煤礦機器人化開采是什么樣？

2017-06-19 11:17:12 來源: 中國煤炭網

——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。”前不久，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。”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，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。”葛世榮說，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(xié)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(tǒng)包括可視化與建模系統(tǒng)、智能感知與大數據系統(tǒng)、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(tǒng)，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。”葛世榮說。

機器人化開采是多機器人協(xié)同，如何實現協(xié)同？對此，葛世榮表示，首先是聯動控制，其次是機群的協(xié)同，再其次是遠程感知。所以，要構建一個物聯網系統(tǒng)，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。”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(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(tǒng)。”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(wěn)控技術系統(tǒng)，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。“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(tǒng)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(tǒng)研究，獲得技術支撐。”葛世榮說。

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(tǒng)。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。”葛世榮說。

對此，葛世榮團隊與企業(yè)協(xié)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的煤礦運輸工藝，形成一套直達高效的井下物流系統(tǒng)。