□ 劉根民

同煤集團(tuán) 煤峪口礦 山西大同 037041

現(xiàn)階段,煤炭行業(yè)依然是我國重要的經(jīng)濟(jì)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(zhì)條件復(fù)雜,開采環(huán)境、作業(yè)條件惡劣,常發(fā)生一些次生災(zāi)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(chǎn)過程中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)具有相當(dāng)重要的意義。

1 煤礦機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 噴漿機(jī)器人

噴漿機(jī)器人是一種新型巷道支護(hù)工藝機(jī)器人。與傳統(tǒng)工藝相比,應(yīng)用噴漿機(jī)器人施工速度快,同時可節(jié)約鋼材及木材等。但是,應(yīng)用這種新型巷道支護(hù)工藝機(jī)器人容易發(fā)生混凝土回彈現(xiàn)象,造成結(jié)構(gòu)不均勻,使施工質(zhì)量受影響[1]。一般噴漿機(jī)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(xué)成功研發(fā)了能夠在任何位置運(yùn)動,實現(xiàn)指定噴漿作業(yè)的噴漿機(jī)器人。

1.2 鑿巖機(jī)器人

巷道掘進(jìn)作業(yè)是如今煤礦基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要作業(yè),常運(yùn)用鉆爆施工方法。隨著信息化、機(jī)電液一體化的發(fā)展,業(yè)內(nèi)將鑿巖循環(huán)高度智能化、自動化的設(shè)備稱為鑿巖機(jī)器人。鑿巖機(jī)器人具有高效率、高經(jīng)濟(jì)化、高精度和低勞動強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。國外已有20多個國家成功研發(fā)了鑿巖機(jī)器人,我國首臺由計算機(jī)控制的隧道鑿巖機(jī)器人由中南大學(xué)所研發(fā)[2]。

1.3 煤礦救災(zāi)機(jī)器人

由于井下煤礦作業(yè)容易發(fā)生事故,而且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,因此研發(fā)煤礦救災(zāi)機(jī)器人,全部或者部分替代作業(yè)人員深入礦井災(zāi)區(qū),進(jìn)行搜救工作及環(huán)境探測具有重要意義。這類機(jī)器人技術(shù)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(jī)進(jìn)行導(dǎo)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(zāi)機(jī)器人由中國礦業(yè)大學(xué)研制成功。這臺機(jī)器人安裝有溫度、氣體傳感器及攝像機(jī)等設(shè)備,采用無線網(wǎng)絡(luò)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(zāi)物資[3]。目前,全球煤礦救災(zāi)機(jī)器人只是初步使用,效果并不太理想,只能對有限的巷道進(jìn)行探測救災(zāi),不過,這類煤礦救災(zāi)機(jī)器人對代替煤礦井下救災(zāi)人員并預(yù)防二次災(zāi)害而言,有重要價值[4]。

1.4 煤礦服務(wù)機(jī)器人

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

2 研發(fā)中的問題

2.1 導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是煤礦機(jī)器人的一項關(guān)鍵技術(shù),主要指采用檢測方法來獲得機(jī)器人所處環(huán)境的信息、方向及位置,并通過數(shù)據(jù)處理來指導(dǎo)規(guī)劃煤礦機(jī)器人的行進(jìn)路線。目前,機(jī)器人的精確定位技術(shù)已經(jīng)完善,但對于煤礦復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行探測,并實現(xiàn)路線規(guī)劃、避障等,還需要進(jìn)一步研究。

2.2 動力能源技術(shù)

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

2.3 可靠性技術(shù)

研究可靠性非常重要,主要體現(xiàn)在兩個方面,一是結(jié)構(gòu)可靠性,二是控制系統(tǒng)可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性主要包括越障能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng),以及防水、防塵、抗氧化、抗腐蝕等。在煤礦機(jī)器人控制系統(tǒng)可靠性方面,目前還沒有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品。

2.4 通信技術(shù)

通信技術(shù)主要包括機(jī)器和機(jī)器、人和機(jī)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(dǎo)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(shù)

煤礦機(jī)器人在井下作業(yè),防爆是一個重要的方面。目前,煤礦機(jī)器人防爆殼體主要由鋼鐵制成,質(zhì)量大,一般情況下可達(dá)500 kg,還需要配置驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電路、電池等。如此的龐然大物,一旦電量不足、線路出現(xiàn)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(jī)器人面臨的一個重要問題。

3 煤礦機(jī)器人發(fā)展方向

3.1 移動結(jié)構(gòu)

移動結(jié)構(gòu)是煤礦機(jī)器人的重要組成部分,設(shè)計時必須考慮移動速度、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和適應(yīng)性。目前煤礦機(jī)器人移動方式發(fā)展的重點(diǎn)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(shù)

在防爆技術(shù)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(biāo)中對表面靜電的規(guī)定[7]、強(qiáng)度要求、防爆要求等。目前一部分噴漿機(jī)器人就應(yīng)用了輕型防爆材料,大大減輕了質(zhì)量。

可以采用傳統(tǒng)工藝加表面處理工藝,并采用殼體一體化結(jié)構(gòu)。一體化結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量輕,有利于煤礦機(jī)器人的輕量化改造。

3.3 控制系統(tǒng)

煤礦機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括機(jī)器人控制系統(tǒng)、操作端控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

3.4 人工智能技術(shù)

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

3.5 電子設(shè)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(jī)器人的質(zhì)量。采用總線設(shè)計,可以有效減少單獨(dú)連線的數(shù)量,提高可靠性,同時方便替換各個模塊。此外,需要加強(qiáng)電路散熱設(shè)計[9-10]。由于防爆的需要,各種電路都在空間狹小的殼體內(nèi),煤礦機(jī)器人工作時內(nèi)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(jī)器人未來攻關(guān)

采用采煤與支護(hù)并行式作業(yè),可以提高作業(yè)效率和工程質(zhì)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(jī)器人是一個攻關(guān)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(fèi),同時也簡化后續(xù)作業(yè)流程,降低人力、物力成本。因此,采煤選矸填充式一體化機(jī)器人也是未來的一個攻關(guān)方向。

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

5 結(jié)束語

當(dāng)今世界,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,信息化、智能化技術(shù)已被應(yīng)用至煤礦生產(chǎn)中,促進(jìn)了煤礦機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人化開采的最終目標(biāo)是實現(xiàn)無人化開采,隨著煤礦機(jī)器人在控制、通信、導(dǎo)航及可靠性技術(shù)等方面不斷發(fā)展,高精度、高適應(yīng)性、高環(huán)保性的煤礦機(jī)器人將不斷出現(xiàn),推動煤礦機(jī)器人向無人化開采目標(biāo)繼續(xù)發(fā)展。