煤礦機器人的發展現狀及應用

李浩 張瑞平，2 李城磊

(1.山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037000；2.山西大同大學機電工程學院，山西 大同 037000)

2020年2月，國家能源局聯合多個部委印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出要深入推進煤炭開發和提高煤礦智能化水平，重點煤礦企業要從基礎上完成工作面環境少人甚至無人化，到2025年大型煤礦和災害嚴重煤礦要基本實現智能化。受限于礦井下惡劣及復雜的作業環境，煤礦機器人的研發應用一直是是機器人技術領域的難題之一。為了響應國家煤礦智能化的號召，煤礦機器人研發及產業化應用勢在必行。隨著5G技術及人工智能的興起，為煤礦機器人的研發提供了技術支持與保障。

1 機器人助力煤礦智能化升級

在當代工業中，機器人指能自動處理及完成任務的人造機器裝置，用以替代或幫助人類工作，煤礦機器人特指完成掘進、采礦、通風、運輸、選煤等工作任務的機器人。在煤礦智能化建設進程中，由事故頻發、勞動密集、自動化程度低的傳統礦井轉變為安全高效、技術密集、無人化的智能礦井，煤礦機器人無疑是推進智能化煤礦建設的基礎，機器人技術的應用可有目的性地解決特殊崗位的困難，減少煤礦事故的發生率，提高煤炭的開采效率[1-2]。

當前，對煤礦機器人的研究已成為熱點問題。鑒于此，我國煤監局根據煤礦工作用途將煤礦機器人分為了掘進、采煤、救援、安控以及運輸五大類煤礦機器人，又將其五大類具體分為了38種煤礦機器人，如圖1所示。其中掘進和采煤機器人主要為煤礦進行生產及開采；煤礦救援機器人主要應用于煤礦出現事故后的探測及救援，即在事故發生后迅速進入井下開展受災人員搜救等工作；安控機器人主要應用于煤礦中的各種作業環境下的安全參數監測、設備狀態評估診斷以及安全預警等功能；運輸機器人主要應用于不同煤礦環境下對于煤炭、煤機裝備及人員的運輸。煤礦機器人的種類正好涵蓋了煤礦中各種高危崗位的作業，可以將礦工從不穩定的工作環境中解放出來。

圖1 煤礦機器人分類

2 各類煤礦機器人的“入駐”及其特色

2.1 掘進類

國內外目前廣泛采用的三種掘進技術——綜合機械化掘進技術、連續采煤機掘進技術、掘錨一體化掘進技術，都需要不同的配套設備，并且有各自的適應性。國內的相關設備與國外都有很大差距。煤礦掘進機器人不是單一的個體，而是一套機器群組，這套機器群組要完成鉆探、支護、錨固、裝載運輸等一系列任務。掘進機器人群組要求能夠隨時通過傳感器收集到礦井環境的信息，自主做出最適合掘進生產的方案，再回饋給執行機器人，最后機器人之間協調配合完成任務。此外，機器人群組還應具有自主定位與自動駕駛功能，能夠自主進行煤巖識別與切割，并及時反饋信息于地面操控中心。

對于掘進類的機器人，真正智能化的煤礦機器人群組目前還不能應用到生產中。國內較為先進的是機器人化的掘進設備，如久益12CM30型掘錨機，采用集成錨固系統，截割和錨固可同時進行；太原煤炭研究院將掘裝功能與錨桿鉆機結合，研發的機器人化掘進群組集成了截割、裝運、錨桿支護等功能，擴大了適用范圍，提升了掘進效率。2020年9月10日，陜煤榆北煤業正式投入使用國內第一套煤礦智能快速掘進機器人系統。煤礦智能快速掘進機器人系統的研制與應用，攻破了煤礦井下復雜地質條件的智能掘進難題，可存在多崗位作業同步進行，減少了掘進工作崗位的工人，顯著降低了生產過程中事故的發生率；而煤炭的生產效率卻大大提高[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，涌現出眾多的公司參與到煤礦智能化掘進技術的研發中來，其中西安重裝西煤機公司以陜煤為平臺，研發出了安全可靠的煤礦智能化快速掘錨成套裝備。其所投用的掘進機器人系統，寬6.5 m、高4～4.5 m，提高效率至60%以上；掘進工作面操作人員減少至8人，不僅提高了礦井掘進的速度與效率，而且能有效地提高支護的質量。該系統的研制應用將推動實現煤礦井下的巷道安全與智能化生產。

2.2 采煤類

采煤工作面的自動化技術已經成熟，但從自動化割煤到智能化割煤，體現著割煤技術質的飛躍，基礎機械自動化與智能化的結合，為未來的采煤機器人AI算法預測割煤技術的實現奠定了基礎?！懊旱V機器人+AI”實現智能自主感知、最優分析決策和知識學習進化，從而形成礦山立體感知、自主學習、協同控制的完整智能系統。目前，機器人輕質材料、動力供給、智能化傳感與識別等核心技術尚不成熟，而且超前支護機器人、充填支護機器人等機器人需要更先進且精密的技術，且研究起來困難相對比較大，未來這幾種機器人仍是采煤類機器人研究的重要方向。

神東煤炭集團錦界煤礦投入使用了新型的采煤工作面機器人群，該機器人群可進行自主預測或記憶采煤，采用各種傳感器感知割煤數據，用智能AI算法結合人工操作經驗預測割煤，計算出最優截割輪廓線，反饋到割煤程序中，且該機器人群均可由井上控制臺集中配合控制，采煤過程智能化程度高，不僅代替了人工操作，且優于人工操作。這讓錦界煤礦采煤工作面實現了國家所倡導的無人與智能化煤礦建設，提高了錦界煤礦的采煤效率，進一步推動了該礦的智能化礦山建設。

2.3 運輸類

在煤礦中，煤炭運輸是煤礦崗位中不可或缺的一部分，主要有煤礦井下主運輸與礦井輔助運輸以及露天礦運輸。如今隨著科技的進步和5G時代的來臨，礦山運輸設備也逐步實現智能化，礦山運輸正在向無人值守智能化時代邁步[4]。隨著前幾年機器人技術的發展，在《煤礦機器人重點研發目錄》中，運輸類煤礦機器人一共列出11種，文獻[4]中根據其機器人屬性分為了3類，如圖2所示。對于運輸機器人來說，其先進的實時目標檢測、導航定位、自主避障、路徑規劃與軌跡跟蹤控制等核心技術成為了各大公司研究改進并投入市場的一大挑戰。

圖2 運輸機器人詳細分類

前幾年對于煤礦企業來說，機械臂主導的運輸機器人依舊很少應用在煤礦工作中。但隨著機械臂機器人技術的穩定，智能選矸機器人近期出現在大眾視野。2019年潞安集團常村煤礦正式引進首臺“智能選矸機器人”代替人工選矸，這標志著潞安在建設綠色、環保、智能化礦山方面邁出了一大步，同時選矸機器人將工人從嘈雜、高強度的惡劣環境中解放出來，起到了“減人增效”的作用。前幾年煤礦中的清理服務型機器人因受到礦井各個儲存倉環境惡劣以及其組成清理機器人的構件材料限制而發展緩慢。2020年國家電投內蒙古公司在露天煤礦投入使用了新型研發的煤倉清理機器人。該機器人的入職，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象，同時也提高了煤礦的物料外運速度和效率，還讓如此高危險的崗位實現了無人化，做到了真正地“減人增效”。

無人車駕駛技術一直是運輸機器人中的重點，但無人駕駛技術一直處于不成熟狀態。2019年4月，梅山鋼鐵公司也開始研究運行了新款無人駕駛運輸車，這是全世界首臺自主導航無人駕駛運輸車。同年5月，包鋼白云鄂博鐵礦為推動智能化礦山建設，響應國家號召與中國移動合作建設了全世界首個基于5G網絡為基礎的無人駕駛礦車項目，該項合作的完成可以實現運輸礦車的遠程控制及精準?？颗c自主避障等指令。該項目提高了該礦的采煤運輸水平及效率，同時也標志著該礦向智能化礦山建設邁出了歷史性的一步。

2.4 安控類

在煤礦生產過程中，安全巡檢對于保障煤礦生產有著至關重要的作用。然而傳統的人工巡檢效率低下，但由于在安全生產中這一步驟必不可少，所以在生產過程中巡檢工作必須進行，而利用智能巡檢機器人輔助礦井人員進行巡視，可及時發覺礦井設備的異?，F象，排除設備運行隱患，提高煤炭開發效率和巡檢質量，起到減員增效、安全生產的作用[5-6]。

巡檢機器人是專門為復雜的礦井環境下的巡檢工作而設計的，其功能為可移動的監測監控平臺，屬于監測技術與機器人技術相結合的新型技術，裝有最新的不同種類的傳感器來檢測工作環境；同時具有較強的信號傳輸，可將信息及時反饋地面總控制面。利用智能巡檢機器人輔助礦井人員對機械設備進行巡視，可及時發覺礦井設備的異?，F象，排除設備運行隱患。

2020年11月18日，神東補連塔煤礦智能礦101膠帶機首臺膠帶機巡檢機器人正式上線運行，助力主運系統無人化值守、智能化巡視再上新臺階。補連塔煤礦101主運膠帶運輸機是一部上倉皮帶，長200 m，坡度傾角達到了45°，日常巡視費時費力，且現場為多塵環境，給巡視工作人員職業健康防護帶來很大挑戰。該款機器人通過上位控制系統音頻、視頻進行深度分析，具備膠帶機沿線環境、設施異常狀況和設備故障適時診斷、預警功能，將員工從惡劣作業環境中解放出來，推動技術一流示范礦井建設取得新進展[7]。

綜采工作面屬于煤礦井下最復雜危險的工作環境，因其環境的復雜，人工巡檢一直是危險崗位，尤其是危險氣體的巡檢屬于煤礦井下最復雜危險的工作環境。2021年4月，國內首臺自主研制的常態化開展井下危險作業的煤礦巡檢機器人進行了工業性試驗。這臺由晉能控股集團研制的危險氣體巡檢機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，連續行走時間不低于2 h。機器人采用遠距離無線遙控方式控制，可探測甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧氣及溫度、濕度、壓差等環境參數信息，同時具備紅外圖像采集功能。雖然這臺機器人還不能實現智能巡檢，但面對井下惡劣環境，其全地形行走能力使其具有了廣闊的實用空間。

2.5 救援類

救援類機器人主要是當煤礦發生事故后，面對復雜多變的事故環境，收集井下環境中所探測到的各種溫度、濕度以及瓦斯含量等基礎信息，并根據所收集到的信息做出相應的數據對比，為救援人員進行救援工作提供信息支持。該類機器人可自主導航定位及通過AI算法自主運動控制來進行事故環境的探索與檢測，擁有先進的傳感器進行勘測多變的復雜環境，具有較強的信號接收與輸送裝置，可與地面救援人員進行信息傳遞；同時該類機器人擁有前沿的防爆控制系統，以應對惡劣的救災環境，而穩定的控制系統是救援機器人正常運行的基礎，對此其控制系統必須擁有高穩定、強可靠、實時性好等基礎性能[8]。

2007年開誠智能集團研制出國內首款礦用井下搶險機器人。2016年8月3日，在同煤集團塔山煤礦井下環境中試驗了由北京理工大學、中國礦業大學和中科院沈陽自動化所共同承擔的國家“863”計劃重點項目“煤礦災害救援機器人的研究開發與應用”。此次三臺煤礦環境探測機器人、兩臺煤礦救援機器人與一臺煤礦滅火機器人在塔山煤礦成功運行。該機器人正式投入煤礦使用后，采用機器人進行井下環境監測和搜救將使塔山礦井搶險救災能力提升到一個新水平。

2021年5月17日救援機器人中的一款新型礦用偵察救援機器人在貴州豫能安順煤礦試驗執行檢測任務，該機器人在環境惡劣的情況下，其“火眼金睛”讓一切態勢盡收眼底，同時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所面臨的人身安全問題及實時環境數據采集不足等問題。某礦用救災搶險機器人如圖3所示。

圖3 礦用救災搶險機器人

3 亟待解決的煤礦機器人核心技術

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，由于煤炭生產環境的特殊性，煤礦機器人的發展仍有許多關鍵技術亟待解決。

首先，煤礦機器人在復雜的煤礦井下環境工作，安全保護與防爆設計要求極嚴，關鍵模塊為了達到防爆要求，就需要尺寸、重量等參數加大，無法做到輕量化，從而影響煤礦機器人運動的機動性和靈活性，尤其影響井下復雜地形的適應性。

其次，面對不穩定的工作環境時很容易遇到突發事故，很可能會造成機器人短路、傳感器失效或續航能源動力不足等故障。因此煤礦機器人的機械結構以及材料、能源續航能力、遠程通信與感知、控制系統等重要部分成為研發所有不同種類煤礦機器人的技術核心。

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器人在信息精準感知、實施目標檢測、路徑規劃與避障智能控制以及其可靠性穩定性等方面是研發應用的一大難題[9-10]。

除此之外，煤礦井下機器人的充電技術、精準導航技術、全地形適應能力、井下機器人群的協作性等，也是目前需要攻克的技術難題。

4 結語

伴隨著智能化時代的到來，計算機技術的成熟與5G網絡的推廣將會為礦山智能化的發展奠定堅實的基礎。在全球智能化時代的趨勢下，礦山智能化也只是時間問題。而煤礦機器人的出現將有力地推動了煤礦智能化的建設?？紤]到國家對煤炭的穩定需求，煤礦生產的惡劣環境以及智能化時代的到來，機器人入駐煤礦崗位是勢在必行。在這種發展趨勢下，在不久的將來，煤礦生產將會實現真正的無人化。