李芳瑋 胡而已 張冬陽

(1.應(yīng)急管理部信息研究院煤礦機器人協(xié)同推進中心，北京市朝陽區(qū)，100029； 2.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

目前，煤礦生產(chǎn)過程中仍然存在災(zāi)害重、風(fēng)險大、下井人員多、危險崗位多等情況，在全國煤礦249萬從業(yè)人員中，從事采煤、掘進、運輸、安控等危險繁重崗位人員占比達60%以上，是目前最迫切需要開展機器人換人的高危行業(yè)。受限于煤炭井下開采的復(fù)雜和惡劣作業(yè)環(huán)境，煤礦機器人的研發(fā)應(yīng)用是特種機器人領(lǐng)域技術(shù)難度最大的種類之一。要實現(xiàn)煤礦機器人下井，真正替代礦工開展井下復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，依賴于防爆材料、能源動力、精準(zhǔn)定位、無線通訊等相關(guān)技術(shù)研發(fā)取得突破性進展，為各類煤礦機器人的研發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)保障。

1 煤礦智能化建設(shè)的背景和意義

1.1 推進煤礦智能化建設(shè)

長期以來，我國一直是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭對我國經(jīng)濟的高速發(fā)展起到了舉足輕重的作用。改革開放40多年來，在黨中央、國務(wù)院的堅強領(lǐng)導(dǎo)下，在各地區(qū)、各有關(guān)部門和廣大煤礦企業(yè)的共同奮斗下，煤礦安全生產(chǎn)法律體系逐步健全，監(jiān)管監(jiān)察體制日趨完善，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，安全科技水平持續(xù)提升，防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)能力明顯增強，煤礦安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。但在煤礦生產(chǎn)過程中任然存在災(zāi)害重、風(fēng)險大、下井人員多以及危險崗位多等特點，在全國煤礦249萬從業(yè)人員中，從事采煤、掘進、運輸、安控等危險繁重崗位人員占比達60%以上，是目前最迫切需要開展機器人換人的高危行業(yè)。通過煤礦智能化建設(shè)，將進一步推進我國機械化制造業(yè)、信息化產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段國家工業(yè)化和國民經(jīng)濟發(fā)展的客觀需要。

煤礦智能化建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)工作面無人(少人)化操作，減少煤礦井下高危險和高強度關(guān)鍵崗位用工，從根本上提高了煤礦生產(chǎn)作業(yè)安全系數(shù)，降低煤礦風(fēng)險等級，提高事故防控能力，有利于煤礦減人增效，減輕工人勞動強度，保護職工安全健康，對于推動煤炭開采技術(shù)革命、煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及保障國家能源安全供應(yīng)具有重要而深遠的意義。

1.2 建設(shè)無人(少人)礦井

習(xí)近平總書記指出，要牢固樹立發(fā)展絕不能以犧牲安全為代價的紅線意識。黨的十九大報告提出“永遠把人民對美好生活的向往作為奮斗目標(biāo)”，新時代煤礦安全發(fā)展要從“遏制群死群傷的重特大事故”向“遏制較大事故和一般死亡事故”轉(zhuǎn)變，不僅要遏制事故發(fā)生，也要關(guān)注礦工傷害事故和職業(yè)健康，在消滅事故和職業(yè)危害的基礎(chǔ)上，努力實現(xiàn)礦工體面勞動和有尊嚴(yán)地勞動。建設(shè)無人(少人)礦井實現(xiàn)“無人則安，少人則安”，大幅度改善煤礦井下作業(yè)環(huán)境，對于實現(xiàn)新時代煤礦安全發(fā)展目標(biāo)和礦工對美好生活的向往將起到重要作用。

1.3 以機器人研發(fā)應(yīng)用引領(lǐng)煤礦“四化”建設(shè)

推進煤礦“四化”建設(shè)，實現(xiàn)煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，成為提高煤礦本質(zhì)安全水平、促進煤礦安全發(fā)展的必由之路和推進煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的根本出路。實施煤礦機器人下井，大力推進各作業(yè)崗位的機器人替代，是貫徹落實總書記防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)和安全生產(chǎn)重要指示精神，實現(xiàn)“從減少災(zāi)害損失到減輕災(zāi)害風(fēng)險”重大舉措的有力保證，是全國煤礦安全發(fā)展的正確方向。大力研發(fā)應(yīng)用井下機器人，提升煤礦本質(zhì)安全水平和煤礦安全保障能力，促進煤礦安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)刻不容緩。在2019年的全國煤礦安全生產(chǎn)工作會議上，國家煤監(jiān)局提出要以機器人研發(fā)應(yīng)用引領(lǐng)煤礦“四化”建設(shè)，鼓勵支持煤礦企業(yè)與國內(nèi)外科研單位、機器人制造企業(yè)開展合作，加快推進研發(fā)應(yīng)用。

2 煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用的政策導(dǎo)向與協(xié)同創(chuàng)新

從2018年4月開始，國家煤監(jiān)局一直在謀劃、部署和推動機器人研發(fā)應(yīng)用工作，大力推動頂層設(shè)計、協(xié)調(diào)爭取政策支持、搭建平臺協(xié)同推進、扎實做好服務(wù)支撐，為提升煤礦本質(zhì)安全水平發(fā)揮了積極的作用，煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用取得了一定的進展。

2.1 煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用的頂層設(shè)計

2018年9月，在應(yīng)急管理部信息研究院成立了“煤礦機器人協(xié)同推進中心”，專門協(xié)助國家煤監(jiān)局行管司進行煤礦機器人的頂層設(shè)計。2019年1月，通過組織開展調(diào)研摸底、研討論證并廣泛征求意見，制定發(fā)布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》(國家煤監(jiān)局2019年第1號公告)，重點研發(fā)應(yīng)用掘進、采煤、運輸、安控和救援5類、38種煤礦機器人，引導(dǎo)煤炭企業(yè)、科研機構(gòu)、機器人制造企業(yè)和全社會參與研發(fā)應(yīng)用，把握煤礦安全需求重點，鼓勵創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，力爭盡快在煤礦機器人技術(shù)上有新的突破，使煤礦實現(xiàn)“少人則安、無人則安”?！赌夸洝钒l(fā)布后，中央電視臺等主流媒體給予了極大關(guān)注，引起社會強烈反響。

在2019年兩會期間，應(yīng)急管理部副部長、國家煤監(jiān)局局長黃玉治提交了政協(xié)提案《大力推進煤礦智能裝備和機器人研發(fā)應(yīng)用》，建議做好煤礦智能裝備、機器人研發(fā)應(yīng)用頂層設(shè)計，強化基礎(chǔ)前沿科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)研究，支持煤炭行業(yè)智能裝備、機器人示范工程建設(shè)，加大對煤礦機器人產(chǎn)業(yè)政策支持力度，推進智能裝備、機器人在煤礦研發(fā)應(yīng)用，推進高素質(zhì)人員隊伍建設(shè)。

2.2 各項政策支持

為了支持煤礦智能裝備和機器人的研發(fā)應(yīng)用，國家發(fā)改委辦公廳印發(fā)了《國家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于組織申報2019年煤礦安全改造中央預(yù)算內(nèi)投資計劃的通知》(發(fā)改辦能源〔2018〕1035 號),將煤礦智能裝備推廣應(yīng)用納入30億元國債資金支持范圍，支持煤礦推廣應(yīng)用智能裝備，推進機械化換人、自動化減人和智能裝備替代高危崗位作業(yè)。同時，應(yīng)急管理部、國家煤監(jiān)局組織相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)研究煤礦機器人急需解決的技術(shù)問題，向科技部申報了4項煤礦機器人“卡脖子”項目，爭取在關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。

2.3 推進協(xié)同創(chuàng)新

搭建平臺，推進煤礦機器人協(xié)同創(chuàng)新，組織協(xié)調(diào)相關(guān)部門參與全國煤礦基礎(chǔ)建設(shè)推進大會，組織中國科學(xué)院、潞安集團、國家能源集團、兗礦集團等近20家企業(yè)、機構(gòu)和科研院所展示煤礦智能裝備和機器人技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用情況。同時，組織開展煤礦機器人技術(shù)專題講座，掌握煤礦機器人最新研發(fā)成果以及煤礦企業(yè)需求，推進產(chǎn)、學(xué)、研、用合作，促進跨界合作和信息交流。

3 煤礦機器人共性關(guān)鍵技術(shù)

國外煤礦機器人研究起步較早，美國自20世紀(jì)80年代開始陸續(xù)研制出計算機控制采煤作業(yè)系統(tǒng)及多種特種機器人，澳大利亞、印度及南非等幾大主要煤炭生產(chǎn)國煤炭資源賦存深度淺，以露天開采為主，露采裝備自動化、智能化水平和開采機器人化程度較高，機器人應(yīng)用起步早，技術(shù)先進。我國煤礦目前多以井工開采為主，開采深度更大、地質(zhì)條件更復(fù)雜，井工開采作業(yè)機器人研發(fā)應(yīng)用難度更大，且由于安全管理規(guī)程等條件的限制，國外各類機器人技術(shù)及裝備無法直接應(yīng)用于國內(nèi)多數(shù)煤礦企業(yè)。

2008年以來，我國設(shè)立了“十二五”863計劃重點項目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”，“十三五”國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展973計劃項目“深部危險煤層無人采掘裝備關(guān)鍵基礎(chǔ)研究”，完成了掘進機遠程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)研究，取得了一系列綜掘裝備自主導(dǎo)航和控制原理與實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)理論成果，有效提高了我國采掘設(shè)備自動化關(guān)鍵技術(shù)水平。但要實現(xiàn)煤礦機器人下井，真正替代礦工開展井下復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，還有賴于防爆材料、能源動力、精準(zhǔn)定位、無線通訊等相關(guān)技術(shù)研發(fā)取得突破性進展，為各類煤礦機器人的研發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)保障。

3.1 煤礦機器人的輕質(zhì)防爆材料

煤礦井下作業(yè)環(huán)境特殊，機器人技術(shù)應(yīng)用到井下不僅要解決防爆、防塵、防潮、防水、抗腐蝕等問題，還要在保證續(xù)航能力的同時具備越障能力強、可靠性高的機械結(jié)構(gòu)，這就對機器人的材料性能提出更高的要求。從技術(shù)上要研究井下輕質(zhì)機身防爆材料以及動力材料制備工藝，探索抗高速沖擊震動、動態(tài)應(yīng)變強化、吸能降噪以及高溫的行為與機理，研究各種合金元素的含量與分布、組織結(jié)構(gòu)變化對煤礦井下環(huán)境輕質(zhì)材料燃點、高速碰撞摩擦?xí)r火花生成能力的影響規(guī)律并開發(fā)出有效的阻燃防護技術(shù)，研究不同煤礦井下服役時間、服役環(huán)境、服役部位對輕質(zhì)材料綜合性能的影響規(guī)律等。

3.2 長續(xù)航、高能量密度的機器人動力技術(shù)

《煤礦安全規(guī)程》中對使用蓄電池的設(shè)備有明確規(guī)定：“機車等移動設(shè)備在專用充電硐室或者地面充電”，這就對煤礦機器人的動力電源提出更高的要求。要深入研究適用于機器人的高能量防爆蓄電池和復(fù)雜工況下蓄電池隔爆設(shè)計輕量化技術(shù)，研究智能化電池管理系統(tǒng)及電池集成技術(shù)，實現(xiàn)動力及驅(qū)動系統(tǒng)高效、高功率密度、高穩(wěn)定性的目標(biāo)。

3.3 井下特殊作業(yè)環(huán)境機器人自主精準(zhǔn)定位技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是煤礦機器人等智能移動機器人技術(shù)的關(guān)鍵，目前機器人定位的理論與技術(shù)比較成熟，但對于在煤礦復(fù)雜環(huán)境下的定位、避障、路徑規(guī)劃等技術(shù)有待進一步研究。需掌握井下封閉環(huán)境下機器人功能性需求與自主定位間的規(guī)律，提出適用于井下特殊用途的機器人自主定位系統(tǒng)方案，解決井下機器人精確定位、姿態(tài)感知等方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.4 煤礦機器人的無線通訊技術(shù)

井下巷道錯綜復(fù)雜，無線通信信號受到巷道屏蔽，傳播距離有限，同時通信信號也會受到大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的電磁干擾。針對井下高吞吐量以及動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)需求，研發(fā)基于分布式通訊的自組網(wǎng)無縫通信技術(shù)，研發(fā)用于煤礦機器人高可靠、抗干擾群體通訊系統(tǒng)裝置等。

4 煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用進展

自國家煤監(jiān)局大力推動煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用工作以來，煤炭行業(yè)、科研機構(gòu)和制造企業(yè)基本形成了研發(fā)應(yīng)用機器人、加快發(fā)展智能裝備的共識，研發(fā)應(yīng)用的自覺性進一步增強。從整體上看，煤礦企業(yè)對《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》發(fā)布的38種機器人均有應(yīng)用需求，但由于前期研究基礎(chǔ)、當(dāng)前技術(shù)水平和井下作業(yè)環(huán)境的不同，各類煤礦機器人的研發(fā)進程略有差異，通過調(diào)研，大體可以將煤礦機器人研發(fā)進展分為3個層次。

4.1 技術(shù)相對成熟，已實現(xiàn)部分現(xiàn)場應(yīng)用

(1)無人化掘進裝備研發(fā)取得了積極進展。掘進機器人已在山東臨礦內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)公司有所應(yīng)用，實現(xiàn)了軟巖條件下掘錨一體遙控作業(yè)。直徑為6.33 m的煤礦巷道巖巷全斷面掘進機成功應(yīng)用于山東能源新礦集團新巨龍公司，該設(shè)備設(shè)計掘進速度為500～800 m/月，采用盤形滾刀破巖機理，利用全斷面刀盤一次破巖成洞。小斷面盾構(gòu)機也成功用于重慶渝新能源打通一礦瓦斯巷掘進，解決了傳統(tǒng)掘進施工過程中粉塵大、速度慢、危險性高等問題。

(2)智能化采煤工作面技術(shù)相對比較成熟。多家煤機企業(yè)研發(fā)的采煤機已具備自主運行、記憶截割等功能，實現(xiàn)了遠程控制和遙控操作。智能化工作面控制系統(tǒng)研發(fā)工作也在積極開展，由于采煤機自主導(dǎo)航定位、煤巖識別等技術(shù)還不完善，采煤工作面機器人群協(xié)同聯(lián)動作業(yè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性還有待提高。

(3)巡檢類機器人應(yīng)用較為廣泛。皮帶機巡檢機器人、巷道巡檢機器人已在同煤集團塔山煤礦、棗礦集團高煤公司等地投入使用。工作面巡檢機器人已在黃陵一號煤礦投入使用，實現(xiàn)了工作面視頻和設(shè)備狀況等多參數(shù)感知；地面電站巡檢機器人已經(jīng)在陽煤集團等企業(yè)推廣應(yīng)用。

(4)智能煤矸分選機器人研發(fā)應(yīng)用進展迅速。目前選矸機器人研發(fā)企業(yè)較多，技術(shù)相對成熟，多家公司的產(chǎn)品已在開灤集團、內(nèi)蒙古伊泰能源、潞安集團、國電投等煤礦企業(yè)投入使用，取得了初步效果。

4.2 已立項研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)仍需突破

(1)錨、鉆、噴漿類機器人具備一定的前期基礎(chǔ)。開灤集團、兗礦集團、山東能源集團等煤礦企業(yè)與國內(nèi)多家企業(yè)開展緊密合作，實現(xiàn)鉆錨作業(yè)的機器人化。部分噴漿機器人已實現(xiàn)遠程遙控，有效減少了噴漿作業(yè)的用工數(shù)量，在此基礎(chǔ)上，兗礦集團、晉煤集團已就噴漿機器人立項研究。探水鉆孔、防突鉆孔、防沖鉆孔三類機器人的本體較為類似，可基于同一平臺研發(fā)，平煤集團已立項研發(fā)防突鉆孔機器人，正在開展工業(yè)性試驗，目前仍以遙控操作為主、自主移動為輔，相關(guān)科研單位正組織科技攻關(guān)，重點解決鉆孔機器人的井下自主移動、導(dǎo)航定位、自動鉆進等問題。

(2)清理、搬運類機器人部分已完成樣機試制。潞安集團、陜煤化集團等都對搬運機器人提出了具體需求，輔助錨桿搬運機械臂已研發(fā)成功，完成了樣機的試制。巷道清理機器人、煤倉清理機器人、巷道沖塵機器人的研發(fā)也已相繼開展，完成了部分樣機的試制。水倉清理機器人研發(fā)的廠家相對較多，已實現(xiàn)清理作業(yè)的遙控操作，開灤集團也與相關(guān)科研單位積極開展合作研發(fā)，主要解決水倉清理系統(tǒng)自動化、智能化的問題。

(3)探險、排險類機器人正處于研發(fā)攻關(guān)階段。多家煤炭企業(yè)已與相關(guān)研發(fā)機構(gòu)合作研發(fā)危險氣體巡檢機器人。冀中能源集團與相關(guān)企業(yè)及科研院所合作成立了煤礦智能化工程研究中心，研發(fā)智能排水機器人，下一步將開展工業(yè)性試驗。礦井救援機器人研發(fā)也取得進展，樣機在同煤集團塔山煤礦和救護大隊開展了工業(yè)性試驗，但還需要進一步提升災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境下的施救能力。

(4)露天作業(yè)類機器人進入工業(yè)性試驗階段。中煤集團積極研發(fā)露天煤礦穿孔爆破機器人，已準(zhǔn)備開展工業(yè)性試驗；能夠?qū)崿F(xiàn)無人礦卡和電鏟間智能協(xié)同作業(yè)的露天礦電鏟智能遠程控制自動裝載系統(tǒng)以及露天礦卡車無人駕駛系統(tǒng)等也正在積極研發(fā)之中。

4.3 技術(shù)難度較大，研發(fā)進展較慢

(1)支護類機器人智能化難度較大。由于采、掘工作面的復(fù)雜多樣化，各種支護類機器人需要針對具體工況開展個性化研發(fā)，具有研發(fā)難度較大、成本高、周期長以及不利于推廣等特點，企業(yè)參與積極性不高。掘進工作面機器人群在原理上可行，但系統(tǒng)集成難度較大，可靠性有待提高，未見成套技術(shù)裝備。

(2)井下零散工種作業(yè)類機器人尚未有實質(zhì)性推進。破碎機器人、車場推車機器人、管道巡檢機器人、密閉砌筑機器人未有進展；陽煤集團提出了管道安裝機器人需求，但目前相關(guān)研發(fā)機構(gòu)的管道輔助抓舉的概念樣機還不能完全滿足要求。

(3)部分安控救援類機器人進展較慢。山東能源臨礦集團正積極聯(lián)系相關(guān)單位開展井筒安全智能巡檢機器人的預(yù)研工作。多家機器人研發(fā)企業(yè)分別在井下?lián)岆U作業(yè)機器人和災(zāi)后搜救水陸兩棲機器人方面開展過研究，但近期未有進展。通風(fēng)監(jiān)測機器人研發(fā)應(yīng)用未取得實質(zhì)性進展。

5 趨勢與展望

近年來，國有大型煤炭企業(yè)、煤機制造企業(yè)、相關(guān)科研機構(gòu)相繼在煤礦機器人領(lǐng)域投入資金積極進行研發(fā)與應(yīng)用?！笆濉币詠?，隨著“礦山安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”等多項研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)涉及煤礦機器人的國家重點研發(fā)計劃立項實施，各類煤礦機器人及其相關(guān)技術(shù)也得到了大力推進。但煤礦機器人減人換人作業(yè)是一個系統(tǒng)工程，總體而言，國內(nèi)煤礦機器人研發(fā)應(yīng)用仍處于起步階段，目前尚未研發(fā)出成熟的煤礦機器人成套技術(shù)與裝備，無法真正實現(xiàn)井下多工種、全安全崗位的無人(少人)化總體目標(biāo)。由于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，相關(guān)科研成果距離現(xiàn)場大面積推廣應(yīng)用還有一段距離，關(guān)鍵技術(shù)還需要進一步集中力量研發(fā)攻關(guān)，成套裝備性能及其運行可靠性還需要依托產(chǎn)、學(xué)、研、用協(xié)同創(chuàng)新機制的努力進一步提升。

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。借助互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)引領(lǐng)新時代煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，實現(xiàn)傳統(tǒng)能源行業(yè)跨越式發(fā)展，將百萬礦工從煤礦一線的繁重勞動和惡劣環(huán)境中解放出來，責(zé)任重大，任務(wù)艱巨，使命光榮，需要科技工作者和廣大從業(yè)人員凝心聚力，貢獻智慧，共創(chuàng)輝煌。