煤礦智能化開采，十年后實現(xiàn)

　　煤炭生產(chǎn)消費技術可以認為包括四個方面：一是變有人開采為無人開采;二是變物理開采為化學開采;三是變運輸煤炭為輸送電力;四是變化石能源高碳排放為近零排放，甚至是零排放，減輕化石能源對環(huán)境造成的污染壓力。

　　01距離煤礦智能化開采還有10年

　　時代的發(fā)展，社會的進步，讓人們有理由相信，未來機器人化煤炭開采將應運而生，采煤機、運輸機、液壓支架等采礦裝備都具有智能性甚至是智慧的機器人，煤炭開采進入智能開采的新時代。

　　從原始的人力開采到機器人開采，盡管還是人，但“人”已經(jīng)不是原來生物體的人了，而是機器與智能化的融合體。機器人化開采源自仿生，未來要走向擬人。掘進機模仿了穿山甲的功能，采煤機模仿了地鼠挖掘的功能，而帶式輸送機模仿了蟻群搬家的功能，每個托輥相當于一只螞蟻。要通過人工智能的嵌入或嫁接來實現(xiàn)煤礦機器人化開采。

　　打開百度App，看更多圖片

　　從體力化到動力化采煤，人類用了約1000年時間;從動力化到機械化，用了約50年時間;從機械化到自動化，用了約25年時間。照此預測，人類距離智能化開采的時間還有10年左右。我們完全有理由相信，在現(xiàn)有技術的基礎上，憑著人類的勤勞智慧，我們很有可能實現(xiàn)這個目標，至少是在部分礦井上進行應用。實現(xiàn)這個宏偉目標，關鍵是靠人才、靠知識和靠創(chuàng)新研發(fā)。

　　02 邁進無人化采礦新時代是大勢所趨

　　我國煤礦平均井深超過700米，而澳大利亞、美國煤礦平均井深350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。實現(xiàn)零傷亡、零損害、零排放的煤炭綠色開采目標，僅靠一般的機械化開采很難實現(xiàn)，必須從機器人化找出路。

　　機器人化開采是機器擬人化生產(chǎn)，由多機器人協(xié)同作業(yè)，具有自主定位、自動感知、自適運行的功能，實現(xiàn)整個采礦過程的數(shù)字化和物聯(lián)化，裝備運行的無人化和可視化。機器人化開采技術體系，包括了采煤作業(yè)機器人、無人操作刮板輸送機、無人值守提升機以及無人駕駛車輛等。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(shù)據(jù)系統(tǒng)、井下定位導航技術、虛擬采礦與仿真控制技術、生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)。

　　這是一個必須抓住的歷史機遇，機器人化采礦已經(jīng)引起廣泛關注，受到了格外重視。中國制造2025明確指出，要在一些生產(chǎn)關鍵工序?qū)崿F(xiàn)智能化，關鍵崗位由機器人替代，生產(chǎn)過程實現(xiàn)智能控制，在重點領域建設智能工廠。具體到煤礦開采，就是要在關鍵工序上實現(xiàn)智能化，關鍵的崗位要由機器人替代人，開采過程實現(xiàn)智能控制，把重點礦山建設成智能煤礦。在不久的將來，智能工業(yè)機器人等被大規(guī)模應用到煤礦開采之中，實現(xiàn)生產(chǎn)設備的網(wǎng)絡化、開采現(xiàn)場的無人化，等等。

　　國家煤監(jiān)局發(fā)布了煤礦機器人機器技術體系，分為5類38種，標志著中國已經(jīng)率先站在煤礦機器人的前列。中國礦業(yè)大學(北京)智慧礦山與機器人研究院揭牌，目的就是要把無人化采礦、機器人化采煤的目標落實推進，付諸于生產(chǎn)實踐。當然，宏偉目標的實現(xiàn)，不能僅憑高校之力，還需要企業(yè)、科研單位特別是政府的大力支持，共同發(fā)力，形成合力，集中力量辦成這件大事。

　　03煤礦機器人化開采已經(jīng)實驗成功

　　采煤機是把煤炭從地下挖出來的最前端、最核心的機器。采煤機要實現(xiàn)機器人化，“五調(diào)控”是核心，即調(diào)控截割速度、調(diào)控截割高度、調(diào)控截割軌跡、刮板輸送機調(diào)直和液壓支架調(diào)直。5個方面缺一不可，其中任何一個步驟不實現(xiàn)智能或者機器人化，整個采煤工作面的機器人化就無從談起。為此，井下精準定位導航技術研發(fā)是重中之重。試驗表明，采煤機可以通過慣性導航的方式實現(xiàn)定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。下一步，需要進一步提高定位精度，減小誤差至5厘米以內(nèi)，甚至更小。

　　機器人化開采是多機器人協(xié)同，需要聯(lián)動控制、機群協(xié)同、遠程感知，構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)無人操作和機器人化群組之間的自動化運行。有了物聯(lián)網(wǎng)，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1千米范圍內(nèi)的硐室內(nèi)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，甚至可以到距離采煤工作面10千米以上的地面監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控，進而實現(xiàn)煤礦機器人化開采的無人值守、遠程操控。

　　目前，山西一座煤礦已經(jīng)進行了機器人化開采試驗。這個礦年產(chǎn)量1000萬噸，采煤工作面只需6個人遠程監(jiān)控和巡檢，初步實現(xiàn)了機器人化開采。不久的未來，巷道掘進機器人將形成機器人群作業(yè)，成為掘、支、錨、運四位一體的智能化機組。

　　04煤炭自動運到地面正在變成現(xiàn)實

　　有了挖掘和開采，還需要有運輸。從煤炭采下來運輸?shù)降孛嬉?jīng)過兩個環(huán)節(jié)，一是刮板輸送機轉(zhuǎn)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?shù)降孛娴难屎硪?，缺一不可，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，非常容易就將自己提上去，因為它是個彈性自適應系統(tǒng)。根據(jù)這個原理，專家們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。這么長的粘彈性輸送帶的自適應驅(qū)動非常難。機頭猶如企鵝行走一樣，任何時候都不能打滑;機尾猶如人在拉著橡皮筋拔河，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(diào)控張力，實現(xiàn)智能張緊。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，才能獲得技術支撐。經(jīng)過努力，我國科學家研發(fā)了超長運距智能驅(qū)動及張緊系統(tǒng)。目前，驅(qū)動功率可達1000千瓦，運輸能力可達3000萬噸/年，一條輸送帶的連續(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)運輸系統(tǒng)。

　　在井下，刮板輸送機既是采煤機的導軌又是轉(zhuǎn)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，一旦刮板輸送機發(fā)生故障趴窩，采煤工作面所有工作都要停止。問題在于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機率;軌跡歪，導致采煤機截割偏離煤層走向。

　　在科學家與企業(yè)協(xié)同努力下，目前我國已經(jīng)研發(fā)永磁電動機直聯(lián)驅(qū)動的刮板輸送機，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(qū)動;節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機高30%以上。同時，還研制出一種自硬化耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中，越摩擦，表層越硬，磨的次數(shù)越多，硬度增加越高。用這項技術，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(chǎn)品，無維修運煤量可達1500萬噸，創(chuàng)國內(nèi)外最高水平。

　　煤炭生產(chǎn)消費技術可以認為包括四個方面：一是變有人開采為無人開采;二是變物理開采為化學開采;三是變運輸煤炭為輸送電力;四是變化石能源高碳排放為近零排放，甚至是零排放，減輕化石能源對環(huán)境造成的污染壓力。

　　01距離煤礦智能化開采還有10年

　　時代的發(fā)展，社會的進步，讓人們有理由相信，未來機器人化煤炭開采將應運而生，采煤機、運輸機、液壓支架等采礦裝備都具有智能性甚至是智慧的機器人，煤炭開采進入智能開采的新時代。

　　從原始的人力開采到機器人開采，盡管還是人，但“人”已經(jīng)不是原來生物體的人了，而是機器與智能化的融合體。機器人化開采源自仿生，未來要走向擬人。掘進機模仿了穿山甲的功能，采煤機模仿了地鼠挖掘的功能，而帶式輸送機模仿了蟻群搬家的功能，每個托輥相當于一只螞蟻。要通過人工智能的嵌入或嫁接來實現(xiàn)煤礦機器人化開采。

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　　從體力化到動力化采煤，人類用了約1000年時間;從動力化到機械化，用了約50年時間;從機械化到自動化，用了約25年時間。照此預測，人類距離智能化開采的時間還有10年左右。我們完全有理由相信，在現(xiàn)有技術的基礎上，憑著人類的勤勞智慧，我們很有可能實現(xiàn)這個目標，至少是在部分礦井上進行應用。實現(xiàn)這個宏偉目標，關鍵是靠人才、靠知識和靠創(chuàng)新研發(fā)。

　　02 邁進無人化采礦新時代是大勢所趨

　　我國煤礦平均井深超過700米，而澳大利亞、美國煤礦平均井深350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。實現(xiàn)零傷亡、零損害、零排放的煤炭綠色開采目標，僅靠一般的機械化開采很難實現(xiàn)，必須從機器人化找出路。

　　機器人化開采是機器擬人化生產(chǎn)，由多機器人協(xié)同作業(yè)，具有自主定位、自動感知、自適運行的功能，實現(xiàn)整個采礦過程的數(shù)字化和物聯(lián)化，裝備運行的無人化和可視化。機器人化開采技術體系，包括了采煤作業(yè)機器人、無人操作刮板輸送機、無人值守提升機以及無人駕駛車輛等。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(shù)據(jù)系統(tǒng)、井下定位導航技術、虛擬采礦與仿真控制技術、生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)。

　　這是一個必須抓住的歷史機遇，機器人化采礦已經(jīng)引起廣泛關注，受到了格外重視。中國制造2025明確指出，要在一些生產(chǎn)關鍵工序?qū)崿F(xiàn)智能化，關鍵崗位由機器人替代，生產(chǎn)過程實現(xiàn)智能控制，在重點領域建設智能工廠。具體到煤礦開采，就是要在關鍵工序上實現(xiàn)智能化，關鍵的崗位要由機器人替代人，開采過程實現(xiàn)智能控制，把重點礦山建設成智能煤礦。在不久的將來，智能工業(yè)機器人等被大規(guī)模應用到煤礦開采之中，實現(xiàn)生產(chǎn)設備的網(wǎng)絡化、開采現(xiàn)場的無人化，等等。

　　國家煤監(jiān)局發(fā)布了煤礦機器人機器技術體系，分為5類38種，標志著中國已經(jīng)率先站在煤礦機器人的前列。中國礦業(yè)大學(北京)智慧礦山與機器人研究院揭牌，目的就是要把無人化采礦、機器人化采煤的目標落實推進，付諸于生產(chǎn)實踐。當然，宏偉目標的實現(xiàn)，不能僅憑高校之力，還需要企業(yè)、科研單位特別是政府的大力支持，共同發(fā)力，形成合力，集中力量辦成這件大事。

　　03煤礦機器人化開采已經(jīng)實驗成功

　　采煤機是把煤炭從地下挖出來的最前端、最核心的機器。采煤機要實現(xiàn)機器人化，“五調(diào)控”是核心，即調(diào)控截割速度、調(diào)控截割高度、調(diào)控截割軌跡、刮板輸送機調(diào)直和液壓支架調(diào)直。5個方面缺一不可，其中任何一個步驟不實現(xiàn)智能或者機器人化，整個采煤工作面的機器人化就無從談起。為此，井下精準定位導航技術研發(fā)是重中之重。試驗表明，采煤機可以通過慣性導航的方式實現(xiàn)定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。下一步，需要進一步提高定位精度，減小誤差至5厘米以內(nèi)，甚至更小。

　　機器人化開采是多機器人協(xié)同，需要聯(lián)動控制、機群協(xié)同、遠程感知，構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)無人操作和機器人化群組之間的自動化運行。有了物聯(lián)網(wǎng)，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1千米范圍內(nèi)的硐室內(nèi)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，甚至可以到距離采煤工作面10千米以上的地面監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控，進而實現(xiàn)煤礦機器人化開采的無人值守、遠程操控。

　　目前，山西一座煤礦已經(jīng)進行了機器人化開采試驗。這個礦年產(chǎn)量1000萬噸，采煤工作面只需6個人遠程監(jiān)控和巡檢，初步實現(xiàn)了機器人化開采。不久的未來，巷道掘進機器人將形成機器人群作業(yè)，成為掘、支、錨、運四位一體的智能化機組。

　　04煤炭自動運到地面正在變成現(xiàn)實

　　有了挖掘和開采，還需要有運輸。從煤炭采下來運輸?shù)降孛嬉?jīng)過兩個環(huán)節(jié)，一是刮板輸送機轉(zhuǎn)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?shù)降孛娴难屎硪?，缺一不可，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，非常容易就將自己提上去，因為它是個彈性自適應系統(tǒng)。根據(jù)這個原理，專家們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。這么長的粘彈性輸送帶的自適應驅(qū)動非常難。機頭猶如企鵝行走一樣，任何時候都不能打滑;機尾猶如人在拉著橡皮筋拔河，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(diào)控張力，實現(xiàn)智能張緊。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，才能獲得技術支撐。經(jīng)過努力，我國科學家研發(fā)了超長運距智能驅(qū)動及張緊系統(tǒng)。目前，驅(qū)動功率可達1000千瓦，運輸能力可達3000萬噸/年，一條輸送帶的連續(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)運輸系統(tǒng)。

　　在井下，刮板輸送機既是采煤機的導軌又是轉(zhuǎn)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，一旦刮板輸送機發(fā)生故障趴窩，采煤工作面所有工作都要停止。問題在于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機率;軌跡歪，導致采煤機截割偏離煤層走向。

　　在科學家與企業(yè)協(xié)同努力下，目前我國已經(jīng)研發(fā)永磁電動機直聯(lián)驅(qū)動的刮板輸送機，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(qū)動;節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機高30%以上。同時，還研制出一種自硬化耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中，越摩擦，表層越硬，磨的次數(shù)越多，硬度增加越高。用這項技術，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(chǎn)品，無維修運煤量可達1500萬噸，創(chuàng)國內(nèi)外最高水平。