煤礦機(jī)器人化開(kāi)采是什么樣？

“煤炭綠色開(kāi)采的新路徑是機(jī)器人化。”前不久，在中國(guó)工程院與神華集團(tuán)聯(lián)合舉辦的2017年國(guó)際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇上，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)葛世榮介紹了煤礦機(jī)器人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)情況。

據(jù)葛世榮介紹，我國(guó)煤礦平均井深超過(guò)500米，而澳大利亞煤礦平均井深只有250米，美國(guó)煤礦平均井深只有150米。我國(guó)煤炭綠色開(kāi)采的最大難題是“三高”，即高傷亡、高損害、高排放。

“煤炭綠色開(kāi)采廣義的‘三零’內(nèi)涵是零傷亡、零損害、零排放。”葛世榮說(shuō)，“我們需要機(jī)器人化，光靠一般的機(jī)械化開(kāi)采很難實(shí)現(xiàn)‘三零’。”

源自仿生走向擬人

從煤炭開(kāi)采的歷史看，最早是人工開(kāi)采，后來(lái)是機(jī)械化開(kāi)采、自動(dòng)化開(kāi)采，機(jī)械化開(kāi)采部分替代了人的勞動(dòng)，自動(dòng)化開(kāi)采減少了人的勞動(dòng)。如今的機(jī)器人化開(kāi)采的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采。

葛世榮介紹，機(jī)器人化開(kāi)采源自仿生，要走向擬人。掘進(jìn)機(jī)仿了穿山甲的功能，采煤機(jī)仿了地鼠的挖掘功能，而帶式輸送機(jī)仿了蟻群搬家的功能，每個(gè)托輥相當(dāng)于一只螞蟻，現(xiàn)在要通過(guò)人工智能的嵌入或嫁接來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開(kāi)采。

“從動(dòng)物開(kāi)始，經(jīng)過(guò)發(fā)展再回歸到高級(jí)動(dòng)物的采礦機(jī)器人，這是我們要研發(fā)的。”葛世榮說(shuō)，現(xiàn)在，我國(guó)提倡智能礦山建設(shè)，而機(jī)器人化開(kāi)采是智能礦山的核心架構(gòu)。

葛世榮介紹，機(jī)器人化開(kāi)采是機(jī)器擬人化生產(chǎn)，多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)。這個(gè)時(shí)候它要具有自主定位、自動(dòng)感知、自適運(yùn)行的功能，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)采礦過(guò)程的數(shù)字化和物聯(lián)化，以及運(yùn)行的透視化和可視化。機(jī)器人化開(kāi)采技術(shù)體系包括采煤作業(yè)的機(jī)器人、無(wú)人操作的刮板輸送機(jī)、無(wú)人值守的提升機(jī)以及無(wú)人駕駛的車輛等。機(jī)器人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)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(dǎo)航技術(shù)、虛擬采礦與仿真控制技術(shù)、生產(chǎn)工況動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)、機(jī)器人化采礦設(shè)備、地面監(jiān)控中心和礦井物聯(lián)網(wǎng)。

煤要自動(dòng)采出來(lái)

采煤機(jī)是把煤炭從地下挖出來(lái)的最前端、最核心的機(jī)器。葛世榮認(rèn)為，采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化，“五調(diào)控”是核心。一是調(diào)控截割速度，二是調(diào)控截割高度，三是調(diào)控截割軌跡，四是刮板輸送機(jī)調(diào)直，五是液壓支架調(diào)直。

“‘五調(diào)控’缺一不可，只要一個(gè)步驟不能實(shí)現(xiàn)智能或者機(jī)器人化開(kāi)采，整個(gè)采煤工作面的機(jī)器人化就無(wú)從談起。”葛世榮說(shuō)。

為此，葛世榮團(tuán)隊(duì)研發(fā)了井下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航技術(shù)。試驗(yàn)表明，采煤機(jī)通過(guò)慣性導(dǎo)航的方式實(shí)現(xiàn)了定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。現(xiàn)在，他們?nèi)栽谶M(jìn)一步提高定位精度，減小誤差，爭(zhēng)取在5厘米以內(nèi)，甚至更小。

“煤層并不是一馬平川的，而是起伏變化的，煤巖界面的機(jī)器識(shí)別至關(guān)重要。”葛世榮說(shuō)，“我們研發(fā)了煤巖界面自動(dòng)識(shí)別截割技術(shù)，即采用將電流與震動(dòng)等多參數(shù)融合的方式使誤差控制在1厘米左右。”

在井下采煤，除了自動(dòng)識(shí)別煤巖界面，還得讓采煤機(jī)知道在什么地方拐彎，在什么地方直行。“我們將導(dǎo)航的信息嵌入地理信息系統(tǒng)，這就相當(dāng)于給了采煤機(jī)地理導(dǎo)航圖。有了類似GPS的導(dǎo)航圖，采煤機(jī)就會(huì)像汽車一樣，知道在哪個(gè)地方拐彎，到哪個(gè)地方直行了。”葛世榮說(shuō)。

機(jī)器人化開(kāi)采是多機(jī)器人協(xié)同，如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同？對(duì)此，葛世榮表示，首先是聯(lián)動(dòng)控制，其次是機(jī)群的協(xié)同，再其次是遠(yuǎn)程感知。所以，要構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作和機(jī)器人化群組之間的自動(dòng)化運(yùn)行。

“有了物聯(lián)網(wǎng)，我們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公里范圍內(nèi)的順槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至可以到距離采煤工作面10公里以上的地面監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。這三方面如果都能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的話，那我們就可以實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開(kāi)采的無(wú)人值守、遠(yuǎn)程操控。”葛世榮說(shuō)。

葛世榮團(tuán)隊(duì)在山西一煤礦進(jìn)行了機(jī)器人化開(kāi)采試驗(yàn)。這個(gè)礦年產(chǎn)量1000萬(wàn)噸，采煤工作面只需6人遠(yuǎn)程監(jiān)控和巡檢，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化開(kāi)采。

還要把煤自動(dòng)運(yùn)出去

從煤采出來(lái)運(yùn)輸?shù)降孛嬉?jīng)過(guò)兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載，二是斜井皮帶提升或豎井鋼絲繩提升。這兩個(gè)環(huán)節(jié)是地下煤炭運(yùn)輸?shù)降孛娴难屎硪溃币徊豢?。葛世榮說(shuō)，這就需要無(wú)人操作運(yùn)行、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載和智能安全保護(hù)。

“蜘蛛吊在樹(shù)上的時(shí)候，非常容易就使自己提上去，因?yàn)樗莻€(gè)彈性自適應(yīng)系統(tǒng)。”葛世榮說(shuō)。根據(jù)這個(gè)原理，葛世榮團(tuán)隊(duì)研制出了不確定摩擦約束的超長(zhǎng)鋼絲繩提升穩(wěn)控技術(shù)系統(tǒng)，解決了豎井提升機(jī)器人化的問(wèn)題。

井下帶式輸送機(jī)運(yùn)距很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)五六千米。“這么長(zhǎng)距離的輸送，粘彈性輸送帶的自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)非常難。機(jī)頭猶如企鵝行走一樣，任何時(shí)候都不能打滑；機(jī)尾猶如兩人拉緊橡皮筋拔河，大變形松弛的時(shí)候，要能夠自適應(yīng)拉緊，一旦負(fù)荷變化就立即響應(yīng)調(diào)控張力，實(shí)現(xiàn)智能牽引。這套機(jī)械系統(tǒng)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上需要從粘彈性力學(xué)、摩擦學(xué)、控制理論等方面系統(tǒng)研究，獲得技術(shù)支撐。”葛世榮說(shuō)。

經(jīng)過(guò)努力，葛世榮團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超長(zhǎng)運(yùn)距智能驅(qū)動(dòng)及張緊系統(tǒng)。目前，驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)1000千瓦，運(yùn)輸能力可達(dá)1500萬(wàn)噸／年，一條皮帶的連續(xù)運(yùn)距可達(dá)6000米，建立了井下長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、無(wú)人值守的煤炭連續(xù)運(yùn)輸體系。

在井下，刮板輸送機(jī)既是采煤機(jī)的導(dǎo)軌又是轉(zhuǎn)運(yùn)煤炭的設(shè)備，同時(shí)也是液壓支架的移步支點(diǎn)。在這種情況下，一旦刮板輸送機(jī)出故障趴窩，采煤工作面所有工作都得停止。

“問(wèn)題在哪？因?yàn)楣伟遢斔蜋C(jī)的使用壽命短，影響產(chǎn)量；故障多，影響采煤機(jī)和液壓支架開(kāi)機(jī)率；軌跡歪，導(dǎo)致采煤機(jī)截割偏離煤層走向。”葛世榮說(shuō)。

對(duì)此，葛世榮團(tuán)隊(duì)與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，研發(fā)了直聯(lián)永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)。它可以柔性啟停，大大降低了刮板輸送機(jī)的負(fù)載；可以重載牽引，動(dòng)載平衡，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)；節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)高30％以上。

刮板輸送機(jī)的磨損非常大，這是影響采煤效率的關(guān)鍵難題。“為了保證使用壽命，過(guò)去只能進(jìn)口國(guó)外的耐磨材料。經(jīng)過(guò)努力，我們研制出一種自增強(qiáng)耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過(guò)程中，越摩擦，表層越硬，磨得次數(shù)越多硬度增加值越高。這是我們的意外發(fā)現(xiàn)。”葛世榮說(shuō)，“利用這項(xiàng)技術(shù)，我們軋制出一種越磨越硬的鋼板，用這種鋼板制作刮板輸送機(jī)溜槽，其壽命超過(guò)了國(guó)外產(chǎn)品，無(wú)維修運(yùn)煤量可達(dá)1500萬(wàn)噸，創(chuàng)國(guó)內(nèi)外最高水平。”

未來(lái)五大攻關(guān)方向

葛世榮表示，未來(lái)，機(jī)器人化開(kāi)采有五大攻關(guān)方向。

一是研制高壓水射流輔助采煤機(jī)器人。現(xiàn)在的采煤機(jī)類似于流程式作業(yè)機(jī)器人，一旦某個(gè)部件壞了，整個(gè)系統(tǒng)就停機(jī)了，所以要研制并行式獨(dú)立采煤機(jī)器人，即一種短壁開(kāi)采的高壓水流切割支護(hù)轉(zhuǎn)運(yùn)一體化機(jī)器人。

二是井下采選充一體化機(jī)器人。采完煤以后要就地分選矸石，然后把矸石運(yùn)回采空區(qū)充填。這樣的話，減排問(wèn)題在井下就能解決。

三是井下精煤管道提升技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)精采精運(yùn)。精采就是選擇性開(kāi)采煤炭，精運(yùn)就是通過(guò)管道把精煤提升到地面，設(shè)備、人員采用管道、軌道運(yùn)輸。如果目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，將大大優(yōu)化傳統(tǒng)的煤礦運(yùn)輸工藝，形成一套直達(dá)高效的井下物流系統(tǒng)。

四是地下無(wú)人駕駛運(yùn)輸車技術(shù)。通過(guò)幾年的努力，井下運(yùn)輸和電機(jī)車運(yùn)輸可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，跟地面的特斯拉無(wú)人駕駛汽車一樣，自動(dòng)導(dǎo)航。

五是煤礦地下氣化機(jī)器人。葛世榮表示，煤炭地下氣化是煤炭生產(chǎn)的革命性變化，使采煤變成采氣，不再是燒煤發(fā)電，而是燒氣發(fā)電。