煤矿机器人检测检验技术发展趋势及存在的问题

郭长娜

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

目前煤矿井下安装有视频监视系统等，基本均能实现远处监视功能，但由于视频监视系统存在监视死角，主要依赖于调度人员的人工监看，且不具备智能识别、故障判断、与安全监控系统联动的智能功能，所以不能及时准确的对生产过程及设备运行状态进行监控，因此提高矿井智能化程度，降低矿井工作人员的劳动强度，确保设备的连续运行，及时发现设备存在风险，引进煤矿用机器人非常必要。国家煤矿安监局局长黄玉冶在《2019 世界机器人大会煤矿机器人专题论坛》中指出“煤矿机器人研发应用是坚持以人民为中心发展思想的必然要求，是实现煤矿本质安全的有效举措，是实现煤炭高质量发展的必由之路”[1]。然而，当前煤矿用机器人生产企业越来越多，质量良莠不齐，作为新兴产业，安全标志矿用产品安全标志中心多次组织专家会议，讨论煤矿用机器人的技术要求及检测检验等，这将意味煤矿用机器人的检测检验工作的全面开展将提上日程。

目前，国内外针对于不同用途机器人的实验室检测检验技术处于推进的过程中，尤其煤矿领域机器人的检测检验基本处于起步阶段，各国家煤矿质量监督检测检验中心均未建立完整、专业的检测检验体系，为此分析煤矿机器人在井下高低温、高湿、剧烈振动、环境照度低、电磁干扰及爆炸性气体浓度高等应急救援环境下的爬坡性能、越障性能、防爆安全及充电安全性等主要性能的检测检验技术的发展趋势及存在的问题。

1 国内外现状及发展趋势

国外在20 世纪80 年代末90 年代初就已经开始研究煤矿用机器人，澳大利亚、美国等相继研制了多种煤矿救援机器人，并已用于煤矿救援工作[2]。2006 年初，美国西弗吉尼亚Sago 煤矿发生矿难，造成12 名矿工死亡，事故发生后，美国劳工部矿业安全与卫生局通过深孔向井下派出了1 个救援机器人，这是搜救机器人被第1 次用于矿难的救援，但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻[3]。2010 年，位于新西兰南岛西部阿塔劳的派克河煤矿发生瓦斯爆炸事故，29 名矿工被困井下，新西兰国防部提供1 台改装后的机器人进行搜救，而很不幸的是，这台搜救机器人在水中行走了550 m 就发生了短路，不到它的设计行程的1/4[4]。通过上述例子来看，应用机器人进行井下工作面临诸多难题，恶劣的井下环境很容易造成机器人发生故障。朱华[5]在总结国内外矿井救灾机器人研究工作的基础上，认为目前研制的机器人与实际应用还存在较大差距，研发机器人时应充分了解矿井下的自然环境和灾害环境的特点，提高机器人的机械可靠性、避障能力、通讯能力和安全防爆性能，同时在研发机器人的过程中必须坚持创新设计的理念[6]。

国内外对煤矿用机器人已进行了大量的研究，但是，由于各个国家煤矿条件不同，所以防爆安全要求标准也不同，因此国外较成熟的煤矿用机器人不宜在我国使用。我国对煤矿用机器人的研究起步较晚，中国矿业大学从2004 年开始研究，并成功研制了国内第1 台煤矿救援机器人样机。但由于机器人体积庞大、笨重、遇水易短路等原因导致应用效果并不理想。与之相反，在火灾及地震救援中，消防、地震救灾机器人的成功案例较多，造成这些差异的主要原因是煤矿井下灾后环境特殊，存在瓦斯等易燃、易爆气体，一旦这些气体的含量超限，易发生爆炸事故并可能造成更大的损失[7]。针对我国煤矿井下环境特点，在研发阶段通过建立机器人移动平台的模型，利用检测评估技术对其煤矿用机器人防爆性能、环境适应能力等进行仿真分析十分重要。国内高校已开始通过仿真软件对煤矿用机器人移动平台行走性能进行了仿真试验[2]，但缺少对煤矿井下机器人结构耐压、爆炸环境适应性等综合考虑。李允旺等[8]探讨了防爆外壳的设计与加工，对用于我国煤矿井下灾后环境探测与救援工作的煤矿机器人进行了防爆设计。王长龙等[9]将静态正压技术引入机器人防爆外壳设计领域，很好地解决了防爆要求和机器人性能之间的矛盾。巩利萍等[10]将弹塑性力学理论运用到矿用机器人外壳的初始化设计中，根据分析结果改进结构，再次计算实体力学以检测改进的煤矿机器人外壳结构能否达到强度和刚度要求。但上述等研究均建立在理论研究基础上，并未采取有效的检测检验手段对其进行验证。

目前，国内外煤矿机器人检测检验对于其非电气部分的机械火花等组合型防爆安全、井下救援环境适应能力等的检测检验处于空白阶段，动力电源井下充电问题仍无法更好的解决，且目前国内并未编制相关的检测检验标准，因此煤矿用机器人的检测检验工作需加快推进。煤矿领域机器人检测检验的推进及检验规范的制定是该领域技术发展到一定程度的必然结果，同时也是市场的需要，不仅能够为企业研发的煤矿机器人提供资质评定，同时也可为用户提供参考依据。

2 煤矿井下机器人检测检验技术存在的问题

纵观国内外已有研究，目前国内外煤矿用机器人检测检验技术及规范正在推进中，但仍存在以下主要问题亟待解决：

1）组合防爆型安全检测检验技术有待深入研究。煤矿用机器人结构复杂，需由多种结构组合而成，各部分主要有隔爆型，本安型，浇封型，光保护型等多种防爆型式，属于组合防爆型电气设备。由于机器人普遍具有机动性，正常运行时势必会与外部或自身发生摩擦和碰撞，目前煤矿暂未考虑由此产生的机械火花，随着技术的进步机器人必将规模化应用于煤矿井下，因此必须考虑其特殊性，迫切需要对机器人的非电气部分进行防爆试验研究，避免机械结构引起的爆炸。同时，煤矿机器人需在整个矿井运行，井下不同区域，如掘进面、巷道、水泵房及临界处等对其防爆安全要求不同，因此针对于组合型防爆电气设备应深入分析井下各不同区域对煤矿机器人安全性能的影响。

2）煤矿机器人检测评估技术亟待迅速发展。目前，中国矿业大学已开始初步研究了通过仿真软件对煤矿用机器人的移动平台行走性能部分验证，但缺少对其防爆结构的考虑，应结合对防爆安全要求，建立更加完善的煤矿井下特殊环境，更好的导入机器人设计参数，进行机器人爬坡性能、越障性能、行走能力及环境适应能力的检测评估，同时通过建立样机三维立体模型，设定设计参数，进行仿真分析与计算，检查防爆结构设计的可行性及抗压能力等。检测评估技术将问题提前展现在研发阶段，既节省了人员精力也大大缩减了整个研发周期，因此针对我国煤矿井下环境特点，在研发阶段通过建立机器人移动平台的模型，利用检测评估技术对其煤矿用机器人防爆性能、环境适应能力等进行仿真的检测评估技术亟待迅速发展。

3）煤矿井下应急救援环境实验室检测检验技术亟待开展。在国家的大力支持下，越来越多的研发团队投入到煤矿用机器人的研究与设计过程中，而普通的实验室环境并不能满足煤矿井下的特殊环境，如应急救援环境下的高低温、高湿、剧烈振动、环境照度低、电磁干扰及爆炸性气体浓度高等。经过研究表明，煤矿用机器人在井救援环境下性能会大大衰减，到了煤矿井下会出现各种问题，并不适用。因此，建立煤矿井下严酷的应急救援环境实验室，经过大量实验论证，分析机器人环境适应能力，在机器人投入使用前进行实验室检验，深入研究其煤矿井下复杂环境适应性检测检验技术十分必要。

4）煤矿用机器人动力电源井下充电可行性亟待验证。目前，煤矿用机器人多选用蓄电池供电方式，但煤矿井下具有瓦斯等易燃气体，制约着蓄电池机器人在煤矿井下应用，急需研究解决煤矿机器人蓄电池安全问题，包括使用安全和充电安全等[11]。现井下充电安全问题仍存在诸多不确定因素，同时，因煤矿安全规程（2016 版）规定，目前移动机车类动力电源尚不允许在井下除专用硐室以外充电，这就大大降低了机器人在煤矿井下的应用空间，使机器人在井下的推广前景降低，因此，迫切需要经过大量实验对井下充电安全问题进行验证，为煤矿机器人在井下的充电安全性提供可靠数据。

5）煤矿用机器人检验标准亟待制定。目前煤矿用机器人研发过程中无统一标准对其进行规范，很多企业均凭自身了解或是对其他行业标准的参考来进行研发，导致研发的机器人质量良莠不齐，致使出现的越来越多机器人不能得到质量保障。因此，制定统一的检验规范，对其性能、指标、工作及贮存条件等进行统一规范与限制，对其煤矿用机器人的发展非常关键。

3 结 语

煤矿用机器人检测检验技术的深入发展可大大促进煤矿领域机器人行业的创新与研发，并且加快市场分级，有益于机器人产品的质量保障，同时煤矿用机器人检测检验技术的深入研究也可促进国际合作，提升国际影响力。分析了煤矿机器人检测检验技术发展趋势及存在的问题，总结如下：

1）应进一步完善煤矿机器人防爆安全检测检验技术，研究组合型防爆安全检测检验技术，考虑各部分在机器人运动时因摩擦与碰撞引起的机械火花安全问题，分析煤矿0 区、非0 区及临界区对防爆型式的特殊要求及存在的安全隐患。

2）急需针对于煤矿机器人动力电源井下充电安全性进行验证，经过大量实验，研究其井下充电安全性，为推动机器人在井下的使用提供技术支撑。

3）应引进基于模型仿真的检测评估技术，建立移动平台运动模型、三维立体模型并进行仿真分析，针对煤矿机器人移动平台的爬坡、越障及防爆机械设计合理性等在研发过程中进行检测评估。

4）需搭建煤矿井下应急救援环境实验室，对其进行环境适应性试验，分析煤矿用机器人环境适应能力，进一步实现对煤矿机器人的环境适应能力的考核。

5）应加快脚步研究并制定煤矿机器人检测检验行业标准或检验规范，对其技术要求、试验方法、工作及贮存条件等进行管控，推动煤矿用机器人的研发更上一层。