摘 要

為解決井下輔助作業(yè)和煤質(zhì)監(jiān)測場景的機(jī)器人種類少、智能化不足、可靠性較差等問題，突破井下目標(biāo)定位識別、重載機(jī)械臂高精度控制等巷道輔助作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，研制多款煤礦井下多場景輔助作業(yè)機(jī)器人裝備，形成煤炭樣品全流程智能化采制機(jī)器人系統(tǒng)；集成應(yīng)用成熟機(jī)器人裝備，形成煤礦智能化機(jī)器人集群管控體系，建設(shè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、數(shù)字孿生監(jiān)控和機(jī)器人分級管控的綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理調(diào)度一體化平臺。在陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多崗位機(jī)器人替代，建成了全國首個全礦井機(jī)器人應(yīng)用集群，礦井的智能化水平、機(jī)器人協(xié)同調(diào)度能力得到明顯提高。

文章來源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐特刊”

第一作者：高永軍，現(xiàn)任陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司機(jī)電副總工程師，主要從事煤礦機(jī)電智能化相關(guān)研究工作。 E-mail：15891263345@163.com

作者單位：陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司

引用格式：高永軍，賀明利，崔詳，等.檸條塔煤礦多場景作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與集群應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(11)：56-64.

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陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司（簡稱檸條塔煤礦）核定生產(chǎn)能力2 000萬t/a，配套1 800萬t選煤廠。礦井采用斜井開拓方式，可采煤層7層，保有資源量26.20億t，可采儲量16.45億t。檸條塔煤礦2020年入選國家首批智能化示范建設(shè)煤礦，2022年8月，通過國家能源局全國智能化示范煤礦驗(yàn)收，被評定為I類中級智能化礦井。

檸條塔煤礦在國內(nèi)首次提出機(jī)器人集群的建設(shè)理念，致力于打造地面生產(chǎn)決策中心統(tǒng)一控制+井下機(jī)器人或智能裝備執(zhí)行的智能化煤礦，在開采、掘進(jìn)等子系統(tǒng)及煤流、物流等作業(yè)線智能化的基礎(chǔ)上，在關(guān)鍵工藝、高風(fēng)險、重體力、非連續(xù)線作業(yè)崗位應(yīng)用各類機(jī)器人，重點(diǎn)攻關(guān)輔助作業(yè)類機(jī)器人，設(shè)計(jì)研制煤礦井下多場景輔助作業(yè)機(jī)器人裝備和煤炭樣品全流程智能化采制機(jī)器人系統(tǒng)，研發(fā)智能化煤礦綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理調(diào)度的一體化平臺，形成煤礦機(jī)器人集群應(yīng)用的“檸條塔模式”，煤礦多場景作業(yè)機(jī)器人建設(shè)總體思路如圖1所示。

圖1 煤礦多場景作業(yè)機(jī)器人建設(shè)總體思路

煤礦機(jī)器人建設(shè)難點(diǎn)

根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局2019年1月發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》分類，煤礦機(jī)器人分為掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5類，服務(wù)于智能化煤礦的地質(zhì)、掘進(jìn)、采煤、主輔運(yùn)、供電排水等11個子系統(tǒng)。隨著礦井智能化的發(fā)展和機(jī)器人應(yīng)用種類和數(shù)量的增多，存在以下3個方面的問題亟待解決。

（1）當(dāng)前煤礦機(jī)器人以巡檢類為主，輔助作業(yè)機(jī)器人受限于井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性及防爆要求，高可靠性結(jié)構(gòu)、高精度感知和高靈活性控制技術(shù)還未根本突破，抓管、水倉清淤、噴漿、巷道修復(fù)等工人數(shù)最多、勞動強(qiáng)度最大、環(huán)境最惡劣的作業(yè)環(huán)節(jié)還未實(shí)現(xiàn)機(jī)器人替代。

（2）井上煤質(zhì)檢測過程環(huán)節(jié)多、精度要求高、標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，人工檢測時間長、質(zhì)量難以控制，需系統(tǒng)解決煤質(zhì)檢測的定量化、標(biāo)準(zhǔn)化和一致性難題。

（3）傳統(tǒng)煤礦機(jī)器人的控制模式多為獨(dú)立配套控制系統(tǒng)，各機(jī)器人缺乏統(tǒng)一調(diào)度，不適應(yīng)機(jī)器人規(guī)?；瘧?yīng)用，煤礦機(jī)器人涉及到全礦井上下多系統(tǒng)多環(huán)節(jié)，缺少分層分類管控和協(xié)同作業(yè)指導(dǎo)體系。

煤礦井下輔助作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及裝備

針對井下噴漿、管道安裝和巷道壁修復(fù)等用人多、勞動強(qiáng)度大的輔助作業(yè)工序，突破井下目標(biāo)定位識別方法、多自由重載機(jī)械臂高精度控制等關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)噴漿機(jī)器人、管道安裝機(jī)器人、巷道修復(fù)機(jī)器人和卷纜機(jī)器人，同時改進(jìn)和應(yīng)用包括巡檢機(jī)器人、安全監(jiān)測機(jī)器人、清掃機(jī)器人在內(nèi)的多種輔助作業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)安全高效的輔助作業(yè)。煤礦輔助作業(yè)機(jī)器人如圖2所示。

圖2 煤礦輔助作業(yè)機(jī)器人

（1）井下目標(biāo)定位識別方法

基于多視覺傳感器的井下復(fù)雜場景目標(biāo)定位識別方法如圖3所示。利用外參計(jì)算實(shí)現(xiàn)RGB圖像、點(diǎn)云的多元信息拼接融合，自動分辨出目標(biāo)物體的位置信息；同步建立煤礦井下多維特征空間，對目標(biāo)進(jìn)行全局特征描述，基于投影映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)的抓取，準(zhǔn)確定位井下目標(biāo)。

圖3 井下復(fù)雜場景目標(biāo)定位識別方法

（2）重載機(jī)械臂高精度控制

開發(fā)煤礦多自由度重載機(jī)械臂位姿軌跡解算與感知系統(tǒng)，采用2級伸縮配合局部關(guān)節(jié)型機(jī)械手，配合隔爆型編碼器、磁致位移伸縮傳感器、激光測距傳感器等實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂位姿信息的實(shí)時感知；開發(fā)井下六自由度機(jī)械臂路徑算法，結(jié)合多源信息傳感器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)運(yùn)動精確控制，井下六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 井下六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)模型

（3）煤礦噴漿機(jī)器人

研發(fā)集自動上料、攪拌、送料于一體的煤礦噴漿機(jī)器人（圖5），研發(fā)噴漿機(jī)器人及自動取料噴射一體化裝備，配合噴漿機(jī)械臂作業(yè)軌跡規(guī)劃與精準(zhǔn)控制等技術(shù)。

圖5 噴漿機(jī)器人

噴漿軌跡規(guī)劃與精準(zhǔn)控制如圖6所示，實(shí)現(xiàn)巷道噴漿過程的自動上料、自主軌跡規(guī)劃與自動噴涂。應(yīng)用實(shí)踐表明，噴漿機(jī)器人自動噴漿回彈率≤20%，漿液厚度一致性≥80%，提高了噴漿作業(yè)質(zhì)量，較原有作業(yè)工藝減人3～4人。

圖6 噴漿軌跡規(guī)劃與精準(zhǔn)控制

（4）井下管道安裝機(jī)器人

研發(fā)1種實(shí)現(xiàn)管路自動抓取對位的煤礦井下管道安裝機(jī)器人（圖7），管路安裝機(jī)器人液壓機(jī)械臂精準(zhǔn)控制技術(shù)架構(gòu)如圖8所示，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下的管路識別定位及液壓機(jī)械臂壓力反饋聯(lián)動控制，保障管路牢固抓取。

圖7 管路安裝機(jī)器人

圖8 管路安裝機(jī)器人液壓機(jī)械臂精準(zhǔn)控制技術(shù)架構(gòu)

應(yīng)用實(shí)踐表明，抓管機(jī)器人抓取管路直徑范圍80～200 mm，最大舉升高度3.5 m，最大抓舉質(zhì)量≤0.5 t，作業(yè)人員由5～8人減到3～4人。

（5）巷道修復(fù)機(jī)器人

研發(fā)運(yùn)載平臺-機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)的巷道修復(fù)機(jī)器人，巷道修復(fù)機(jī)器人如圖9所示。巷道修復(fù)機(jī)器人具有巷道變形快速檢測、作業(yè)區(qū)域自動識別、作業(yè)流程自動控制，并可進(jìn)行多種修復(fù)工具便捷更換等特點(diǎn)。

圖9 巷道修復(fù)機(jī)器人

巷道修復(fù)機(jī)器人作業(yè)流程如圖10所示，通過對激光掃描和視覺信息的融合分析，依據(jù)作業(yè)工藝自主決策控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，實(shí)現(xiàn)自主擴(kuò)幫、水溝掏槽、巷道起底、破碎等作業(yè)內(nèi)容。

圖10 巷道修復(fù)機(jī)器人作業(yè)流程

應(yīng)用實(shí)踐表明，巷道修復(fù)機(jī)器人擴(kuò)幫高度≥3 m，擴(kuò)幫深度≥0.5 m，起底深度≥0.2 m，作業(yè)人員減少3～4人。

煤炭樣品全流程智能化采制及機(jī)器人系統(tǒng)

為提高樣品采制效率和煤質(zhì)分析結(jié)果的精確性，開發(fā)煤炭樣品全流程智能化采制系統(tǒng)；為實(shí)現(xiàn)煤炭樣品全流程智能化采制，研制固體顆粒物料樣品采集的多軸機(jī)器人；為提升不同硬度煤炭一次性破碎效率，研發(fā)固體礦物破碎自感知與自反饋裝置。

（1）煤炭樣品全流程智能化采制系統(tǒng)

開發(fā)煤炭樣品全流程智能化采制系統(tǒng)如圖11所示，一體式制樣單元如圖12所示，將采樣和制樣環(huán)節(jié)直接聯(lián)通，并采用無輸送帶式的輸送方式，解決了當(dāng)前傳統(tǒng)采樣、制樣工藝流程分開且需要遠(yuǎn)距離輸送的問題；優(yōu)化設(shè)計(jì)煤炭樣品采制控制機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)構(gòu)驅(qū)動設(shè)備數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了煤炭樣品采集和破碎的工序同步，提高了采制效率。

圖11 煤樣全流程智能化采制系統(tǒng)

圖12 一體式制樣單元

（2）多軸機(jī)器人

用于固體顆粒物料樣品采集的多軸機(jī)器人如圖13所示，在機(jī)器人支撐框架上增設(shè)了自動螺栓擰緊機(jī)構(gòu)，使多軸機(jī)器人進(jìn)行位置角度的轉(zhuǎn)動時，可擰緊松動的螺栓，改善機(jī)器人長期運(yùn)行的穩(wěn)定性；優(yōu)化多軸機(jī)器人斷電轉(zhuǎn)動限制機(jī)構(gòu)，在外界設(shè)備故障發(fā)生斷電情況時，及時對機(jī)器人轉(zhuǎn)動臂之間的轉(zhuǎn)動進(jìn)行限制，保證了斷電前后機(jī)器人的重復(fù)定位精度，實(shí)現(xiàn)了煤炭樣品自動安全穩(wěn)定抓取；配套可基于溫度進(jìn)行自動潤滑的多軸機(jī)器人關(guān)節(jié)，降低了機(jī)器人關(guān)節(jié)長時間工作磨損。

圖13 多軸取樣機(jī)器人

（3）固體礦物破碎自感知與自反饋裝置

為解決煤炭樣品在破碎過程中容易出現(xiàn)的粒度偏大、堵破碎設(shè)備等難題，研發(fā)固體礦物破碎自感知與自反饋裝置，固體顆粒物料樣品采集裝置如圖14所示。

圖14 固體顆粒物料樣品采集裝置

通過實(shí)時感知原料信息、破碎機(jī)轉(zhuǎn)動情況，針對不同物理化學(xué)性質(zhì)的煤炭樣品設(shè)置定制化運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了單位時間破碎腔物料質(zhì)量恒定，提升了大顆?；驖裾硺悠芬淮涡云扑樾剩纳屏嗣嘿|(zhì)檢測取樣過程中的樣品數(shù)量和質(zhì)量，保障了化驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理一體化平臺

針對機(jī)器人集群統(tǒng)一管控的問題，檸條塔煤礦建設(shè)了國內(nèi)外首個智能化煤礦綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理調(diào)度一體化平臺。應(yīng)用對象化管理的機(jī)器人數(shù)據(jù)采集組件，統(tǒng)一不同平臺及系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，打通機(jī)器人個體間信息交互壁壘；針對煤礦機(jī)器人場景的數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)，形成面向礦區(qū)生產(chǎn)的八大機(jī)器人群場景，創(chuàng)新與集成成熟機(jī)器人82臺/套，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群組協(xié)同。

（1）一體化平臺建設(shè)

智能化煤礦綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理調(diào)度的一體化平臺如圖15所示，以一體化大數(shù)據(jù)中臺為支撐，打通機(jī)器人數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)，形成“一支撐一平臺六中心”的智能化綜合管控應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了礦井各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一管控與機(jī)器人集群化作業(yè)。

圖15 智能化煤礦綜合管控與機(jī)器人協(xié)同管理調(diào)度的一體化平臺

（2）機(jī)器人數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入

研發(fā)對象化建模的數(shù)據(jù)采集組件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人統(tǒng)一接入。機(jī)器人數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入與快速擴(kuò)展如圖16所示，基于OPC UA技術(shù)研發(fā)通信協(xié)議自適應(yīng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)交互中間件，并將各物理機(jī)器人進(jìn)行公有屬性虛擬對象化管理，構(gòu)建面向煤礦機(jī)器人的信息模型，綁定集成包括本體、姿態(tài)、環(huán)境感知、電量、操控等統(tǒng)一屬性的機(jī)器人對象化模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入與快速擴(kuò)展。

圖16 機(jī)器人數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入與快速擴(kuò)展

（3）數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)

結(jié)合礦井三維地質(zhì)模型，構(gòu)建場景化的煤礦機(jī)器人三維模型，并根據(jù)機(jī)器人作業(yè)工藝及數(shù)據(jù)模型構(gòu)建部件級虛實(shí)驅(qū)動關(guān)系，建立虛實(shí)雙向通信鏈路及多機(jī)器人獨(dú)立通道，實(shí)現(xiàn)煤礦井下機(jī)器人作業(yè)空間全要素表達(dá)、作業(yè)過程仿真呈現(xiàn)及遠(yuǎn)程控制。煤礦機(jī)器人孿生監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖17所示。

圖17 煤礦機(jī)器人孿生監(jiān)控系統(tǒng)界面

（4）機(jī)器人分級管控

構(gòu)建面向礦區(qū)生產(chǎn)和安全的八大機(jī)器人群，集成應(yīng)用煤礦機(jī)器人82臺/套，面向礦區(qū)生產(chǎn)和安全的八大機(jī)器人群如圖18所示。按照“群間任務(wù)調(diào)度，群內(nèi)任務(wù)編排，突發(fā)任務(wù)觸發(fā)”的機(jī)器人群分級管控策略，將機(jī)器人作業(yè)納入煤礦安全生產(chǎn)綜合管控業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)平臺與群、群與群、群與機(jī)器人之間的一體化融合協(xié)同體系。

圖18 面向礦區(qū)生產(chǎn)和安全的八大機(jī)器人群

應(yīng)用效果

多場景作業(yè)機(jī)器人已在檸條塔煤礦全面推廣應(yīng)用，涵蓋采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸系統(tǒng)巡檢、智能倉儲、輔助作業(yè)、固定場所巡檢、消防救援和地面服務(wù)等八大場景，相關(guān)機(jī)器人覆蓋了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》5大類，合計(jì)約82臺/套。

通過應(yīng)用多場景作業(yè)機(jī)器人，智能綜采工作面生產(chǎn)班單班崗位人員減少至5人以下，工人平均作業(yè)時間大幅減少；快速掘進(jìn)機(jī)器人群，單進(jìn)達(dá)到80 m/天，月進(jìn)尺1 500 m/月；通過系列輔助機(jī)器人群的建設(shè)，井下管路安裝、噴漿作業(yè)、巷道修復(fù)、巷道沖塵、電纜卷放、道路清掃、井上煤質(zhì)監(jiān)測等場景實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化作業(yè)。

檸條塔煤礦主煤流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)在線監(jiān)測、分析及機(jī)器人自動巡檢，實(shí)現(xiàn)了一鍵順煤流、逆煤流啟停，帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動及智能調(diào)速運(yùn)行；機(jī)器人集群平臺的應(yīng)用使整個礦井的智能化水平、機(jī)器人之間的協(xié)同調(diào)度能力得到明顯提高，目前累計(jì)減人/換崗55人以上，為產(chǎn)能由1 800萬t/a向2 000萬t/a的增長提供了有力支撐。

結(jié) 語

當(dāng)前，機(jī)器人集群理念已被行業(yè)廣泛認(rèn)同，相關(guān)成果在榆神礦區(qū)和陜煤集團(tuán)同類大型礦井開始推廣應(yīng)用，帶動了相關(guān)企業(yè)和科研院所對平臺和機(jī)器人開發(fā)熱潮，以及對巷道輔助作業(yè)機(jī)器人的研發(fā)投入。在此基礎(chǔ)上同時進(jìn)行智能化煤礦綜合管控與機(jī)器人集群調(diào)度一體化平臺建設(shè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人集群化智能運(yùn)行，成為煤礦智能化建設(shè)的未來方向。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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