煤礦機器人的現狀與發展

□ 劉根民

同煤集團 煤峪口礦 山西大同 037041

現階段,煤炭行業依然是我國重要的經濟命脈。我國的煤礦開采以井下開采為主,煤礦平均井深為500 m,而澳大利亞的煤礦平均井深只有250 m,美國的煤礦平均井深只有150 m。由于地質條件復雜,開采環境、作業條件惡劣,常發生一些次生災害,高傷亡、高損害、高排放成為我國煤礦開采面臨的重大問題。因此,在煤礦生產過程中應用機器人技術具有相當重要的意義。

1 煤礦機器人應用現狀

1.1 噴漿機器人

噴漿機器人是一種新型巷道支護工藝機器人。與傳統工藝相比,應用噴漿機器人施工速度快,同時可節約鋼材及木材等。但是,應用這種新型巷道支護工藝機器人容易發生混凝土回彈現象,造成結構不均勻,使施工質量受影響[1]。一般噴漿機器人具有兩種控制方式:遙控控制和自動軌跡控制。我國山東科技大學成功研發了能夠在任何位置運動,實現指定噴漿作業的噴漿機器人。

1.2 鑿巖機器人

巷道掘進作業是如今煤礦基礎設施建設中的重要作業,常運用鉆爆施工方法。隨著信息化、機電液一體化的發展,業內將鑿巖循環高度智能化、自動化的設備稱為鑿巖機器人。鑿巖機器人具有高效率、高經濟化、高精度和低勞動強度的優點。國外已有20多個國家成功研發了鑿巖機器人,我國首臺由計算機控制的隧道鑿巖機器人由中南大學所研發[2]。

1.3 煤礦救災機器人

由于井下煤礦作業容易發生事故,而且作業環境復雜,因此研發煤礦救災機器人,全部或者部分替代作業人員深入礦井災區,進行搜救工作及環境探測具有重要意義。這類機器人技術在國外已有較多研究,主要采用激光掃描裝置、紅外成像裝置或攝像機進行導航與控制,采用光纖通信,由充電電池提供電源。我國首臺煤礦救災機器人由中國礦業大學研制成功。這臺機器人安裝有溫度、氣體傳感器及攝像機等設備,采用無線網絡通信和雙向語音對講通信,具有實時探測并回傳圖像功能,同時也能攜帶救災物資[3]。目前,全球煤礦救災機器人只是初步使用,效果并不太理想,只能對有限的巷道進行探測救災,不過,這類煤礦救災機器人對代替煤礦井下救災人員并預防二次災害而言,有重要價值[4]。

1.4 煤礦服務機器人

煤礦服務機器人主要指具有繪制礦圖、巡檢及日常維護等功能的機器人。美國曾研制一臺煤礦服務機器人,這臺機器人可以精確地繪制礦圖,已多次成功完成作業。目前,我國對煤礦服務機器人的研發尚處于起步階段。

2 研發中的問題

2.1 導航技術

導航技術是煤礦機器人的一項關鍵技術,主要指采用檢測方法來獲得機器人所處環境的信息、方向及位置,并通過數據處理來指導規劃煤礦機器人的行進路線。目前,機器人的精確定位技術已經完善,但對于煤礦復雜環境進行探測,并實現路線規劃、避障等,還需要進一步研究。

2.2 動力能源技術

煤礦機器人采用有線供電方式,面臨導線壓降的問題,同時還需要避免其它設備帶來的信號干擾問題[5],限制了煤礦機器人的作業距離。煤礦機器人若采用電池供電方式,雖然能克服導線的影響,但是電池的自身性能又會影響作業時間。

2.3 可靠性技術

研究可靠性非常重要,主要體現在兩個方面,一是結構可靠性,二是控制系統可靠性。結構可靠性主要包括越障能力強、適應性強,以及防水、防塵、抗氧化、抗腐蝕等。在煤礦機器人控制系統可靠性方面,目前還沒有成熟的技術和產品。

2.4 通信技術

通信技術主要包括機器和機器、人和機器、人和人之間的通信。煤礦井下通信一般采用有線或無線方式,有線通信受到導線限制,無線通信在一定情況下信號傳輸會受限。

2.5 防爆技術

煤礦機器人在井下作業,防爆是一個重要的方面。目前,煤礦機器人防爆殼體主要由鋼鐵制成,質量大,一般情況下可達500 kg,還需要配置驅動電機、驅動電路、電池等。如此的龐然大物,一旦電量不足、線路出現問題,或被障礙物卡住,即使四五個工作人員也無法搬動,難以從礦井中移除?？梢?防爆殼體材料問題是煤礦機器人面臨的一個重要問題。

3 煤礦機器人發展方向

3.1 移動結構

移動結構是煤礦機器人的重要組成部分,設計時必須考慮移動速度、穩定性、精準性和適應性。目前煤礦機器人移動方式發展的重點是輪式、腿式、輪腿式、履帶式,以及蛇形和蜈蚣式移動等[6]。

3.2 防爆技術

在防爆技術方面,采用輕型防爆材料,如碳纖維、玻璃鋼等。需要注意的是,這些材料必須符合國標中對表面靜電的規定[7]、強度要求、防爆要求等。目前一部分噴漿機器人就應用了輕型防爆材料,大大減輕了質量。

可以采用傳統工藝加表面處理工藝,并采用殼體一體化結構。一體化結構緊湊,質量輕,有利于煤礦機器人的輕量化改造。

3.3 控制系統

煤礦機器人控制系統主要包括機器人控制系統、操作端控制系統、通信系統。

3.4 人工智能技術

在煤礦機器中應用人工智能技術,能夠在煤礦井下各種聲響中正確識別各種信號,準確去噪,即時進行人和機器、機器和機器的通信傳輸。此外,可以采用組合式氣體傳感器對工作環境中的氣體組分和分布情況進行記錄[8]。

3.5 電子設備集成化

提高電路集成度,一方面可以減少消耗,提高電路的可靠性;另一方面可以減小防爆殼體體積,減輕整個機器人的質量。采用總線設計,可以有效減少單獨連線的數量,提高可靠性,同時方便替換各個模塊。此外,需要加強電路散熱設計[9-10]。由于防爆的需要,各種電路都在空間狹小的殼體內,煤礦機器人工作時內部熱量難以散失,因此,電路盡量以殼體為散熱媒介。

4 煤礦機器人未來攻關

采用采煤與支護并行式作業,可以提高作業效率和工程質量。采用高壓水射流切割,可以減少煤塵,提高效率,同時減少材料消耗和成本。因此,并行式水切割輔助采煤機器人是一個攻關的方向。

另一方面,一邊采煤,一邊將矸石與煤炭分選出來,并將矸石填充,可以有效減少污染與浪費,同時也簡化后續作業流程,降低人力、物力成本。因此,采煤選矸填充式一體化機器人也是未來的一個攻關方向。

對于多功能無人駕駛運輸式機器人,主要的研究方向是在煤礦井下巷道無人駕駛和運輸,同時具有檢測、救災等功能。

5 結束語

當今世界,隨著科學技術的發展,信息化、智能化技術已被應用至煤礦生產中,促進了煤礦機器人的發展。機器人化開采的最終目標是實現無人化開采,隨著煤礦機器人在控制、通信、導航及可靠性技術等方面不斷發展,高精度、高適應性、高環保性的煤礦機器人將不斷出現,推動煤礦機器人向無人化開采目標繼續發展。