礦井安全巡檢機器人核心功能探究

［摘 要］近年來，我國煤礦安全事故頻發，造成了大量的人員傷亡和財產損失。尤其是井下特殊的工作環境和工作條件，極大地影響了煤礦安全生產。雖然國家近年來加大了對煤礦安全生產的投入，但仍有許多問題有待解決。傳統的煤礦安全巡檢工作大多采用人工巡視方式，存在著任務繁重、勞動強度大、巡檢人員多、效率低下、安全性差等問題，很難及時發現事故隱患。因此，為了提高煤礦安全生產水平，保障礦工生命安全，建設智能化礦井勢在必行。文章探討了傳統煤礦安全巡檢工作存在的問題，針對上海煤科所研發的隔爆兼本安型礦用煤倉巡檢機器人進行了分析，對其功能及技術應用進行了探討。

［關鍵詞］礦井；安全巡檢機器人；核心功能；技術應用

［中圖分類號］TP242 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0058–03

1 傳統煤礦安全巡檢工作存在的問題

1.1 無法實現巡檢質量的全程追溯

傳統的煤礦安全巡檢工作是由人工進行現場巡檢，即人工在規定時間內到規定地點，使用檢查工具對規定的設備進行檢查，檢查結果由巡檢員簽字確認。這種工作方式不僅效率低、易出錯，且當設備發生故障時，由于巡檢人員無法及時趕到現場進行處理，只能將設備停產或對故障設備進行拆卸維修后再恢復生產，對煤礦生產造成極大影響。

1.2 人員巡檢效率低，安全風險大

煤礦安全巡檢工作重復性高、勞動強度大，煤礦企業為了提高井下人員作業安全會安排一定數量的人員對礦井進行日常安全巡檢。許多煤礦企業對煤礦安全巡檢工作的重要性認識不足，將其作為一項“例行性”工作對待，缺乏必要的管理制度和技術手段。隨著礦井開采深度不斷增加，礦井作業環境越來越復雜，井下工作人員數量逐漸增多，對煤礦企業進行日常巡檢和隱患排查工作的難度也越來越大。這不僅降低了煤礦企業的生產效率和經濟效益，也增大了煤礦生產事故發生的風險。

1.3 無法實現安全隱患的及時整改

在煤礦生產過程中經常會發現安全隱患，卻不能及時整改。例如，在瓦斯檢查中有時會發現瓦斯濃度超標，但因為無法確定瓦斯濃度超標的原因，無法及時采取有效措施。或在煤礦井下進行瓦斯抽采作業時會遇到斷層或陷落柱等地質構造復雜的巷道，當巷道內出現煤塵時可能會因為粉塵濃度過高而導致火災的發生。煤礦企業需要及時排除這些安全隱患，并根據安全隱患的情況及時進行整改。然而傳統煤礦巡檢方式不能滿足安全生產管理的需要，不能實現對煤礦事故隱患的及時發現和整改。

2 煤礦礦井安全巡檢機器人核心功能

煤礦井下機器人的出現給礦井安全巡檢帶來了新的方式和手段。傳統的煤礦巡檢方式主要是人工巡檢，隨著礦井生產的機械化、智能化程度越來越高，傳統的巡檢方式已經很難滿足當前煤礦井下安全生產的需要，需要進行升級。煤礦機器人是在井下環境下代替人工對井下工作環境進行監測、控制、管理及安全防護的一種智能機器人系統。目前，煤礦機器人行業正處于發展上升時期，應用市場廣闊。

2.1 自動巡檢

煤礦井下應用的巡檢機器人在一臺計算機控制下，實現對煤倉內煤的種類、數量、質量的自動檢測，同時通過對煤中水分、含矸率、煤塵含量的檢測，并在檢測到異常情況時及時報警。煤炭的主要成分是煤和矸石，通常含有碳和各種雜質。煤倉內煤炭質量好壞直接影響礦井安全生產，故須對煤倉內煤炭進行定期巡檢。采用煤礦礦井安全巡檢機器人可減少人工煤倉巡檢的人力限制，降低大量時間和人力。

2.2 自動報警

礦井安全巡檢機器人運行過程中遇到異常情況時，可自動發出報警信號。巡檢機器人具有斷電保護功能，當供電不及時時可自動切斷電源，以避免出現意外情況。機器人自身定位精度高，且可以根據現場實際情況進行調整，在運行過程中可以實現自主避障、自主充電、自主休眠等功能。另外，巡檢機器人可通過自定義的方式配置相關告警參數和設置觸發條件。

2.3 自動識別

在對礦井筒倉裂縫磨損、掛煤掛壁進行巡檢的過程中可以通過激光傳感器檢測筒倉內部的裂縫磨損情況，確定是否需要進行修復和維護。同時，可以通過紅外傳感器檢測筒倉內部是否有掛煤掛壁的現象，判斷是否需要進行清理和維護。此外，通過激光傳感器檢測筒倉內部是否有掛煤掛壁現象的同時，可以利用紅外傳感器檢測筒倉內部是否有溫度異常升高的現象，判斷是否需要進行處理。

2.4 自動計量

通過設置計量管理模塊，煤礦礦井安全巡檢機器人可以實現對儲煤倉的實時監控、自動計量及存儲數據。具體實現過程是：對巡檢機器人的傳感器進行設定，并根據設定的參數將數據傳送到控制中心。當巡檢機器人的傳感器檢測到煤倉內儲煤量達到設定值時，控制中心會自動發送指令，啟動相關程序對機器人進行操作，從而實現對儲煤倉的實時監控、自動計量及存儲數據，并且可以實時顯示巡檢機器人的運行狀態，便于管理人員及時掌握巡檢機器人的工作情況。

3 礦井安全巡檢機器人核心技術的應用

3.1 煤倉煤位監測

傳統的煤倉煤位監測系統采用紅外傳感器探測，由于傳感器存在老化、磨損、腐蝕等原因，造成煤礦井下煤倉內煤位監測的精度和可靠性下降。紅外傳感器受煤質的影響比較大，當煤質較差時，紅外傳感器存在信號弱的問題，且無法對煤位進行實時監測。激光雷達是一種非接觸式的測量方法，可主動探測與被測物距離內的物體。激光雷達可根據自身發射的激光脈沖來確定距離，進而可確定物體在三維空間中的位置。采用激光雷達技術對煤倉煤位進行實時監測，采用工業級設計，保證設備長期穩定運行。

激光雷達可實時獲取煤倉內煤位信息，并實時顯示在顯示屏上，通過分析顯示的數據可判斷煤倉內有無煤堆積現象、煤堆高度、煤堆內有無煤粉等情況，當發現煤位超出限定值時，系統將會發出報警提示音，并自動降低運行速度或停止運行。與傳統的紅外傳感器相比，激光雷達具有響應速度快、定位精度高、抗干擾能力強、使用壽命長等優點，因此在煤炭行業得到了廣泛應用。

3.2 物料溫度監測

在生產現場，如原料車間、合成車間等，需要實時監測物料的溫度情況，如溫度過高可能會導致機器設備的損壞。紅外攝像裝置可在不影響生產的情況下對設備的運行狀況進行實時監控，監測溫度異常情況。

通過紅外攝像裝置監測到現場溫度異常時，設備管理人員可第一時間通知操作人員進行處理。對于操作人員來說，可提前預防設備發生故障，減少停機時間；對于現場管理人員來說，可提前發現溫度異常情況，及時采取措施進行處理。

紅外攝像裝置具有以下功能：①實時監測。紅外攝像裝置能夠持續采集現場溫度數據。②視頻數據采集。紅外攝像裝置能夠將視頻數據進行采集，并將采集到的視頻數據傳輸到控制中心。③智能報警。紅外攝像裝置能夠自動對環境溫度進行智能分析，并自動觸發溫度異常報警。④遠程控制。紅外攝像裝置能夠對現場溫度進行遠程監控與控制。

3.3 環境溫濕度監測

溫濕度監測系統是一個集數字信號采集、傳輸、顯示、記錄即報警為一體的自動化控制系統，可用于煤礦井下各種環境溫度和濕度的測量，以及對煤礦井下設備的監測和控制。傳感器采用進口超低功耗數字溫度傳感器，精度高、可靠性強、抗干擾能力強，能有效實現對環境溫度的動態測量，并將測量結果通過無線傳輸到監控主機。

當溫濕度傳感器探測到環境溫度或濕度發生變化時，將產生一個與溫度或濕度成比例的信號，經處理后由上位機軟件進行顯示或報警。具有監測數據多、抗干擾能力強、工作穩定可靠等特點。同時具備與礦用智能機器人之間的無線通信功能，實現了遠程數據采集和控制。

3.4 煙霧監測

煙霧檢測單元采用獨立的監測控制箱，可設置探測時間與報警時間，超限時進行報警。煙霧檢測單元采用高性能的監測傳感器，可以精確感知環境中的煙霧濃度，并且具有防干擾功能。本系統中，煙霧檢測單元采用了高性能的氣體傳感器，具有檢測精度高、響應速度快、穩定性好的特點。系統采用模塊化設計，可以方便地更換各種類型的傳感器或安裝不同類型的探測器。

本系統中采用的煙霧檢測單元在結構設計上可以根據用戶需求靈活地進行布置。運用高性能的氣體傳感器和紅外發射電路等功能模塊，確保系統工作在可靠狀態下。

3.5 現場報警及通話功能

（1）將煤礦井下人員、設備、環境等情況通過智能巡檢機器人平臺進行數據采集和實時監測，并對數據進行分析，及時發現設備故障和事故隱患。工作人員通過巡檢機器人可以實時查看井下設備狀態，全面掌握井下情況，實現對井下人員、設備、環境等的智能化管理。

（2）智能巡檢機器人能夠通過無線網絡將現場實時圖像及視頻信息傳輸至監控中心，可對礦井進行全方位無死角的24 h 實時監控。工作人員可以通過移動客戶端或計算機終端查看現場實時圖像及視頻信息，能夠及時發現事故隱患，從而提高礦井安全水平。

（3）智能巡檢機器人通過移動終端或計算機終端實現了與煤礦井下人員和設備的實時信息交互，可以及時發現事故隱患，提高了工作效率。

（4）智能巡檢機器人能夠在井下各個區域行走，并根據設定的路線完成自主巡檢。工作人員可以通過移動終端或計算機終端實時查看井下的情況。

3.6 氣體監測

氣體檢測單元通過在機器人上安裝傳感器，實時監測煤倉內的CO、CH4、CO2 等氣體濃度，如果超出界限，便會發出聲光報警，提醒工作人員及時處理，并記錄檢測數據。氣體檢測單元有以下特點。

（1）智能感知。具備氣體檢測傳感器及光電轉換部件，可感知氣體濃度的變化，并通過無線通信將監測數據實時傳輸至地面監控系統。

（2）數據上傳。系統接收到巡檢機器人的實時檢測數據后，可在遠程控制中心實現對巡檢機器人的數據回傳、數據分析及處理。

（3）視頻分析。具備圖像智能分析功能，可對巡檢機器人拍攝的圖像進行自動分析及處理，并可同時進行抓拍、錄屏及存儲功能。

3.7 掛煤掛壁監測

根據不同的礦洞結構、巷道條件和通風方式，通過在煤壁上設置的紅外傳感器，對煤壁進行實時監測，分析煤壁上的溫度變化來判斷是否有煤泥脫落，同時可對掉落的煤泥進行清理。

（1）根據巷道通風和環境情況設定相應的參數，通過傳感器實時監測巷道內空氣質量、溫度、濕度等指標。

（2）通過傳感器判斷煤壁是否存在較大的落煤和懸泥情況，若煤壁有較大的落煤和懸泥，傳感器將實時傳送報警信息至地面監控中心。

（3）對煤壁進行分析，判斷是否存在局部塌冒，并將信息傳送至地面監控中心。

（4）監測系統通過分析檢測到的數據，并結合人員現場操作情況，判定是否需要對巷道進行清理；根據現場實際情況，設定相應的報警級別。

（5）若發現異常情況時，系統將發出語音提示。如故障沒有解決或問題仍然存在，將會發出聲光報警。

3.8 墻壁磨損、裂縫監測

利用高分辨率攝像頭捕捉礦井墻壁的圖像，通過圖像處理算法分析圖像中的磨損和裂縫情況，該技術具有較高的分辨率和準確性，能夠實時監測墻壁狀況為礦井安全提供實時數據支持。

紅外熱成像技術是通過檢測物體表面發出的紅外輻射照度，分析物體表面的溫度分布，從而識別出磨損和裂縫。在礦井環境中，紅外熱成像技術具有較好的穿透性和遙測性，能夠在黑暗環境下正常工作，實現對墻壁的全面監測。

激光雷達耦合技術通過激光雷達掃描礦井空間，獲取礦井墻壁的三維點云數據，結合點云數據和圖像數據精確計算出墻壁的磨損和裂縫位置。

在監測到墻壁磨損和裂縫時，礦井安全巡檢機器人會將相關信息實時傳輸至監控中心，監控中心接收到數據后立即進行分析，判斷磨損和裂縫的嚴重程度，并根據實際情況采取相應措施。同時，機器人會將報警信息同步至相關人員，確保礦井安全得到及時維護。

4 結束語

隨著國家對煤礦安全生產的日益重視，煤礦安全技術人員對煤礦井下環境的認知和監控手段也在不斷提升，而我國目前井下環境復雜、地形起伏大、危險因素多，人工巡檢在空間、時間、精力上都存在著較大的局限性，所以巡檢機器人以其強大的功能優勢進入煤礦領域。巡檢機器人可以代替人工對井下作業環境進行實時監控，提高效率。

參考文獻

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