摘 要
為解決煤礦井下輔助運輸作業(yè)自動化水平低、人工操作安全風險高及運輸效率不足等問題,提出并研究了一種煤礦井下輔助輸送機器人與地面輸送機器人協(xié)同運行的系統(tǒng)框架。通過對機器人本體硬件結構與功能模塊進行系統(tǒng)設計,構建了集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃與自主避障于一體的智能控制方案,并分析了地面無人駕駛輔運機器人的技術特性與應用模式;建立了涵蓋車輛管控、狀態(tài)監(jiān)測與地圖管理的綜合管理方法。研究結果表明,無車頭、360°原地轉(zhuǎn)向的輸送機器人在遙控、智能跟隨與自動駕駛等多模式下運行穩(wěn)定,提升了運輸效率并降低人員安全風險,對煤礦井下輔助運輸?shù)闹悄芑c安全生產(chǎn)具有良好的工程應用價值。
文章來源:《智能礦山》2026年第1期“專題報道:機器人技術創(chuàng)新與應用”
第一作者:段自強,工程師,機電部副主任,主要從事運輸研究工作。E-mail:181884457@qq.com
作者單位:內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責任公司
引用格式:段自強,王振華,張科,等. 煤礦井下輔助輸送機器人與地面輸送機器人研發(fā)及應用[J]. 智能礦山,2026,7(1):65-71.
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煤礦井下的輔助作業(yè),如設備巡檢、物料運輸、環(huán)境監(jiān)測等,工作環(huán)境極為惡劣,工人需要在狹小、潮濕、粉塵彌漫的空間內(nèi)進行,勞動強度大,而且存在較高的安全風險。由于井下環(huán)境復雜多變,傳統(tǒng)的人工輔助作業(yè)方式難以保證工作的準確性和及時性,容易導致設備故障未能及時發(fā)現(xiàn)、物料供應不及時等問題,影響煤礦正常生產(chǎn)。
內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限公司不連溝煤礦(簡稱不連溝煤礦)現(xiàn)有輔助運輸設備主要由各類防爆皮卡、載重斗車、重型叉車等組成,采用柴油驅(qū)動形式,礦山配置專職車隊,管理方式以人為調(diào)度為主。但井下輔助運輸距離長,人員勞動強度大,設備管理維護困難,成為輔助運輸系統(tǒng)的瓶頸,制約著礦井的安全生產(chǎn)。
面向不連溝煤礦設計的井下智能輔助輸送機器人,井下斜立井混合開拓方式,采用無人化自主導航設計,管理人員借助專用集中管理平臺編排運輸任務,機器人定時定點完成工作,須具有以下5個方面的技術突破。
(1)環(huán)境適應性:機器人需要具備良好的環(huán)境感知能力,能夠在復雜的煤礦環(huán)境中穩(wěn)定運行,并準確識別障礙物和道路信息。
(2)智能化水平:通過集成先進的自動駕駛技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能技術,實現(xiàn)機器人的自主導航、路徑規(guī)劃和避障功能。
(3)高效運輸:機器人需要具備高效的運輸能力,能夠快速、準確地完成煤礦輔助運輸任務,提高生產(chǎn)效率。
(4)安全可靠:機器人的設計需要充分考慮安全因素,采用防爆、防撞等安全措施,確保在運輸過程中不會引發(fā)安全事故。
(5)易于維護:機器人的結構需要簡單易于維護降低后期的運維成本。
煤礦輔助輸送機器人
輕型輸送機器人(防爆款)是國內(nèi)首個專為井下無人運輸設計的機器人。采用無車頭設計,能實現(xiàn)原地360°內(nèi)任意角度轉(zhuǎn)向,增強了井下運輸?shù)撵`活性與安全性。M1支持遙控、智能跟隨和智能推進等多種控制模式,搭載多種上裝執(zhí)行任務,配備全地形輪胎,可適應復雜多變路面,煤礦輔助輸送機器人外觀設計如圖1所示。
圖1 煤礦輔助輸送機器人外觀設計
(1)性能參數(shù)
具體性能參數(shù)見表1所示。
表1 煤礦輔助輸送機器人性能參數(shù)
(2)工作模式
遙控模式:輸送機器人為視距遙控,通過遙控器的操作可實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向、制動和急停等。遙控器設計符合人體工程學原理,操作簡便,信號傳輸穩(wěn)定,有效控制距離滿足井下作業(yè)需求。
跟隨模式:輸送機器人有前引導和后推動模式,通過車載終端和識別卡的信息交互實現(xiàn)自動跟隨,且與識別卡保持安全距離。在跟隨過程中,機器人能夠根據(jù)識別卡的移動速度和方向?qū)崟r調(diào)整自身狀態(tài),確保跟隨的準確性和穩(wěn)定性。
(3)機器人結構
機器人結構主要包括聲光報警器、照明裝置、運輸平臺、跟隨車載端(左右)、防爆電機、驅(qū)動器(左右)、超聲波傳感器、甲烷傳感器、中央箱體、行走機構等。各部件協(xié)同工作,保障機器人的正常運行。其中,聲光報警器用于在異常情況下發(fā)出警報信號,提醒周圍人員注意安全;甲烷傳感器實時監(jiān)測周圍環(huán)境中的瓦斯?jié)舛龋_保作業(yè)安全。
1.1 無人駕駛系統(tǒng)功能
(1)自動起步:機器人能夠根據(jù)實際情況開始自動駕駛,例如在接收到運輸任務指令且周圍環(huán)境滿足安全條件時,自動啟動并進入運行狀態(tài)。
(2)自動駕駛:能夠識別路況及機器人工況,自主行駛。通過傳感器采集的數(shù)據(jù),結合地圖信息和算法,機器人可實時感知自身位置和周圍環(huán)境,規(guī)劃并執(zhí)行行駛路徑。
(3)車道保持:可識別道路標識線,機器人保持在道路標識線中心行駛。利用視覺傳感器和圖像處理技術,機器人能夠準確識別井下道路標識線,通過自動調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng),確保在行駛過程中始終保持在車道中心位置,提高行駛的安全性和規(guī)范性。
(4)緊急停車:機器人能夠根據(jù)周圍狀態(tài)自行判斷,緊急制動停車。當檢測到前方有障礙物、人員闖入危險區(qū)域或自身出現(xiàn)故障等緊急情況時,機器人迅速啟動制動系統(tǒng),實現(xiàn)緊急停車,避免事故發(fā)生。
(5)障礙物感知與響應:能夠感知機器人周圍的車輛、能夠感知到偶爾出現(xiàn)的行人、能夠感知道路上異常物品,自動駕駛時用于機器人規(guī)劃路徑。多種傳感器協(xié)同工作,實現(xiàn)對周圍環(huán)境的全方位感知,及時發(fā)現(xiàn)障礙物并重新規(guī)劃路徑,確保行駛安全順暢。
(6)機器人行駛狀態(tài)提醒:對機器人各傳感器工作狀態(tài)或自動駕駛各模塊工作狀態(tài)進行監(jiān)控,異常時發(fā)出警告;依據(jù)道路條件和周圍障礙物對周圍狀態(tài)做出分析判斷是否適合自動駕駛。通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并發(fā)出警報,保障機器人的安全運行。
(7)瓦斯?jié)舛雀兄翰杉治鰴C器人周圍瓦斯?jié)舛龋瑵舛瘸^設定閾值時機器人自動停止行駛,同時觸發(fā)聲光報警及時提醒現(xiàn)場工作人員并發(fā)送至后臺管理系統(tǒng),保障了井下作業(yè)的安全,防止瓦斯事故的發(fā)生。
1.2 智能跟隨系統(tǒng)
通過機器人自身按鈕或APP設置為智能跟隨模式,機器人自動跟隨人攜帶標簽行走,完成直線跟隨、彎道跟隨、S型路線和180°掉頭跟隨等。跟隨人距離10 m以內(nèi),跟人速度0~1.5 m/s(速度可調(diào))。智能跟隨系統(tǒng)采用先進的定位技術和控制算法,精準識別標簽位置,實現(xiàn)穩(wěn)定跟隨,滿足不同作業(yè)場景的需求。
1.3 可視遙控系統(tǒng)
無人駕駛機器人配置遙控系統(tǒng),分為近距遙控器和網(wǎng)絡遙控器,其中近距遙控器每個機器人配置1個,通過射頻與機器人連接,供隨行人員在特殊情況下對機器人操作。網(wǎng)絡遙控器網(wǎng)絡信號與運管平臺連接,可操作同時與運管平臺連接無人駕駛機器人,操縱者通過安裝在可視遙控器上的視頻顯示器獲取無人駕駛機器人周圍環(huán)境的實時視頻圖像和運行參數(shù),發(fā)送遙控指令,控制機器人前進與后退,轉(zhuǎn)向。4個魚眼攝像頭實時拍攝機器人四周作業(yè)環(huán)境,通過無線模塊傳回操作者遙控器的顯示屏。便于人員遠距離對無人駕駛機器人進行實時操縱??梢曔b控系統(tǒng)提高了操作的便捷性和可視化程度,使操作人員能夠更準確地控制機器人,應對復雜情況。
1.4 高精度地圖
高精度地圖通過激光雷達掃描整個井下環(huán)境,建立相應的三維模型,逐幀把激光雷達的數(shù)據(jù)拼接起來,生成整個井下環(huán)境的模型。在點云地圖的基礎上,通過地圖標注工具可以標注出車道線、交通標志、井下巷道路口、減速帶等信息。高精度地圖為機器人的導航和路徑規(guī)劃提供了精確的地理信息支持,提高了機器人運行的準確性和效率。
地面無人駕駛智能輔運機器人
無人駕駛智能輔運機器人具備遙控和自動駕駛功能,接收并響應遙控和自動駕駛控制系統(tǒng)發(fā)出的指令,并反饋指令執(zhí)行狀況。通過控制器完成驅(qū)動、制動、轉(zhuǎn)向、燈光等控制。
根據(jù)機器人管控平臺所確定的園區(qū)地面運送散料及零件計劃、時刻表和機器人的位置及狀態(tài),為機器人指派運輸任務,運管平臺具備調(diào)度信息查詢功能,支持無人駕駛系統(tǒng)的基本調(diào)度信息查詢,包括設備通信狀態(tài)、報警記錄、調(diào)度信息變更、設備狀態(tài)記錄等信息。具體線路及調(diào)度任務根據(jù)園區(qū)實際生產(chǎn)需求,地面無人駕駛智能輔運機器人工作流程構架如圖2所示,地面無人駕駛智能輔運機器人性能參數(shù)見表2。
圖2 地面無人駕駛智能輔運機器人工作流程構架
表2 地面無人駕駛智能輔運機器人性能參數(shù)
地面無人駕駛智能輔運機器人整體呈規(guī)整長方體構型,頂部設有平坦且寬敞的運輸平臺,四周配備堅固護欄。底部行走機構采用大尺寸全地形輪胎,胎面花紋深刻,增強地面摩擦力,適應泥濘、積水、坑洼等復雜路面。地面無人駕駛智能輔運機器人的外觀設計如圖3所示。
圖3 地面無人駕駛智能輔運機器人外觀設計
2.1 機器人智能控制系統(tǒng)
(1)定制雙冗余整車控制器
雙冗余整車控制器是全地形機器人的核心控制中樞,協(xié)調(diào)和管理車輛的各項功能和操作,通過智能算法和實時數(shù)據(jù)處理提高了車輛的自主性、安全性和操作效率,在復雜的環(huán)境條件下可靠地行駛和執(zhí)行任務。其主要功能包括監(jiān)測和控制車輛的姿態(tài),管理車輛的運動行為,包括加速、減速、停止和轉(zhuǎn)向;根據(jù)用戶輸入或預設的任務指令,VCU計算并輸出相應的電機驅(qū)動信號,控制車輛在運動過程中的速度和方向變化;轉(zhuǎn)向控制;故障診斷和安全保護以及緊急停車功能或自動故障處理策略。雙冗余設計提高了系統(tǒng)的可靠性,當1個控制器出現(xiàn)故障時,另1個可立即接管工作,確保車輛正常運行。
(2)智能跟隨系統(tǒng)
智能跟隨系統(tǒng)包括車載端、手持端、控制端、軟件端;最大跟隨速度12 km/h,最大跟隨距離12 m,最大跟隨角度180°,定位精度10 cm,要求要求轉(zhuǎn)向順暢無卡頓。采樣頻率300 Hz,角度誤差5°內(nèi),定位精度10 cm。
(3)推進式前進系統(tǒng)
人員在車輛后方區(qū)域,智能感應人員具體位置,通過手持模塊推進車輛前進、轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn),要求轉(zhuǎn)向順暢無卡頓。最大推進速度5 km/h,最大安全推進距離5 m,最大推進角度180°,定位精度10 cm,角度誤差5°,定位精度10 cm。
2.2 機器人交互終端
(1)遙控器
定制防爆遙控器:集成多任務控制模式,包括遙控、跟隨、推式前進、一鍵返航和無人駕駛。支持左右手柄分別控制左右行走系統(tǒng),滿足井下特殊環(huán)境的操作需求。
非防爆遙控器:集成多任務控制模式,包括遙控、跟隨、推式前進、一鍵返航和無人駕駛。支持左右手柄分別控制左右行走系統(tǒng)。遙控器包括發(fā)送裝置和接收裝置。發(fā)送裝置內(nèi)置超大容量電池,支持雙路高清高亮 LCD 觸摸顯示屏,續(xù)航時間12 h,支持30 W的PD快充技術,3 h即可快速滿電,180 ms低時延,地面通視可遙控距離300 m。
(2)車載平板交互端
防爆車載平板:煤安防爆,具有工作電壓、電流、行駛速度、時間、故障、剩余電量、氣體濃度等行駛狀態(tài)信息的顯示和存儲功能。
車載/手持平板交互端:為車輛提供了多功能的操作和管理支持。其中控屏大數(shù)據(jù)中心功能集成了廣泛的數(shù)據(jù)處理和展示能力。用戶可以通過遙控模式、跟隨模式、推進式前進模式和返航模式實現(xiàn)不同的車輛操作需求。平板還支持臨時停車、急停模式以及車輛調(diào)度功能,允許在任意線路上發(fā)布多站點調(diào)度任務。管理調(diào)試功能通過日志記錄,提供詳盡的運行狀態(tài)監(jiān)控和管理支持。此外,平板還包括運行警告功能和虛擬遙控功能,以及操作手冊,為用戶提供了全面而便捷的車輛交互和管理體驗。
2.3 機器人綜合管控平臺
機器人綜合管控平臺為用戶提供全面的功能支持和管理工具。管理模塊涵蓋用戶管理、微信授權用戶管理、角色管理、菜單管理、部門管理、崗位管理、字典管理、參數(shù)設置、通知公告、日志管理以及多語言設置等功能;監(jiān)控功能包括用戶在線日志查看、定時任務管理、在線用戶監(jiān)控和服務監(jiān)控;車輛管理模塊支持車輛的新增和編輯操作,地圖管理模塊則允許用戶進行地圖的新增、編輯以及PAD創(chuàng)建地圖操作。平臺提供地圖線路管理功能,包括新增線路、編輯線路和站點管理等功能。車輛調(diào)度和車輛監(jiān)控功能增強了平臺在車輛管理和監(jiān)控方面的全面性和實用性,智駕管控平臺架構如圖4所示。
圖4 智駕管控平臺架構
(1)平臺功能
用戶管理:可以進行用戶的添加、編輯、查看、刪除操作,查詢用戶信息,并為用戶分配權限。例如,井下操作人員具有發(fā)送請求、遙控車輛的權限;車隊調(diào)度員負責車輛狀態(tài)、異常報警處理、任務下發(fā)、調(diào)度請求審核、報表導出;中 控室管理員進行操作人員、調(diào)度員用戶增刪、登錄賬戶增刪等操作。
賬號管理:管理員統(tǒng)一進行賬號注冊、分配,僅支持通過賬號登錄,用戶可自行查看及更改個人信息、密碼,保障系統(tǒng)的安全性和管理的規(guī)范性。
車輛管理:支持進行有人車、無人車添加、編輯、查看、刪除操作,方便對車輛進行統(tǒng)一管理。
角色管理:可以進行用戶角色的新增、刪除、查看、編輯操作,并給角色分配權限,明確不同用戶的職責和操作范圍。
權限管理:支持進行車輛調(diào)度、車輛配置、報表導出、系統(tǒng)運維、鷹眼監(jiān)控權限的添加、編輯、刪除操作,并為權限分配接口或資源,確保系統(tǒng)操作的安全性和規(guī)范性。
地圖管理:高精地圖支持手動采圖建圖并更新到云端和車端,保證作業(yè)運輸觸達。系統(tǒng)支持對站點配置功能,配置不同站點在調(diào)度中的語義,為機器人的導航和調(diào)度提供準確的地圖數(shù)據(jù)支持。
狀態(tài)顯示:運行地圖支持井下路線三維建圖和 2D 渲染展示;系統(tǒng)支持回傳車輛行駛視頻至后端平臺;有人車、無人車通過UWB定位數(shù)據(jù),實時獲取車輛的位置信息,并將其顯示在平臺地圖上,實現(xiàn)對車輛運行狀態(tài)的全面監(jiān)控。
運行操作:當車輛出現(xiàn)異常信息或報警,相關人員可以通過云平臺對報警信息進行處理,確認無誤后可恢復車輛自動駕駛功能,保障車輛的正常運行。
報表統(tǒng)計:系統(tǒng)支持按照日、周、月導出無人車運行報表,包含運輸時間、運輸距離、運輸次數(shù)。支持系統(tǒng)故障統(tǒng)計,如故障時間、故障類型,支持導出歷史記錄。有人車支持按照日、周、月導出運輸時間、運輸次數(shù)信息。系統(tǒng)支持進行報警信息統(tǒng)計,包括時間、數(shù)量、類型(車輛故障、通信故障),為分析車輛運行情況和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
OTA升級:車端系統(tǒng)支持云端統(tǒng)一升級。車端控制器接收云端服務下發(fā)指令和升級包,并在車輛非運營時對車端的自動駕駛控制軟件、操作系統(tǒng)、地圖數(shù)據(jù)等車端軟件數(shù)據(jù)進行遠程升級,確保車端系統(tǒng)始終保持最新功能和性能。
(2)調(diào)度系統(tǒng)
預約任務:管理員根據(jù)每天作業(yè)需求提前2 h輸入作業(yè)信息,包括時間、起終點、運輸貨物類型、質(zhì)量。系統(tǒng)根據(jù)這些信息提前規(guī)劃車輛調(diào)度,提高運輸效率和計劃性。
實時任務:井下作業(yè)員根據(jù)業(yè)務需求,發(fā)出實時訂單,訂單信息包括時間、起終點、運輸貨物類型、質(zhì)量。系統(tǒng)快速響應實時任務,合理調(diào)配車輛資源,滿足井下生產(chǎn)的突發(fā)需求。
智能調(diào)度:選點調(diào)度模式下,云平臺根據(jù)作業(yè)需求設定可能的上卸貨點位,操作人員、管理人員可通過選點設定起點、終點下發(fā)運輸要求;調(diào)度員可新增高優(yōu)先級訂單,系統(tǒng)根據(jù)車輛任務結束時間序列,分配最早完成任務的車輛執(zhí)行該訂單,若有多個高優(yōu)先級訂單則按照時間順序排單;調(diào)度人員還可根據(jù)作業(yè)需求,選擇某輛車,為其分配定向任務,實現(xiàn)靈活高效的調(diào)度管理。
低電量調(diào)度:車輛低電量時自動回充,并可以為車輛指定最近充電位置。當車輛電量低于預設閾值時,車輛退出業(yè)務運營,平臺自動調(diào)度車輛至預設充電位置,并在前端提示管理員車輛電量低退出運營,保障車輛持續(xù)運行能力和運輸任務的連續(xù)性。
輸送機器人實機測試與成效分析
3.1 實機測試
(1)在不連溝煤礦的實機測試中,機器人承擔了物料運輸、設備巡檢等輔助任務。在物料運輸方面,根據(jù)煤礦的開采進度和需求,機器人按照預設的路線和時間,將各類生產(chǎn)物資準確、及時地運輸?shù)街付ǖ攸c。
(2)在設備巡檢過程中,機器人利用自身搭載的傳感器,對井下設備進行定期檢測,實時收集設備運行數(shù)據(jù),如溫度、振動等參數(shù),并將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心。發(fā)現(xiàn)設備存在異常,及時發(fā)出警報并提供詳細的故障信息,以便維修人員快速處理,有效保障了設備的正常運行。
3.2 成效分析
(1)提高運輸效率
與傳統(tǒng)人工運輸方式相比,煤礦井下輔助輸送機器人能夠不間斷工作,且行駛速度穩(wěn)定,運輸效率顯著提升。據(jù)統(tǒng)計,在相同的運輸任務下,機器人運輸效率比人工運輸提高了約10%,有效縮短了生產(chǎn)周期,增加了礦井的煤炭產(chǎn)出量。以不連溝煤礦為例,在機器人投入使用后,每月煤炭產(chǎn)量平均增加了5萬t,按照當前煤炭市場價格計算,每月可為企業(yè)增加收入150萬元。
(2)減少人力成本
機器人的應用減少了對大量從事輔助運輸工作的人力需求。煤礦無需再雇傭過多的運輸工人,節(jié)省了工資、福利等人力開支。經(jīng)核算,每年可節(jié)省人力成本約120萬元,極大地降低了企業(yè)的運營成本。
(3)降低事故發(fā)生率
由于機器人操作規(guī)范、精準,嚴格遵循預設程序,避免了人為失誤導致的安全事故。在機器人投入使用后,煤礦輔助運輸環(huán)節(jié)的事故發(fā)生率明顯下降,減少了因事故造成的設備損壞、人員傷亡賠償?shù)葥p失。以往每年因輔助運輸事故導致的經(jīng)濟損失約為360萬元,使用機器人后,此類損失降低至235萬元,降幅為35%。
(4)提高設備利用率
機器人能夠?qū)\輸設備進行更好的維護和保養(yǎng),延長設備的使用壽命。通過實時監(jiān)測設備運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題,減少了設備故障和維修次數(shù)。以往運輸設備的平均更換周期為2年,在機器人的輔助維護下,更換周期延長至28個月,降低了設備維修和更換成本。每年在設備維修和更換方面可節(jié)省費用約300萬元。
(5)提升企業(yè)競爭力
運輸效率和安全性的提高,使礦井的整體生產(chǎn)能力和管理水平得到提升,有助于增強企業(yè)在市場中的競爭力和信譽。為企業(yè)贏得了更多的合作機會和市場份額,帶來了潛在的經(jīng)濟效益。
總 結
(1)圍繞煤礦井下輔助輸送機器人與地面輸送機器人的系統(tǒng)框架設計開展研究,構建了融合自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術的智能輔運體系。實機測試在復雜井下環(huán)境中運行穩(wěn)定,提升了運輸效率與設備利用率,降低了人力投入和安全事故發(fā)生率,體現(xiàn)了煤礦輔助運輸由“人工參與為主”向“智能化、自主化”為主的發(fā)展趨勢。
(2)研究了在無車頭結構、多模式運行(遙控、智能跟隨、自動駕駛)以及多傳感器融合感知等方面進行了系統(tǒng)化設計,并將井下輔助輸送機器人與地面無人駕駛輔運機器人通過綜合管控平臺進行統(tǒng)一管理,實現(xiàn)了井上下運輸系統(tǒng)的協(xié)同運行,為煤礦輔助運輸智能化提供了可復制的技術框架。
(3)未來研究將重點提升機器人在復雜井下環(huán)境中的感知精度與智能決策能力,進一步加強多傳感器融合與智能算法優(yōu)化,拓展其在通風、排水、巡檢等多場景中的應用,并強化與其他礦山智能裝備的協(xié)同作業(yè),逐步構建更加完善、高效的煤礦智能化生產(chǎn)生態(tài)體系。
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
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