密閉巷道啟封智能機器人平臺的開發與應用

謝華東 付 偉 秦存利

（1.兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

為了保證啟封密閉時工作人員的安全，保證整個礦井及礦內設備的安全，不影響礦內正常的安全生產，啟封前必須有礦技術負責人、通風隊長、瓦檢員一起在現場指揮[1-3]；對啟封后有毒有害氣體可能到達的地點全部停止作業，停電撤人；對啟封地點進行通風，降低有毒有害氣體的濃度；在瓦斯和二氧化碳濃度均達到規定要求，其他有毒有害氣體均達到安全規程規定時，方可啟封[4-5]。為了保障巷道啟封的安全性，需要盡量減少井下工作人員，對密閉巷道進行探險（危險氣源的測定、密閉巷道場景識別）[6-7]。基于此，展開密閉巷道啟封潛在危害動態感知與預警技術的研究以提高密閉巷道啟封的安全與效率，對煤礦“安全開采”“綠色開采”具有重要的現實意義，有利于進一步提高煤礦安全生產效率，保障人員安全，符合國家能源發展戰略與區域能源轉換規劃。

1 礦井及密閉巷道概況

東灘煤礦為低瓦斯礦井，瓦斯相對涌出量為0.12 m3/t，絕對涌出量為1.64 m3/min；二氧化碳相對涌出量為1.13 m3/t，絕對涌出量為15.38 m3/min。根據生產接續需要，需啟封四采南部進風行人巷、45 運邊界提，啟封密閉位于45 運邊界提與西翼1#總回風巷交點以西2 m 處，為磚閉+混凝土噴漿結構，四采南部進風行人巷為煤巷，45 運邊界提為巖巷。封閉區域巷道斷面積約18 m2，啟封巷道長度1050 m。

2 機器人平臺的開發

為了保障密閉巷道啟封的安全進行，不影響礦內正常的安全生產，盡量減少井下工作人員，實現井下密閉巷道智能化探險。該智能移動機器人控制系統采用上、下位機分布式結構。上位機負責控制系統的決策和運算，下位機由多個微控制器組成，每個微控制器含有一個CPU 控制相應設備運行與數據通訊采集，這些微控制器和主控機通過標準總線聯系。分布式控制系統為開放式控制系統，可以根據實際需求增加微控制器個數來滿足控制系統性能需求。移動機器人本體平臺電氣系統如圖1。該機器人平臺主要有以下優點：

圖1 移動機器人本體平臺電氣系統框架

（1）機器人集成多源傳感器，能夠實現密閉巷道的危險氣體甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等濃度和溫度場溫度的數據采集和處理，可對啟封后有毒有害氣體可能到達的地點及其濃度進行監測，各種傳感器的曲線隨深入距離/位置變化，容易判斷危險氣源變化趨勢。

（2）巷道場景識別。為了實現井下密閉巷道實際情況的可視化，將紅外成像集成到了前端云臺攝像頭，可變焦旋轉，圖像采集會對應不同的深入距離，隔一定距離如1 m 采集一幀，并保存。傳輸視頻/存儲視頻中，圖像、傳感器數據等也具有自動存儲功能，能夠實時掌握井下密閉巷道實際情況。

3 機器人平臺的現場應用

密閉巷道開了邊長約為1.5 m 正方形開口，密閉巷道靠近風門部分長約40 m，在密閉墻上進行破壁，利用機器人遙控器控制機器人沿巷道走向采集規定路線上的氣體（瓦斯、CO）濃度及溫度數據，現場實測數據見表1。

表1 智能機器人多源監測數據表

控制前端云臺旋轉，云臺攝像頭紅外成像，自動生成圖像保存至控制臺。

續表:

4 應用效果及分析

智能機器人平臺實現了密閉巷道內多源數據的同時監測及巷道三維場景識別，及時掌握了密閉巷道內危險源信息，對安全啟封標準進行了準確判定。智能機器人沿密閉巷道緩慢行走進行密閉巷道危險源探測，多源智能傳感器監測數據顯示密閉巷道內H2S 和CO 濃度均為0，甲烷濃度約為0.004 6%，未出現危險氣源濃度超標，且通過觀察機器人對密閉巷道內的場景識別錄像與拍照內容，查看閉前巷道頂板及兩幫情況，未發現不安全因素，確保了后續啟封工作的安全順利進行。