刘峰：煤矿机器人的五大应用场景和十大关键技术
发布时间:2023-08-16
煤炭占据我国能源结构的主导地位。在全球能源市场动荡不安的现状下，克服国内煤炭开采难题、提高原煤产量，成为我国能源安全的有力支撑。在2023“机器人 ”大会上，中国煤炭工业协会副会长刘峰阐述了煤矿机器人在煤炭开采环节的典型应用，点出煤矿机器人促进煤炭开采智能化发展的潜力之大。
▲ 中国煤炭工业协会副会长 刘峰
煤炭是能源安全的稳定器和压舱石。我国累计采出煤炭超1000亿吨，这些煤炭提供我国70%以上的能源，支撑我国年均经济增长9%以上。然而，由于各地资源保障年限差异较大、煤炭资源产出率不高、东西部勘探程度不平衡等因素，煤炭资源储量总体偏低，传统开采技术和装备已难以支撑我国煤炭工业高质量发展，煤炭开采智能化的议题亟待落地。
煤炭主体能源安全与智能化发展
截至2021年，全国煤炭储量为2078.85亿吨。按照2022年我国原煤产量45.6亿吨、资源产出率40%估算，现有煤炭储量仅能保障开采20年左右。煤矿智能化可以提升煤炭资源储量保障能力，是煤炭工业转型升级和安全生产的必由之路。
近年来，国家鼓励煤矿智能化发展。2020年2月，国家发改委等八部门发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。2023年3月，国家能源局印发《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》。2023年4月，国家能源局会同陕西省人民政府、中国煤炭工业协会召开了全国煤矿智能化建设现场推进会，系统总结近年来煤矿智能化示范建设经验，分析面临的形势和任务，对下一阶段煤矿智能化建设工作作出安排部署。
截至目前，全国已累计建成智能化采煤工作面1043个、掘进工作面1277个，其中全国首批示范煤矿累计建成智能化采煤工作面363个、掘进工作面239个，涵盖产能6.2亿吨，单面平均能力达到500万吨，智能化建设总投资规模近2000亿元，有力推动煤炭生产方式加快实现根本性变革，煤炭行业高质量发展迈上新台阶。
煤矿智能化的全面建设给机器人大面积推广应用提供广阔工业应用场景。国家鼓励煤矿机器人的研发应用，推动煤矿智能化迈向高水平发展。煤矿机器人的研发和应用，可以创造更先进的生产方式、更安全的生产环境，提升煤矿安全生产水平、保障煤炭平稳供应。
煤矿机器人是能依靠随身动力和自主控制能力来实现某种特定采矿功能的机器人，可以通过受人指挥、预先编程、人工智能规划的方式，协助或替代人的采矿作业劳动或危险岗位的操作。煤矿机器人或机器人化研发应用，能够使以往传统的装备达到更高的智能化水平，获得更广阔的应用场景，这就是“机器人 ”的含义。2019年，国家矿山安全监察局发布了38种煤矿机器人，针对20种不同的应用场景可分为五大类：掘进类、采煤类、运输类、安控类和救援类。掘进类机器人是基于信息化、网络化和智能化技术的矿井掘进工作面机器人群，具备井巷掘进作业设备集群自主决策控制功能，实现工作面掘进、临时支护、钻锚、运输等多机器人高效协同，一键启动、自动掘进。智能的掘进机器人可以自动确定截齿排列方案，做受力分析和截割效果模拟，以实现最大截割效率；配备传感器网络，实现工况在线监测，及时预警故障；将姿态坐标虚实结合，实时展现和控制掘进位置；设置电子围栏安全系统，识别到危险区域有人员接近则立即报警。采煤类机器人可以适应煤矿复杂地质与环境条件的采矿工作面，具备对回采工作面设备集群自主决策控制，煤岩界面的自主识别等功能，实现工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机及超前支架等设备自主运行、多机协同联动作业。智能采煤机器人具备精准定位、采高检测、姿态监测、远程通信控制、煤岩识别、状态监测与故障预判、可视化远程干预等功能，实现采煤机自主行走、自适应截割及高效连续运行。智能支护机器人具备支撑力自适应调整、支护姿态控制、多机协同及远程干预等功能，确保采煤工作面推采过程中巷道稳定，提高开采效率及安全性；露天矿穿孔爆破机器人具备爆破系统三维模拟、孔位自动定位、孔深自动检测、穿孔过程远程控制与监测等功能，可实现露天矿爆破作业无人化。煤矿作业中涉及到大量煤炭的运输，运输类机器人可以通过自主导航系统或远程控制操作实现井下运输，减少人员接触和环境暴露，并提高煤矿的生产效率和安全性。除搬运机器人外，还有破碎机器人和井下无人驾驶运输机器人，前者具备机动能力、破碎目标自动辨识、定位、闭锁、破碎及效果评判等功能，实现精准、高效破碎作业，后者具备精确定位、安全探测、自主感知、主动避障、自动错车、风门联动等功能，实现井下运输车无人化驾驶。“露天矿GPS车辆智能调度管理系统”是运输类机器人协同作业的工业应用场景之一。系统可根据矿山既定生产条件，自动优化和自动调度整个采运作业，提高矿山设备的利用效率，提高产量。安控类机器人适用于井下回采工作面作业环境巡检，具备自主移动、定位、图像采集、智能感知、预警、人机交互等功能，实现煤壁、片帮、大块煤、有害气体、温度、粉尘、设备状态等监测。安控类的机器人有管道巡检机器人、巷道巡检机器人、皮带机巡检机器人等。例如皮带经常因轨道运输而出现断裂，有时候还有起火冒烟的状态，需要皮带巡检机器人进行巡检。
救援类机器人可以通过自主导航系统或遥控操作移动到需要的位置，然后使用各种救援设备（如传感器、摄像头、机械臂、搜救器械等）执行救援任务，可以减少人员在危险环境中的暴露，提高救援的安全性和效率。其工业应用包括自主检测、自动灭火、自主导航、定位、避障及安全行车等。
煤矿机器人关键技术与发展方向
随着技术的发展，煤矿机器人的关键技术和应用场景将进一步拓展。一是长续航能力高能量密度的机器人动力技术；二是受限环境下的自主精准定位导航技术，井下定位信号弱是长期困扰煤矿开采单位的难题，目前已有企业和高校探索精确定位的方法，但很难达到理想的效果；三是防爆安全设计理念及方法；四是高可靠性、抗干扰的通信技术，5G技术是井下控制机器人的有效手段，但精准抗干扰技术还有待研发；五是智能感知与险情识别技术；六是人工智能技术、自感知、自决策和自学习技术，分通用类和专用类，未来，引入工业大模型和机器人结合，或将成为煤矿机器人的发展趋势；七是多接口物联网技术、大数据、云计算技术；八是多机协同与智能工艺优化技术；九是集成技术和集群化作业技术；十是大负载技术，矿业或工业领域需要重载机器人，研发正在进行中。
随着技术的发展，煤矿机器人将具备稳定的通信和控制系统、智能的感知和决策能力，能够实现勘探、开采、运输和监测等任务的全自主化和高效性。未来矿业智能装备的研发要类比人的肢体、大脑、五官，形成机器人类人化理念，助力煤矿生产效率和管理水平的提高，推动煤矿智能化进一步发展。
本文根据中国煤炭工业协会副会长刘峰在2023“机器人 ”大会上的演讲整理而成，经编辑。
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