煤礦機器人檢測檢驗技術發展趨勢及存在的問題

郭長娜

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

目前煤礦井下安裝有視頻監視系統等，基本均能實現遠處監視功能，但由于視頻監視系統存在監視死角，主要依賴于調度人員的人工監看，且不具備智能識別、故障判斷、與安全監控系統聯動的智能功能，所以不能及時準確的對生產過程及設備運行狀態進行監控，因此提高礦井智能化程度，降低礦井工作人員的勞動強度，確保設備的連續運行，及時發現設備存在風險，引進煤礦用機器人非常必要。國家煤礦安監局局長黃玉冶在《2019 世界機器人大會煤礦機器人專題論壇》中指出“煤礦機器人研發應用是堅持以人民為中心發展思想的必然要求，是實現煤礦本質安全的有效舉措，是實現煤炭高質量發展的必由之路”[1]。然而，當前煤礦用機器人生產企業越來越多，質量良莠不齊，作為新興產業，安全標志礦用產品安全標志中心多次組織專家會議，討論煤礦用機器人的技術要求及檢測檢驗等，這將意味煤礦用機器人的檢測檢驗工作的全面開展將提上日程。

目前，國內外針對于不同用途機器人的實驗室檢測檢驗技術處于推進的過程中，尤其煤礦領域機器人的檢測檢驗基本處于起步階段，各國家煤礦質量監督檢測檢驗中心均未建立完整、專業的檢測檢驗體系，為此分析煤礦機器人在井下高低溫、高濕、劇烈振動、環境照度低、電磁干擾及爆炸性氣體濃度高等應急救援環境下的爬坡性能、越障性能、防爆安全及充電安全性等主要性能的檢測檢驗技術的發展趨勢及存在的問題。

1 國內外現狀及發展趨勢

國外在20 世紀80 年代末90 年代初就已經開始研究煤礦用機器人，澳大利亞、美國等相繼研制了多種煤礦救援機器人，并已用于煤礦救援工作[2]。2006 年初，美國西弗吉尼亞Sago 煤礦發生礦難，造成12 名礦工死亡，事故發生后，美國勞工部礦業安全與衛生局通過深孔向井下派出了1 個救援機器人，這是搜救機器人被第1 次用于礦難的救援，但最終因機器人中途行進過程中陷入泥潭而受阻[3]。2010 年，位于新西蘭南島西部阿塔勞的派克河煤礦發生瓦斯爆炸事故，29 名礦工被困井下，新西蘭國防部提供1 臺改裝后的機器人進行搜救，而很不幸的是，這臺搜救機器人在水中行走了550 m 就發生了短路，不到它的設計行程的1/4[4]。通過上述例子來看，應用機器人進行井下工作面臨諸多難題，惡劣的井下環境很容易造成機器人發生故障。朱華[5]在總結國內外礦井救災機器人研究工作的基礎上，認為目前研制的機器人與實際應用還存在較大差距，研發機器人時應充分了解礦井下的自然環境和災害環境的特點，提高機器人的機械可靠性、避障能力、通訊能力和安全防爆性能，同時在研發機器人的過程中必須堅持創新設計的理念[6]。

國內外對煤礦用機器人已進行了大量的研究，但是，由于各個國家煤礦條件不同，所以防爆安全要求標準也不同，因此國外較成熟的煤礦用機器人不宜在我國使用。我國對煤礦用機器人的研究起步較晚，中國礦業大學從2004 年開始研究，并成功研制了國內第1 臺煤礦救援機器人樣機。但由于機器人體積龐大、笨重、遇水易短路等原因導致應用效果并不理想。與之相反，在火災及地震救援中，消防、地震救災機器人的成功案例較多，造成這些差異的主要原因是煤礦井下災后環境特殊，存在瓦斯等易燃、易爆氣體，一旦這些氣體的含量超限，易發生爆炸事故并可能造成更大的損失[7]。針對我國煤礦井下環境特點，在研發階段通過建立機器人移動平臺的模型，利用檢測評估技術對其煤礦用機器人防爆性能、環境適應能力等進行仿真分析十分重要。國內高校已開始通過仿真軟件對煤礦用機器人移動平臺行走性能進行了仿真試驗[2]，但缺少對煤礦井下機器人結構耐壓、爆炸環境適應性等綜合考慮。李允旺等[8]探討了防爆外殼的設計與加工，對用于我國煤礦井下災后環境探測與救援工作的煤礦機器人進行了防爆設計。王長龍等[9]將靜態正壓技術引入機器人防爆外殼設計領域，很好地解決了防爆要求和機器人性能之間的矛盾。鞏利萍等[10]將彈塑性力學理論運用到礦用機器人外殼的初始化設計中，根據分析結果改進結構，再次計算實體力學以檢測改進的煤礦機器人外殼結構能否達到強度和剛度要求。但上述等研究均建立在理論研究基礎上，并未采取有效的檢測檢驗手段對其進行驗證。

目前，國內外煤礦機器人檢測檢驗對于其非電氣部分的機械火花等組合型防爆安全、井下救援環境適應能力等的檢測檢驗處于空白階段，動力電源井下充電問題仍無法更好的解決，且目前國內并未編制相關的檢測檢驗標準，因此煤礦用機器人的檢測檢驗工作需加快推進。煤礦領域機器人檢測檢驗的推進及檢驗規范的制定是該領域技術發展到一定程度的必然結果，同時也是市場的需要，不僅能夠為企業研發的煤礦機器人提供資質評定，同時也可為用戶提供參考依據。

2 煤礦井下機器人檢測檢驗技術存在的問題

縱觀國內外已有研究，目前國內外煤礦用機器人檢測檢驗技術及規范正在推進中，但仍存在以下主要問題亟待解決：

1）組合防爆型安全檢測檢驗技術有待深入研究。煤礦用機器人結構復雜，需由多種結構組合而成，各部分主要有隔爆型，本安型，澆封型，光保護型等多種防爆型式，屬于組合防爆型電氣設備。由于機器人普遍具有機動性，正常運行時勢必會與外部或自身發生摩擦和碰撞，目前煤礦暫未考慮由此產生的機械火花，隨著技術的進步機器人必將規?；瘧糜诿旱V井下，因此必須考慮其特殊性，迫切需要對機器人的非電氣部分進行防爆試驗研究，避免機械結構引起的爆炸。同時，煤礦機器人需在整個礦井運行，井下不同區域，如掘進面、巷道、水泵房及臨界處等對其防爆安全要求不同，因此針對于組合型防爆電氣設備應深入分析井下各不同區域對煤礦機器人安全性能的影響。

2）煤礦機器人檢測評估技術亟待迅速發展。目前，中國礦業大學已開始初步研究了通過仿真軟件對煤礦用機器人的移動平臺行走性能部分驗證，但缺少對其防爆結構的考慮，應結合對防爆安全要求，建立更加完善的煤礦井下特殊環境，更好的導入機器人設計參數，進行機器人爬坡性能、越障性能、行走能力及環境適應能力的檢測評估，同時通過建立樣機三維立體模型，設定設計參數，進行仿真分析與計算，檢查防爆結構設計的可行性及抗壓能力等。檢測評估技術將問題提前展現在研發階段，既節省了人員精力也大大縮減了整個研發周期，因此針對我國煤礦井下環境特點，在研發階段通過建立機器人移動平臺的模型，利用檢測評估技術對其煤礦用機器人防爆性能、環境適應能力等進行仿真的檢測評估技術亟待迅速發展。

3）煤礦井下應急救援環境實驗室檢測檢驗技術亟待開展。在國家的大力支持下，越來越多的研發團隊投入到煤礦用機器人的研究與設計過程中，而普通的實驗室環境并不能滿足煤礦井下的特殊環境，如應急救援環境下的高低溫、高濕、劇烈振動、環境照度低、電磁干擾及爆炸性氣體濃度高等。經過研究表明，煤礦用機器人在井救援環境下性能會大大衰減，到了煤礦井下會出現各種問題，并不適用。因此，建立煤礦井下嚴酷的應急救援環境實驗室，經過大量實驗論證，分析機器人環境適應能力，在機器人投入使用前進行實驗室檢驗，深入研究其煤礦井下復雜環境適應性檢測檢驗技術十分必要。

4）煤礦用機器人動力電源井下充電可行性亟待驗證。目前，煤礦用機器人多選用蓄電池供電方式，但煤礦井下具有瓦斯等易燃氣體，制約著蓄電池機器人在煤礦井下應用，急需研究解決煤礦機器人蓄電池安全問題，包括使用安全和充電安全等[11]?，F井下充電安全問題仍存在諸多不確定因素，同時，因煤礦安全規程（2016 版）規定，目前移動機車類動力電源尚不允許在井下除專用硐室以外充電，這就大大降低了機器人在煤礦井下的應用空間，使機器人在井下的推廣前景降低，因此，迫切需要經過大量實驗對井下充電安全問題進行驗證，為煤礦機器人在井下的充電安全性提供可靠數據。

5）煤礦用機器人檢驗標準亟待制定。目前煤礦用機器人研發過程中無統一標準對其進行規范，很多企業均憑自身了解或是對其他行業標準的參考來進行研發，導致研發的機器人質量良莠不齊，致使出現的越來越多機器人不能得到質量保障。因此，制定統一的檢驗規范，對其性能、指標、工作及貯存條件等進行統一規范與限制，對其煤礦用機器人的發展非常關鍵。

3 結 語

煤礦用機器人檢測檢驗技術的深入發展可大大促進煤礦領域機器人行業的創新與研發，并且加快市場分級，有益于機器人產品的質量保障，同時煤礦用機器人檢測檢驗技術的深入研究也可促進國際合作，提升國際影響力。分析了煤礦機器人檢測檢驗技術發展趨勢及存在的問題，總結如下：

1）應進一步完善煤礦機器人防爆安全檢測檢驗技術，研究組合型防爆安全檢測檢驗技術，考慮各部分在機器人運動時因摩擦與碰撞引起的機械火花安全問題，分析煤礦0 區、非0 區及臨界區對防爆型式的特殊要求及存在的安全隱患。

2）急需針對于煤礦機器人動力電源井下充電安全性進行驗證，經過大量實驗，研究其井下充電安全性，為推動機器人在井下的使用提供技術支撐。

3）應引進基于模型仿真的檢測評估技術，建立移動平臺運動模型、三維立體模型并進行仿真分析，針對煤礦機器人移動平臺的爬坡、越障及防爆機械設計合理性等在研發過程中進行檢測評估。

4）需搭建煤礦井下應急救援環境實驗室，對其進行環境適應性試驗，分析煤礦用機器人環境適應能力，進一步實現對煤礦機器人的環境適應能力的考核。

5）應加快腳步研究并制定煤礦機器人檢測檢驗行業標準或檢驗規范，對其技術要求、試驗方法、工作及貯存條件等進行管控，推動煤礦用機器人的研發更上一層。