智能機器人在寧煤公司智能礦山建設中的應用

The Application of Intelligent Robot in Intelligent Mine Construction of Ningxia Coal Company

JIA Dong-dong

（Jinfeng Coal Mine， CHN Energy Ningxia Coal Industry （Group） Co.， Ltd.， Yanchi 751504， China）

【摘? 要】目前，國家正在大力推廣智能礦山建設，其中智能機器人的使用是智能礦山建設中的關鍵組成部分，智能機器人的廣泛應用可以在一定程度上減輕工人的勞動強度，代替工人在一些較為危險的場所作業，極大地保證了工人的安全。論文主要介紹了寧煤公司在智能礦山建設過程中即將投入使用的幾類機器人，分析其設計思路、原理、結構及應用前景，具有較好的推廣價值。

【Abstract】At present， the state is vigorously promoting the intelligent mine construction， in which the use of intelligent robot is a key part of the intelligent mine construction. The wide application of intelligent robot can reduce the labor intensity of workers to a certain extent， replace workers to work in some dangerous sites， and greatly ensure the safety of workers. The paper mainly introduces several types of robots that will be put into use by Ningxia Coal Company in the process of intelligent mine construction， and analyzes their design ideas， principles， structures and application prospects， which have good promotion value.

【關鍵詞】機器人;智能礦山;示范煤礦

【Keywords】robot; intelligent mine; demonstration coal mine

【中圖分類號】TD67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）02-0178-03

1 智能機器人的應用背景

為貫徹黨中央國務院關于人工智能的決策部署，推動智能化技術與煤炭產業融合發展，提升煤礦智能化水平，促進我國煤炭工業高質量發展，2020年3月，由國家發展改革委、能源局、應急部、煤監局、工信部、財政部、科技部、教育部8部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，2020年11月25日，國家能源局、國家煤礦安全監察局響應8部委號召，下達了《關于開展首批智能化示范煤礦建設的通知》，在71座智能化示范煤礦中，國家能源集團寧夏煤業有限責任公司（以下簡稱“寧煤公司”）下屬的棗泉煤礦、紅柳煤礦、金鳳煤礦赫然在列，3座礦井一次性入選，足見寧煤公司對智能化建設的重視程度。目前，這3座礦井的初步設計已經完成，其中有很大一部分涉及智能機器人的使用。2021年12月28日，工業和信息化部等15部門聯合印發了《“十四五”機器人產業發展規劃》，更加明確了煤礦機器人使用的范圍，寧煤公司結合現場井下工人作業場景，本著減輕工人勞動強度、降低工人作業危險度的原則，以解決實際問題為出發點，提出智能水倉清淤、無人飛艇巡檢、自主噴漿作業等一系列的機器人需求，同時，未來智能機器人的建設能夠有力推動國家相關政策的執行。

2 智能機器人的國內使用情況

目前，國內比較成熟的機器人主要側重于巡檢機器人、采煤機器人、掘進機器人、選矸機器人等，一些關鍵技術的實現，例如，無人駕駛等先進技術，也已經在準能集團黑岱溝露天煤礦地面卡車實現，經過改進，無人駕駛甚至已實現了自主避障。巡檢機器人包括軌道式、輪式、履帶式，可以搭載攝像儀或各類傳感器，可實現照相、氣體濃度探測、紅外探測、自主避障等功能，該類機器人廠家眾多，如神東大柳塔煤礦的山西戴德智能巡檢機器人、同煤大唐塔山煤礦實地應用的中信重工第四代井下巡檢機器人、神東補連塔煤礦上線的天津華寧皮帶巡檢機器人、大柳塔煤礦的危險氣體巡檢機器人、保德煤礦的液壓開槽機器人等。

如果以上機器人都是單個系統使用，那么陜煤集團神木檸條塔礦業公司則將智能機器人做到了集群化研發，2021年7月，開發出了智能化綜合管控與機器人集群協同調度平臺，現有與在研地面及井下機器人近20種，覆蓋《煤礦機器人重點研發目錄》相關機器人種類的40%以上，初步實現集群效應。

在寧煤公司中智能機器人也得到了廣泛使用，其中金鳳煤礦建成的武漢七環變電所軌道巡檢機器人、紅柳煤礦使用的自動焊接機器人、麥垛山煤礦帶式輸送機智能調速系統、靈新洗煤廠的智能選矸機器人，以及覆蓋寧煤公司80%綜采工作面成套自動化設備的使用，都為寧煤公司智能化建設作出了巨大的貢獻。

3 寧煤公司智能機器人的設計思路

寧煤公司機器人的建設借鑒了全國范圍內先進機器人的建設經驗，對于應用成熟的機器人如選矸機器人、軌道巡檢機器人等，直接“復制粘貼”到各礦井使用，在此基礎上寧煤公司與中煤科工集團正在聯合開發井下清淤機器人、主運輸皮帶無人飛艇巡檢機器人、綜采工作面電纜自動拖拽裝置、巷道噴漿機器人共4種較為先進實用的特種礦山井下用機器人。除綜采工作面電纜自動拖拽裝置目前市面上有基礎產品外，其余的3種均為全國范圍內首創，如果研發成功，將填補市場空白。目前，項目正處于研發階段，尚未投入使用[1]。

4 寧煤公司特色機器人概述

4.1 井下清淤機器人

自主化水下清淤機器人要具備滿足自主淤積監測和自主清淤作業要求的探測系統、機械結構、智能控制系統和清淤系統，可實現在線自主淤積層厚度監測、水倉儲水三維空間自主構建、水倉淤積程度和蓄水能力在線評估。研究基于光纖慣導、多普勒計程儀以及模型參考自適應位置推算的水下高精度自主定位技術，使當前及未來礦井機器人實現跨介質定位涉及的初始對準、覆蓋式自主清淤作業、自主返航過程中的高精度定位和導航技術。自主化水下清淤機器人的設計不僅要求具備單體設備排淤能力，還需根據礦井實際清淤排淤工藝進行配套工藝設計及控制策略調整，從而滿足大多數煤礦對于礦井水倉清淤排淤自動化的需求（見圖1）。

該機器人是采用“剛性液壓履帶行走+液壓動力驅動裝置+高效礦用混凝土泵”組成的高效清倉機器人，將稠煤泥通過遠程遙控柱塞泵輸送到采空區。整機為全液壓先導控制，為適應水倉工作環境，電力部分只包括：一臺YBQ22KW礦用隔爆型潛水泵用電動機、一臺KXB120礦用隔爆控制箱（外置電纜拖放裝置）、礦用隔爆型電磁閥及礦用FYF/FYS30無線遙控裝置。為保證機器人可將淤泥推到柱塞泵附近，機器人需要具有一定的軌跡規劃能力，并設置清淤機器人水倉避碰的安全保障機制，因此，提出基于“同步自主避碰+高效清淤”并行自主行為優化方法，研究在非結構環境下自主化清淤機器人高效可靠清淤作業、自主返航等作業流程中自主避碰與軌跡規劃方法，實現高精度局部環境探測和在線全局地圖構建相結合的路徑規劃。

水倉清淤機器人作業過程中設置3個工作區，每個工作區放置一臺柱塞泵。柱塞泵固定預埋至水倉底部坑槽內，上面鋪設格柵板，泵送的淤泥通過固定的管路泵送至緩沖攪拌設備。清淤機器人按照規劃路徑，通過程序控制，把每個工作區泵送設備周圍的淤泥源源不斷地推至泵送輸入口。為提高工作效率，巷道每隔40 m布置一組泵送裝置，分為3個工作區，機器人在某一工作區工作時，該泵開始工作。

機器人由淤泥鏟裝置、行走裝置、液壓動力系統、環境感知系統、無線遙控電氣系統和卷纜收放裝置等組成，按照設置自主或人工遙控完成清淤作業;清淤機器人驅動液壓部分具有精準控制功能，避免機器人運動時出現不受控制的大幅度動作現象;推土機器人自帶電纜收放功能裝置;全液壓驅動，整個系統要求采用開式回路，具備清淤裝置控制油路、負載反饋式比例多路閥組成的油路（行走等功能油路）;配置有激光傳感器+雙目視覺傳感器，能夠實現與推土機器人推鏟的聯動控制。

水倉機器人攻克的關鍵技術包括自主監測、自主定位、自主導航、自主避障及適應井下水倉惡劣環境的機械、電控技術[2]。

水倉清淤機器人如果研發成功，可以改變煤礦之前依靠人工穿上防水服，進入水倉用礦車或者鏟車人工將淤泥清出的情況，可以節省5～10名清倉人員，沒有人員進入水倉作業，大大提高了安全性，同時，減少了局部通風機的使用，更有利于節能。

全程無人干預、自主檢測、避障、清淤高度集成化的機器人設計相信在不久的將來一定能在煤礦井下水倉內發揮巨大的作用。

4.2 井下無人飛艇機器人

寧煤公司第二項開創性的機器人當屬井下無人飛艇機器人（見圖2），該飛艇采用蠕動飛行技術，蠕動飛行是利用仿生學原理，通過蒙皮材料與巷道頂部摩擦，艇體扭動、擺動形成動力，使飛艇緩慢沿巷道頂部攀爬飛行的一種飛行技術。機身內充滿氦氣，氦氣比重低，約大氣密度的1/10，1 m3約1 kg浮力，可為飛艇提供升力。飛艇艇體外膜材料要容納氦氣，本身重量要低，要具有一定強度，彈性要好，不易刺穿，拼接后不漏氣。聚四氟乙烯膜作飛艇氦氣內膽，通過壓鑄加強條，使氣囊充氣前保持一定形狀。多個氣囊串聯，中間使用可變柔性材料連接。中間連接可變柔性材料，具有電場作用下形變能力，通過對其施加電壓，改變材料的彈性。反復有序的控制材料的形變，可實現飛艇的空中扭轉或擺動、伸縮等動作。通過連貫的動作組合，實現飛艇的蠕動飛行。飛行器在井下無法避免尖銳的金屬碰撞摩擦，聚四氟乙烯具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。通過飛行器前緣加固設計和幾何形狀的優化，可有效避免飛艇主動碰撞引起的撕裂或刺穿。飛艇表面材料覆有統一朝向傾斜45°的纖毛，艇體在伸縮蠕動時，纖毛充當棘爪，鉤掛巖面，使艇體移動。通過薄膜內貼沉薄膜天線，使用飛行器可與周邊近場通訊設備進行信息交互，并高效地存儲利用剩余能量[3]。

該飛艇可實現全自主巡檢功能，包括自主起飛、降落、偵檢、傳輸等功能。機身搭載攝像儀及氣體分析設備，可實現遠程拍照、遠程氣體分析及粉塵濃度測定，代替工人在布滿粉塵的巷道內巡檢，飛艇經過通訊基站信號覆蓋范圍時，將現場情況的照片及傳感器數據通過網絡傳遞到指揮中心，并可對采集的飛行、掃描等數據進行分析，為決策提供數據支持。系統支持多媒體形式發布信息，能以不同的模式按照區域顯示態勢、文本、表格和音視圖像信息。

無人飛艇攻克的關鍵技術主要有：自主起飛、巡檢、遠程監測、抓拍、信號傳輸及外皮材料的選用。

該飛艇設計在紅柳煤礦主斜井帶式輸送機上巡檢使用，設計續航時間為1 h，續航里程不小于1 000 m，可實現對主運輸帶式輸送機連續巡檢。該技術是首次應用到井下，如果能夠成功使用，可以替代人工巡檢，每天減少3名巡檢人員，將巡檢人員從煤塵飛揚的環境中徹底解放。

4.3 井下噴漿機器人

煤礦井下噴漿作業時，噴漿料用混凝土料噴到巷道壁上時會大幅度回彈，噴漿機攪拌過程中也會揚起大量的水泥灰，造成空氣極度污濁，吸入的混凝土顆粒對人體危害極大，極易造成職業病，噴漿機器人的研發就是為了解決這個難題（見圖3）。

噴漿機器人是應用于井下巷道，能夠多角度噴射混凝土的一種智能作業機器人，主要由行走機構、機械臂、噴漿工具端、驅動模塊、智能感知模塊、控制模塊和通信模塊組成。機器人的作業流程：首先通過人工對作業面進行作業區域范圍規劃，機器人機載激光雷達對已規劃面進行激光掃描建模，構建作業面三維數字模型。其次計算機通過三維數字模型計算機械臂運動軌跡及作業面施工量，地面調度人員按施工量配送混凝土及調度罐車，罐車及泥漿泵車到位后，展開噴漿作業施工。最后噴漿作業施工結束，即可對已完成作業面進行激光二次建模，并將該數據上傳數據中心。重復上述步驟，完成巷道噴漿支護掘進工作。具體指標：移動速度（空載）中最大移動速度1 m/s;噴漿回彈率低于20%;連續工作時間不低于3 h。

該機器人攻克的關鍵技術包括：噴漿臂運動軌跡計算、三維自主建模、自主計算噴漿用量。該機器人率先全套在棗泉煤礦設計使用，如果能夠實驗成功，可以減少2～3名噴漿人員，只留2～3名上料人員在后巷補充上料即可，噴漿總作業人數可以從原來的6人減少到3人。

4.4 其他先進技術的應用

除了以上機器人外，寧煤公司計劃使用撿矸機器人、主運巡檢機器人、綜采工作面電纜自動拖拽裝置、綜采工作面沿空留巷擋矸支架、綜采智能化開采控制技術、智能掘進技術、高低壓開關柜“五遙”功能改造、基于UWB技術的精確人員定位技術、5G車輛無人駕駛、副立井提升系統電梯智能化改造、綜采工作面TGIS透明開采技術、智能安檢、智能采暖、智能供水、智能通風、智能潤滑以及大量機房硐室無人化改造等先進技術。本次智能化建設覆蓋面廣、涵蓋專業多、改造技術多樣，能夠大幅度提高煤礦智能化水平，為3個國家示范礦井達到中級標準提供支持。

5 結語

煤礦井下機器人的廣泛使用，響應國家政策，能夠大幅度替代工人從事危險作業，相信不久的將來我國會出現一大批更先進更智能的產品，形成一個以煤礦機器人為核心的產業鏈，持續不斷地推動煤礦行業的蓬勃發展。

【參考文獻】

【1】王國法院士：煤礦智能化十大“痛點”解析及對策[J].智能礦山，2021，2（3）：1-4.

【2】王國法.煤礦智能化十大“痛點”解析及對策[J].企業觀察家，2021（7）：95-97.

【3】王國法，任懷偉，趙國瑞，等.煤礦智能化十大“痛點”解析及對策[J].工礦自動化，2021，47（6）：1-11.

【作者簡介】賈冬冬（1984-），男，山西洪洞人，工程師，從事煤礦設備研究。