升級(jí)。煤礦機(jī)器人是在井下環(huán)境下代替人工對(duì)井下工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、管理及安全防護(hù)的一種智能機(jī)器人系統(tǒng)。目前，煤礦機(jī)器人行業(yè)正處于發(fā)展上升時(shí)期，應(yīng)用市場(chǎng)廣闊。

2.1 自動(dòng)巡檢

煤礦井下應(yīng)用的巡檢機(jī)器人在一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤倉(cāng)內(nèi)煤的種類、數(shù)量、質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)通過對(duì)煤中水分、含矸率、煤塵含量的檢測(cè)，并在檢測(cè)到異常情況時(shí)及時(shí)報(bào)警。煤炭的主要成分是煤和矸石，通常含有碳和各種雜質(zhì)。煤倉(cāng)內(nèi)煤炭質(zhì)量好壞直接影響礦井安全生產(chǎn)，故須對(duì)煤倉(cāng)內(nèi)煤炭進(jìn)行定期巡檢。采用煤礦礦井安全巡檢機(jī)器人可減少人工煤倉(cāng)巡檢的人力限制，降低大量時(shí)間和人力。

2.2 自動(dòng)報(bào)警

礦井安全巡檢機(jī)器人運(yùn)行過程中遇到異常情況時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。巡檢機(jī)器人具有斷電保護(hù)功能，當(dāng)供電不及時(shí)時(shí)可自動(dòng)切斷電源，以避免出現(xiàn)意外情況。機(jī)器人自身定位精度高，且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，在運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)自主避障、自主充電、自主休眠等功能。另外，巡檢機(jī)器人可通過自定義的方式配置相關(guān)告警參數(shù)和設(shè)置觸發(fā)條件。

2.3 自動(dòng)識(shí)別

在對(duì)礦井筒倉(cāng)裂縫磨損、掛煤掛壁進(jìn)行巡檢的過程中可以通過激光傳感器檢測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)部的裂縫磨損情況，確定是否需要進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)。同時(shí)，可以通過紅外傳感器檢測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)部是否有掛煤掛壁的現(xiàn)象，判斷是否需要進(jìn)行清理和維護(hù)。此外，通過激光傳感器檢測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)部是否有掛煤掛壁現(xiàn)象的同時(shí)，可以利用紅外傳感器檢測(cè)筒倉(cāng)內(nèi)部是否有溫度異常升高的現(xiàn)象，判斷是否需要進(jìn)行處理。

2.4 自動(dòng)計(jì)量

通過設(shè)置計(jì)量管理模塊，煤礦礦井安全巡檢機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)計(jì)量及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)過程是：對(duì)巡檢機(jī)器人的傳感器進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心。當(dāng)巡檢機(jī)器人的傳感器檢測(cè)到煤倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)煤量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制中心會(huì)自動(dòng)發(fā)送指令，啟動(dòng)相關(guān)程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)計(jì)量及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)時(shí)顯示巡檢機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，便于管理人員及時(shí)掌握巡檢機(jī)器人的工作情況。

3 礦井安全巡檢機(jī)器人核心技術(shù)的應(yīng)用

3.1 煤倉(cāng)煤位監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的煤倉(cāng)煤位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用紅外傳感器探測(cè)，由于傳感器存在老化、磨損、腐蝕等原因，造成煤礦井下煤倉(cāng)內(nèi)煤位監(jiān)測(cè)的精度和可靠性下降。紅外傳感器受煤質(zhì)的影響比較大，當(dāng)煤質(zhì)較差時(shí)，紅外傳感器存在信號(hào)弱的問題，且無法對(duì)煤位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。激光雷達(dá)是一種非接觸式的測(cè)量方法，可主動(dòng)探測(cè)與被測(cè)物距離內(nèi)的物體。激光雷達(dá)可根據(jù)自身發(fā)射的激光脈沖來確定距離，進(jìn)而可確定物體在三維空間中的位置。采用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)煤倉(cāng)煤位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

激光雷達(dá)可實(shí)時(shí)獲取煤倉(cāng)內(nèi)煤位信息，并實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，通過分析顯示的數(shù)據(jù)可判斷煤倉(cāng)內(nèi)有無煤堆積現(xiàn)象、煤堆高度、煤堆內(nèi)有無煤粉等情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤位超出限定值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警提示音，并自動(dòng)降低運(yùn)行速度或停止運(yùn)行。與傳統(tǒng)的紅外傳感器相比，激光雷達(dá)具有響應(yīng)速度快、定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在煤炭行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 物料溫度監(jiān)測(cè)

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如原料車間、合成車間等，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料的溫度情況，如溫度過高可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備的損壞。紅外攝像裝置可在不影響生產(chǎn)的情況下對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)溫度異常情況。

通過紅外攝像裝置監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)溫度異常時(shí)，設(shè)備管理人員可第一時(shí)間通知操作人員進(jìn)行處理。對(duì)于操作人員來說，可提前預(yù)防設(shè)備發(fā)生故障，減少停機(jī)時(shí)間；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管理人員來說，可提前發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

紅外攝像裝置具有以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。紅外攝像裝置能夠持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)。②視頻數(shù)據(jù)采集。紅外攝像裝置能夠?qū)⒁曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。③智能?bào)警。紅外攝像裝置能夠自動(dòng)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行智能分析，并自動(dòng)觸發(fā)溫度異常報(bào)警。④遠(yuǎn)程控制。紅外攝像裝置能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

3.3 環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)字信號(hào)采集、傳輸、顯示、記錄即報(bào)警為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可用于煤礦井下各種環(huán)境溫度和濕度的測(cè)量，以及對(duì)煤礦井下設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。傳感器采用進(jìn)口超低功耗數(shù)字溫度傳感器，精度高、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果通過無線傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)。

當(dāng)溫濕度傳感器探測(cè)到環(huán)境溫度或濕度發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與溫度或濕度成比例的信號(hào)，經(jīng)處理后由上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示或報(bào)警。具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。同時(shí)具備與礦用智能機(jī)器人之間的無線通信功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制。

3.4 煙霧監(jiān)測(cè)

煙霧檢測(cè)單元采用獨(dú)立的監(jiān)測(cè)控制箱，可設(shè)置探測(cè)時(shí)間與報(bào)警時(shí)間，超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。煙霧檢測(cè)單元采用高性能的監(jiān)測(cè)傳感器，可以精確感知環(huán)境中的煙霧濃度，并且具有防干擾功能。本系統(tǒng)中，煙霧檢測(cè)單元采用了高性能的氣體傳感器，具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便地更換各種類型的傳感器或安裝不同類型的探測(cè)器。

本系統(tǒng)中采用的煙霧檢測(cè)單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以根據(jù)用戶需求靈活地進(jìn)行布置。運(yùn)用高性能的氣體傳感器和紅外發(fā)射電路等功能模塊，確保系統(tǒng)工作在可靠狀態(tài)下。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警及通話功能

（1）將煤礦井下人員、設(shè)備、環(huán)境等情況通過智能巡檢機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和事故隱患。工作人員通過巡檢機(jī)器人可以實(shí)時(shí)查看井下設(shè)備狀態(tài)，全面掌握井下情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員、設(shè)備、環(huán)境等的智能化管理。

（2）智能巡檢機(jī)器人能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像及視頻信息傳輸至監(jiān)控中心，可對(duì)礦井進(jìn)行全方位無死角的24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控。工作人員可以通過移動(dòng)客戶端或計(jì)算機(jī)終端查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像及視頻信息，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而提高礦井安全水平。

（3）智能巡檢機(jī)器人通過移動(dòng)終端或計(jì)算機(jī)終端實(shí)現(xiàn)了與煤礦井下人員和設(shè)備的實(shí)時(shí)信息交互，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，提高了工作效率。

（4）智能巡檢機(jī)器人能夠在井下各個(gè)區(qū)域行走，并根據(jù)設(shè)定的路線完成自主巡檢。工作人員可以通過移動(dòng)終端或計(jì)算機(jī)終端實(shí)時(shí)查看井下的情況。

3.6 氣體監(jiān)測(cè)

氣體檢測(cè)單元通過在機(jī)器人上安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)內(nèi)的CO、CH4、CO2 等氣體濃度，如果超出界限，便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)處理，并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。氣體檢測(cè)單元有以下特點(diǎn)。

（1）智能感知。具備氣體檢測(cè)傳感器及光電轉(zhuǎn)換部件，可感知?dú)怏w濃度的變化，并通過無線通信將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)接收到巡檢機(jī)器人的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)后，可在遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)分析及處理。

（3）視頻分析。具備圖像智能分析功能，可對(duì)巡檢機(jī)器人拍攝的圖像進(jìn)行自動(dòng)分析及處理，并可同時(shí)進(jìn)行抓拍、錄屏及存儲(chǔ)功能。

3.7 掛煤掛壁監(jiān)測(cè)

根據(jù)不同的礦洞結(jié)構(gòu)、巷道條件和通風(fēng)方式，通過在煤壁上設(shè)置的紅外傳感器，對(duì)煤壁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析煤壁上的溫度變化來判斷是否有煤泥脫落，同時(shí)可對(duì)掉落的煤泥進(jìn)行清理。

（1）根據(jù)巷道通風(fēng)和環(huán)境情況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)空氣質(zhì)量、溫度、濕度等指標(biāo)。

（2）通過傳感器判斷煤壁是否存在較大的落煤和懸泥情況，若煤壁有較大的落煤和懸泥，傳感器將實(shí)時(shí)傳送報(bào)警信息至地面監(jiān)控中心。

（3）對(duì)煤壁進(jìn)行分析，判斷是否存在局部塌冒，并將信息傳送至地面監(jiān)控中心。

（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過分析檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并結(jié)合人員現(xiàn)場(chǎng)操作情況，判定是否需要對(duì)巷道進(jìn)行清理；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)定相應(yīng)的報(bào)警級(jí)別。

（5）若發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出語音提示。如故障沒有解決或問題仍然存在，將會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。

3.8 墻壁磨損、裂縫監(jiān)測(cè)

利用高分辨率攝像頭捕捉礦井墻壁的圖像，通過圖像處理算法分析圖像中的磨損和裂縫情況，該技術(shù)具有較高的分辨率和準(zhǔn)確性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)墻壁狀況為礦井安全提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

紅外熱成像技術(shù)是通過檢測(cè)物體表面發(fā)出的紅外輻射照度，分析物體表面的溫度分布，從而識(shí)別出磨損和裂縫。在礦井環(huán)境中，紅外熱成像技術(shù)具有較好的穿透性和遙測(cè)性，能夠在黑暗環(huán)境下正常工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁的全面監(jiān)測(cè)。

激光雷達(dá)耦合技術(shù)通過激光雷達(dá)掃描礦井空間，獲取礦井墻壁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)精確計(jì)算出墻壁的磨損和裂縫位置。

在監(jiān)測(cè)到墻壁磨損和裂縫時(shí)，礦井安全巡檢機(jī)器人會(huì)將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)后立即進(jìn)行分析，判斷磨損和裂縫的嚴(yán)重程度，并根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施。同時(shí)，機(jī)器人會(huì)將報(bào)警信息同步至相關(guān)人員，確保礦井安全得到及時(shí)維護(hù)。

4 結(jié)束語

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的日益重視，煤礦安全技術(shù)人員對(duì)煤礦井下環(huán)境的認(rèn)知和監(jiān)控手段也在不斷提升，而我國(guó)目前井下環(huán)境復(fù)雜、地形起伏大、危險(xiǎn)因素多，人工巡檢在空間、時(shí)間、精力上都存在著較大的局限性，所以巡檢機(jī)器人以其強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)進(jìn)入煤礦領(lǐng)域。巡檢機(jī)器人可以代替人工對(duì)井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 張青宗，董麗梅，李秉超，等. 牽引式導(dǎo)盲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 甘肅高師學(xué)報(bào)，2019，24（2）：44-47.

[2] 李學(xué)民. 礦用巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 煤礦機(jī)械，2018，39（5）：71-73.