煤矿机器人的现状与发展

□ 刘根民

同煤集团 煤峪口矿 山西大同 037041

现阶段,煤炭行业依然是我国重要的经济命脉。我国的煤矿开采以井下开采为主,煤矿平均井深为500 m,而澳大利亚的煤矿平均井深只有250 m,美国的煤矿平均井深只有150 m。由于地质条件复杂,开采环境、作业条件恶劣,常发生一些次生灾害,高伤亡、高损害、高排放成为我国煤矿开采面临的重大问题。因此,在煤矿生产过程中应用机器人技术具有相当重要的意义。

1 煤矿机器人应用现状

1.1 喷浆机器人

喷浆机器人是一种新型巷道支护工艺机器人。与传统工艺相比,应用喷浆机器人施工速度快,同时可节约钢材及木材等。但是,应用这种新型巷道支护工艺机器人容易发生混凝土回弹现象,造成结构不均匀,使施工质量受影响[1]。一般喷浆机器人具有两种控制方式:遥控控制和自动轨迹控制。我国山东科技大学成功研发了能够在任何位置运动,实现指定喷浆作业的喷浆机器人。

1.2 凿岩机器人

巷道掘进作业是如今煤矿基础设施建设中的重要作业,常运用钻爆施工方法。随着信息化、机电液一体化的发展,业内将凿岩循环高度智能化、自动化的设备称为凿岩机器人。凿岩机器人具有高效率、高经济化、高精度和低劳动强度的优点。国外已有20多个国家成功研发了凿岩机器人,我国首台由计算机控制的隧道凿岩机器人由中南大学所研发[2]。

1.3 煤矿救灾机器人

由于井下煤矿作业容易发生事故,而且作业环境复杂,因此研发煤矿救灾机器人,全部或者部分替代作业人员深入矿井灾区,进行搜救工作及环境探测具有重要意义。这类机器人技术在国外已有较多研究,主要采用激光扫描装置、红外成像装置或摄像机进行导航与控制,采用光纤通信,由充电电池提供电源。我国首台煤矿救灾机器人由中国矿业大学研制成功。这台机器人安装有温度、气体传感器及摄像机等设备,采用无线网络通信和双向语音对讲通信,具有实时探测并回传图像功能,同时也能携带救灾物资[3]。目前,全球煤矿救灾机器人只是初步使用,效果并不太理想,只能对有限的巷道进行探测救灾,不过,这类煤矿救灾机器人对代替煤矿井下救灾人员并预防二次灾害而言,有重要价值[4]。

1.4 煤矿服务机器人

煤矿服务机器人主要指具有绘制矿图、巡检及日常维护等功能的机器人。美国曾研制一台煤矿服务机器人,这台机器人可以精确地绘制矿图,已多次成功完成作业。目前,我国对煤矿服务机器人的研发尚处于起步阶段。

2 研发中的问题

2.1 导航技术

导航技术是煤矿机器人的一项关键技术,主要指采用检测方法来获得机器人所处环境的信息、方向及位置,并通过数据处理来指导规划煤矿机器人的行进路线。目前,机器人的精确定位技术已经完善,但对于煤矿复杂环境进行探测,并实现路线规划、避障等,还需要进一步研究。

2.2 动力能源技术

煤矿机器人采用有线供电方式,面临导线压降的问题,同时还需要避免其它设备带来的信号干扰问题[5],限制了煤矿机器人的作业距离。煤矿机器人若采用电池供电方式,虽然能克服导线的影响,但是电池的自身性能又会影响作业时间。

2.3 可靠性技术

研究可靠性非常重要,主要体现在两个方面,一是结构可靠性,二是控制系统可靠性。结构可靠性主要包括越障能力强、适应性强,以及防水、防尘、抗氧化、抗腐蚀等。在煤矿机器人控制系统可靠性方面,目前还没有成熟的技术和产品。

2.4 通信技术

通信技术主要包括机器和机器、人和机器、人和人之间的通信。煤矿井下通信一般采用有线或无线方式,有线通信受到导线限制,无线通信在一定情况下信号传输会受限。

2.5 防爆技术

煤矿机器人在井下作业,防爆是一个重要的方面。目前,煤矿机器人防爆壳体主要由钢铁制成,质量大,一般情况下可达500 kg,还需要配置驱动电机、驱动电路、电池等。如此的庞然大物,一旦电量不足、线路出现问题,或被障碍物卡住,即使四五个工作人员也无法搬动,难以从矿井中移除。可见,防爆壳体材料问题是煤矿机器人面临的一个重要问题。

3 煤矿机器人发展方向

3.1 移动结构

移动结构是煤矿机器人的重要组成部分,设计时必须考虑移动速度、稳定性、精准性和适应性。目前煤矿机器人移动方式发展的重点是轮式、腿式、轮腿式、履带式,以及蛇形和蜈蚣式移动等[6]。

3.2 防爆技术

在防爆技术方面,采用轻型防爆材料,如碳纤维、玻璃钢等。需要注意的是,这些材料必须符合国标中对表面静电的规定[7]、强度要求、防爆要求等。目前一部分喷浆机器人就应用了轻型防爆材料,大大减轻了质量。

可以采用传统工艺加表面处理工艺,并采用壳体一体化结构。一体化结构紧凑,质量轻,有利于煤矿机器人的轻量化改造。

3.3 控制系统

煤矿机器人控制系统主要包括机器人控制系统、操作端控制系统、通信系统。

3.4 人工智能技术

在煤矿机器中应用人工智能技术,能够在煤矿井下各种声响中正确识别各种信号,准确去噪,即时进行人和机器、机器和机器的通信传输。此外,可以采用组合式气体传感器对工作环境中的气体组分和分布情况进行记录[8]。

3.5 电子设备集成化

提高电路集成度,一方面可以减少消耗,提高电路的可靠性;另一方面可以减小防爆壳体体积,减轻整个机器人的质量。采用总线设计,可以有效减少单独连线的数量,提高可靠性,同时方便替换各个模块。此外,需要加强电路散热设计[9-10]。由于防爆的需要,各种电路都在空间狭小的壳体内,煤矿机器人工作时内部热量难以散失,因此,电路尽量以壳体为散热媒介。

4 煤矿机器人未来攻关

采用采煤与支护并行式作业,可以提高作业效率和工程质量。采用高压水射流切割,可以减少煤尘,提高效率,同时减少材料消耗和成本。因此,并行式水切割辅助采煤机器人是一个攻关的方向。

另一方面,一边采煤,一边将矸石与煤炭分选出来,并将矸石填充,可以有效减少污染与浪费,同时也简化后续作业流程,降低人力、物力成本。因此,采煤选矸填充式一体化机器人也是未来的一个攻关方向。

对于多功能无人驾驶运输式机器人,主要的研究方向是在煤矿井下巷道无人驾驶和运输,同时具有检测、救灾等功能。

5 结束语

当今世界,随着科学技术的发展,信息化、智能化技术已被应用至煤矿生产中,促进了煤矿机器人的发展。机器人化开采的最终目标是实现无人化开采,随着煤矿机器人在控制、通信、导航及可靠性技术等方面不断发展,高精度、高适应性、高环保性的煤矿机器人将不断出现,推动煤矿机器人向无人化开采目标继续发展。