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(shè)，其中智能機(jī)器人的使用是智能礦山建設(shè)中的關(guān)鍵組成部分，智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用可以在一定程度上減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，代替工人在一些較為危險(xiǎn)的場所作業(yè)，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(shè)過程中即將投入使用的幾類機(jī)器人，分析其設(shè)計(jì)思路、原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用前景，具有較好的推廣價(jià)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(guān)鍵詞】機(jī)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(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）02-0178-03

1 智能機(jī)器人的應(yīng)用背景

為貫徹黨中央國務(wù)院關(guān)于人工智能的決策部署，推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，促進(jìn)我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2020年3月，由國家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財(cái)政部、科技部、教育部8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2020年11月25日，國家能源局、國家煤礦安全監(jiān)察局響應(yīng)8部委號召，下達(dá)了《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》，在71座智能化示范煤礦中，國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)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(shè)的重視程度。目前，這3座礦井的初步設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，其中有很大一部分涉及智能機(jī)器人的使用。2021年12月28日，工業(yè)和信息化部等15部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，更加明確了煤礦機(jī)器人使用的范圍，寧煤公司結(jié)合現(xiàn)場井下工人作業(yè)場景，本著減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低工人作業(yè)危險(xiǎn)度的原則，以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，提出智能水倉清淤、無人飛艇巡檢、自主噴漿作業(yè)等一系列的機(jī)器人需求，同時(shí)，未來智能機(jī)器人的建設(shè)能夠有力推動(dòng)國家相關(guān)政策的執(zhí)行。

2 智能機(jī)器人的國內(nèi)使用情況

目前，國內(nèi)比較成熟的機(jī)器人主要側(cè)重于巡檢機(jī)器人、采煤機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)器人、選矸機(jī)器人等，一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，例如，無人駕駛等先進(jìn)技術(shù)，也已經(jīng)在準(zhǔn)能集團(tuán)黑岱溝露天煤礦地面卡車實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)，無人駕駛甚至已實(shí)現(xiàn)了自主避障。巡檢機(jī)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(shí)現(xiàn)照相、氣體濃度探測、紅外探測、自主避障等功能，該類機(jī)器人廠家眾多，如神東大柳塔煤礦的山西戴德智能巡檢機(jī)器人、同煤大唐塔山煤礦實(shí)地應(yīng)用的中信重工第四代井下巡檢機(jī)器人、神東補(bǔ)連塔煤礦上線的天津華寧皮帶巡檢機(jī)器人、大柳塔煤礦的危險(xiǎn)氣體巡檢機(jī)器人、保德煤礦的液壓開槽機(jī)器人等。

如果以上機(jī)器人都是單個(gè)系統(tǒng)使用，那么陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)公司則將智能機(jī)器人做到了集群化研發(fā)，2021年7月，開發(fā)出了智能化綜合管控與機(jī)器人集群協(xié)同調(diào)度平臺(tái)，現(xiàn)有與在研地面及井下機(jī)器人近20種，覆蓋《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》相關(guān)機(jī)器人種類的40%以上，初步實(shí)現(xiàn)集群效應(yīng)。

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

3 寧煤公司智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

寧煤公司機(jī)器人的建設(shè)借鑒了全國范圍內(nèi)先進(jìn)機(jī)器人的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對于應(yīng)用成熟的機(jī)器人如選矸機(jī)器人、軌道巡檢機(jī)器人等，直接“復(fù)制粘貼”到各礦井使用，在此基礎(chǔ)上寧煤公司與中煤科工集團(tuán)正在聯(lián)合開發(fā)井下清淤機(jī)器人、主運(yùn)輸皮帶無人飛艇巡檢機(jī)器人、綜采工作面電纜自動(dòng)拖拽裝置、巷道噴漿機(jī)器人共4種較為先進(jìn)實(shí)用的特種礦山井下用機(jī)器人。除綜采工作面電纜自動(dòng)拖拽裝置目前市面上有基礎(chǔ)產(chǎn)品外，其余的3種均為全國范圍內(nèi)首創(chuàng)，如果研發(fā)成功，將填補(bǔ)市場空白。目前，項(xiàng)目正處于研發(fā)階段，尚未投入使用[1]。

4 寧煤公司特色機(jī)器人概述

4.1 井下清淤機(jī)器人

自主化水下清淤機(jī)器人要具備滿足自主淤積監(jiān)測和自主清淤作業(yè)要求的探測系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)和清淤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在線自主淤積層厚度監(jiān)測、水倉儲(chǔ)水三維空間自主構(gòu)建、水倉淤積程度和蓄水能力在線評估。研究基于光纖慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀以及模型參考自適應(yīng)位置推算的水下高精度自主定位技術(shù)，使當(dāng)前及未來礦井機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)定位涉及的初始對準(zhǔn)、覆蓋式自主清淤作業(yè)、自主返航過程中的高精度定位和導(dǎo)航技術(shù)。自主化水下清淤機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅要求具備單體設(shè)備排淤能力，還需根據(jù)礦井實(shí)際清淤排淤工藝進(jìn)行配套工藝設(shè)計(jì)及控制策略調(diào)整，從而滿足大多數(shù)煤礦對于礦井水倉清淤排淤自動(dòng)化的需求（見圖1）。

該機(jī)器人是采用“剛性液壓履帶行走+液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置+高效礦用混凝土泵”組成的高效清倉機(jī)器人，將稠煤泥通過遠(yuǎn)程遙控柱塞泵輸送到采空區(qū)。整機(jī)為全液壓先導(dǎo)控制，為適應(yīng)水倉工作環(huán)境，電力部分只包括：一臺(tái)YBQ22KW礦用隔爆型潛水泵用電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)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(jī)器人可將淤泥推到柱塞泵附近，機(jī)器人需要具有一定的軌跡規(guī)劃能力，并設(shè)置清淤機(jī)器人水倉避碰的安全保障機(jī)制，因此，提出基于“同步自主避碰+高效清淤”并行自主行為優(yōu)化方法，研究在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自主化清淤機(jī)器人高效可靠清淤作業(yè)、自主返航等作業(yè)流程中自主避碰與軌跡規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)高精度局部環(huán)境探測和在線全局地圖構(gòu)建相結(jié)合的路徑規(guī)劃。

水倉清淤機(jī)器人作業(yè)過程中設(shè)置3個(gè)工作區(qū)，每個(gè)工作區(qū)放置一臺(tái)柱塞泵。柱塞泵固定預(yù)埋至水倉底部坑槽內(nèi)，上面鋪設(shè)格柵板，泵送的淤泥通過固定的管路泵送至緩沖攪拌設(shè)備。清淤機(jī)器人按照規(guī)劃路徑，通過程序控制，把每個(gè)工作區(qū)泵送設(shè)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(gè)工作區(qū)，機(jī)器人在某一工作區(qū)工作時(shí)，該泵開始工作。

機(jī)器人由淤泥鏟裝置、行走裝置、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、無線遙控電氣系統(tǒng)和卷纜收放裝置等組成，按照設(shè)置自主或人工遙控完成清淤作業(yè);清淤機(jī)器人驅(qū)動(dòng)液壓部分具有精準(zhǔn)控制功能，避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)不受控制的大幅度動(dòng)作現(xiàn)象;推土機(jī)器人自帶電纜收放功能裝置;全液壓驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)要求采用開式回路，具備清淤裝置控制油路、負(fù)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?qū)崿F(xiàn)與推土機(jī)器人推鏟的聯(lián)動(dòng)控制。

水倉機(jī)器人攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括自主監(jiān)測、自主定位、自主導(dǎo)航、自主避障及適應(yīng)井下水倉惡劣環(huán)境的機(jī)械、電控技術(shù)[2]。

水倉清淤機(jī)器人如果研發(fā)成功，可以改變煤礦之前依靠人工穿上防水服，進(jìn)入水倉用礦車或者鏟車人工將淤泥清出的情況，可以節(jié)省5～10名清倉人員，沒有人員進(jìn)入水倉作業(yè)，大大提高了安全性，同時(shí)，減少了局部通風(fēng)機(jī)的使用，更有利于節(jié)能。

全程無人干預(yù)、自主檢測、避障、清淤高度集成化的機(jī)器人設(shè)計(jì)相信在不久的將來一定能在煤礦井下水倉內(nèi)發(fā)揮巨大的作用。

4.2 井下無人飛艇機(jī)器人

寧煤公司第二項(xiàng)開創(chuàng)性的機(jī)器人當(dāng)屬井下無人飛艇機(jī)器人（見圖2），該飛艇采用蠕動(dòng)飛行技術(shù)，蠕動(dòng)飛行是利用仿生學(xué)原理，通過蒙皮材料與巷道頂部摩擦，艇體扭動(dòng)、擺動(dòng)形成動(dòng)力，使飛艇緩慢沿巷道頂部攀爬飛行的一種飛行技術(shù)。機(jī)身內(nèi)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(qiáng)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(nèi)膽，通過壓鑄加強(qiáng)條，使氣囊充氣前保持一定形狀。多個(gè)氣囊串聯(lián)，中間使用可變?nèi)嵝圆牧线B接。中間連接可變?nèi)嵝圆牧希哂须妶鲎饔孟滦巫兡芰?，通過對其施加電壓，改變材料的彈性。反復(fù)有序的控制材料的形變，可實(shí)現(xiàn)飛艇的空中扭轉(zhuǎn)或擺動(dòng)、伸縮等動(dòng)作。通過連貫的動(dòng)作組合，實(shí)現(xiàn)飛艇的蠕動(dòng)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(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)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(shè)計(jì)和幾何形狀的優(yōu)化，可有效避免飛艇主動(dòng)碰撞引起的撕裂或刺穿。飛艇表面材料覆有統(tǒng)一朝向傾斜45°的纖毛，艇體在伸縮蠕動(dòng)時(shí)，纖毛充當(dāng)棘爪，鉤掛巖面，使艇體移動(dòng)。通過薄膜內(nèi)貼沉薄膜天線，使用飛行器可與周邊近場通訊設(shè)備進(jìn)行信息交互，并高效地存儲(chǔ)利用剩余能量[3]。

該飛艇可實(shí)現(xiàn)全自主巡檢功能，包括自主起飛、降落、偵檢、傳輸?shù)裙δ堋C(jī)身搭載攝像儀及氣體分析設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程拍照、遠(yuǎn)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(nèi)巡檢，飛艇經(jīng)過通訊基站信號覆蓋范圍時(shí)，將現(xiàn)場情況的照片及傳感器數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到指揮中心，并可對采集的飛行、掃描等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為決策提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)支持多媒體形式發(fā)布信息，能以不同的模式按照區(qū)域顯示態(tài)勢、文本、表格和音視圖像信息。

無人飛艇攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有：自主起飛、巡檢、遠(yuǎn)程監(jiān)測、抓拍、信號傳輸及外皮材料的選用。

該飛艇設(shè)計(jì)在紅柳煤礦主斜井帶式輸送機(jī)上巡檢使用，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間為1 h，續(xù)航里程不小于1 000 m，可實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)連續(xù)巡檢。該技術(shù)是首次應(yīng)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(yáng)的環(huán)境中徹底解放。

4.3 井下噴漿機(jī)器人

煤礦井下噴漿作業(yè)時(shí)，噴漿料用混凝土料噴到巷道壁上時(shí)會(huì)大幅度回彈，噴漿機(jī)攪拌過程中也會(huì)揚(yáng)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(yè)病，噴漿機(jī)器人的研發(fā)就是為了解決這個(gè)難題（見圖3）。

噴漿機(jī)器人是應(yīng)用于井下巷道，能夠多角度噴射混凝土的一種智能作業(yè)機(jī)器人，主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、噴漿工具端、驅(qū)動(dòng)模塊、智能感知模塊、控制模塊和通信模塊組成。機(jī)器人的作業(yè)流程：首先通過人工對作業(yè)面進(jìn)行作業(yè)區(qū)域范圍規(guī)劃，機(jī)器人機(jī)載激光雷達(dá)對已規(guī)劃面進(jìn)行激光掃描建模，構(gòu)建作業(yè)面三維數(shù)字模型。其次計(jì)算機(jī)通過三維數(shù)字模型計(jì)算機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡及作業(yè)面施工量，地面調(diào)度人員按施工量配送混凝土及調(diào)度罐車，罐車及泥漿泵車到位后，展開噴漿作業(yè)施工。最后噴漿作業(yè)施工結(jié)束，即可對已完成作業(yè)面進(jìn)行激光二次建模，并將該數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)中心。重復(fù)上述步驟，完成巷道噴漿支護(hù)掘進(jìn)工作。具體指標(biāo)：移動(dòng)速度（空載）中最大移動(dòng)速度1 m/s;噴漿回彈率低于20%;連續(xù)工作時(shí)間不低于3 h。

該機(jī)器人攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括：噴漿臂運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算、三維自主建模、自主計(jì)算噴漿用量。該機(jī)器人率先全套在棗泉煤礦設(shè)計(jì)使用，如果能夠?qū)嶒?yàn)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(bǔ)充上料即可，噴漿總作業(yè)人數(shù)可以從原來的6人減少到3人。

4.4 其他先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

除了以上機(jī)器人外，寧煤公司計(jì)劃使用撿矸機(jī)器人、主運(yùn)巡檢機(jī)器人、綜采工作面電纜自動(dòng)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(shù)、智能掘進(jìn)技術(shù)、高低壓開關(guān)柜“五遙”功能改造、基于UWB技術(shù)的精確人員定位技術(shù)、5G車輛無人駕駛、副立井提升系統(tǒng)電梯智能化改造、綜采工作面TGIS透明開采技術(shù)、智能安檢、智能采暖、智能供水、智能通風(fēng)、智能潤滑以及大量機(jī)房硐室無人化改造等先進(jìn)技術(shù)。本次智能化建設(shè)覆蓋面廣、涵蓋專業(yè)多、改造技術(shù)多樣，能夠大幅度提高煤礦智能化水平，為3個(gè)國家示范礦井達(dá)到中級標(biāo)準(zhǔn)提供支持。

5 結(jié)語

煤礦井下機(jī)器人的廣泛使用，響應(yīng)國家政策，能夠大幅度替代工人從事危險(xiǎn)作業(yè)，相信不久的將來我國會(huì)出現(xiàn)一大批更先進(jìn)更智能的產(chǎn)品，形成一個(gè)以煤礦機(jī)器人為核心的產(chǎn)業(yè)鏈，持續(xù)不斷地推動(dòng)煤礦行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王國法院士：煤礦智能化十大“痛點(diǎn)”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(diǎn)”解析及對策[J].企業(yè)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(diǎn)”解析及對策[J].工礦自動(dòng)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(shè)備研究。