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——中國礦業(yè)大學校長葛世榮談煤礦機器人化開采關鍵技術

●本網記者尚軍梅

“煤炭綠色開采的新路徑是機器人化,�,！鼻安痪茫�在中國工程院與神華集團聯合舉辦的2017年國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇上,，中國礦業(yè)大學校長葛世榮介紹了煤礦機器人化開采關鍵技術研發(fā)情況,。

據葛世榮介紹，我國煤礦平均井深超過500米,，而澳大利亞煤礦平均井深只有250米,，美國煤礦平均井深只有150米。我國煤炭綠色開采的最大難題是“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,�,！备鹗罉s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,，最早是人工開采,，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最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(fā)展再回歸到高級動物的采礦機器人,，這是我們要研發(fā)的�,！备鹗罉s說,，現在，我國提倡智能礦山建設,，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(yè),。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(yè)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(tài)監(jiān)控技術、機器人化采礦設備,、地面監(jiān)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最前端、最核心的機器,。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,，四是刮板輸送機調直,，五是液壓支架調直。

“‘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(fā)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(fā)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,，在什么地方直行,。“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,，到哪個地方直行了�,！备鹗罉s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，首先是聯動控制，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(jiān)控,，甚至可以到距離采煤工作面10公里以上的地面監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控。這三方面如果都能實現遠程監(jiān)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,�,！备鹗罉s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(jiān)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(huán)節(jié),，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(huán)節(jié)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安全保護。

“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�,！备鹗罉s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(wěn)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，最長可達五六千米,�,！斑@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�,！备鹗罉s說,。

經過努力，葛世榮團隊研發(fā)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(xù)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(xù)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�,！备鹗罉s說,。

對此,，葛世榮團隊與企業(yè)協同創(chuàng)新，研發(fā)了直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(jié)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�,！盀榱吮ＷC使用壽命,，過去只能進口國外的耐磨材料。經過努力,，我們研制出一種自增強耐磨金屬材料,。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(fā)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,，其壽命超過了國外產品,，無維修運煤量可達1500萬噸，創(chuàng)國內外最高水平,�,！�

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(yè)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(qū)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(yōu)化傳統的煤礦運輸工藝，形成一套直達高效的井下物流系統,。

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(fā)電,，而是燒氣發(fā)電。