煤礦井下水倉清理機器人系統設計與應用

石軍杰，高貴軍，游青山，安 彬，邱建都

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024；3.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；4.太原市軌道交通發展有限公司，山西 太原 030000)

國家煤礦安監局針對煤礦災害重、風險大和下井人員多等問題，提出的《煤礦機器人重點研發目錄》中運輸類機器人就包含水倉清理機器人。采用機器人對水倉進行清理，可以將清倉工人從危險的工作環境中解放出來。對強化煤礦安全生產管理、真正實現減員增效、節能降耗具有重要意義[2]。

現有的水倉清理設備自動化程度低，需要工作人員跟機進行操作，存在一定的風險。本文研發一套適用于煤礦井下水倉煤泥自主清理機器人系統，采用多種傳感器、攝像頭結合，實現對水倉煤泥清理進程及水倉清理機器人位姿的監測，采用網絡通信技術，實現遠程操控機器人進行清倉及對工作面狀態監測。解決煤礦水倉清理的難題，提高生產效率，達到“機械化換人，自動化減人”的目的[3]。

1 水倉清理機器人系統組成

礦井水倉自主清理機器人系統由清倉機器人、通信系統、供電系統及地面工作站組成，如圖1所示。

圖1 水倉清理機器人系統組成

清倉機器人主體屬于水倉清理機器人系統的井下工作模塊，負責清理煤泥、煤泥脫水、運輸及井下水倉信息的采集。主要由絞龍連續挖取裝置、煤泥泵送裝置、快速振動脫水篩、履帶行走裝置、帶式輸送機、照明設備、激光雷達、里程計及避障裝置等組成。清倉機器人行走機構采用履帶行走裝置，可保護水倉底部結構，通過性和爬坡能力強，適應水倉的帶傾角結構，且不易打滑，牽引附著能力好。清倉機器人組成如圖2所示。

圖2 清倉機器人主體

水倉清理機器人各種傳感器及攝像頭采集到的信息使用無線通訊系統傳輸，可將實時數據傳輸至地面遠程控制端。通訊系統使用5G無線通訊系統，能夠準確、全面的獲取井下水倉清理數據及環境視頻，實現井上井下各種數據的快速傳輸及根據現場情況對設備進行遠程控制。無線通訊系統主要組成部分有無線基站、交換機及各個終端。無線基站主要由基站收發臺及基站控制器組成，基站收發臺可看作一個無線調制解調器，負責信號的接收和發送及處理，起到連接機器人與上位機，實時傳輸數據的作用?；究刂破髫撠熕械男盘柦涌诠芾?，主要是無線信道的分配、釋放與管理，保證數據信號實時傳輸。水倉清理機器人也配備紅外遙控功能，可供井下跟機人員進行操控應對突發緊急情況。

水倉清理機器人的供電系統由變壓器、控制面板、可控開關及供電電纜組成。清倉機器人上電機額定電壓為660V，供電電纜提供660V電壓，其上一些部件，如液壓油箱散熱風扇、井下照明設備等額定電壓為220V，通過變壓器降壓后才可以正常工作。電控柜上有相應的控制面板，可在緊急情況時，跟機人員現場操作，也可由地面遠程控制端通過控制模塊進行操控。對用電設備進行遠程控制及設備數據采集時，需要使用PLC系統進行操作。水倉清理機器人的供電電纜纏繞在電纜盤架上，可隨機器人的移動自動收放電纜長度。

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地面工作站主要包括遠程操作軟件平臺和數據存儲服務器。遠程操作軟件平臺是水倉清理機器人遠程控制清倉的操作界面，可以實時查看清倉機器人的清倉進度、機器人位姿及工作面的實際清理狀況，可以調取清倉機器人清倉過程中的各種數據，根據這些數據調整操作程序，可在地面實現對清倉機器人的遠程控制。

上位機系統作為水倉清理機器人的中樞，負責處理和顯示各種信號。視頻采集攝像頭采集清倉機器人清淤過程中水倉內煤泥的狀態、挖取裝置與脫水裝置工作時的圖像信號，通過上位機中的圖像識別算法，監測煤泥處理。通過激光雷達、位置傳感器、里程計和IMU等多傳感器融合的方法獲取水倉清理機器人的位姿信息，減小定位誤差，滿足清倉機器人的實時定位需求，方便操控人員掌握其狀態。

2 水倉清理智能控制系統

水倉清理智能控制系統是上位機系統的一部分，是水倉清理機器人的決策層。針對井下水倉復雜的地形環境，需要使用大量的滿足煤礦防爆要求的傳感器來進行智能監測。

1)有害氣體傳感器。水倉清理機器人上安裝有高靈敏度的CO、CH4、H2S傳感器。清倉工人進入水倉工作時，對溫度、距離等信息易感知，對甲烷、一氧化碳等有害氣體難以感知，容易導致氣體中毒，危害身體健康。利用傳感器實時監測水倉內的環境信息，當環境中的有害氣體濃度達到檢測值時，自動報警，避免事故發生。

2)激光雷達傳感器。激光雷達主要負責水倉清理機器人在煤礦水倉的定位與井下水倉的地圖構建，采樣頻率高達8000次/s，可以使機器人更快速、精確的見圖。

3)壓力傳感器。清倉機器人挖取、行走裝置由液壓驅動，在關鍵管路上安裝壓力傳感器對其壓力進行監測，保證清倉機器人正常工作。

4)超聲波傳感器。在清倉機器人與水倉壁臨近的四個角上安裝有超聲波傳感器，負責清倉機器人本體與水倉壁之間距離的檢測。

3 水倉清理機器人性能參數及功能

3.1 性能參數

煤礦井下水倉清理機器人的技術參數見表1。

3.2 工作環境要求

1)水倉斷面高度大于等于2.2m。

2)水倉斷面寬度大于等于2.5m。

3)水倉入口坡度小于等于25°。

4)水倉長度小于等于500m。

5)煤泥淤積厚度小于等于1.5m。

表1 水倉清理機器人的技術特征

3.3 功能說明

煤礦井下水倉清理機器人系統可代替人工完成礦井水倉淤積煤泥的清理工作，清倉效率高，大大減輕了清倉工人的勞作強度；將機器視覺技術與無線通訊網絡技術相結合，可在水倉外或者地面實現井下水倉清理進度及水倉煤泥狀態的監測，從而控制水倉清理機器人自主清倉，無需清倉人員在水倉內跟機操作，減少井下危險區作業人數，降低安全風險。配備自動避障與定位技術，可自動調整位姿，避免損壞機器人本身與水倉墻體結構，有效避免潛在危險發生。

該煤礦水倉清理機器人系統可實現的主要功能有：

1)視頻信號采集。清倉機器人主體安裝有礦用本安防爆云臺攝像機，10倍變焦，360°無限位旋轉，能在光線較暗的條件下獲得良好的視頻信號效果，抗干擾性好，實現清倉時的現場狀況觀察，掌握清倉進程及時調整機器運行方式。

2)智能清倉功能。水倉清理機器人支持全自動清倉模式、遙控清倉模式和就地控制模式。全自動清倉模式包括智能清倉和聯動清倉兩種模式。智能清倉模式下，水倉清理機器人根據事先定下的清倉任務、進程等信息，自動進行水倉內煤泥的清理。聯動清倉模式下，由遠程操作控制平臺根據井下水倉情況下指令，清倉機器人按指令進行清倉、停機等一系列操作。遙控清倉模式下，由工作人員根據井下實際情況手動遙控清倉機器人，完成清倉工作。就地控制模式下，清倉人員可通過按電控柜控制面板上的按鈕實現對清倉機器人的操控。

3)自動定位功能。水倉煤泥淤積多超過1m，清倉任務繁重，在正常8h班制的情況下，水倉清理機器人每天可向前清理煤泥20m，隨后需返回水倉外，次日進行清倉時，清倉機器人可根據上次清倉存留的定位數據確定本次清倉的起始位置。清倉機器人的自動定位功能是清倉機器智能化運行的必要條件。

4)主動避障及位姿調整功能。煤礦井下水倉環境惡劣，整體為一封閉型巷道，墻壁上布有很多管道和線路，使得井下環境更加復雜。當激光雷達和位置傳感器檢測到清倉機器人與前進路上的障礙物(如墻壁、管路等)的距離小于預設值時，機器人停止，自動調整機身角度避免水與障礙物發生碰撞，損壞清倉機器人與水倉結構穩定性。水倉清理機器人上安裝有陀螺儀，可根據傾斜角度判斷清倉機器人有無側傾風險，可后退再次清理一邊履帶行走裝置下的煤泥，保障清倉工作穩定安全進行。

5)煤泥狀態智能監測功能。由于煤礦煤層賦存條件的不同，開采方式的不同，煤礦水倉具有不同的特點，水倉沉積的煤泥也具有不同的黏性。水倉清理機器人的挖取裝置由液壓驅動，其液壓管路上安裝有壓力傳感器，可將壓力信號轉換為模擬量傳回上位機，通過該方法可自動判斷出煤泥的黏度，從而自動調節稀釋噴頭的噴水量實現淤積煤泥黏度自動調節，使煤泥處于清倉機易清理的狀態，保障煤泥清理的效率。

6)管路、線纜自動收放功能。水倉清理機器人配備泵送管路收放盤及電纜收放盤架，當清倉機器人在水倉內清倉時，根據機器人在井下的位置變化，自動調節泵送管路及電纜線的長度，取代人工在井下鋪設管路及線纜，使清倉工藝更加便捷。

7)水資源循環使用。煤泥水混合物經過快速振動脫水篩脫水后，煤泥含水率小于40%，使用膠帶運輸至指定位置，分離出來的水通過管路回收進入補水稀釋管中循環使用。

8)處理后煤泥數據采集功能。在輸送帶上配有對稱式帶式輸送機稱量裝置，可對脫水處理過的煤泥進行稱重，并將數據傳回數據端存儲，實現煤泥清理班產量、日產量、月產量和年產量的統計和結算，優化生產管理。

4 水倉清理機器人應用實例

目前，該水倉清理機器人系統已在潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司礦井水倉投入使用。水倉清理機器人清理煤泥過程中將水倉中煤泥狀態以及振動篩處理后煤泥狀態的視頻信號通過無線基站傳到上位機進行處理，使用圖像識別算法得出煤泥的處理量，存入數據庫，方便調取監測。調度室工作人員可通過水倉清理機器人監控系統界面和視頻信息獲得井下水倉及水倉清理機器人的狀態信息。當煤泥處理量小于設定的數值時，清倉機器人自行移動或者由地面控制人員控制清倉機器人移動清理其余地方的煤泥。

水倉清理機器人的使用，使得水倉清理人員無需進入水倉，只需在安全的地方控制水倉清理機器人進行水倉清淤，降低工人的勞動強度，大大提高了水倉清理效率，能夠在較長時間內保證水倉的有效容積，為煤礦涌水提供最大的安全容積，保證煤礦的安全生產。

5 結 語

水倉清理機器人集煤泥自主挖掘、脫水、運輸于一體，通過多種傳感器、攝像頭配合使用及網絡通信技術，實現對水倉煤泥清理進程及機器人位姿的監測，并及時高效地清理水倉中的煤泥。水倉清理機器人的應用可取代人工對煤礦井下水倉進行清理工作，極大降低清倉人工的投入，提高企業生產的安全性與生產效率，符合國家加快建設煤礦智能化的要求，具有顯著的社會意義與經濟效益。