摘 要

為解決煤倉人工巡檢的高空墜落、有害氣體中毒風(fēng)險及監(jiān)測盲區(qū)問題，研發(fā)出煤倉巡檢機(jī)器人，已在榆家梁選煤廠成功驗(yàn)收。該機(jī)器人采用倒掛蜘蛛仿生設(shè)計(jì)，依托三級合金鋼伸縮滑軌(最大行程40~50 m)實(shí)現(xiàn)倉內(nèi)升降，搭載激光雷達(dá)、紅外熱成像儀等多類傳感器，通過多模態(tài)融合技術(shù)，精準(zhǔn)監(jiān)測倉壁損壞(定位誤差≤3 cm)、掛煤堆積(識別率99.2%，煤堆測量精度誤差±3.78%。替代了傳統(tǒng)損失，作為國內(nèi)首臺獲礦用認(rèn)證的此類裝備，推動煤倉管理向無人化、智能化轉(zhuǎn)型。

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：吳星宇，主要從事機(jī)器人研發(fā)、視覺算法開發(fā)相關(guān)研究工作。E-mail：179951276@qq.com

通信作者：趙明輝，研究員，現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)上海有限公司人工智能事業(yè)部總經(jīng)理，主要從事煤礦行業(yè)人工智能化設(shè)備研究方面相關(guān)研究工作。E-mail：1910679@#edu.cn

作者單位：中煤科工集團(tuán)上海有限公司

引用格式：吳星宇，吳磊，陸鳴，等.煤倉巡檢機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新及在榆家梁選煤廠的應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(11)：97-100.

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在煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中，煤倉是煤炭儲存容器，也是調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏、精準(zhǔn)計(jì)量的關(guān)鍵樞紐。煤倉密閉的內(nèi)部存在倉壁腐蝕、掛煤堆積、溫濕度失控、有害氣體聚集等潛在風(fēng)險。傳統(tǒng)的人工巡檢存在高空墜落、有害氣體中毒的風(fēng)險，因存在監(jiān)測盲區(qū)，難以及時預(yù)警自燃、坍塌等事故，讓煤倉從“黑箱”變?yōu)椤巴该髋摗?，成了煤礦智能化轉(zhuǎn)型中亟待攻克的難題。

2024年3月15日，國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦煤倉安全管理的通知》，文件中明確要求加強(qiáng)煤倉日常管理與維護(hù)，要求采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備有效預(yù)防事故的發(fā)生；2024年3月29日，國家礦山安全監(jiān)察局陜西局發(fā)布《國家礦山安全監(jiān)察局陜西局關(guān)于加強(qiáng)煤礦煤倉安全管理工作的緊急通知》，要求各煤礦企業(yè)要盡快完善煤倉保護(hù)裝置以及機(jī)械化、自動化改造；2024年10月23日，國家礦山安全監(jiān)察局寧夏局發(fā)布《國家礦山安全監(jiān)察局寧夏局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦現(xiàn)場安全管理工作的通知》，要求在煤倉周圍安裝視頻、人員接近預(yù)警、紅外熱成像、C0傳感器、CH傳感器、煤位傳感器等監(jiān)測儀器設(shè)備，并與礦井調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，對積煤異常等情況及時報警。

煤倉巡檢機(jī)器人成功驗(yàn)收

依據(jù)國家政策指導(dǎo)與煤倉痛點(diǎn)問題，中煤科工集團(tuán)上海有限公司（簡稱上海煤科）與中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司合作研發(fā)了煤倉巡檢機(jī)器人，并在國能神東洗選中心榆家梁選煤廠成功驗(yàn)收。煤倉巡檢機(jī)器人采用倒掛蜘蛛仿生的方式進(jìn)入煤倉，通過其搭載的激光雷達(dá)、紅外熱成像儀、CH、CO、CO、O、溫濕度等多種高性能傳感器，實(shí)現(xiàn)對煤倉內(nèi)部的倉壁損壞情況、倉內(nèi)壁掛煤情況、倉內(nèi)的環(huán)境濕度、倉內(nèi)煤的溫度、倉內(nèi)煤堆積情況、有害氣體情況等有效監(jiān)測預(yù)警。

煤倉巡檢機(jī)器人填補(bǔ)了煤倉缺少綜合監(jiān)測機(jī)器人裝備的空白，為煤礦煤炭存儲安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，引領(lǐng)行業(yè)煤炭存儲安全水平，標(biāo)志著煤倉正式邁入無人化、智能化巡檢時代。榆家梁選煤廠煤倉巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備安裝示意如圖1所示，煤倉巡檢機(jī)器人通過升降軌道進(jìn)入煤倉內(nèi)部進(jìn)行巡檢，整套設(shè)備通過環(huán)網(wǎng)光纖與集控中心對接，管理人員可遠(yuǎn)程通過煤倉巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對煤倉監(jiān)控。煤倉巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備在球倉安裝示意如圖2所示，安裝結(jié)構(gòu)與圖1中的倉筒類似。

圖1 榆家梁選煤廠煤倉巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備安裝示意

圖2 煤倉巡檢機(jī)器人與配套設(shè)備在球倉安裝示意

蜘蛛仿生：讓機(jī)器人在煤倉“動”起來

中煤科工集團(tuán)上海有限公司借鑒了“蜘蛛吊掛”方式，在煤倉上方開孔，通過固定伸縮式滑軌系統(tǒng)，將煤倉巡檢機(jī)器人送入煤倉內(nèi)部進(jìn)行巡檢，煤倉巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)固地進(jìn)入煤倉。

煤倉巡檢機(jī)器人的固定伸縮式滑軌系統(tǒng)，以套筒式結(jié)構(gòu)為核心，通過將多節(jié)滑軌進(jìn)行組合，形成伸縮滑軌系統(tǒng)，借助卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動單元進(jìn)行垂直伸縮。該系統(tǒng)采用3級高強(qiáng)度合金鋼伸縮滑軌設(shè)計(jì)，單節(jié)滑軌長3.5～5 m，完全展開后最大行程達(dá)40～50 m，可覆蓋絕大多數(shù)工業(yè)煤倉的垂直深度需求。

每節(jié)伸縮臂表面經(jīng)滲氮處理與防腐蝕涂層雙重防護(hù)，在煤倉高濕、高硫、高粉塵的惡劣環(huán)境中，仍能保持較長的使用壽命?；壍纳炜s動力源自頂部倉口安裝的卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動單元，通過鋼絲繩與滑輪組傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)伸縮臂的平穩(wěn)升降。下降過程中，當(dāng)檢測到滑軌路徑下方存在異常堆積時，系統(tǒng)在0.2 s內(nèi)觸發(fā)避障響應(yīng)，通過卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動單元調(diào)整升降速度或暫停運(yùn)動，確保設(shè)備與障礙物始終保持安全距離。

卷揚(yáng)機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)置動態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法，可在瞬時負(fù)載波動等干擾下，保持高定位精度，與激光雷達(dá)配合，避障定位精度為0.1 m。當(dāng)機(jī)器人需要深入倉底時，伸縮滑軌系統(tǒng)逐級展開精準(zhǔn)延伸；完成檢測后，伸縮臂逐層回縮至初始狀態(tài)，全程無需人工干預(yù)，煤倉巡檢機(jī)器人伸縮桿與安裝效果如圖3所示。

圖3 煤倉巡檢機(jī)器人伸縮桿與安裝效果

煤倉巡檢機(jī)器人的外部輔助設(shè)備包含多層智能防護(hù)體系。在機(jī)器人作業(yè)區(qū)域周邊，輔助電子圍欄系統(tǒng)通過對煤倉頂部開口區(qū)域構(gòu)筑虛擬邊界，當(dāng)人員或設(shè)備誤入半徑3 m警戒區(qū)時，系統(tǒng)立即觸發(fā)聲光報警并聯(lián)動設(shè)備急停，響應(yīng)時間小于0.5 s，與傳統(tǒng)物理圍欄相比，實(shí)現(xiàn)了全自動防護(hù)。倉頂檢修口處的智能防護(hù)蓋板采用氣動開合設(shè)計(jì)，可根據(jù)機(jī)器人升降狀態(tài)自動啟閉，從物理端隔絕人員墜入的風(fēng)險，也可杜絕異物侵入污染煤倉。

多維感知：讓機(jī)器人在煤倉“活”起來

煤倉巡檢機(jī)器人的智能巡檢系統(tǒng)通過多模態(tài)傳感融合技術(shù)，融合多傳感器采集數(shù)據(jù)，相較單一數(shù)據(jù)源的檢測結(jié)果，提升檢測準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)煤倉健康精準(zhǔn)診斷。

針對煤倉內(nèi)壁裂縫、破損難題，機(jī)器人基于激光雷達(dá)和紅外熱成像系統(tǒng)，構(gòu)建了三維點(diǎn)云建模與熱力學(xué)分析相融合的煤倉倉壁監(jiān)測體系。煤倉巡檢機(jī)器人搭載激光雷達(dá)傳感器，配合伺服升降機(jī)構(gòu)，在垂直掃描中構(gòu)建毫米級分辨率點(diǎn)云模型；同步運(yùn)行的紅外熱成像子系統(tǒng)，基于溫度梯度分析法捕捉局部異常溫變，結(jié)合幾何特征與熱場數(shù)據(jù)融合，使溫度異常檢測準(zhǔn)確率達(dá)99.2%。

雙模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)提升了隱蔽性缺陷的檢出率與定位精度，有效識別煤倉內(nèi)壁細(xì)微裂紋，將傳統(tǒng)人工敲擊巡檢升級為全天候數(shù)字化“CT掃描”。在工業(yè)性試驗(yàn)期間，360°掃描煤倉內(nèi)部，可視化煤倉內(nèi)部溫度分布與倉壁缺陷區(qū)域定位報警，缺陷區(qū)域位置分布如圖4所示，紅色方框標(biāo)注缺陷區(qū)域。

圖4 缺陷區(qū)域位置分布

針對煤堆形態(tài)監(jiān)測難題，采用毫米波與激光雷達(dá)協(xié)同感知架構(gòu)。毫米波雷達(dá)識別精度弱、穿透能力強(qiáng)、不容易受煤灰、水汽影響；激光雷達(dá)識別精度高、穿透性較差，融合2種傳感器信息，在倉內(nèi)灰塵大時依靠毫米波雷達(dá)獲取粗略儲煤信息，在倉內(nèi)灰塵較小時依靠激光雷達(dá)獲取精確儲煤信息，三維煤量模型測量精度誤差為±3.78%。配套工業(yè)級邊緣計(jì)算平臺集成3級預(yù)警機(jī)制，從局部溫度異變到塌方風(fēng)險實(shí)現(xiàn)分級響應(yīng)，在萬噸級煤倉應(yīng)用中使年維護(hù)成本大幅降低，推動煤炭倉儲邁入智能感知新時代

激光雷達(dá)對倉內(nèi)掃描后得到的三維煤量模型如圖5所示，可以清楚地看到煤倉內(nèi)部的分布情況，便于煤倉管理人員對庫存進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)度和操作優(yōu)化。

圖5 激光雷達(dá)對倉內(nèi)掃描后得到的三維煤量模型

針對倉內(nèi)掛煤堆積難題，煤倉巡檢機(jī)器人融合視覺與激光雷達(dá)長時序監(jiān)測技術(shù)，搭載1 080 pix高清工業(yè)相機(jī)，持續(xù)采集倉壁紋理影像，結(jié)合自研深度學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建包含煤粉黏附形態(tài)特征的動態(tài)識別框架。同步運(yùn)行的激光雷達(dá)通過時序差分點(diǎn)云分析，提取毫米級厚度的掛煤層三維形變特征。

雙模態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)跨尺度時空配準(zhǔn)后，采用三維重建算法生成倉壁凈空基準(zhǔn)面，通過與歷史數(shù)據(jù)庫的增量比對，可精確定位10 cm以上的掛煤區(qū)域，空間定位誤差≤3 cm，系統(tǒng)支持掛煤厚度演變趨勢預(yù)測，當(dāng)局部掛煤掛壁厚度超過閾值，自動觸發(fā)掛煤掛壁預(yù)警。

減員增效：讓機(jī)器人在煤倉“省”起來

煤倉巡檢機(jī)器人通過智能化升級重構(gòu)傳統(tǒng)運(yùn)維模式，實(shí)現(xiàn)長效收益與安全效能的雙重突破，替代了傳統(tǒng)3班6人的輪崗巡檢配置，削減人力成本，實(shí)現(xiàn)了深入煤倉內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境實(shí)時探測，規(guī)避人工巡檢的安全風(fēng)險。

相較于依賴經(jīng)驗(yàn)判斷的作業(yè)模式，煤倉巡檢機(jī)器人集成毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等多源傳感器，結(jié)合人工智能算法與專家系統(tǒng)，精準(zhǔn)監(jiān)測與健康預(yù)警煤倉結(jié)構(gòu)、物料狀態(tài)，降低誤判引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)損失。

煤倉巡檢機(jī)器人的核心價值是進(jìn)一步延伸至生產(chǎn)流程再造。通過三維煤倉建模與煤質(zhì)動態(tài)分析優(yōu)化庫存策略，同步基于設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)防性維護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)故障響應(yīng)效率與維修資源配置的雙向提升。融合環(huán)境感知、數(shù)據(jù)決策與閉環(huán)優(yōu)化的智能系統(tǒng)，正成為推動煤礦全鏈條數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心基礎(chǔ)設(shè)施。

作為國內(nèi)首臺獲得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志認(rèn)證的煤倉智能化巡檢裝備，煤倉巡檢機(jī)器人替代了人工進(jìn)入高危密閉倉體巡檢的歷史。更深遠(yuǎn)的變革在于技術(shù)輻射效應(yīng)，該產(chǎn)品的剛性垂直伸縮軌道系統(tǒng)和防爆感知模塊，為后續(xù)煤倉清倉機(jī)器人、煤倉修復(fù)機(jī)器人研發(fā)奠定技術(shù)底座。煤倉巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，從經(jīng)濟(jì)效益的“真金白銀”到社會效益的“安全普惠”。

結(jié) 語

中煤科工集團(tuán)上海有限公司研發(fā)的煤倉巡檢機(jī)器人通過滑軌系統(tǒng)在幾十米深的煤倉內(nèi)自主升降，利用自身攜帶的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外熱成像等傳感器監(jiān)測倉內(nèi)裂縫、積煤、有害氣體等隱患，替代了以往需要工人系安全帶下倉檢查的高危作業(yè)，人工下倉巡檢頻次減少了80%。煤倉巡檢機(jī)器人毫米級精度的檢測技術(shù)突破了依賴人工經(jīng)驗(yàn)的粗放管理方式，監(jiān)測系統(tǒng)提前預(yù)警自燃征兆與結(jié)構(gòu)形變風(fēng)險，顯著降低了突發(fā)事故概率。

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、專題報道等。

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團(tuán)智能化建設(shè)成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質(zhì)量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會”“煤炭清潔高效利用先進(jìn)成果發(fā)布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設(shè)論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設(shè)運(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團(tuán)隊(duì)、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團(tuán)隊(duì)，打造了“刊-網(wǎng)-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發(fā)布礦山智能化領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗(yàn)。

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