煤矿机器人的发展现状及应用

李浩 张瑞平，2 李城磊

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037000；2.山西大同大学机电工程学院，山西 大同 037000)

2020年2月，国家能源局联合多个部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出要深入推进煤炭开发和提高煤矿智能化水平，重点煤矿企业要从基础上完成工作面环境少人甚至无人化，到2025年大型煤矿和灾害严重煤矿要基本实现智能化。受限于矿井下恶劣及复杂的作业环境，煤矿机器人的研发应用一直是是机器人技术领域的难题之一。为了响应国家煤矿智能化的号召，煤矿机器人研发及产业化应用势在必行。随着5G技术及人工智能的兴起，为煤矿机器人的研发提供了技术支持与保障。

1 机器人助力煤矿智能化升级

在当代工业中，机器人指能自动处理及完成任务的人造机器装置，用以替代或帮助人类工作，煤矿机器人特指完成掘进、采矿、通风、运输、选煤等工作任务的机器人。在煤矿智能化建设进程中，由事故频发、劳动密集、自动化程度低的传统矿井转变为安全高效、技术密集、无人化的智能矿井，煤矿机器人无疑是推进智能化煤矿建设的基础，机器人技术的应用可有目的性地解决特殊岗位的困难，减少煤矿事故的发生率，提高煤炭的开采效率[1-2]。

当前，对煤矿机器人的研究已成为热点问题。鉴于此，我国煤监局根据煤矿工作用途将煤矿机器人分为了掘进、采煤、救援、安控以及运输五大类煤矿机器人，又将其五大类具体分为了38种煤矿机器人，如图1所示。其中掘进和采煤机器人主要为煤矿进行生产及开采；煤矿救援机器人主要应用于煤矿出现事故后的探测及救援，即在事故发生后迅速进入井下开展受灾人员搜救等工作；安控机器人主要应用于煤矿中的各种作业环境下的安全参数监测、设备状态评估诊断以及安全预警等功能；运输机器人主要应用于不同煤矿环境下对于煤炭、煤机装备及人员的运输。煤矿机器人的种类正好涵盖了煤矿中各种高危岗位的作业，可以将矿工从不稳定的工作环境中解放出来。

图1 煤矿机器人分类

2 各类煤矿机器人的“入驻”及其特色

2.1 掘进类

国内外目前广泛采用的三种掘进技术——综合机械化掘进技术、连续采煤机掘进技术、掘锚一体化掘进技术，都需要不同的配套设备，并且有各自的适应性。国内的相关设备与国外都有很大差距。煤矿掘进机器人不是单一的个体，而是一套机器群组，这套机器群组要完成钻探、支护、锚固、装载运输等一系列任务。掘进机器人群组要求能够随时通过传感器收集到矿井环境的信息，自主做出最适合掘进生产的方案，再回馈给执行机器人，最后机器人之间协调配合完成任务。此外，机器人群组还应具有自主定位与自动驾驶功能，能够自主进行煤岩识别与切割，并及时反馈信息于地面操控中心。

对于掘进类的机器人，真正智能化的煤矿机器人群组目前还不能应用到生产中。国内较为先进的是机器人化的掘进设备，如久益12CM30型掘锚机，采用集成锚固系统，截割和锚固可同时进行；太原煤炭研究院将掘装功能与锚杆钻机结合，研发的机器人化掘进群组集成了截割、装运、锚杆支护等功能，扩大了适用范围，提升了掘进效率。2020年9月10日，陕煤榆北煤业正式投入使用国内第一套煤矿智能快速掘进机器人系统。煤矿智能快速掘进机器人系统的研制与应用，攻破了煤矿井下复杂地质条件的智能掘进难题，可存在多岗位作业同步进行，减少了掘进工作岗位的工人，显著降低了生产过程中事故的发生率；而煤炭的生产效率却大大提高[3]。

最近几年来，随着智能矿山无人化开采工作面理论的提出，涌现出众多的公司参与到煤矿智能化掘进技术的研发中来，其中西安重装西煤机公司以陕煤为平台，研发出了安全可靠的煤矿智能化快速掘锚成套装备。其所投用的掘进机器人系统，宽6.5 m、高4～4.5 m，提高效率至60%以上；掘进工作面操作人员减少至8人，不仅提高了矿井掘进的速度与效率，而且能有效地提高支护的质量。该系统的研制应用将推动实现煤矿井下的巷道安全与智能化生产。

2.2 采煤类

采煤工作面的自动化技术已经成熟，但从自动化割煤到智能化割煤，体现着割煤技术质的飞跃，基础机械自动化与智能化的结合，为未来的采煤机器人AI算法预测割煤技术的实现奠定了基础。“煤矿机器人+AI”实现智能自主感知、最优分析决策和知识学习进化，从而形成矿山立体感知、自主学习、协同控制的完整智能系统。目前，机器人轻质材料、动力供给、智能化传感与识别等核心技术尚不成熟，而且超前支护机器人、充填支护机器人等机器人需要更先进且精密的技术，且研究起来困难相对比较大，未来这几种机器人仍是采煤类机器人研究的重要方向。

神东煤炭集团锦界煤矿投入使用了新型的采煤工作面机器人群，该机器人群可进行自主预测或记忆采煤，采用各种传感器感知割煤数据，用智能AI算法结合人工操作经验预测割煤，计算出最优截割轮廓线，反馈到割煤程序中，且该机器人群均可由井上控制台集中配合控制，采煤过程智能化程度高，不仅代替了人工操作，且优于人工操作。这让锦界煤矿采煤工作面实现了国家所倡导的无人与智能化煤矿建设，提高了锦界煤矿的采煤效率，进一步推动了该矿的智能化矿山建设。

2.3 运输类

在煤矿中，煤炭运输是煤矿岗位中不可或缺的一部分，主要有煤矿井下主运输与矿井辅助运输以及露天矿运输。如今随着科技的进步和5G时代的来临，矿山运输设备也逐步实现智能化，矿山运输正在向无人值守智能化时代迈步[4]。随着前几年机器人技术的发展，在《煤矿机器人重点研发目录》中，运输类煤矿机器人一共列出11种，文献[4]中根据其机器人属性分为了3类，如图2所示。对于运输机器人来说，其先进的实时目标检测、导航定位、自主避障、路径规划与轨迹跟踪控制等核心技术成为了各大公司研究改进并投入市场的一大挑战。

图2 运输机器人详细分类

前几年对于煤矿企业来说，机械臂主导的运输机器人依旧很少应用在煤矿工作中。但随着机械臂机器人技术的稳定，智能选矸机器人近期出现在大众视野。2019年潞安集团常村煤矿正式引进首台“智能选矸机器人”代替人工选矸，这标志着潞安在建设绿色、环保、智能化矿山方面迈出了一大步，同时选矸机器人将工人从嘈杂、高强度的恶劣环境中解放出来，起到了“减人增效”的作用。前几年煤矿中的清理服务型机器人因受到矿井各个储存仓环境恶劣以及其组成清理机器人的构件材料限制而发展缓慢。2020年国家电投内蒙古公司在露天煤矿投入使用了新型研发的煤仓清理机器人。该机器人的入职，使煤仓减少了因物料挂壁堆积形成仓容减小而造成拥堵的现象，同时也提高了煤矿的物料外运速度和效率，还让如此高危险的岗位实现了无人化，做到了真正地“减人增效”。

无人车驾驶技术一直是运输机器人中的重点，但无人驾驶技术一直处于不成熟状态。2019年4月，梅山钢铁公司也开始研究运行了新款无人驾驶运输车，这是全世界首台自主导航无人驾驶运输车。同年5月，包钢白云鄂博铁矿为推动智能化矿山建设，响应国家号召与中国移动合作建设了全世界首个基于5G网络为基础的无人驾驶矿车项目，该项合作的完成可以实现运输矿车的远程控制及精准停靠与自主避障等指令。该项目提高了该矿的采煤运输水平及效率，同时也标志着该矿向智能化矿山建设迈出了历史性的一步。

2.4 安控类

在煤矿生产过程中，安全巡检对于保障煤矿生产有着至关重要的作用。然而传统的人工巡检效率低下，但由于在安全生产中这一步骤必不可少，所以在生产过程中巡检工作必须进行，而利用智能巡检机器人辅助矿井人员进行巡视，可及时发觉矿井设备的异常现象，排除设备运行隐患，提高煤炭开发效率和巡检质量，起到减员增效、安全生产的作用[5-6]。

巡检机器人是专门为复杂的矿井环境下的巡检工作而设计的，其功能为可移动的监测监控平台，属于监测技术与机器人技术相结合的新型技术，装有最新的不同种类的传感器来检测工作环境；同时具有较强的信号传输，可将信息及时反馈地面总控制面。利用智能巡检机器人辅助矿井人员对机械设备进行巡视，可及时发觉矿井设备的异常现象，排除设备运行隐患。

2020年11月18日，神东补连塔煤矿智能矿101胶带机首台胶带机巡检机器人正式上线运行，助力主运系统无人化值守、智能化巡视再上新台阶。补连塔煤矿101主运胶带运输机是一部上仓皮带，长200 m，坡度倾角达到了45°，日常巡视费时费力，且现场为多尘环境，给巡视工作人员职业健康防护带来很大挑战。该款机器人通过上位控制系统音频、视频进行深度分析，具备胶带机沿线环境、设施异常状况和设备故障适时诊断、预警功能，将员工从恶劣作业环境中解放出来，推动技术一流示范矿井建设取得新进展[7]。

综采工作面属于煤矿井下最复杂危险的工作环境，因其环境的复杂，人工巡检一直是危险岗位，尤其是危险气体的巡检属于煤矿井下最复杂危险的工作环境。2021年4月，国内首台自主研制的常态化开展井下危险作业的煤矿巡检机器人进行了工业性试验。这台由晋能控股集团研制的危险气体巡检机器人具备井下全地形行走能力，最大行走速度不低于1.5 m/s，最大越障高度不低于250 mm，最大涉水深度不低于350 mm，连续行走时间不低于2 h。机器人采用远距离无线遥控方式控制，可探测甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气及温度、湿度、压差等环境参数信息，同时具备红外图像采集功能。虽然这台机器人还不能实现智能巡检，但面对井下恶劣环境，其全地形行走能力使其具有了广阔的实用空间。

2.5 救援类

救援类机器人主要是当煤矿发生事故后，面对复杂多变的事故环境，收集井下环境中所探测到的各种温度、湿度以及瓦斯含量等基础信息，并根据所收集到的信息做出相应的数据对比，为救援人员进行救援工作提供信息支持。该类机器人可自主导航定位及通过AI算法自主运动控制来进行事故环境的探索与检测，拥有先进的传感器进行勘测多变的复杂环境，具有较强的信号接收与输送装置，可与地面救援人员进行信息传递；同时该类机器人拥有前沿的防爆控制系统，以应对恶劣的救灾环境，而稳定的控制系统是救援机器人正常运行的基础，对此其控制系统必须拥有高稳定、强可靠、实时性好等基础性能[8]。

2007年开诚智能集团研制出国内首款矿用井下抢险机器人。2016年8月3日，在同煤集团塔山煤矿井下环境中试验了由北京理工大学、中国矿业大学和中科院沈阳自动化所共同承担的国家“863”计划重点项目“煤矿灾害救援机器人的研究开发与应用”。此次三台煤矿环境探测机器人、两台煤矿救援机器人与一台煤矿灭火机器人在塔山煤矿成功运行。该机器人正式投入煤矿使用后，采用机器人进行井下环境监测和搜救将使塔山矿井抢险救灾能力提升到一个新水平。

2021年5月17日救援机器人中的一款新型矿用侦察救援机器人在贵州豫能安顺煤矿试验执行检测任务，该机器人在环境恶劣的情况下，其“火眼金睛”让一切态势尽收眼底，同时还轻松的携带着所需要的救援物资，解决了煤矿救援人员在煤矿井下救援时所面临的人身安全问题及实时环境数据采集不足等问题。某矿用救灾抢险机器人如图3所示。

图3 矿用救灾抢险机器人

3 亟待解决的煤矿机器人核心技术

从“十二五”提出煤矿智能化至今，虽然取得了很大的成就，但仍属于培育成熟阶段，由于煤炭生产环境的特殊性，煤矿机器人的发展仍有许多关键技术亟待解决。

首先，煤矿机器人在复杂的煤矿井下环境工作，安全保护与防爆设计要求极严，关键模块为了达到防爆要求，就需要尺寸、重量等参数加大，无法做到轻量化，从而影响煤矿机器人运动的机动性和灵活性，尤其影响井下复杂地形的适应性。

其次，面对不稳定的工作环境时很容易遇到突发事故，很可能会造成机器人短路、传感器失效或续航能源动力不足等故障。因此煤矿机器人的机械结构以及材料、能源续航能力、远程通信与感知、控制系统等重要部分成为研发所有不同种类煤矿机器人的技术核心。

再次，井下潮湿、光照不足、视线不佳、粉尘大，这些不利因素造成煤矿机器人在信息精准感知、实施目标检测、路径规划与避障智能控制以及其可靠性稳定性等方面是研发应用的一大难题[9-10]。

除此之外，煤矿井下机器人的充电技术、精准导航技术、全地形适应能力、井下机器人群的协作性等，也是目前需要攻克的技术难题。

4 结语

伴随着智能化时代的到来，计算机技术的成熟与5G网络的推广将会为矿山智能化的发展奠定坚实的基础。在全球智能化时代的趋势下，矿山智能化也只是时间问题。而煤矿机器人的出现将有力地推动了煤矿智能化的建设。考虑到国家对煤炭的稳定需求，煤矿生产的恶劣环境以及智能化时代的到来，机器人入驻煤矿岗位是势在必行。在这种发展趋势下，在不久的将来，煤矿生产将会实现真正的无人化。