煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人關鍵技術與應用

（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）

0 前言

跟據煤礦開采要求，在煤與瓦斯突出礦井、高瓦斯礦井以及滿足相關抽采條件的區域須建立抽采瓦斯系統，瓦斯抽采泵站是瓦斯抽采系統的核心，泵站運行情況的好壞直接影響煤礦的正常開采和工人的生命安全[1]。目前泵站大多采用人工巡查與智能監控結合的方式巡檢，人員需定期輪崗查看設備的運行情況，每個瓦斯抽采泵站需要多人看管，生產效率低，遇到緊急狀況無法及時應對。2019 年國家煤礦安監局公布《煤礦機器人重點研發目錄》，對煤礦機器人的研發提出要求，希望通過“機器換人”來實現煤礦作業的“少人則安”和“無人則安”。應用巡檢機器人替代人工巡檢能夠提升瓦斯抽采泵站巡檢的效率及安全性，然而由于對智能巡檢系統的理解不同，在巡檢機器人設計及應用過程中會存在較大偏差，導致改造費用過高，實際運行效果參差不齊，故障點較多。因此，突破巡檢機器人的設計難點并規范設計準則，更好地將機器人系統融入煤礦瓦斯抽采泵站的日常生產中是十分重要的，該文將對煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的選型及關鍵技術進行分析。

1 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人選型

巡檢機器人屬特種機器人領域，興起于20 世紀80 年代，最先應用在電力行業，主要應用在變電站和輸電線路中，用于替代人工完成相應的巡檢工作[2]。煤炭作為能源行業的重要支撐，機器人的發展能夠使煤礦企業實現降本增效，有利于煤礦企業向智能化方向轉型升級，鑒于巡檢機器人在電力等非煤領域的應用現狀，適用于煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機器人主要有3 類。

1.1 輪式巡檢機器人

該種機器人采用四輪獨立驅動方式行走[3]，通過控制各驅動裝置的速度來實現機器人的行走，搭載各種檢測單元及攝像頭對環境及危險氣體等進行檢測，完成圖像識別、異常情況報警等巡檢任務，基于無線網絡通信實現本機及遠程監控。

1.2 吊軌式巡檢機器人

該種機器人一般布置在室內，機器人本體搭載檢測單元，在鋪設好的軌道上移動采集檢測數據[4]，采用無線數據傳輸，完成巡檢任務，大多采用無線充電模式，可以遠程分析數據，達到監控的目的。

1.3 四足巡檢機器人

該種機器人基于仿生學設計，大多采用四足來支撐機器人本體[5]，對復雜環境的適應性強，行走更加自如，越障爬坡功能優越，通過搭載的檢測單元完成巡檢任務，該種機器人技術含量高，系統集成度高。

對比上述3 種巡檢機器人，輪式巡檢機器人不需要鋪設軌道，現場施工量較小，在大面積的巡檢場中使用時維護量較小，但該種機器人的造價較高，在狹小空間作業時，容易誤報警或失去位置。四足巡檢機器人技術大多依賴于國外，國內的成熟技術較少，造價最高，而且四足機器人的運行關節較多，結構復雜，防爆處理比較困難，難以適應煤礦等惡劣環境。煤礦瓦斯抽采泵站的場所固定，站內水環真空泵系統及管路布置規整，從巡檢機器人的成本造價和可靠性角度分析，應用吊軌式巡檢機器人最為合理，其可充分利用瓦斯抽采泵站上方的空間，通過鋪設軌道來搭建巡檢路徑，可以對環境參數、危險氣體、圖像采集及溫度等進行實時檢測，實現了對瓦斯抽采泵站的遠程監控和無人化智能巡檢。

2 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人基本組成

吊軌式巡檢機器人的本體在內部驅動單元的牽引下，按預先鋪設好的軌道在泵站內巡檢，由充電單元給其充電，機器人本體上搭載有攝像機、紅外溫度熱成像儀、危險氣體探測傳感器及照明燈等探測單元，用于檢測瓦斯抽采泵站內的環境狀態，檢測數據通過搭建基站無線傳輸至本地及遠程控制系統，能夠對危險氣體超標、溫度超限及設備運轉異常等狀況進行報警，本地控制系統用于存儲檢測數據并留有通信接口與泵站控制系統通信，出現緊急情況可以停止水環真空泵運行，巡檢機器人系統主要組成如圖1 所示。

圖1 瓦斯泵站巡檢機器人系統組成

3 煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人關鍵技術

3.1 防爆技術

煤礦工作環境中多有瓦斯、粉塵等污染物，所以要求機器人應具有防爆、防塵、防潮、抗腐蝕等功能，其中防爆設計是巡檢機器人在煤礦瓦斯抽采泵站中應用時需重點研究的技術。

3.1.1 驅動單元防爆設計

巡檢機器人驅動單元控制機器人的行走和啟停等功能，驅動單元中電機選型和設計是關鍵，國內隔爆型三相異步電機和增安型三相異步電機為主流產品，功率覆蓋范圍廣，但是應用于類似機器人的小型動力設備中的小功率電機比較少，具有安標認證的電機型號單一，受結構限制該種小功率電機的通用性較差。因此，煤礦巡檢機器人的電機需要單獨進行防爆設計，結合電機功率及性能選擇合適的防爆技術類型。

3.1.2 機器人本體防爆設計

機器人本體是檢測單元的載體，需要具有高可靠性，機器人本體要根據內置的電氣控制單元的功率容量等，確定進行本質安全性防爆處理還是隔爆兼本安型防爆處理。由于搭載了多個檢測元件，檢測元件與機器人本體的控制單元之間的接線引入方式需要進行重點設計。為解決機器人移動有線供電電纜布置不便的問題，機器人內部電路采用低功耗利用電池組供電方式，煤礦井下不允許使用無線充電技術，機器人本體應由防爆充電箱供電，二者通過電纜連接裝置（插頭、插座）連接，由于運行環境中存在高危氣體，在使用時應注意防止產生電火花，做好防爆防靜電處理。

3.2 自主導航定位技術

巡檢機器人自主導航定位技術是實現智能巡檢的核心技術，目前移動機器人的導航方式根據導航指示信號的不同主要分為GPS 導航、激光導航、電磁導航、視覺導航、慣性導航及射頻識別導航等[6]。在煤礦井下應用時GPS 衛星導航信號無法穿過地表，煤礦井下地形復雜、環境低照度、電磁干擾強烈且環境中存在高危氣體，導致定位技術很難在井下應用。煤礦瓦斯抽采泵站采用吊軌式巡檢機器人，巡檢路徑固定，從經濟型和實用性角度分析，適合選用射頻識別導航定位方式，在鋪設好的軌道上設置RIFD 標簽標記位置，根據其在非煤領域變電所的大量應用可知，該種導航定位方式準確率高、成本較低且易于安裝。

3.3 動力電池續航技術

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的本體經過防爆處理后質量增加，驅動單元需要有足夠的驅動力，這就導致驅動電機的功率增加。因此，為應對長時間的自動巡檢任務，動力電池系統需要配置大功率密度電池作為動力電源，并具備自主充電功能，以此來保證機器人能夠持續巡檢。煤礦瓦斯抽采泵站的巡檢機器人的巡檢路徑固定，無需越障，機器人本體所需的動力電源供應電流較為恒定，設計重點在于平衡防爆處理后，機器人本體質量增加與電池滿足高動力輸出之間的關系。機器人動力電池系統要求能夠與控制系統保持通信，控制系統能夠感知機器人本體的電量，當電量不足以進行巡檢時，控制機器人自主運行至充電單元進行充電，以此來保證持續巡檢能力。

3.4 智能控制技術

為減輕巡檢機器人本體的重量，在瓦斯抽采泵站設置本地防爆控制箱，用于接收及存儲來自機器人本體的檢測數據，并控制機器人在無人看管狀態下進行自動巡檢。為減少控制系統的計算工作量，需設計具有通用性及可靠性的自主巡檢算法，確保每次巡檢任務的實效性。

煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人雖然能夠實現自主巡檢及報警功能，但是為了保證安全性仍需人員監控，需建立遠程監控系統，用于遠程監測現場運行狀態并向機器人裝置發送控制指令，由于大部分礦工的文化水平較低，所以系統應直觀、簡便，人機界面需要分配清晰、合理且具備在線故障診斷及報警系統。遠程監控系統與瓦斯泵站本地控制終端之間采用無線通信方式，無線通信方式的選擇需要重點考慮傳輸距離、傳輸信號質量、抗干擾能力以及投入成本等因素。

4 結語

煤礦瓦斯抽采泵站采用巡檢機器人系統代替人工巡檢，能夠在完成巡檢任務的同時提高巡檢效率及可靠性，能夠提升瓦斯抽采泵站的智能化監控水平，符合國家對于智慧礦山建設的整體規劃要求，是普及無人化礦井建設的重要示范性裝備系統。該文探討了煤礦瓦斯抽采泵站巡檢機器人的選型及基本組成，對防爆、自主定位導航、動力巡航及智能控制等關鍵技術進行了分析，以期可以為礦用巡檢機器人的研制和開發提供參考。