平煤神馬集團王滿正高：受限空間TDS智能選矸機器人研發(fā)與應用實踐

2026年02月04日 16:15 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

為破解受限空間煤矸分選難題、推進智能化礦井建設(shè)，研發(fā)基于智能干選機(TDS)技術(shù)的受限空間智能選矸機器人，通過智能感知、緊湊裝備與動態(tài)控制技術(shù)融合，實現(xiàn)狹窄場景高效分選。設(shè)備適配直徑小于3.2 m、高度小于3.5 m的受限空間，處理25~300 mm粒級煤矸時易選煤分選率超99%、難選煤分選率達95%以上。在平煤股份天宏選煤公司、十二礦的應用中，替代了人工降本增效，以多維度智能化設(shè)計成為礦井智能化升級的關(guān)鍵支撐，為同類場景提供可復制的智能化改造方案。

文章來源：《智能礦山》2026年第1期“專題報道：機器人技術(shù)創(chuàng)新與應用”

第一作者：王滿，正高級工程師，現(xiàn)任中國平煤神馬控股集團有限公司煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室執(zhí)行副主任，主要從事煉焦煤資源開采與加工的相關(guān)研究工作。E-mail：wangman_w@163.com

作者單位：中國平煤神馬控股集團煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室；江西省通訊終端產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司

引用格式：王滿，梁韜，孫景閣，等. 受限空間TDS智能選矸機器人的研發(fā)與應用實踐[J]. 智能礦山，2026，7（1）：59-64.

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在智能化礦井建設(shè)中，煤矸分選是連接開采與加工的核心環(huán)節(jié)。井下洗選硐室、洗煤廠老舊狹窄車間等受限空間，存在人工分選安全風險高，常規(guī)設(shè)備體積大無法進駐，普通機械分選精度不足等問題。

智能干選機（TDS）在地面開闊場景驗證了高效性，但需針對受限空間進行智能化升級?；诖耍邪l(fā)受限空間TDS智能選矸機器人，解決設(shè)備進得去、分得出的基礎(chǔ)問題，通過感知、裝備、控制的全鏈條智能化設(shè)計，成為智能化礦井建設(shè)中“小空間大智能”的典型實踐，為受限場景智能化改造提供新思路，受限空間立式X光智能選矸機器人研究思路如圖1所示。

圖1 受限空間立式X光智能選矸機器人研究思路

受限空間TDS選矸機器人技術(shù)架構(gòu)

在國家煤礦智能化升級與煤炭洗選高質(zhì)量發(fā)展政策驅(qū)動下，中國平煤神馬控股集團煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室聯(lián)合湖南大學機器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程研究中心、河南中平自動化股份有限公司，歷經(jīng)5年技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建“感知-決策-執(zhí)行-工藝”四位一體的智能化技術(shù)架構(gòu)，突破受限空間裝備適配性、復雜環(huán)境穩(wěn)定性、動態(tài)工況精準性等行業(yè)痛點，研制出3代具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的TDS智能選矸機器人成套裝備，為受限空間煤矸分選提供了高端智能化解決方案，包含感知、分析、決策、執(zhí)行等流程，以及機械設(shè)計、軟件算法、電氣等多個模組，立式X光智能選矸機器人的整體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 立式X光智能選矸機器人的整體技術(shù)路線

1.1 多模態(tài)協(xié)同感知技術(shù)架構(gòu)

針對受限空間粉塵濃度高、煤流波動大、光照條件差導致的感知精度低問題，構(gòu)建“雙能X光+可見光+質(zhì)量+紋理”多維度協(xié)同感知體系，形成高穿透探測-動態(tài)補償校正-智能認知推理的感知技術(shù)鏈，解決傳統(tǒng)單一感知手段漏檢率高、抗干擾能力弱的行業(yè)難題。

（1）雙能X光高穿透感知模塊

聯(lián)合湖南大學研發(fā)高頻雙能X光探測單元，選用200 kV/800 W醫(yī)用級X光射線源，相比傳統(tǒng)工業(yè)級160 kV射線源，穿透能力提升25%，可精準識別25～300 mm全粒級煤矸（涵蓋末煤、塊煤、大塊矸石）；搭配0.8 mm像素間距的碲鋅鎘（CZT）高敏感探測器，圖像采集幀率提升至50 fps，同步精度控制在±1 ms內(nèi)，確保煤流帶速達2.5 m/s時無漏檢。針對受限空間粉塵易附著探測器的問題，設(shè)計脈沖式壓縮空氣吹掃+負壓防塵腔的雙重防護結(jié)構(gòu)，有效避免粉塵侵入，探測器數(shù)據(jù)可靠率從傳統(tǒng)設(shè)備的92%提升至98.5%。

（2）多源數(shù)據(jù)動態(tài)融合算法

開發(fā)時空同步-特征對齊-權(quán)重優(yōu)化的3階融合算法，解決多傳感器數(shù)據(jù)異構(gòu)性難題。通過GPS+慣性導航實現(xiàn)X光探測器、可見光相機、質(zhì)量傳感器的時空同步，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）提取X光密度特征、可見光紋理特征。

煤的黑亮光澤與矸石的灰白粗糙紋理、質(zhì)量傳感器的煤流負荷特征，構(gòu)建特征向量引入注意力機制動態(tài)優(yōu)化各特征權(quán)重，當煤流堆疊時提升X光與質(zhì)量特征權(quán)重，當粉塵干擾時增強可見光紋理特征占比，實現(xiàn)復雜工況下特征互補。在河南平寶煤業(yè)有限公司現(xiàn)場應用期間，應用情況與試驗模擬數(shù)據(jù)相吻合，該算法使難選煤分選率從傳統(tǒng)TDS技術(shù)的90%提升至95.2%，易選煤分選率穩(wěn)定在99.3%以上，較行業(yè)同類設(shè)備平均水平高3%～5%，使用效果良好。

（3）認知推理型智能識別模型

針對受限空間小樣本、強噪聲、煤質(zhì)多變場景，研發(fā)知識庫驅(qū)動+在線自學習的認知推理算法。構(gòu)建煤矸石成像機理知識庫，融入煤巖成分、密度分布、表面紋理等12類常識性知識，形成2 000+條推理規(guī)則；采用半監(jiān)督對比學習算法，僅需500組標注樣本即可完成模型初始化，后續(xù)通過實時采集的煤矸數(shù)據(jù)在線更新模型參數(shù)，每月迭代1次，模型泛化能力提升40%。在平頂山天安煤業(yè)股份有限公司（簡稱平煤股份）十一礦應用中，針對煤質(zhì)灰分波動±3%的工況，模型識別準確率為97%以上，解決傳統(tǒng)模型需大量標注樣本、煤質(zhì)變化后精度驟降的痛點。認知推理型智能識別模型原理如圖3所示。

圖3 認知推理型智能識別模型原理

1.2 緊湊型智能裝備集成設(shè)計

針對井下洗選硐室、老舊車間等場景的尺寸約束，通常寬度小于8 m、高度小于9 m，采用立式循環(huán)架構(gòu)+模塊化集成設(shè)計，突破傳統(tǒng)臥式選矸設(shè)備長徑比大、運輸安裝難的局限，形成適配性強、部署效率高、環(huán)境耐受性優(yōu)的核心裝備體系。

（1）立式循環(huán)分選結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

摒棄傳統(tǒng)進料-探測-剔除的臥式線性流程，設(shè)計頂部進料-中部環(huán)形探測-底部分區(qū)剔除的立式循環(huán)結(jié)構(gòu)。進料模塊采用3層傾斜式智能抖料機構(gòu)，通過離散元法（DEM）仿真優(yōu)化篩板孔徑與排布，實現(xiàn)煤流均勻分布；探測模塊采用環(huán)形平行布局，將X光射線源與探測器環(huán)繞于直徑2.8～3.2 m的立式煤流通道外側(cè)，探測覆蓋角度360°，橫向占用空間較臥式設(shè)備減少60%；剔除模塊集成500個MAC高速電磁閥，呈環(huán)形陣列分布于探測模塊下方，通過流場仿真優(yōu)化氣閥噴氣角度與壓力，確保矸石剔除準確率達98%以上。設(shè)備整體尺寸控制為直徑小于3.2 m、高度小于3.5 m，可通過井下副井運輸，適配80%以上的受限空間場景。

（2）模塊化智能集成方案

基于功能解耦-模塊標準化-接口通用化的原則，將設(shè)備拆分為進料抖料模塊、多模態(tài)探測模塊、高速剔除模塊、智能控制模塊4大核心模塊，各模塊獨立設(shè)計、統(tǒng)一接口。進料模塊含智能抖料機構(gòu)與溜槽，適配帶寬1.0～1.6 m的輸送帶；探測模塊集成X光射線源、CZT探測器、可見光相機，設(shè)備總質(zhì)量小于8 t，支持快速插拔更換；剔除模塊含環(huán)形氣閥陣列與風壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，氣閥故障可單獨更換；控制模塊含工控機、PLC、5G通信單元，支持遠程參數(shù)配置與故障診斷。模塊間采用快插式機械接口與以太網(wǎng)工業(yè)總線連接，現(xiàn)場組裝僅需3天，相較傳統(tǒng)臥式設(shè)備需7天減少安裝周期。最小寬度為1.2 m，可通過狹窄通道運輸，解決受限空間設(shè)備進不去、安裝周期長的行業(yè)痛點。

（3）極端環(huán)境適應性設(shè)計

針對受限空間高瓦斯、高粉塵、高濕度、溫度波動大的惡劣條件，構(gòu)建防爆-防塵-防潮-耐溫的四重防護體系。設(shè)備外殼采用12 mm厚Q235防爆鋼板，焊接處通過超聲波探傷檢測，電氣部件均符合GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》中的Ex db I Mb防爆等級，可在瓦斯?jié)舛取?%的井下環(huán)境安全運行；所有接口采用IP65密封標準，控制箱內(nèi)部設(shè)計正壓通風系統(tǒng)，防止粉塵與濕氣侵入；電子元件選用-20～60 ℃寬溫型號，X光射線源配備水冷散熱系統(tǒng)，確保設(shè)備在-20 ℃極寒、60 ℃高溫、90%濕度環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運行，無故障運行時間（MTBF）達800 h以上，遠高于行業(yè)平均的500 h。

1.3 動態(tài)聯(lián)動實現(xiàn)無人值守

全流程智能控制系統(tǒng)的動態(tài)自適應算法，實時聯(lián)動煤流負荷與設(shè)備運行參數(shù)，當煤流超額定值時，自動降低抖料速度并提升氣閥剔除頻率，確保分選率波動≤2%；故障自診斷系統(tǒng)實時監(jiān)測20項設(shè)備參數(shù)，出現(xiàn)異常時自動報警并切換備用模式，無故障運行時間大于800 h。

搭建云邊端一體化智能監(jiān)控平臺，通過F5G網(wǎng)絡(luò)將分選率、煤流負荷、故障信息等數(shù)據(jù)實時上傳至地面調(diào)度中心，支持遠程參數(shù)調(diào)整與故障排查。受限空間內(nèi)僅需1名巡檢人員定期檢查，替代傳統(tǒng)18名人工分選崗位，實現(xiàn)地面遠程監(jiān)控、井下無人作業(yè)的智能化運行模式，降低了人員安全風險，一體化煤矸石智能分選機器人系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 一體化煤矸石智能分選機器人系統(tǒng)

1.4 3代樣機迭代升級成果

歷經(jīng)5年技術(shù)打磨，完成3代樣機的迭代優(yōu)化。2020年完成初代樣機，實現(xiàn)基礎(chǔ)尺寸適配與核心分選功能，處理能力150 t/h，分選精度92%；2022年第2代樣機優(yōu)化感知算法與結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入多源融合技術(shù)，處理能力提升至200 t/h，分選精度達97%；2024年完成第3代樣機，融入AI智慧體與全流程監(jiān)控功能，搭載數(shù)字孿生預診斷模塊，處理能力突破350 t/h，分選精度為99%，難選煤分選率達95.2%，受限空間立式X光智能選矸機器人（3代機）如圖5所示。

圖5 受限空間立式X光智能選矸機器人（3代機）

智能化礦井建設(shè)的典型應用

2.1 老舊車間的智能化改造升級

平煤股份天宏選煤公司3號分選車間為2005年建成的老舊設(shè)施，空間狹窄且工藝落后，是智能化礦井建設(shè)中的難點區(qū)域。引入受限空間TDS智能選矸機器人后，通過以下3大智能化改造亮點實現(xiàn)突破。

（1）工藝智能銜接，機器人進料口與原有輸送帶、出料口與破碎機/矸石倉智能對接，無需大規(guī)模改造車間布局，快速融入現(xiàn)有生產(chǎn)流程。

（2）數(shù)據(jù)智能聯(lián)動，機器人運行數(shù)據(jù)接入公司智能調(diào)度平臺，與原煤產(chǎn)量、煤質(zhì)檢測數(shù)據(jù)實時交互，實現(xiàn)分選環(huán)節(jié)與全流程的智能協(xié)同。

（3）運維智能高效，通過遠程監(jiān)控平臺實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)遠程調(diào)節(jié)，故障預警響應時間縮短至5 min，較人工巡檢效率提升80%。

應用后，車間處理能力從60 t/h提升至180 t/h，分選精度提升13%，年減少煤炭浪費1.2萬t，老舊車間從人工密集型升級為智能高效型，成為智能化礦井建設(shè)中“舊場景煥新能”的典型案例。

2.2 井下受限空間的智能化閉環(huán)運營

平煤股份十二礦三水平采區(qū)為高瓦斯區(qū)域，洗選硐室空間狹窄且安全要求高，此前因缺乏適配裝備，矸石需提升至地面分選，不符合智能化礦井“井下閉環(huán)、降本安全”的建設(shè)方向。引入2臺受限空間TDS智能選矸機器人后，設(shè)備全面采用Ex db I Mb級防爆設(shè)計，完全符合GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》及煤礦井下防爆安全規(guī)范，從硬件構(gòu)造到控制邏輯構(gòu)建全維度防爆體系。

智能選矸機器人外殼選用厚度為12 mm的Q235防爆鋼板，關(guān)鍵焊縫經(jīng)超聲波探傷檢測確保密封性能，內(nèi)部電氣腔室采用隔爆結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計，將X光射線源驅(qū)動模塊、主控制器、高壓氣閥驅(qū)動器等核心電氣部件與外部瓦斯環(huán)境物理隔離，防爆間隙嚴格控制在0.2 mm以內(nèi)；所有電氣元件均選用煤礦專用防爆型產(chǎn)品，包括防爆電機、防爆傳感器、防爆接線盒等，接線端口配備防爆密封接頭，電纜敷設(shè)通過阻燃防爆穿線管防護，設(shè)備接地電阻經(jīng)實測控制在4 Ω以內(nèi)，從源頭杜絕電氣火花產(chǎn)生。受限空間TDS智能選矸機器人構(gòu)建3方面的智能化應用亮點。

（1）安全智能聯(lián)動，機器人與硐室瓦斯傳感器實時交互，瓦斯?jié)舛瘸?.8%時自動停機并開啟排風，實現(xiàn)設(shè)備-環(huán)境的智能安全防控。

（2）工藝智能閉環(huán)，分選后的矸石直接進入井下矸石倉，經(jīng)破碎硐室粉碎后回填，無需地面運輸，形成開采-分選-回填的井下智能化閉環(huán)。

（3）數(shù)據(jù)智能賦能，設(shè)備運行數(shù)據(jù)與礦井智能開采系統(tǒng)聯(lián)動，根據(jù)采區(qū)矸石產(chǎn)出量動態(tài)調(diào)整分選參數(shù)，保障全流程產(chǎn)能匹配。

應用后，節(jié)省矸石運輸成本252.5萬元/年，回收煤炭增加銷售收入975萬元，硐室作業(yè)人員從6人減至2人，瓦斯暴露風險降低67%，實現(xiàn)“安全、高效、低碳”的智能化運營，為高瓦斯礦井受限空間智能化改造提供標桿。

智能化礦井建設(shè)的推廣經(jīng)驗與展望

受限空間TDS智能選矸機器人的應用實踐，為智能化礦井建設(shè)積累3大核心經(jīng)驗。

（1）需求導向的智能化設(shè)計，圍繞受限空間“小、惡、變”的場景特點，針對性開發(fā)智能感知、緊湊裝備與動態(tài)控制技術(shù)，避免大而全的盲目智能化。

（2）數(shù)據(jù)貫通的智能化協(xié)同，將機器人數(shù)據(jù)接入礦井現(xiàn)有智能系統(tǒng)，實現(xiàn)分選環(huán)節(jié)與開采、運輸、洗選全流程的數(shù)據(jù)聯(lián)動，避免“信息孤島”。

（3）梯度推廣的智能化落地，先在天宏選煤、十二礦等典型場景驗證，通過總結(jié)標準化方案推廣至同類礦井，降低智能化改造門檻。

未來，隨著智能化礦井建設(shè)深入，設(shè)備將向3個方向升級。

（1）“數(shù)字孿生+分選”，構(gòu)建設(shè)備-煤流-環(huán)境的虛擬模型，實現(xiàn)分選參數(shù)智能優(yōu)化與故障提前預判。

（2）“微型化+智能化”，研發(fā)直徑<2.5 m的微型機器人，適配井下掘進工作面等極狹窄空間。

（3）“低碳化+智能化”，通過X光機變頻控制、氣閥節(jié)能模塊，將單位處理量能耗降至0.5 kW·h/t以下，助力智能化礦井實現(xiàn)綠色低碳的目標。

結(jié) 語

受限空間TDS智能選矸機器人以感知精準、裝備緊湊、控制智能的核心優(yōu)勢，解決了受限空間煤矸分選難題，成為智能化礦井建設(shè)中“小場景大突破”的關(guān)鍵載體。在天宏選煤、十二礦的應用實踐表明，通過針對性的智能化設(shè)計，老舊車間、井下硐室等傳統(tǒng)難點區(qū)域，實現(xiàn)了從人工到智能、從低效到高效的轉(zhuǎn)型。未來，隨著技術(shù)持續(xù)迭代與推廣，將為更多礦山的受限空間智能化改造提供支撐，助力智能化礦井建設(shè)實現(xiàn)全流程覆蓋、全場景智能的目標。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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