煤矿机器人现状及发展方向

葛世荣

(中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083)

随着科技的不断进步和对机器人代替人类工作的不断需求，人工智能在煤矿的研究和应用得到了快速发展。《中国制造2025》发展规划提出，要实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能控制以及建设重点领域智能工厂，未来的煤矿将实现生产设备网络化和生产现场无人化，这为智能煤矿发展提供了借鉴性指导。在我国《能源技术革命创新行动计划》中，明确了要提升煤炭开发效率和智能化水平，研发高效建井、快速掘进、智能化工作面等技术，重点煤矿区基本实现工作面无人化，全国采煤机械化程度达到95%以上。

煤矿机器人是依靠自身动力和控制能力来完成各种采矿操作任务的机器。评判煤矿机器人的性能水平包含3个因素，一是智能因素，是指记忆、运算、比较、判断、决策、学习和逻辑推理等感知能力；二是机能因素，是指变通性、通用性或空间占有性等运动能力；三是物理能因素，是指力、速度、可靠性和寿命等负载能力。

根据控制能力的自主程度，煤矿机器人可分为一般煤矿机器人和智能煤矿机器人。一般煤矿机器人是仅有一般编程能力和操作功能的机器人，可认为是一种针对特定采矿任务而有可编程动作的特殊机器。智能煤矿机器人是自控机器人，它具有较为齐全和可靠的传感器和执行器，能够像矿工一样自主完成各类采矿作业任务，它应具备3个要素，即感知要素、反应要素和决策要素。

1 机器人将开创智能采矿新时代

通常把机器人技术发展分为三代。第一代机器人指只有操作器(手)的机器人，以可编程序或示教再现方式工作，不具有对外界信息的反馈能力。第二代机器人指装备各种传感器(如力觉、触觉、视觉等)的机器人，在一定程度上能感知客观环境的变化及动作的结果，即具有对外部信息的反馈能力，能适应客观环境的变化。第三代机器人指智能机器人。智能机器人装有丰富的传感器，并将人工智能技术与机器人相结合，使机器人不仅能够感知环境，而且能够建立并适时修正环境模型，然后根据确定的任务，以实时模型为基础进行问题求解，作出决策及制订规划，并且具有一定的学习功能，它具有高度的自适应性及自治功能。

按照替代功能和应用领域划分，机器人大致可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人3类。工业机器人指具有焊接、切割、搬运、涂装、包装和码垛等功能的机器人；服务机器人包括能够为人类提供家政服务、医疗服务和公共服务的机器人；特种机器人则是指在军事、救灾、极地、高危作业以及采矿等领域所使用的机器人。

在采矿业中，机器人将逐渐代替矿工的劳动，从几千年前的人工挖煤，到100多年前的动力助人采煤，再到几十年前的机械化替人采煤，发展到今天的自动化减人开采，而且最终采矿业会实现无人智能化开采。随着自动化程度的提高，生产效率得到了极大的提高。采矿工具发展历程如图1所示。

图1 采矿工具发展历程

采矿行业中有很多岗位是高危岗位，如果机器人能够替代矿工去完成这些高危作业，将从根源上解决煤炭行业的安全生产问题。煤矿事故死亡人数占比较高的危险岗位主要分布在掘进、采煤、运输、电气、检修、巡检等作业地点。这些危险岗位的井下矿工人数占到近60%，而事故死亡人数高达85%。如果这些高危岗位被机器人所替代，那么将会在提高生产效率的同时，极大程度地降低因煤矿生产事故而死亡的人数。

2019年1月，为了推动工业机器人、智能装备在危险工序和环节替代应用，国家煤矿安全监察局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，聚焦关键岗位、危险岗位，重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了基本要求。

掘进类机器人包括掘进工作面机器人群、掘进机器人、全断面立井盾构机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、喷浆机器人、探水钻孔机器人、防突钻孔机器人、防冲钻孔机器人；采煤类机器人包括采煤工作面机器人群、采煤机机器人、超前支护机器人、充填支护机器人和露天矿穿孔爆破机器人；运输类机器人包括搬运机器人、破碎机器人、车场推车机器人、巷道清理机器人、煤仓清理机器人、水仓清理机器人、选矸机器人、巷道冲尘机器人、井下无人驾驶运输车、露天矿电铲智能远程控制自动装载系统、露天矿卡车无人驾驶系统；安控类机器人包括工作面巡检机器人、管道巡检机器人、通风监测机器人、危险气体巡检机器人、自动排水机器人、密闭砌筑机器人、管道安装机器人、皮带机巡检机器人、井筒安全智能巡检机器人、巷道巡检机器人；救援类机器人包括井下抢险作业机器人、矿井救援机器人、灾后搜救水陆两栖机器人。

2 煤矿机器人研发、应用现状与发展方向

2.1 掘进类机器人

2.1.1 掘进工作面机器人群

掘进工作面机器人群属于掘、支、锚、运一体化智能机组，它由截割系统、临时支护系统、锚固系统、装运系统、行走系统组成，具有掘锚平行作业、多臂钻锚支护、连续破碎运输、长压短抽通风和远程操控等特点。掘进工作面机器人群具有掘进机位姿自动检测、掘进机截割轨迹优化、自适应截割、自主纠偏等特点，能实现自移式掘进-支护-锚固-运输联合机组的自动作业。

图2 掘进工作面机器人群示意图

中国矿业大学主持的国家973计划项目创新设计的掘进工作面机器人群如图2所示。这是针对在现有综掘巷道掘、支、锚的串行作业中存在的支护时间远大于掘进时间以及支锚作业安全隐患大等难题，基于机器人化掘、支、锚联合作业提出的机器人化掘支锚并行作业新工艺，它突破了支护时间过长的技术瓶颈，可实现掘进、支护、锚固并行作业的无人化操作，掘支时间比例从原 1∶2或1∶3缩减到1∶0.4，支护效率提高了5倍以上，掘支总效率提高约2.5倍以上。

2.1.2 掘进机器人

掘进机器人是在掘进机上安装有激光测距仪、激光标靶、线激光发射器、扇面激光发射器和双轴倾角传感器等传感装置，具备定位导航、纠偏、多参数感知、状态监测与故障预判、远程干预等功能。掘进机器人示意图如图3所示，它作为国家863重点项目研究成果，已在石家庄煤机公司批量制造。

图3 掘进机器人示意图

在掘锚机器人方面，连续采煤机加装掘锚一体化功能，配有4台顶锚杆机和2台帮锚杆机，成巷速度可提高65%以上，施工循环时间在30 min以内，正常的日进尺为40～50 m，月进尺1000～1200 m。 还有一种悬臂掘进机的掘锚一体机，在悬臂掘进机上加装液压钻臂，煤巷掘进后对顶板及侧帮快速、安全地锚杆支护，提高掘进效率，减轻工人劳动强度。

盾构隧道掘进机也可认为是一种巷道盾构机器人，它在隧道施工中比较常见，现阶段也被应用在煤矿的掘进施工中。巷道盾构机器人具有切削土体、输送土碴、拼装衬砌、导向纠偏等自动化作业功能。国家能源集团新疆涝坝湾煤矿副井采用了这种盾构机器人，盾构长度为5845 m；新街台阁庙1#矿的斜井盾构长度为6553 m，最大埋深为390 m；神东补连塔煤矿斜井盾构长度为2745 m，坡度为-5.5°，最大埋深为280 m，开挖直径为7.62 m，井筒净直径为6.6 m；澳大利亚Anglo-American煤矿井下斜巷盾构施工长度为300 m。

2.1.3 钻锚机器人

瑞典Atlas Copco公司研制的Boomer钻孔机器人钻进速度可以达到1.6 m/min，是常用的人工气腿式凿岩机的10倍；日本东洋公司生产的钻孔机器人的定位误差能够达到小于50 mm的水平，定位时间为25～40 s；法国的Montabert公司生产的钻孔机器人定位误差仅为10 mm，钻壁一次定位时间约10 s。

法国Secoma公司研发生产的钻装台车，锚支能力可达到每班60～80根锚杆；瑞典Atlas Copco公司研制的锚杆钻装台车，钻装能力为15～30根/h；澳大利亚HYDRAMATIC公司四钻臂锚杆钻机具有支护速度快的特点，能够满足快速掘进的支护要求。同时，我国三一重工集团和石家庄煤机公司也生产国产钻装机。

2.1.4 喷浆机器人

喷浆机器人可替代人工喷浆操作，能解决湿喷台车操控复杂、操控技能要求高、机手劳动强度大的问题。喷浆机器人的覆盖宽度为2.5 m、高度为3.2 m，无死角，施工效率高，喷嘴末端轨迹跟踪误差<12 cm，位置感知误差<2%。山东科技大学研制出了喷浆机器人，中联重工研制出了混凝土湿喷台车。

2.2 采煤类机器人

2.2.1 采煤工作面机器人群

采煤工作面机器人群由机器人化截割、机器人化支护、机器人化导运和机器人化转运四大机组构成。采煤工作面机器人群实现智能化无人操作，除了要具备采煤机、液压支架、刮板输送机的单机智能运行之外，还要实现采煤机、刮板输送机和液压支架之间的智能协同控制；其次，还要实现智能破碎机、智能转载机、智能带式输送机的自适应调控及其与机群的自协同调控；最后是设备状态、故障的地面监控远程感知。采煤工作面机器人群示意图如图4所示，采煤工作面机器人群控制系统如图5所示。

图4 采煤工作面机器人群示意图

2.2.2 采煤机器人

当前的采煤机器人主要是智能化采煤机，它处于示教和简单感知的后二代机器人水平，具有记忆割煤功能以及恒功率、恒扭矩、恒转速等截割方式，采煤机行走与截割联动控制，能够实现远程化、网络化控制。国内生产厂家主要有太重煤机、西安重装和天地科技等公司；国外生产厂家主要有久益、艾柯夫和DBT等公司。目前，采煤机器人远程监控替代了综采机组人工控制，实现了综采作业远程控制，地面远程控制距离可达10 km，井下硐室监控距离能够达到1 km，采取手持遥控距离为0.5 km。

中国矿业大学主持的国家973计划项目，研制出具有5种调控功能的第四代采煤机器人，它以大功率永磁直联电机作为驱动，能够智能识别截割的煤岩界面，具有自主调高、自主调速、自主推进、自主调直和自主纠偏等智能运行能力。第四代采煤机器人五调控示意图如图6所示。

2.2.3 支护机器人

液压支架属于一种程序化控制的承载连杆机械臂，目前已达到一般机器人的水平，它能够自动跟随采煤机移动位置而根据预设的动作参数实现自动拉架、推溜、收打护帮板等动作。目前，国内有天地玛珂和郑州煤机可生产此类支护机器人或控制器，国外生产厂家有德国MARCO公司、EEP公司、蒂芬巴赫公司和美国JOY公司。

图5 采煤工作面机器人群控制系统

图6 第四代采煤机器人五调控示意图

由于煤矿深部开采的围岩具有高应力、强采动和复杂地质条件的特点，智能支护机器人需根据地质条件与矿压规律变化，实现最佳支护状态和姿态的自适应调控。以地质条件、开采技术条件、设备工况、支架工作阻力及围岩变形量等实测数据为基础，建立多信息融合的围岩稳定性监测预警海量数据中心，实现矿压监测信息与液压支架动作信息的实时共享。由此，实现支护机器人的自适应群组协同控制。

支护机器人姿态与围岩、顶煤实现智能耦合，才能实现支架姿态智能调整。布置在顶梁、底座、掩护梁的倾角传感器检测支架顶梁、底座和掩护梁的倾角，布置在立柱和平衡千斤顶内的压力传感器检测支架立柱和平衡千斤顶的受力值。将上述信息传递给液压支架姿态运算处理器，可自动算出该姿态支架的合力作用点的位置， 将运算结果发送到液压支架参数设定比较转换装置，由支架控制器执行立柱自动补偿， 实现液支架顶梁与顶板的智能耦合。支护机器人与顶板智能耦合示意图如图7所示。

图7 支护机器人与顶板智能耦合示意图

2.3 运输类机器人

智能运输系统(ITS: Intellegent Transportation System)是将先进的信息技术、数据通讯技术、电子控制技术、计算机技术等有效地综合运用于运输装备及其运行管理，从而建立起的一个实时、准确、高效、安全的综合运输系统。采矿智能运输系统(MITS: Mining Intellegent Transportation System)是基于感知矿山、物联网、可靠性、无人驾驶、远程监测、自适应调度等先进技术于一体的安全高效、无人化的运载系统。

煤矿智能开采需要实现机器人化无人驾驶的矿井“两车三机”(即电机车、运输车、提升机、带式输送机、刮板输送机)系统。煤矿运输可有两种无人驾驶方式：一种是完全无人驾驶方式(Manless)；另一种是有人但不参与驾驶方式(Driveless)，当运输机器出现故障或因救援而需要人工驾驶时，人工承担驾驶职能。煤矿智能化无人驾驶系统示意图如图8所示。

图8 煤矿智能化无人驾驶系统示意图

2.3.1 机器人化矿井提升机

大型矿井提升机属于弱约束摩擦驱动、大变形的强振动系统，要实现无人驾驶自动化运行，必须具备很多智能机器人的操作功能，例如智能摩擦驱动轮(犹如人的鞋底对摩擦稳定性的调控)、智能制动器(犹如手指拿捏物体时的摩擦力调控)、智能防坠机械臂(犹如人的手臂托举重物时的缓冲力调控)、推车机器人(犹如人力推进车辆时的速度力量协调控制)、托罐机械手(犹如人抬举工件对接时的空间位置调控)。深井提升系统的智能机器人功能示意图如图9所示。

大同煤矿集团麻家梁煤矿的矿井提升系统开创了国内大功率、千万吨级矿井全自动无人驾控提升系统建设先例：

(1)电气控制实现了整个提升系统的全自动化操作。提升电机采用直接转矩控制技术，具有伺服调控性能，实现快速且稳定的力矩控制；

(2)主井箕斗提升的带式输送机、给煤机、定量斗、卸载闸门的操作全自动化完成；副井罐笼提升的罐笼门、承接装置、装车系统的操作也可全自动化完成；

(3)智能制动采用恒减速度制动控制方式，每个制动单元设置传感器对闸瓦间隙、闸衬磨损和弹簧状况在线监测，所有制动器均为并联冗余储备，控制管路均为双路；

(4)安全监控具有绝缘监视设备、提升速度和位置判断、上过卷和下过卷保护、过速保护、提升机闭锁回路、旁路保护和连锁保护等安全保护控制回路。

上述技术使矿井提升机进入不驾驶方式(Driveless)阶段，提升机司机主要负责设备巡检和运行监视等工作。

2.3.2 机器人化主运带式输送机

井下大型带式输送机的机器人化控制是基于带式输送机自适应控制系统，体现为启动自适应、张紧自适应、负载自适应、驱动自均衡、故障自诊断5个方面。中国矿业大学与北京百正创源公司联合研发出机器人化带式输送机系统，滚筒驱动采用永磁电机直接驱动技术，张紧系统采用永磁变频张紧技术，整个系统通过综合控制装置执行驱动系统的智能感知控制策略。该系统具有智能全工况调速控制、智能多点多机动态负载调配与平衡控制、智能力矩调节和输送带打滑抑制、智能张力控制及张紧驱动预测前馈控制、智能化运行状态监控与驱动系统协调控制等功能。超长运距输送带运输系统的驱动及张紧运行无需人为干预，实现了无人化操作。该系统已在伊泰集团红庆河矿井的可伸缩带式输送机投入运行，运输距离为5060 m，运量为3000 t/h。永磁智能张紧与滚筒永磁直驱成套控制系统已在昊华精煤高家梁矿投入运行。

图9 深井提升系统的智能机器人功能示意图

2.3.3 机器人化刮板输送机

刮板输送机在采煤工作面起着举足轻重的作用，它既承担转运回采煤炭的运载任务，还具有采煤机行进导轨的作用，以及牵引液压支架移步的功能。因此，刮板输送机智能化水平不仅影响本机自主运行而且决定采煤机和液压支架的智能控制。

综采工作面“三机”协同控制是指工作面的采煤机、刮板输送机和液压支架相互交换信息，根据三者当前的状态相互配合并紧密协同工作，其原理如图10所示。

“三机”协同控制器包括以下4个模块：

(1)“三机”传感信息集成模块，通过多传感信息的融合和集成，实现对“三机”工作状态的正确判断和故障诊断；

(2)“三机”工作参数匹配模块，基于对“三机”工作状态和环境参数的实时准确感知，实现采煤机、液压支架和刮板输送机的运行参数优化匹配设置；

(3)“三机”协调控制决策模块，实现“三机”协调作业的自适应调控；

(4)工作面环境参数集成模块，实现工作面环境和“三机”关键参数的实时显示、存储、设置故障状态预警参数以及实时报警等。

2.3.4 无人驾驶矿用运输车

无人驾驶汽车是一种智能汽车，属于轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。井下无轨胶轮运输车的自动驾驶技术必须具有自主定位导航、自主测速、智能识别控制信号、智能避障控制以及自适应巡航控制等功能。井下胶轮车定位导航技术系统示意图如图11所示。

图11 井下胶轮车定位导航技术系统示意图

目前，瑞典沃尔沃公司已研发出金属矿的井下FMX无人驾驶运输卡车，在瑞典Boliden矿井(深1.32 km)测试行驶7 km。我国北京矿冶研究院和中信重工也在从事相关技术研发，北京矿冶研究总院研发的地下无人驾驶铲运车能够实现对地下铲运车的实时定位，还可以确定铲运车的行驶姿态，以人工示教方式得到自主导航期望路径，同步记录下司机的加减油门、加减档、方向盘转向角度和转向速度等操作技巧，实现智能化导航控制。

相对于无人驾驶乘用车，无人驾驶矿车在露天矿的发展速度更快。目前，国外多家公司已初步实现L4级别的无人驾驶矿车，率先在露天矿投入运营。2008年日本小松公司将无人驾驶自卸车用于澳大利亚铁矿，可实现1.5 km之外的远程监管无人驾驶运输，只需为每辆车设定运输目的地，车辆便以低于60 km/h速度自动运输作业，至今已累计运输近20亿t矿石。

2019年1月，我国北方重工业集团研制出一台NTE120AT无人驾驶电动轮矿车，车长为10 m、宽为5.5 m、高为5.7 m，载重为110 t，可完成倒车入位、停靠、自动倾卸、轨迹运行、自主避障等自动驾驶任务。2019年4月，新一代无人驾驶框架运输车在梅山钢铁公司运行，这是全球第一台自然导航无人驾驶冶金框架运输车。该车最大载重量可达180 t，定位精度可达1 cm，车辆在道路上的横向/纵向位置精度可达20 cm，空间坐标控制精度可达2 cm，在无卫星导航信号环境下，车辆仍可实现自动驾驶导航定位。2019年5月，中国移动与包头钢铁集团在包钢白云鄂博铁矿建设全球首个基于5G网络支持的无人驾驶矿车工程应用项目，无人驾驶矿车高为6.8 m，载重为170 t，能够实现车辆远程操控、车路融合定位、精准停靠、自主避障等功能。

此外，我国井下轨道电机车也实现了无人驾驶。据报道，湘电重型装备公司研发的65 t无人驾驶电机车，在云南普朗铜矿运行，牵引重量超过600 t，提高了4倍生产效率；2018年5月，无人驾驶电机车在金川集团龙首矿1703水平运行，运行效率提高35%，每班运量增加超过300 t，电机车司机减少8人。

2.4 安控类机器人

2.4.1 工作面巡检机器人

在生产巡检方面，黄陵一号煤矿应用的综采工作面巡检机器人将高清摄像仪和高分辨率的红外热成像摄像仪合为一体，替代井下巡检人员；神南柠条塔矿业公司的带式输送机巡检机器人能够将现场声音、温度、图像等数据记录、分析并实时上传，这两项应用都达到了自动化减人和提高检测准确率的目的。

2.4.2 井巷巡检机器人

井筒安全智能巡检机器人的基本要求为：研发井筒安全智能巡检机器人，具备自主井壁爬行、环境参数检测、支护缺陷与危险源识别、井壁裂纹等状态评估和预警，提升建设期及服役期井筒的安全保障能力。在巷道巡检方面，目前也有相应机器人的研发，同样也是将巷道现场图像、温度等数据记录、分析并实时上传。

2.5 救援类机器人

2.5.1 井下抢险作业机器人

井下抢险作业机器人在巷道塌方、堵塞等狭小空间进行快速抢险救援作业，应具备自主行走、精确定位、井下环境识别、挖掘、钻扩、运送、远程遥控等功能，实现抢险作业无人化。井下抢险作业机器人的主要作用就是代替人工去清堵、清淤、清道。瑞典Brokk公司制造出小尺寸破拆机器人，作业效率是手持风镐的8倍，可用于煤仓清堵作业。

2.5.2 矿井救援机器人

矿井救援机器人主要用于煤矿井下发生水灾、火灾及瓦斯灾害之后的救援行动，应具备自主行走、导航定位、被困人员生命探测、音视频交互、紧急救护物资输送等功能，实现害后的恶劣环境被困人员自主搜寻。1998年美国研发出世界上第一台井下救援机器人，2006年中国矿业大学研制出中国第一台矿山救援机器人。目前，我国取得MA标志的井下探测机器人有唐山开诚集团研制的KQR48矿用侦测机器人(如图12所示)和中国矿业大学研制的ZR矿用探测机器人(如图13所示)。

近年来，国内外对救援机器人研究十分活跃。根据事故类型的不同，救援机器人可以分为消防救援机器人、地震救援机器人、矿山救援机器人、核事故救援机器人和水下救援机器人。美国、德国等西方发达国家对于消防机器人的研究已经取得了一些成果，例如德国的LUF60消防机器人得到了实际应用。我国从1997年开始对消防机器人进行研发，2002年上海强师消防装备有限公司成功研制我国第一台消防灭火机器人。最近，中国中信重工开诚智能装备有限公司研制的消防机器人可拖动2条60 m长充满水的80型水带行走，能够远程控制消防炮回转、俯仰，具有大流量、高射程、多种喷射方式，具有互联网功能、远程诊断功能、环境探测功能、热眼检测功能、声音采集功能、图像采集功能、自主避障功能等。

图12 KQR48矿用侦测机器人

图13 ZR矿用探测机器人

3 结语

机器人将开创煤矿智能发展的美好未来。我国制造业规模大、市场广、门类多、需求紧，在劳动力成本逐渐减弱的现实状况下，面对诸多环境恶劣、劳动强度大的工作环境，市场对工业机器人技术的需求将日渐变得紧迫。在庞大的市场需求的推动下，国产机器人水平正在迅速提升，在已有良好的基础上，我国机器人产业正面临一个快速发展和提升的关键期。

煤炭在我国经济发展中占有举足轻重的地位，一切事物都始于采矿，煤炭开采在机器人应用方面也同样拥有较大的需求和市场，未来的煤矿生产将逐步趋于机器人化，成为一个人工智能非常强大的工业领域。在未来的煤矿，我们将不再看到满面煤灰的煤矿工人们，替代他们的将是一批智能化的机器人矿工。到那时，我国煤矿生产将最大限度地解除各类安全隐患，节省成本，提高效率。