煤矿机器人研发应用现状及趋势

李芳玮 胡而已 张冬阳

(1.应急管理部信息研究院煤矿机器人协同推进中心，北京市朝阳区，100029； 2.中国矿业大学机电工程学院，江苏省徐州市，221116)

目前，煤矿生产过程中仍然存在灾害重、风险大、下井人员多、危险岗位多等情况，在全国煤矿249万从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重岗位人员占比达60%以上，是目前最迫切需要开展机器人换人的高危行业。受限于煤炭井下开采的复杂和恶劣作业环境，煤矿机器人的研发应用是特种机器人领域技术难度最大的种类之一。要实现煤矿机器人下井，真正替代矿工开展井下复杂环境作业，依赖于防爆材料、能源动力、精准定位、无线通讯等相关技术研发取得突破性进展，为各类煤矿机器人的研发应用提供技术保障。

1 煤矿智能化建设的背景和意义

1.1 推进煤矿智能化建设

长期以来，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭对我国经济的高速发展起到了举足轻重的作用。改革开放40多年来，在党中央、国务院的坚强领导下，在各地区、各有关部门和广大煤矿企业的共同奋斗下，煤矿安全生产法律体系逐步健全，监管监察体制日趋完善，产业结构不断优化，安全科技水平持续提升，防灾、减灾、救灾能力明显增强，煤矿安全生产形势持续稳定好转。但在煤矿生产过程中任然存在灾害重、风险大、下井人员多以及危险岗位多等特点，在全国煤矿249万从业人员中，从事采煤、掘进、运输、安控等危险繁重岗位人员占比达60%以上，是目前最迫切需要开展机器人换人的高危行业。通过煤矿智能化建设，将进一步推进我国机械化制造业、信息化产业以及相关产业的发展，已经成为我国现阶段国家工业化和国民经济发展的客观需要。

煤矿智能化建设能够实现工作面无人(少人)化操作，减少煤矿井下高危险和高强度关键岗位用工，从根本上提高了煤矿生产作业安全系数，降低煤矿风险等级，提高事故防控能力，有利于煤矿减人增效，减轻工人劳动强度，保护职工安全健康，对于推动煤炭开采技术革命、煤炭工业高质量发展以及保障国家能源安全供应具有重要而深远的意义。

1.2 建设无人(少人)矿井

习近平总书记指出，要牢固树立发展绝不能以牺牲安全为代价的红线意识。党的十九大报告提出“永远把人民对美好生活的向往作为奋斗目标”，新时代煤矿安全发展要从“遏制群死群伤的重特大事故”向“遏制较大事故和一般死亡事故”转变，不仅要遏制事故发生，也要关注矿工伤害事故和职业健康，在消灭事故和职业危害的基础上，努力实现矿工体面劳动和有尊严地劳动。建设无人(少人)矿井实现“无人则安，少人则安”，大幅度改善煤矿井下作业环境，对于实现新时代煤矿安全发展目标和矿工对美好生活的向往将起到重要作用。

1.3 以机器人研发应用引领煤矿“四化”建设

推进煤矿“四化”建设，实现煤炭安全高效绿色开采和清洁高效利用，成为提高煤矿本质安全水平、促进煤矿安全发展的必由之路和推进煤炭工业转型发展的根本出路。实施煤矿机器人下井，大力推进各作业岗位的机器人替代，是贯彻落实总书记防灾、减灾、救灾和安全生产重要指示精神，实现“从减少灾害损失到减轻灾害风险”重大举措的有力保证，是全国煤矿安全发展的正确方向。大力研发应用井下机器人，提升煤矿本质安全水平和煤矿安全保障能力，促进煤矿安全生产形势持续稳定好转刻不容缓。在2019年的全国煤矿安全生产工作会议上，国家煤监局提出要以机器人研发应用引领煤矿“四化”建设，鼓励支持煤矿企业与国内外科研单位、机器人制造企业开展合作，加快推进研发应用。

2 煤矿机器人研发应用的政策导向与协同创新

从2018年4月开始，国家煤监局一直在谋划、部署和推动机器人研发应用工作，大力推动顶层设计、协调争取政策支持、搭建平台协同推进、扎实做好服务支撑，为提升煤矿本质安全水平发挥了积极的作用，煤矿机器人研发应用取得了一定的进展。

2.1 煤矿机器人研发应用的顶层设计

2018年9月，在应急管理部信息研究院成立了“煤矿机器人协同推进中心”，专门协助国家煤监局行管司进行煤矿机器人的顶层设计。2019年1月，通过组织开展调研摸底、研讨论证并广泛征求意见，制定发布了《煤矿机器人重点研发目录》(国家煤监局2019年第1号公告)，重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人，引导煤炭企业、科研机构、机器人制造企业和全社会参与研发应用，把握煤矿安全需求重点，鼓励创新创业，力争尽快在煤矿机器人技术上有新的突破，使煤矿实现“少人则安、无人则安”。《目录》发布后，中央电视台等主流媒体给予了极大关注，引起社会强烈反响。

在2019年两会期间，应急管理部副部长、国家煤监局局长黄玉治提交了政协提案《大力推进煤矿智能装备和机器人研发应用》，建议做好煤矿智能装备、机器人研发应用顶层设计，强化基础前沿科学和关键技术研究，支持煤炭行业智能装备、机器人示范工程建设，加大对煤矿机器人产业政策支持力度，推进智能装备、机器人在煤矿研发应用，推进高素质人员队伍建设。

2.2 各项政策支持

为了支持煤矿智能装备和机器人的研发应用，国家发改委办公厅印发了《国家发展改革委办公厅关于组织申报2019年煤矿安全改造中央预算内投资计划的通知》(发改办能源〔2018〕1035 号),将煤矿智能装备推广应用纳入30亿元国债资金支持范围，支持煤矿推广应用智能装备，推进机械化换人、自动化减人和智能装备替代高危岗位作业。同时，应急管理部、国家煤监局组织相关企业和科研机构研究煤矿机器人急需解决的技术问题，向科技部申报了4项煤矿机器人“卡脖子”项目，争取在关键技术上有所突破。

2.3 推进协同创新

搭建平台，推进煤矿机器人协同创新，组织协调相关部门参与全国煤矿基础建设推进大会，组织中国科学院、潞安集团、国家能源集团、兖矿集团等近20家企业、机构和科研院所展示煤矿智能装备和机器人技术、产品及应用情况。同时，组织开展煤矿机器人技术专题讲座，掌握煤矿机器人最新研发成果以及煤矿企业需求，推进产、学、研、用合作，促进跨界合作和信息交流。

3 煤矿机器人共性关键技术

国外煤矿机器人研究起步较早，美国自20世纪80年代开始陆续研制出计算机控制采煤作业系统及多种特种机器人，澳大利亚、印度及南非等几大主要煤炭生产国煤炭资源赋存深度浅，以露天开采为主，露采装备自动化、智能化水平和开采机器人化程度较高，机器人应用起步早，技术先进。我国煤矿目前多以井工开采为主，开采深度更大、地质条件更复杂，井工开采作业机器人研发应用难度更大，且由于安全管理规程等条件的限制，国外各类机器人技术及装备无法直接应用于国内多数煤矿企业。

2008年以来，我国设立了“十二五”863计划重点项目“煤矿井下采掘装备遥控关键技术”，“十三五”国家重点基础研究发展973计划项目“深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究”，完成了掘进机远程控制技术及监测系统研究，取得了一系列综掘装备自主导航和控制原理与实现方法的基础理论成果，有效提高了我国采掘设备自动化关键技术水平。但要实现煤矿机器人下井，真正替代矿工开展井下复杂环境作业，还有赖于防爆材料、能源动力、精准定位、无线通讯等相关技术研发取得突破性进展，为各类煤矿机器人的研发应用提供技术保障。

3.1 煤矿机器人的轻质防爆材料

煤矿井下作业环境特殊，机器人技术应用到井下不仅要解决防爆、防尘、防潮、防水、抗腐蚀等问题，还要在保证续航能力的同时具备越障能力强、可靠性高的机械结构，这就对机器人的材料性能提出更高的要求。从技术上要研究井下轻质机身防爆材料以及动力材料制备工艺，探索抗高速冲击震动、动态应变强化、吸能降噪以及高温的行为与机理，研究各种合金元素的含量与分布、组织结构变化对煤矿井下环境轻质材料燃点、高速碰撞摩擦时火花生成能力的影响规律并开发出有效的阻燃防护技术，研究不同煤矿井下服役时间、服役环境、服役部位对轻质材料综合性能的影响规律等。

3.2 长续航、高能量密度的机器人动力技术

《煤矿安全规程》中对使用蓄电池的设备有明确规定：“机车等移动设备在专用充电硐室或者地面充电”，这就对煤矿机器人的动力电源提出更高的要求。要深入研究适用于机器人的高能量防爆蓄电池和复杂工况下蓄电池隔爆设计轻量化技术，研究智能化电池管理系统及电池集成技术，实现动力及驱动系统高效、高功率密度、高稳定性的目标。

3.3 井下特殊作业环境机器人自主精准定位技术

导航技术是煤矿机器人等智能移动机器人技术的关键，目前机器人定位的理论与技术比较成熟，但对于在煤矿复杂环境下的定位、避障、路径规划等技术有待进一步研究。需掌握井下封闭环境下机器人功能性需求与自主定位间的规律，提出适用于井下特殊用途的机器人自主定位系统方案，解决井下机器人精确定位、姿态感知等方面的基础理论和关键技术问题。

3.4 煤矿机器人的无线通讯技术

井下巷道错综复杂，无线通信信号受到巷道屏蔽，传播距离有限，同时通信信号也会受到大型设备启停产生的电磁干扰。针对井下高吞吐量以及动态的网络需求，研发基于分布式通讯的自组网无缝通信技术，研发用于煤矿机器人高可靠、抗干扰群体通讯系统装置等。

4 煤矿机器人研发应用进展

自国家煤监局大力推动煤矿机器人研发应用工作以来，煤炭行业、科研机构和制造企业基本形成了研发应用机器人、加快发展智能装备的共识，研发应用的自觉性进一步增强。从整体上看，煤矿企业对《煤矿机器人重点研发目录》发布的38种机器人均有应用需求，但由于前期研究基础、当前技术水平和井下作业环境的不同，各类煤矿机器人的研发进程略有差异，通过调研，大体可以将煤矿机器人研发进展分为3个层次。

4.1 技术相对成熟，已实现部分现场应用

(1)无人化掘进装备研发取得了积极进展。掘进机器人已在山东临矿内蒙古上海庙矿业公司有所应用，实现了软岩条件下掘锚一体遥控作业。直径为6.33 m的煤矿巷道岩巷全断面掘进机成功应用于山东能源新矿集团新巨龙公司，该设备设计掘进速度为500～800 m/月，采用盘形滚刀破岩机理，利用全断面刀盘一次破岩成洞。小断面盾构机也成功用于重庆渝新能源打通一矿瓦斯巷掘进，解决了传统掘进施工过程中粉尘大、速度慢、危险性高等问题。

(2)智能化采煤工作面技术相对比较成熟。多家煤机企业研发的采煤机已具备自主运行、记忆截割等功能，实现了远程控制和遥控操作。智能化工作面控制系统研发工作也在积极开展，由于采煤机自主导航定位、煤岩识别等技术还不完善，采煤工作面机器人群协同联动作业的连续性和稳定性还有待提高。

(3)巡检类机器人应用较为广泛。皮带机巡检机器人、巷道巡检机器人已在同煤集团塔山煤矿、枣矿集团高煤公司等地投入使用。工作面巡检机器人已在黄陵一号煤矿投入使用，实现了工作面视频和设备状况等多参数感知；地面电站巡检机器人已经在阳煤集团等企业推广应用。

(4)智能煤矸分选机器人研发应用进展迅速。目前选矸机器人研发企业较多，技术相对成熟，多家公司的产品已在开滦集团、内蒙古伊泰能源、潞安集团、国电投等煤矿企业投入使用，取得了初步效果。

4.2 已立项研发关键技术仍需突破

(1)锚、钻、喷浆类机器人具备一定的前期基础。开滦集团、兖矿集团、山东能源集团等煤矿企业与国内多家企业开展紧密合作，实现钻锚作业的机器人化。部分喷浆机器人已实现远程遥控，有效减少了喷浆作业的用工数量，在此基础上，兖矿集团、晋煤集团已就喷浆机器人立项研究。探水钻孔、防突钻孔、防冲钻孔三类机器人的本体较为类似，可基于同一平台研发，平煤集团已立项研发防突钻孔机器人，正在开展工业性试验，目前仍以遥控操作为主、自主移动为辅，相关科研单位正组织科技攻关，重点解决钻孔机器人的井下自主移动、导航定位、自动钻进等问题。

(2)清理、搬运类机器人部分已完成样机试制。潞安集团、陕煤化集团等都对搬运机器人提出了具体需求，辅助锚杆搬运机械臂已研发成功，完成了样机的试制。巷道清理机器人、煤仓清理机器人、巷道冲尘机器人的研发也已相继开展，完成了部分样机的试制。水仓清理机器人研发的厂家相对较多，已实现清理作业的遥控操作，开滦集团也与相关科研单位积极开展合作研发，主要解决水仓清理系统自动化、智能化的问题。

(3)探险、排险类机器人正处于研发攻关阶段。多家煤炭企业已与相关研发机构合作研发危险气体巡检机器人。冀中能源集团与相关企业及科研院所合作成立了煤矿智能化工程研究中心，研发智能排水机器人，下一步将开展工业性试验。矿井救援机器人研发也取得进展，样机在同煤集团塔山煤矿和救护大队开展了工业性试验，但还需要进一步提升灾后复杂环境下的施救能力。

(4)露天作业类机器人进入工业性试验阶段。中煤集团积极研发露天煤矿穿孔爆破机器人，已准备开展工业性试验；能够实现无人矿卡和电铲间智能协同作业的露天矿电铲智能远程控制自动装载系统以及露天矿卡车无人驾驶系统等也正在积极研发之中。

4.3 技术难度较大，研发进展较慢

(1)支护类机器人智能化难度较大。由于采、掘工作面的复杂多样化，各种支护类机器人需要针对具体工况开展个性化研发，具有研发难度较大、成本高、周期长以及不利于推广等特点，企业参与积极性不高。掘进工作面机器人群在原理上可行，但系统集成难度较大，可靠性有待提高，未见成套技术装备。

(2)井下零散工种作业类机器人尚未有实质性推进。破碎机器人、车场推车机器人、管道巡检机器人、密闭砌筑机器人未有进展；阳煤集团提出了管道安装机器人需求，但目前相关研发机构的管道辅助抓举的概念样机还不能完全满足要求。

(3)部分安控救援类机器人进展较慢。山东能源临矿集团正积极联系相关单位开展井筒安全智能巡检机器人的预研工作。多家机器人研发企业分别在井下抢险作业机器人和灾后搜救水陆两栖机器人方面开展过研究，但近期未有进展。通风监测机器人研发应用未取得实质性进展。

5 趋势与展望

近年来，国有大型煤炭企业、煤机制造企业、相关科研机构相继在煤矿机器人领域投入资金积极进行研发与应用。“十三五”以来，随着“矿山安全生产物联网关键技术与装备研发”等多项研究内容和关键技术涉及煤矿机器人的国家重点研发计划立项实施，各类煤矿机器人及其相关技术也得到了大力推进。但煤矿机器人减人换人作业是一个系统工程，总体而言，国内煤矿机器人研发应用仍处于起步阶段，目前尚未研发出成熟的煤矿机器人成套技术与装备，无法真正实现井下多工种、全安全岗位的无人(少人)化总体目标。由于煤矿井下环境的复杂性和特殊性，相关科研成果距离现场大面积推广应用还有一段距离，关键技术还需要进一步集中力量研发攻关，成套装备性能及其运行可靠性还需要依托产、学、研、用协同创新机制的努力进一步提升。

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