机器人技术在海外矿山作业中的应用研究

[摘 要]海外矿山作业一直是资源开采行业的重要组成部分，但传统的开采方式面临着越来越多的挑战，而机器人不仅能够在极端环境下工作，减少人员伤害，还能提高作业精度和效率。同时随着远程控制和人工智能技术的发展，机器人在自主性、灵活性和智能决策方面的能力也在不断提升。文章概述了机器人技术在海外矿山作业中的作用，分析了机器人技术在海外矿山作业中应用面临的挑战，并介绍了机器人技术在海外矿山作业中的具体应用。

[关键词]机器人技术；海外；矿山作业

[中图分类号]TP391.41 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0119–03

Research on the Application of Robot Technology in Overseas Mining Operations

HUANG Yitao

[Abstract]Overseas mining operations have always been an important part of the resource extraction industry， but traditional mining methods are facing increasing challenges. Robots can not only work in extreme environments to reduce personnel injuries， but also improve operational accuracy and efficiency. With the development of remote control and artificial intelligence technology， robots’ abilities in autonomy， flexibility， and intelligent decision-making are constantly improving. The article outlines the role of robot technology in overseas mining operations， analyzes the challenges faced by the application of robot technology in overseas mining operations， and introduces the specific applications of robot technology in overseas mining operations.

[Keywords]robotics technology； overseas； mining operations

1 机器人技术概述

机器人技术涵盖了机器人设计、控制、感知、决策和学习。机器人设计专注于硬件构造的设计与制造；机器人控制则研究如何精准操控机器人的动作和反应；机器人感知致力于提升机器人理解和解读环境信息的能力；机器人决策探索如何使机器人依据环境信息作出明智选择；而机器人学习则关注如何通过学习和实践经验提升机器人的性能。随着科技进步，机器人发展十分成熟，如用于工业作业的机器人、提供服务的机器人、军事用途的机器人及医疗机器人等。这些机器人不仅能处理复杂任务，还能在危险或极端环境下工作，极大地提高了生产力并保障了安全。

2 机器人技术在海外矿山作业中的优势

2.1 提高安全性

传统的采矿操作常需要大量工人亲力亲为，尤其是在执行诸如爆破、开挖和运输等高危作业时，工人们时常暴露于严重的安全隐患之下。矿井内的条件复杂多变，不稳定的地质结构、极端气候条件及存在的有毒气体等潜藏危机，随时会酿成严重事故。机器人技术的引进承担起了执行这类危险任务的角色，这些机器人不受恶劣环境的影响，配备有各种传感器，能够实时监控环境并迅速作出响应。

2.2 提升效率

引入机器人技术，能构建出全自动的钻探、装载和运输体系，能全天候不间断工作，极大地降低了由于人为因素导致的停工时间。如自动化钻探机器人能持续不断地进行钻孔，自动化装载设备则能迅速而高效地将矿石从开采面移走。此外，自动驾驶的卡车或列车可以持续运输物料，无需停歇或换人。这些自动化策略不仅优化了作业流程，保证了工作的连贯性和稳定性，还极大地提升了生产力。借助精准操控和高级数据分析，机器人技术还能优化资源配置，减少损耗，从而进一步提高整个矿山作业的效率。

2.3 降低成本

虽然初期投入较大，但海外矿山运营引入机器人技术能实现长期的成本优化。具体而言：①机器人可替代大量人力，从而降低长期劳动力成本。②由于机器人更可靠、故障率低，其维护成本也较低。③机器人能减少人为错误，避免因此造成的财产损失和生产延误[1]。而减少事故的发生，可以省去医疗费用、赔偿金及声誉损失。总之，通过提升工作效率、削减人力和维护成本、减小事故风险，机器人技术能有效压低总体运营成本。

2.4 增加精准度

在海外矿山作业中，机器人与自动化系统的应用能执行极其精准的任务。比如，在钻孔作业时，机器人能精准定位钻孔位置，最大化资源利用率并降低浪费。同样的精确性也适用于矿石筛选，自动化系统能迅速且准确地依据矿石质量和类型进行分类，进而提升矿物的回收效率。这种精确操作既防止了资源的无谓损耗，又提高了生产效能，确保每一颗矿石都得到最优处理。这样的效率提升直接增加了矿业公司的盈利，能以更低的成本生产出更多的可销售产品。

2.5 环境友好

机器人技术能精准地提取资源，从而降低对周边环境的干扰。比如，机器人能够准确挖掘目标资源，避免对周围土壤和生态系统造成不必要的破坏。此外，机器人技术有助于减少有害化学试剂的依赖，这些试剂在常规采矿中会引发环境污染。减少这些试剂的使用，矿业企业不仅能减轻环境负担，也能更好地符合日益严格的环保法规。再者，自动化系统还能有效控制废弃物的产生。传统采矿常伴随着大量废石和尾矿的处理问题，而机器人技术能精确区分有价值的矿物和废石，减少废石量，进而降低废物处理和环境恢复的成本。

3 机器人技术在海外矿山作业中应用面临的挑战

3.1 环境适应性问题

在海外矿场作业的环境中，机器人面临着严峻的考验，因为这些区域常伴有极端的气候特征和复杂地貌，如酷热、潮湿、尘土飞扬及变化多端的地势。为了在这种苛刻条件下胜任任务，机器人必须展示出较高的环境耐受力。设计时内部电子组件需经过特殊考量，以防止在高温下过热，同时，外部构造需选用能抵抗持续高温而不致变形或损坏的材料。在湿度较高的情况下，机器人的电气系统必须具备出色的防水能力，以防止短路或锈蚀的发生。面对多尘的工况，其活动部件如关节和传动装置需严密封闭，以阻止灰尘进入并干扰其正常运行。为了确保在恶劣条件下的可靠性，机器人的设计需要整合散热、防尘、防水等多重解决方案，并选用耐高温、抗腐蚀的材质[2]。

3.2 通信与数据传输问题

在海外矿山作业中，机器人会遭遇信号弱化甚至完全丧失通信联系的问题，这严重阻碍了远程操控和即时数据传输。为应对这一挑战，机器人需具有独立的通信能力，如配备卫星通信系统，以保证在遥远地带也能保持基本的通信连通。另外，可以采用高级的无线电传播技术，如长距离无线局域网络或高频无线电波通信，以增强通信效果。在面对无法实时传输数据至中心服务器的情况时，机器人应能临时存储大量数据，并在通信恢复后迅速上传。这需要机器人拥有充足的本地存储容量和数据处理能力，确保在离线情况下依然能够有效地进行数据收集和预处理。

3.3 自主导航与定位问题

海外矿山的环境变幻莫测，具有各种不同的地貌特征和难以预料的障碍，这极大地考验着机器人的自主导航性能。在这种环境下，机器人不能依靠GPS等外部信号来确定位置，因为这些信号会因遮挡或干扰而变得不稳定甚至失效。因此，机器人必须配备精密的传感器和高级算法，以实现高程度的自我导航[3]。这涉及利用激光雷达、视觉相机、惯性测量单元等传感器收集环境信息，并运用同步定位与映射技术持续更新其在矿山的确切位置。同时，机器人需要拥有强大的路径规划功能，能根据即时的环境变化，计算出最佳或最安全的行进路线，有效地避障并高效完成任务。

3.4 人机交互问题

在海外矿业运营中，机器人不仅能与各类机械设备配合，还需与来自多元文化和国家的工作人员沟通。因此，机器人必须拥有一个高效的人机交互平台，以便处理各种语言和文化差异。设计时应着重考虑其易用性，确保未经高等教育或对高科技不熟悉的工人也能迅速掌握操作方法。同时交互系统应包含直观的指示、语音识别功能及紧急停机机制，以保障工人的安全。为了提升机器人在不同文化环境中的适应性和效率，开发团队还需确保其行为和通信模式尊重并符合当地的文化传统和工作惯例。

3.5 维护与可靠性问题

海外矿山的工作环境通常极端严酷，涉及剧烈的温度变化、粉尘、高湿、振动和机械碰撞等。这些因素极大地考验着机器人的稳定性和维护需求。为降低保养成本和频率，机器人需设计得既坚固又便于维护。重要组件应采用耐久的高强度材料，并尽量减少对易损部件的依赖。此外，机器人应具有自我诊断和预测维护的功能，能实时监测自身性能和状态，在潜在问题发生前发出预警，从而减少突发故障，延长作业寿命，减少维修或替换部件引起的停机时间。设计时，应充分考虑现场维修的便利性，确保即使需要更换部件，也能迅速完成，以保持作业流程的不间断。

4 机器人技术在海外矿山作业中的具体应用

4.1 自动化装载与运输

在现代矿业，尤其是海外大规模矿山作业中，自动化装载与运输技术是提升效率、降低成本和保障安全的关键。这种技术的核心是自动化的装载与运输车，其能自动执行挖掘、装载、转运及卸载矿石和其他材料的任务。这些无人驾驶的LHD配备了先进的导航和定位系统，GPS作为主要工具，使车辆能准确确定其在矿区的位置并沿预定路线行驶。为应对复杂地形，车辆还配备惯性导航系统、地面标志或RFID标签等辅助导航技术。行驶路径预先由详细地图和软件算法规划，旨在优化行驶路线，避免多余的转向和停顿，进而提升运输效率。这些路径还能根据矿区的实时变化，如新挖掘区或临时道路封闭，进行迅速调整。LHD的广泛应用减少了对人力的依赖，不仅提升了工作效率，也显著降低了工人在危险环境下的工作风险。

4.2 远程钻探系统

在海外矿业作业，特别是地质结构复杂、环境严酷的地区，传统的人工钻探方法通常效率低且风险较高，工人面临有毒气体、地形不稳、极端天气和设备故障等多重危险。为解决这一问题，远程钻探系统应运而生，允许操作员借助先进的远程控制技术，在安全的控制室里执行任务，无需亲自到现场。远程钻探系统是一种通过远程控制技术实现对钻探设备操控和监控的系统。这种系统可以实时传输钻探数据，包括钻孔位置、深度、压力等参数，使得操作人员可以在远离现场的控制室内对钻探设备进行精确控制。这大幅降低了操作人员在现场所面临的安全风险，提高了作业安全性。这类系统配备了一系列高科技工具，包括精确的GPS、惯性测量单元及其他导航技术，以确保钻探设备能准确定向。借助实时数据传输，操作员能即时获取关键的钻探信息，如钻头位置、钻杆状况、钻进速度、岩石硬度及温度等，这些实时反馈有助于迅速作出决策，优化钻探策略，提升工作效率。

4.3 无人机监控

在国际矿业领域的应用中，地质测绘是一项重要任务，无人机配备有高级成像工具和地理信息系统，能获取矿区的高清图像和地形资料，这对解析矿脉的位置、规模和形态具有决定性意义，进而支持有效的开采计划制订和资源管理优化。监控海外矿山地形变动也是无人机的关键功能。鉴于开采过程中地形的持续变化会产生安全问题，无人机能定期飞行并记录实时地形变化，助力管理者评估边坡稳定，防止地质灾害如滑坡。此外，无人机在检查远程矿山设备状态方面展现出高效性。由于设备通常分散较广，传统人工检查既耗时又存在安全隐患，而无人机则能轻松抵达各个设备点，利用高清摄像头检查设备运行状态，及早识别潜在故障或磨损，减少维修时间和费用。利用无人机，能即时监督矿山的各个操作阶段，包括采矿和运输等，保证全面了解。借助高清晰度摄像头，无人机能获取地面人员不易察觉的视野和区域，为矿山管理提供详尽信息。鉴于海外矿山作业的安全风险较大，无人机可执行定期安全检查，迅速识别危险状况，如山体滑坡或崩塌，以便预先采取防范措施，防止事故发生。

4.4 爆破自动化

借助先进的计算机程序，工程师可在实施爆破前详细研究矿体结构、岩石特性及地质状况。这些软件能基于输入信息，如岩石硬度、裂隙分布、地下水位等，模拟出多种爆破场景。通过这种方式，工程师能评估不同方案的效益，选择最佳爆破策略，兼顾最佳效果和最小环境影响。然后一旦选定最佳方案，自动化系统便开始运行。利用现代机器人技术，可精确执行钻孔任务，按照预设的模式和深度钻孔，确保炸药布置的理想化。这些机器人装备有精密的导航定位系统，能在复杂地形中精准移动和操作，减少人为错误。而在装药阶段，自动化系统能严格按照预设计划精确放置炸药及其他爆破材料，保证爆破能量的有效利用，同时最大程度降低对环境和人员安全的风险。

5 结束语

机器人技术在海外矿产开采中展现出了较大的潜力与价值，有望带来更高效、安全且环保的作业方式，从而对全球矿业的可持续发展产生积极影响。但这项技术的应用目前仍处于初期阶段，面临诸多技术及管理挑战，因此既要增加研发投入以提升技术实力，也要强化国际合作，共同促进机器人技术在这一领域的实际应用，旨在确保矿山作业的安全性，提升生产效率，并且助力全球矿业的可持续发展。

参考文献

[1] 徐嘉麟，张瀛方.浅谈矿山巷道多功能修复机器人技术[J].中国金属通报，2022（4）：111-113.

[2] 陈明君.智能控制在矿山机电一体化系统中的应用[J].当代化工研究，2021（18）：65-66.

[3] 梁占泽.大柳塔煤矿智能矿山建设实践[J].工矿自动化，2021，47（S2）：70-74.