煤礦機器人化開(kāi)采是什么樣？

　    中g(shù)礦業(yè)大學(xué)校長(cháng)葛世榮談煤礦機器人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

　　“煤炭綠色開(kāi)采的新路徑是機器人化。”前不久，在中g(shù)工程院與神華集團聯(lián)合舉辦的2017年g際工程科技發(fā)展戰略高端論壇上，中g(shù)礦業(yè)大學(xué)校長(cháng)葛世榮介紹了煤礦機器人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)情況。

　　據葛世榮介紹，我g煤礦平均井深超過(guò)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(kāi)采的Z大難題是“三高”，即高傷亡、高損害、高排放。

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

　　源自仿生走向擬人

　　從煤炭開(kāi)采的歷史看，Z早是人工開(kāi)采，后來(lái)是機械化開(kāi)采、自動(dòng)化開(kāi)采，機械化開(kāi)采部分替代了人的勞動(dòng)，自動(dòng)化開(kāi)采減少了人的勞動(dòng)。如今的機器人化開(kāi)采的Z終目標是實(shí)現無(wú)人化開(kāi)采。

　　葛世榮介紹，機器人化開(kāi)采源自仿生，要走向擬人。掘進(jìn)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(gè)托輥相當于一只螞蟻，現在要通過(guò)人工智能的嵌入或嫁接來(lái)實(shí)現煤礦機器人化開(kāi)采。

　　“從動(dòng)物開(kāi)始，經(jīng)過(guò)發(fā)展再回歸到高級動(dòng)物的采礦機器人，這是我們要研發(fā)的。”葛世榮說(shuō)，現在，我g提倡智能礦山建設，而機器人化開(kāi)采是智能礦山的核心架構。

　　葛世榮介紹，機器人化開(kāi)采是機器擬人化生產(chǎn)，多機器人協(xié)同作業(yè)。這個(gè)時(shí)候它要具有自主定位、自動(dòng)感知、自適運行的功能，要實(shí)現整個(gè)采礦過(guò)程的數字化和物聯(lián)化，以及運行的透視化和可視化。機器人化開(kāi)采技術(shù)體系包括采煤作業(yè)的機器人、無(wú)人操作的刮板輸送機、無(wú)人值守的提升機以及無(wú)人駕駛的車(chē)輛等。機器人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)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(shù)、虛擬采礦與仿真控制技術(shù)、生產(chǎn)工況動(dòng)態(tài)監控技術(shù)、機器人化采礦設備、地面監控中心和礦井物聯(lián)網(wǎng)。

　　煤要自動(dòng)采出來(lái)

　　采煤機是把煤炭從地下挖出來(lái)的Z前端、Z核心的機器。葛世榮認為，采煤機要實(shí)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(gè)步驟不能實(shí)現智能或者機器人化開(kāi)采，整個(gè)采煤工作面的機器人化就無(wú)從談起。”葛世榮說(shuō)。

　　為此，葛世榮團隊研發(fā)了井下精準定位導航技術(shù)。試驗表明，采煤機通過(guò)慣性導航的方式實(shí)現了定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米?，F在，他們仍在進(jìn)一步提高定位精度，減小誤差，爭取在5厘米以?xún)?，甚至更小?/span>

　　“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(guān)重要。”葛世榮說(shuō)，“我們研發(fā)了煤巖界面自動(dòng)識別截割技術(shù)，即采用將電流與震動(dòng)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(dòng)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(lèi)似GPS的導航圖，采煤機就會(huì )像汽車(chē)一樣，知道在哪個(gè)地方拐彎，到哪個(gè)地方Z行了。”葛世榮說(shuō)。

　　機器人化開(kāi)采是多機器人協(xié)同，如何實(shí)現協(xié)同?對此，葛世榮表示，開(kāi)始是聯(lián)動(dòng)控制，其次是機群的協(xié)同，再其次是遠程感知。所以，要構建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統，來(lái)實(shí)現無(wú)人操作和機器人化群組之間的自動(dòng)化運行。

　　“有了物聯(lián)網(wǎng)，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(shí)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(jìn)行遠程監控。這三方面如果都能實(shí)現遠程監控的話(huà)，那我們就可以實(shí)現煤礦機器人化開(kāi)采的無(wú)人值守、遠程操控。”葛世榮說(shuō)。

　　葛世榮團隊在山西一煤礦進(jìn)行了機器人化開(kāi)采試驗。這個(gè)礦年產(chǎn)量1000萬(wàn)噸，采煤工作面只需6人遠程監控和巡檢，初步實(shí)現了機器人化開(kāi)采。

　　還要把煤自動(dòng)運出去

　　從煤采出來(lái)運輸到地面要經(jīng)過(guò)兩個(gè)環(huán)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(gè)環(huán)節是地下煤炭運輸到地面的咽喉要道，缺一不可。葛世榮說(shuō)，這就需要無(wú)人操作運行、自動(dòng)適應負載和智能**保護。

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

　　井下帶式輸送機運距很長(cháng)，Z長(cháng)可達五六千米。“這么長(cháng)距離的輸送，粘彈性輸送帶的自適應驅動(dòng)非常難。機頭猶如企鵝行走一樣，任何時(shí)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(shí)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(shí)現智能牽引。這套機械系統看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上需要從粘彈性力學(xué)、摩擦學(xué)、控制理論等方面系統研究，獲得技術(shù)支撐。”葛世榮說(shuō)。

　　經(jīng)過(guò)努力，葛世榮團隊研發(fā)了超長(cháng)運距智能驅動(dòng)及張緊系統。目前，驅動(dòng)功率可達1000千瓦，運輸能力可達1500萬(wàn)噸/年，一條皮帶的連續運距可達6000米，建立了井下長(cháng)運距、大運量、無(wú)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(shí)也是液壓支架的移步支點(diǎn)。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(wèn)題在哪?因為刮板輸送機的使用壽命短，影響產(chǎn)量;故障多，影響采煤機和液壓支架開(kāi)機率;軌跡歪，導致采煤機截割偏離煤層走向。”葛世榮說(shuō)。

　　對此，葛世榮團隊與企業(yè)協(xié)同創(chuàng )新，研發(fā)了Z聯(lián)永磁電動(dòng)機驅動(dòng)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(dòng)載平衡，多點(diǎn)驅動(dòng);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(guān)鍵難題。“為了保證使用壽命，過(guò)去只能進(jìn)口g外的不易磨損材料。經(jīng)過(guò)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(guò)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(fā)現。”葛世榮說(shuō)，“利用這項技術(shù)，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(guò)了g外產(chǎn)品，無(wú)維修運煤量可達1500萬(wàn)噸，創(chuàng )g內外Z高水平。”

　　未來(lái)五大攻關(guān)方向

　　葛世榮表示，未來(lái)，機器人化開(kāi)采有五大攻關(guān)方向。

　　一是研制高壓水射流輔助采煤機器人?，F在的采煤機類(lèi)似于流程式作業(yè)機器人，一旦某個(gè)部件壞了，整個(gè)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(kāi)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(huà)，減排問(wèn)題在井下就能解決。

　　三是井下精煤管道提升技術(shù)。要實(shí)現精采精運。精采就是選擇性開(kāi)采煤炭，精運就是通過(guò)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(shí)現了，將大大優(yōu)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(wú)人駕駛運輸車(chē)技術(shù)。通過(guò)幾年的努力，井下運輸和電機車(chē)運輸可以實(shí)現無(wú)人駕駛，跟地面的特斯拉無(wú)人駕駛汽車(chē)一樣，自動(dòng)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(chǎn)的革命性變化，使采煤變成采氣，不再是燒煤發(fā)電，而是燒氣發(fā)電。

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