中g礦業大學校長葛世榮談煤礦機器人化開采關鍵技術

　　“煤炭綠色開采的新路徑是機器人化。”前不久，在中g工程院與神華集團聯合舉辦的2017年g際工程科技發展戰略高端論壇上，中g礦業大學校長葛世榮介紹了煤礦機器人化開采關鍵技術研發情況。

　　據葛世榮介紹，我g煤礦平均井深超過500米，而澳大利亞煤礦平均井深只有250米，美g煤礦平均井深只有150米。我g煤炭綠色開采的Z大難題是“三高”，即高傷亡、高損害、高排放。

　　“煤炭綠色開采廣義的‘三零’內涵是零傷亡、零損害、零排放。”葛世榮說，“我們需要機器人化，光靠一般的機械化開采很難實現‘三零’。”

　　源自仿生走向擬人

　　從煤炭開采的歷史看，Z早是人工開采，后來是機械化開采、自動化開采，機械化開采部分替代了人的勞動，自動化開采減少了人的勞動。如今的機器人化開采的Z終目標是實現無人化開采。

　　葛世榮介紹，機器人化開采源自仿生，要走向擬人。掘進機仿了穿山甲的功能，采煤機仿了地鼠的挖掘功能，而帶式輸送機仿了蟻群搬家的功能，每個托輥相當于一只螞蟻，現在要通過人工智能的嵌入或嫁接來實現煤礦機器人化開采。

　　“從動物開始，經過發展再回歸到高級動物的采礦機器人，這是我們要研發的。”葛世榮說，現在，我g提倡智能礦山建設，而機器人化開采是智能礦山的核心架構。

　　葛世榮介紹，機器人化開采是機器擬人化生產，多機器人協同作業。這個時候它要具有自主定位、自動感知、自適運行的功能，要實現整個采礦過程的數字化和物聯化，以及運行的透視化和可視化。機器人化開采技術體系包括采煤作業的機器人、無人操作的刮板輸送機、無人值守的提升機以及無人駕駛的車輛等。機器人化開采關鍵技術系統包括可視化與建模系統、智能感知與大數據系統、井下定位導航技術、虛擬采礦與仿真控制技術、生產工況動態監控技術、機器人化采礦設備、地面監控中心和礦井物聯網。

　　煤要自動采出來

　　采煤機是把煤炭從地下挖出來的Z前端、Z核心的機器。葛世榮認為，采煤機要實現機器人化，“五調控”是核心。一是調控截割速度，二是調控截割高度，三是調控截割軌跡，四是刮板輸送機調Z，五是液壓支架調Z。

　　“‘五調控’缺一不可，只要一個步驟不能實現智能或者機器人化開采，整個采煤工作面的機器人化就無從談起。”葛世榮說。

　　為此，葛世榮團隊研發了井下精準定位導航技術。試驗表明，采煤機通過慣性導航的方式實現了定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。現在，他們仍在進一步提高定位精度，減小誤差，爭取在5厘米以內，甚至更小。

　　“煤層并不是一馬平川的，而是起伏變化的，煤巖界面的機器識別至關重要。”葛世榮說，“我們研發了煤巖界面自動識別截割技術，即采用將電流與震動等多參數融合的方式使誤差控制在1厘米左右。”

　　在井下采煤，除了自動識別煤巖界面，還得讓采煤機知道在什么地方拐彎，在什么地方Z行。“我們將導航的信息嵌入地理信息系統，這就相當于給了采煤機地理導航圖。有了類似GPS的導航圖，采煤機就會像汽車一樣，知道在哪個地方拐彎，到哪個地方Z行了。”葛世榮說。

　　機器人化開采是多機器人協同，如何實現協同?對此，葛世榮表示，開始是聯動控制，其次是機群的協同，再其次是遠程感知。所以，要構建一個物聯網系統，來實現無人操作和機器人化群組之間的自動化運行。

　　“有了物聯網，我們就可以在距離采煤工作面500米左右的地下手持遙控，在采煤工作面1公里范圍內的順槽內實現遠程監控，甚至可以到距離采煤工作面10公里以上的地面監控中心進行遠程監控。這三方面如果都能實現遠程監控的話，那我們就可以實現煤礦機器人化開采的無人值守、遠程操控。”葛世榮說。

　　葛世榮團隊在山西一煤礦進行了機器人化開采試驗。這個礦年產量1000萬噸，采煤工作面只需6人遠程監控和巡檢，初步實現了機器人化開采。

　　還要把煤自動運出去

　　從煤采出來運輸到地面要經過兩個環節，一是刮板輸送機轉載，二是斜井皮帶提升或豎井鋼絲繩提升。這兩個環節是地下煤炭運輸到地面的咽喉要道，缺一不可。葛世榮說，這就需要無人操作運行、自動適應負載和智能**保護。

　　“蜘蛛吊在樹上的時候，非常容易就使自己提上去，因為它是個彈性自適應系統。”葛世榮說。根據這個原理，葛世榮團隊研制出了不確定摩擦約束的超長鋼絲繩提升穩控技術系統，解決了豎井提升機器人化的問題。

　　井下帶式輸送機運距很長，Z長可達五六千米。“這么長距離的輸送，粘彈性輸送帶的自適應驅動非常難。機頭猶如企鵝行走一樣，任何時候都不能打滑;機尾猶如兩人拉緊橡皮筋拔河，大變形松弛的時候，要能夠自適應拉緊，一旦負荷變化就立即響應調控張力，實現智能牽引。這套機械系統看似簡單，實際上需要從粘彈性力學、摩擦學、控制理論等方面系統研究，獲得技術支撐。”葛世榮說。

　　經過努力，葛世榮團隊研發了超長運距智能驅動及張緊系統。目前，驅動功率可達1000千瓦，運輸能力可達1500萬噸/年，一條皮帶的連續運距可達6000米，建立了井下長運距、大運量、無人值守的煤炭連續運輸體系。

　　在井下，刮板輸送機既是采煤機的導軌又是轉運煤炭的設備，同時也是液壓支架的移步支點。在這種情況下，一旦刮板輸送機出故障趴窩，采煤工作面所有工作都得停止。

　　“問題在哪?因為刮板輸送機的使用壽命短，影響產量;故障多，影響采煤機和液壓支架開機率;軌跡歪，導致采煤機截割偏離煤層走向。”葛世榮說。

　　對此，葛世榮團隊與企業協同創新，研發了Z聯永磁電動機驅動的刮板輸送機。它可以柔性啟停，大大降低了刮板輸送機的負載;可以重載牽引，動載平衡，多點驅動;節能效率要比傳統的刮板輸送機高30%以上。

　　刮板輸送機的磨損非常大，這是影響采煤效率的關鍵難題。“為了保證使用壽命，過去只能進口g外的不易磨損材料。經過努力，我們研制出一種自增強不易磨損金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中，越摩擦，表層越硬，磨得次數越多硬度增加值越高。這是我們的意外發現。”葛世榮說，“利用這項技術，我們軋制出一種越磨越硬的鋼板，用這種鋼板制作刮板輸送機溜槽，其壽命超過了g外產品，無維修運煤量可達1500萬噸，創g內外Z高水平。”

　　未來五大攻關方向

　　葛世榮表示，未來，機器人化開采有五大攻關方向。

　　一是研制高壓水射流輔助采煤機器人。現在的采煤機類似于流程式作業機器人，一旦某個部件壞了，整個系統就停機了，所以要研制并行式獨立采煤機器人，即一種短壁開采的高壓水流切割支護轉運一體化機器人。

　　二是井下采選充一體化機器人。采完煤以后要就地分選矸石，然后把矸石運回采空區充填。這樣的話，減排問題在井下就能解決。

　　三是井下精煤管道提升技術。要實現精采精運。精采就是選擇性開采煤炭，精運就是通過管道把精煤提升到地面，設備、人員采用管道、軌道運輸。如果目標實現了，將大大優化傳統的煤礦運輸工藝，形成一套Z達工作效率高的井下物流系統。

　　四是地下無人駕駛運輸車技術。通過幾年的努力，井下運輸和電機車運輸可以實現無人駕駛，跟地面的特斯拉無人駕駛汽車一樣，自動導航。

　　五是煤礦地下氣化機器人。葛世榮表示，煤炭地下氣化是煤炭生產的革命性變化，使采煤變成采氣，不再是燒煤發電，而是燒氣發電。

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