煤礦機器人研發應用現狀及趨勢

李芳瑋 胡而已 張冬陽

(1.應急管理部信息研究院煤礦機器人協同推進中心，北京市朝陽區，100029； 2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇省徐州市，221116)

目前，煤礦生產過程中仍然存在災害重、風險大、下井人員多、危險崗位多等情況，在全國煤礦249萬從業人員中，從事采煤、掘進、運輸、安控等危險繁重崗位人員占比達60%以上，是目前最迫切需要開展機器人換人的高危行業。受限于煤炭井下開采的復雜和惡劣作業環境，煤礦機器人的研發應用是特種機器人領域技術難度最大的種類之一。要實現煤礦機器人下井，真正替代礦工開展井下復雜環境作業，依賴于防爆材料、能源動力、精準定位、無線通訊等相關技術研發取得突破性進展，為各類煤礦機器人的研發應用提供技術保障。

1 煤礦智能化建設的背景和意義

1.1 推進煤礦智能化建設

長期以來，我國一直是世界第一大煤炭生產國和消費國，煤炭對我國經濟的高速發展起到了舉足輕重的作用。改革開放40多年來，在黨中央、國務院的堅強領導下，在各地區、各有關部門和廣大煤礦企業的共同奮斗下，煤礦安全生產法律體系逐步健全，監管監察體制日趨完善，產業結構不斷優化，安全科技水平持續提升，防災、減災、救災能力明顯增強，煤礦安全生產形勢持續穩定好轉。但在煤礦生產過程中任然存在災害重、風險大、下井人員多以及危險崗位多等特點，在全國煤礦249萬從業人員中，從事采煤、掘進、運輸、安控等危險繁重崗位人員占比達60%以上，是目前最迫切需要開展機器人換人的高危行業。通過煤礦智能化建設，將進一步推進我國機械化制造業、信息化產業以及相關產業的發展，已經成為我國現階段國家工業化和國民經濟發展的客觀需要。

煤礦智能化建設能夠實現工作面無人(少人)化操作，減少煤礦井下高危險和高強度關鍵崗位用工，從根本上提高了煤礦生產作業安全系數，降低煤礦風險等級，提高事故防控能力，有利于煤礦減人增效，減輕工人勞動強度，保護職工安全健康，對于推動煤炭開采技術革命、煤炭工業高質量發展以及保障國家能源安全供應具有重要而深遠的意義。

1.2 建設無人(少人)礦井

習近平總書記指出，要牢固樹立發展絕不能以犧牲安全為代價的紅線意識。黨的十九大報告提出“永遠把人民對美好生活的向往作為奮斗目標”，新時代煤礦安全發展要從“遏制群死群傷的重特大事故”向“遏制較大事故和一般死亡事故”轉變，不僅要遏制事故發生，也要關注礦工傷害事故和職業健康，在消滅事故和職業危害的基礎上，努力實現礦工體面勞動和有尊嚴地勞動。建設無人(少人)礦井實現“無人則安，少人則安”，大幅度改善煤礦井下作業環境，對于實現新時代煤礦安全發展目標和礦工對美好生活的向往將起到重要作用。

1.3 以機器人研發應用引領煤礦“四化”建設

推進煤礦“四化”建設，實現煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，成為提高煤礦本質安全水平、促進煤礦安全發展的必由之路和推進煤炭工業轉型發展的根本出路。實施煤礦機器人下井，大力推進各作業崗位的機器人替代，是貫徹落實總書記防災、減災、救災和安全生產重要指示精神，實現“從減少災害損失到減輕災害風險”重大舉措的有力保證，是全國煤礦安全發展的正確方向。大力研發應用井下機器人，提升煤礦本質安全水平和煤礦安全保障能力，促進煤礦安全生產形勢持續穩定好轉刻不容緩。在2019年的全國煤礦安全生產工作會議上，國家煤監局提出要以機器人研發應用引領煤礦“四化”建設，鼓勵支持煤礦企業與國內外科研單位、機器人制造企業開展合作，加快推進研發應用。

2 煤礦機器人研發應用的政策導向與協同創新

從2018年4月開始，國家煤監局一直在謀劃、部署和推動機器人研發應用工作，大力推動頂層設計、協調爭取政策支持、搭建平臺協同推進、扎實做好服務支撐，為提升煤礦本質安全水平發揮了積極的作用，煤礦機器人研發應用取得了一定的進展。

2.1 煤礦機器人研發應用的頂層設計

2018年9月，在應急管理部信息研究院成立了“煤礦機器人協同推進中心”，專門協助國家煤監局行管司進行煤礦機器人的頂層設計。2019年1月，通過組織開展調研摸底、研討論證并廣泛征求意見，制定發布了《煤礦機器人重點研發目錄》(國家煤監局2019年第1號公告)，重點研發應用掘進、采煤、運輸、安控和救援5類、38種煤礦機器人，引導煤炭企業、科研機構、機器人制造企業和全社會參與研發應用，把握煤礦安全需求重點，鼓勵創新創業，力爭盡快在煤礦機器人技術上有新的突破，使煤礦實現“少人則安、無人則安”。《目錄》發布后，中央電視臺等主流媒體給予了極大關注，引起社會強烈反響。

在2019年兩會期間，應急管理部副部長、國家煤監局局長黃玉治提交了政協提案《大力推進煤礦智能裝備和機器人研發應用》，建議做好煤礦智能裝備、機器人研發應用頂層設計，強化基礎前沿科學和關鍵技術研究，支持煤炭行業智能裝備、機器人示范工程建設，加大對煤礦機器人產業政策支持力度，推進智能裝備、機器人在煤礦研發應用，推進高素質人員隊伍建設。

2.2 各項政策支持

為了支持煤礦智能裝備和機器人的研發應用，國家發改委辦公廳印發了《國家發展改革委辦公廳關于組織申報2019年煤礦安全改造中央預算內投資計劃的通知》(發改辦能源〔2018〕1035 號),將煤礦智能裝備推廣應用納入30億元國債資金支持范圍，支持煤礦推廣應用智能裝備，推進機械化換人、自動化減人和智能裝備替代高危崗位作業。同時，應急管理部、國家煤監局組織相關企業和科研機構研究煤礦機器人急需解決的技術問題，向科技部申報了4項煤礦機器人“卡脖子”項目，爭取在關鍵技術上有所突破。

2.3 推進協同創新

搭建平臺，推進煤礦機器人協同創新，組織協調相關部門參與全國煤礦基礎建設推進大會，組織中國科學院、潞安集團、國家能源集團、兗礦集團等近20家企業、機構和科研院所展示煤礦智能裝備和機器人技術、產品及應用情況。同時，組織開展煤礦機器人技術專題講座，掌握煤礦機器人最新研發成果以及煤礦企業需求，推進產、學、研、用合作，促進跨界合作和信息交流。

3 煤礦機器人共性關鍵技術

國外煤礦機器人研究起步較早，美國自20世紀80年代開始陸續研制出計算機控制采煤作業系統及多種特種機器人，澳大利亞、印度及南非等幾大主要煤炭生產國煤炭資源賦存深度淺，以露天開采為主，露采裝備自動化、智能化水平和開采機器人化程度較高，機器人應用起步早，技術先進。我國煤礦目前多以井工開采為主，開采深度更大、地質條件更復雜，井工開采作業機器人研發應用難度更大，且由于安全管理規程等條件的限制，國外各類機器人技術及裝備無法直接應用于國內多數煤礦企業。

2008年以來，我國設立了“十二五”863計劃重點項目“煤礦井下采掘裝備遙控關鍵技術”，“十三五”國家重點基礎研究發展973計劃項目“深部危險煤層無人采掘裝備關鍵基礎研究”，完成了掘進機遠程控制技術及監測系統研究，取得了一系列綜掘裝備自主導航和控制原理與實現方法的基礎理論成果，有效提高了我國采掘設備自動化關鍵技術水平。但要實現煤礦機器人下井，真正替代礦工開展井下復雜環境作業，還有賴于防爆材料、能源動力、精準定位、無線通訊等相關技術研發取得突破性進展，為各類煤礦機器人的研發應用提供技術保障。

3.1 煤礦機器人的輕質防爆材料

煤礦井下作業環境特殊，機器人技術應用到井下不僅要解決防爆、防塵、防潮、防水、抗腐蝕等問題，還要在保證續航能力的同時具備越障能力強、可靠性高的機械結構，這就對機器人的材料性能提出更高的要求。從技術上要研究井下輕質機身防爆材料以及動力材料制備工藝，探索抗高速沖擊震動、動態應變強化、吸能降噪以及高溫的行為與機理，研究各種合金元素的含量與分布、組織結構變化對煤礦井下環境輕質材料燃點、高速碰撞摩擦時火花生成能力的影響規律并開發出有效的阻燃防護技術，研究不同煤礦井下服役時間、服役環境、服役部位對輕質材料綜合性能的影響規律等。

3.2 長續航、高能量密度的機器人動力技術

《煤礦安全規程》中對使用蓄電池的設備有明確規定：“機車等移動設備在專用充電硐室或者地面充電”，這就對煤礦機器人的動力電源提出更高的要求。要深入研究適用于機器人的高能量防爆蓄電池和復雜工況下蓄電池隔爆設計輕量化技術，研究智能化電池管理系統及電池集成技術，實現動力及驅動系統高效、高功率密度、高穩定性的目標。

3.3 井下特殊作業環境機器人自主精準定位技術

導航技術是煤礦機器人等智能移動機器人技術的關鍵，目前機器人定位的理論與技術比較成熟，但對于在煤礦復雜環境下的定位、避障、路徑規劃等技術有待進一步研究。需掌握井下封閉環境下機器人功能性需求與自主定位間的規律，提出適用于井下特殊用途的機器人自主定位系統方案，解決井下機器人精確定位、姿態感知等方面的基礎理論和關鍵技術問題。

3.4 煤礦機器人的無線通訊技術

井下巷道錯綜復雜，無線通信信號受到巷道屏蔽，傳播距離有限，同時通信信號也會受到大型設備啟停產生的電磁干擾。針對井下高吞吐量以及動態的網絡需求，研發基于分布式通訊的自組網無縫通信技術，研發用于煤礦機器人高可靠、抗干擾群體通訊系統裝置等。

4 煤礦機器人研發應用進展

自國家煤監局大力推動煤礦機器人研發應用工作以來，煤炭行業、科研機構和制造企業基本形成了研發應用機器人、加快發展智能裝備的共識，研發應用的自覺性進一步增強。從整體上看，煤礦企業對《煤礦機器人重點研發目錄》發布的38種機器人均有應用需求，但由于前期研究基礎、當前技術水平和井下作業環境的不同，各類煤礦機器人的研發進程略有差異，通過調研，大體可以將煤礦機器人研發進展分為3個層次。

4.1 技術相對成熟，已實現部分現場應用

(1)無人化掘進裝備研發取得了積極進展。掘進機器人已在山東臨礦內蒙古上海廟礦業公司有所應用，實現了軟巖條件下掘錨一體遙控作業。直徑為6.33 m的煤礦巷道巖巷全斷面掘進機成功應用于山東能源新礦集團新巨龍公司，該設備設計掘進速度為500～800 m/月，采用盤形滾刀破巖機理，利用全斷面刀盤一次破巖成洞。小斷面盾構機也成功用于重慶渝新能源打通一礦瓦斯巷掘進，解決了傳統掘進施工過程中粉塵大、速度慢、危險性高等問題。

(2)智能化采煤工作面技術相對比較成熟。多家煤機企業研發的采煤機已具備自主運行、記憶截割等功能，實現了遠程控制和遙控操作。智能化工作面控制系統研發工作也在積極開展，由于采煤機自主導航定位、煤巖識別等技術還不完善，采煤工作面機器人群協同聯動作業的連續性和穩定性還有待提高。

(3)巡檢類機器人應用較為廣泛。皮帶機巡檢機器人、巷道巡檢機器人已在同煤集團塔山煤礦、棗礦集團高煤公司等地投入使用。工作面巡檢機器人已在黃陵一號煤礦投入使用，實現了工作面視頻和設備狀況等多參數感知；地面電站巡檢機器人已經在陽煤集團等企業推廣應用。

(4)智能煤矸分選機器人研發應用進展迅速。目前選矸機器人研發企業較多，技術相對成熟，多家公司的產品已在開灤集團、內蒙古伊泰能源、潞安集團、國電投等煤礦企業投入使用，取得了初步效果。

4.2 已立項研發關鍵技術仍需突破

(1)錨、鉆、噴漿類機器人具備一定的前期基礎。開灤集團、兗礦集團、山東能源集團等煤礦企業與國內多家企業開展緊密合作，實現鉆錨作業的機器人化。部分噴漿機器人已實現遠程遙控，有效減少了噴漿作業的用工數量，在此基礎上，兗礦集團、晉煤集團已就噴漿機器人立項研究。探水鉆孔、防突鉆孔、防沖鉆孔三類機器人的本體較為類似，可基于同一平臺研發，平煤集團已立項研發防突鉆孔機器人，正在開展工業性試驗，目前仍以遙控操作為主、自主移動為輔，相關科研單位正組織科技攻關，重點解決鉆孔機器人的井下自主移動、導航定位、自動鉆進等問題。

(2)清理、搬運類機器人部分已完成樣機試制。潞安集團、陜煤化集團等都對搬運機器人提出了具體需求，輔助錨桿搬運機械臂已研發成功，完成了樣機的試制。巷道清理機器人、煤倉清理機器人、巷道沖塵機器人的研發也已相繼開展，完成了部分樣機的試制。水倉清理機器人研發的廠家相對較多，已實現清理作業的遙控操作，開灤集團也與相關科研單位積極開展合作研發，主要解決水倉清理系統自動化、智能化的問題。

(3)探險、排險類機器人正處于研發攻關階段。多家煤炭企業已與相關研發機構合作研發危險氣體巡檢機器人。冀中能源集團與相關企業及科研院所合作成立了煤礦智能化工程研究中心，研發智能排水機器人，下一步將開展工業性試驗。礦井救援機器人研發也取得進展，樣機在同煤集團塔山煤礦和救護大隊開展了工業性試驗，但還需要進一步提升災后復雜環境下的施救能力。

(4)露天作業類機器人進入工業性試驗階段。中煤集團積極研發露天煤礦穿孔爆破機器人，已準備開展工業性試驗；能夠實現無人礦卡和電鏟間智能協同作業的露天礦電鏟智能遠程控制自動裝載系統以及露天礦卡車無人駕駛系統等也正在積極研發之中。

4.3 技術難度較大，研發進展較慢

(1)支護類機器人智能化難度較大。由于采、掘工作面的復雜多樣化，各種支護類機器人需要針對具體工況開展個性化研發，具有研發難度較大、成本高、周期長以及不利于推廣等特點，企業參與積極性不高。掘進工作面機器人群在原理上可行，但系統集成難度較大，可靠性有待提高，未見成套技術裝備。

(2)井下零散工種作業類機器人尚未有實質性推進。破碎機器人、車場推車機器人、管道巡檢機器人、密閉砌筑機器人未有進展；陽煤集團提出了管道安裝機器人需求，但目前相關研發機構的管道輔助抓舉的概念樣機還不能完全滿足要求。

(3)部分安控救援類機器人進展較慢。山東能源臨礦集團正積極聯系相關單位開展井筒安全智能巡檢機器人的預研工作。多家機器人研發企業分別在井下搶險作業機器人和災后搜救水陸兩棲機器人方面開展過研究，但近期未有進展。通風監測機器人研發應用未取得實質性進展。

5 趨勢與展望

近年來，國有大型煤炭企業、煤機制造企業、相關科研機構相繼在煤礦機器人領域投入資金積極進行研發與應用。“十三五”以來，隨著“礦山安全生產物聯網關鍵技術與裝備研發”等多項研究內容和關鍵技術涉及煤礦機器人的國家重點研發計劃立項實施，各類煤礦機器人及其相關技術也得到了大力推進。但煤礦機器人減人換人作業是一個系統工程，總體而言，國內煤礦機器人研發應用仍處于起步階段，目前尚未研發出成熟的煤礦機器人成套技術與裝備，無法真正實現井下多工種、全安全崗位的無人(少人)化總體目標。由于煤礦井下環境的復雜性和特殊性，相關科研成果距離現場大面積推廣應用還有一段距離，關鍵技術還需要進一步集中力量研發攻關，成套裝備性能及其運行可靠性還需要依托產、學、研、用協同創新機制的努力進一步提升。

科學技術是第一生產力。借助互聯網、人工智能等新技術引領新時代煤炭產業技術革命，實現傳統能源行業跨越式發展，將百萬礦工從煤礦一線的繁重勞動和惡劣環境中解放出來，責任重大，任務艱巨，使命光榮，需要科技工作者和廣大從業人員凝心聚力，貢獻智慧，共創輝煌。