陕西小保当矿业有限公司隶属于陕煤集团 ，位 于神木县大保当乡 ，设计年生产能力为 2 800 万 t， 是亚洲年产能力最大的煤矿 ，分一号矿井和二号矿 井 。一号矿井设计生产能力 1 500 万 t/a ，井田面积 97.4 km2 ，服务年限约 74 年 。二号井设计生产能力 1 300 万 t/a ，井田范围东西长15km，南北宽 8.4 km， 面积 122.47 km2 。地质资源量 2 447. 1 Mt ，设计可采 储量 1 354.28 Mt ，服务年限约 74 年 。矿井煤层为倾 角不足 1°的单斜构造 ，矿井内含有低瓦斯 、爆炸性 粉尘等 ，且煤层易自燃。
小保当公司以创新 、协调 、绿色 、开放 、共享 的新发展理念为引领 ，在陕煤集团数字化矿井建设 的整体框架下 ，不断优化顶层设计 ， 瞄准国际前沿 科技 ，应用先进的信息化技术 ，学习成熟的数字化 矿山建设经验 ，成立了智慧矿山建设领导小组 ，筛 选了 16 套智慧矿山建设方案 ，最终构建了理念先 进 、定位合理 、架构清晰 、系统全面完整的智慧矿 山体系。
智能综采实现了矿井少人化 ，研发了 450 m 超 长工作面智能协同开采系统 ，实现了调度室远程集 控一键启停采煤机、“三机”、泵站 ， 以及视频跟机 自动切换 ，支架自动跟机拉架 ，采煤机自动割煤等， 初步实现了单班 5 人的少人化开采和常态化运行 。 通过智能运销系统 ，实现装运无人化 ，运销一体化， 当班岗位工由 9 人减少至 2 人 。瓦斯检查员是辅助工 人数最多的工种之一 ，实现瓦斯巡检机器人替人能够大幅减少辅助工数量 ，对于提高人均效率具有重要意义 ，也是矿井智能化建设的重要组成部分。
人工瓦斯检查存在的弊端
特大型矿井人工瓦斯检查 ，存在费用高 、重大 安全隐患频发 ， 以及用工荒招工难等 3 个弊端。
人工成本过高
小保当公司 2 个矿井瓦斯检查员共计 50 余人， 每年人工费 (含工资 、劳保 、管理费等) 3 000 万元 以上 ，瓦检员数量超过采煤工数量。
空班漏检假检等重大隐患频发
特大型矿井 ，一是瓦检点高度高 ，巷道 、采面 高度一般 5 m 以上 ，人工检测靠“捏皮球”将高达 5 m 的气体 ， 吸到便携式光干涉瓦检仪中检测 ，现 场操作难度较大 ，瓦检员基本有意规避 ，造成空班 漏检； 二是检测点数量多 ，2 个矿井检测点高达 612 个 ，还不算 400多个密闭内和密闭前检测点 ，按照 正规流程检测 ，事实上很难做到逐点检测 ，形成实 质上的空班漏检 。根据国家相关政策规定 ，空班漏 检假检即为重大安全隐患。
用工荒招工难
原来的瓦斯检查员现在是“瓦检工”，从称谓上 可见社会地位明显降低 。瓦检员劳动强度大 ，一个 人一个班行走 3 万~4 万步 ，导致“腿关节”劳损、 风湿等职业病的发病率高 ， 5 年就达到 20% 以上； 社会地位低 、没有晋升通道 ，工资又远低于低强度 作业的采煤 、掘进工种 ，最终形成用工荒招工难状态 ，瓦检员几乎都是清一色的“老同志”。因此 ，特大型煤矿非常需要实现瓦斯巡检机器人取代人工作 业 ， 以便提升安全效益、经济效益和社会效益。
“水土不服”的现有瓦斯巡检机器人
现有瓦斯巡检机器人按照行进方式可以分为 5类 ， 即轨道式 、胶轮式 、履带式 、飞机式和四足仿 生式 ，且均已在煤矿进行试验 。其中轨道式 、胶轮 式和履带式已有公司成功申办了煤矿安全标志证书， 并在部分煤矿试用 。但是 ，这些都是“舶来品”，与 煤矿复杂多变的瓦斯检查场景难以配套 。具体表现 如下：
瓦检无效数据
现有的瓦斯巡检机器人所测量的气体浓度不是安全生产实际需要位置的浓度。《煤矿安全规程》 规定 ，瓦斯检查点的平面位置为工作场所瓦斯浓度最高的位置 ；检查点的空间位置为断面上瓦斯浓度最 高的位置 。对于甲烷 、一氧化碳等密度比空气小的 “轻气”，应检测顶板附近 20 cm 左右 、帮往里 20 cm 左右的浓度 ；对于二氧化碳 、硫化氢等密度比空气 大的气体 ，应检测底板附近 30cm 左右位置的浓度。
无法实现全流程作业
瓦斯巡检机器人的目的为替代人工巡检 ，承担 人工检查的所有工作 ，并且每一个环节都要比人做 得更好 。人工瓦斯检查工作包括“检查 、写牌板、 记录数据 、保存数据 、出报表 、报告 、与安全监控 系统比对 、报警”等工作 ，上述 5 类瓦斯巡检机器 人 ，显然不具有写牌板 、出报表 、与安全监控系统 比对、地面保存、报警、报告等关键功能。
缺少集群作业
每个特大型煤矿瓦检点超过 100 个 ，需要一个 机器人集群取代人工作业 ，统一协调 、共同工作。 上述 5 种机器人都是独立个体 ，显然不适合煤矿使 用 。煤矿瓦斯检查场景复杂 ，包括采煤面、掘进面、硐室 、 回风巷 、密闭里与密闭前 、机电设备等 ，上述 5 类瓦斯巡检机器人无法涉足任何一个场景 (包 括硐室的回风巷)， 造成检测不到有效数据。
存在失控隐患
原有 5 类机器人在试验 、展示过程中 ，不断出 现失控“撞人 、撞墙”现象 ，安装到煤矿后 ，一旦 失控较容易造成“车毁”，甚至“人亡”事故 ， 因此 带来更大的安全隐患 ，严重违背了煤矿装备的基本 原则。
无法实现持续工作
瓦斯检测需要持续的工作 ，这就需要有持续的 动力提供 。煤矿动力提供的途径现在的只有电力和 防爆柴油车 2 种 。这 2 种动力 ，在当前技术下 ，无法 给原有 5 类机器人提供持续动力 ，致使他们大多数 时间内处于不能工作的状态。
瓦斯巡检机器人系统的基本结构与形态
基本定义
瓦斯巡检机器人系统就是适用于突出、高瓦斯、 低瓦斯等各类矿井 ， 以及采煤工作面、掘进工作面、 硐室 、回风巷 、机电设备处等各类工作场景 ，替代 “检查、上板、记录、报表、比对、报警”等人工瓦 检工作的智能机器系统。
基本原理
瓦斯巡检机器人在“检查、上板、记录、报表、 比对 、报警”等人工工作的各个环节 ，均优于人工 作业 。在检测方面 ，检测位置更准、检测指标更多、 检测频率和检测精度更高等 ，杜绝空班 、漏检和假 检 ； 瓦斯牌板书写 、瓦斯数据发布方面 ，更清晰、 更及时 、更多形式 (表格 、曲线 、语音 、相邻地点 发布等)； 数据记录与储存方面 ，实现电子化、数据 库管控 ，方便查阅 ；在报表生成方面 ，可自动生成 各种瓦斯报表 ，实现远程审查签字 、可自动打印； 与安全监控系统数据比对方面 ，实现自动比对和超标报警；在报警方面 ，实现现场、系统、手机报警， 能够及时通知现场人员、管理人员。
基本结构
瓦斯巡检机器人系统由瓦斯巡检机器人操作控 制系统和 N个瓦斯巡检机器人组成 。瓦斯巡检机器 人由检测 、显示 、通信 、电源模块 4 个基本模块组 成 ，并且可以根据使用场景需求增加其他模块 ，例 如遥测模块 、车载模块 、便携模块 、抽出模块等。 瓦斯巡检机器人是模块化多变体结构 ，有多种变体， 例如固定式 、随机移动式 、遥测式 、抽出式 、便携 式 、车载式等 ， 以适应不同的瓦斯检查地点和不同 的检查场景 。数据传输依托井下工业环网和公网络 进行 ， 系统结构如图 1 所示 。根据工作地点和检测 场景的不同 ，采用不同形式的瓦斯巡检机器人和增 设不同的检测指标 ，能够按照最快小于 2 s 的巡检周 期 (频率) 检测各个地点的瓦斯数据 。监测数据在 显示模块发布 ，并传输到操作控制系统存储分析， 形成报告报表等 ，超限时在现场和系统 (含 APP) 报警 。与安全监控系统连接后 ，可对同时安装瓦斯 巡检机器人和安全监控系统传感器的地点 ，进行数 据比对 ，实现异常报警。
固定式瓦斯巡检机器人适用固定的瓦斯巡检点， 随机移动式适用于采煤面和掘进面等缓慢移动的瓦 斯巡检点 ，遥测式适用于火区 、采空区 、高冒区等 人工不能到达的瓦检点 ，便携式适用于新增加的瓦 斯巡检点 ，抽出式适用于密闭内气体检测 ，车载式 适用于没有固定设备的瓦斯巡检点。
固定式瓦斯巡检机器人适用于硐室 、 回风巷、 机电设备 (部分) 等地点和场景的瓦斯检测 ，这类 瓦斯检查点数量占总瓦检点数量的 70% 以上 。检查 点的空间位置为稳定的回风流中瓦斯最高点 ，且基 本长期固定不变 。 固定式瓦斯巡检机器人由检测、 显示 、传输 、电源模块等 4 个基本模块组成 (图 2)。 检测模块的主模块检测“轻气”(甲烷 、一氧化碳、 氧气 、温度 、湿度等)， 吊 挂 在 顶 板 20 cm ， 距 帮 20 cm 附近 ，检测“重气”(二氧化碳 、硫化氢等)的辅助模块吊挂在底板 30 cm 处 ，检测模块具有移 动报警功能 。显示模块安装在容易看到的地方 ，传 输 、电源模块吊挂或者采用设备支架放置 。在操作 控制系统指令下 ，按照最快≤2 s 的周期 (频率)， 对 各个地点进行巡检 ，也可设置每班 2 次 、3 次或者每 周 1 次、每旬 1 次等巡检周期指令进行巡检作业。
图 1 瓦斯巡检机器人系统结构
图 2 固定式瓦斯巡检机器人基本模块
随机移动式瓦斯巡检机器人如图 3 所示 。检测 模块采用超低功耗 、无线传输 、电池供电 ，适用于 掘进工作面 、采面工作面 、 回风隅角 、采掘设备处 等设备移动缓慢的工作场景 。检测模块固定在工作 面回风流的超前支架 (面前 5 ~ 10 m 处)、 回风隅角 支架 、设备辅助支架处 ，距离顶板 20 cm ，距帮 20 cm 的空间位置 ，让其随机 (支架) 移动 。显示 、传 输 、电源模块安装在相对固定 、安全 、易观测的地方 。在系统指令下 ，可完成最高频率≤2 s 的周期性巡检 ， 数据实时发布并传输到操作控制系统进行 处理。
遥测式瓦斯巡检机器人采用非接触检测技术， 由激光甲烷 、热成像温度 、高清视频 、激光测距等 检测模块组成 ，可以仅检测甲烷等单项指标 。适用 于人员和设备无法到达的火灾区域 、采空区 、高冒 区等 ，遥测式瓦斯巡检机器人的检测模块如图 4 所 示 。在系统指令下 ，通过平面 360°和垂直 90°旋转 定位 ，根据设置的多个检测位置进行检测 ，获得甲 烷、热成像 (温度)、 距离、视频等数据 ，并传输到 系统处理 。需要说明的是遥测检测获得的气体浓度 指标为 10-6 ，使用时需要进一步地分析。
图 3 随机移动式瓦斯巡检机器人
图 4 遥测式瓦斯巡检机器人(遥测模块)
抽出式瓦斯巡检机器人 ，具有抽气模块 (含抽 气泵 、气道等)， 可将气体抽送到检测模块进行检 测 ，用于密闭空间内检测 。便携式瓦斯巡检机器人， 检测模块为低功耗 、小型化手持式 ，适用于新增加 地点 、没有安装瓦斯巡检机器人的地点检测 ，检测 的数据通过无线传输到操作控制系统 。便携式瓦检机器人 ，采用 UWB 精准定位技术进行平面位置定位 ，空间位置定位则采用激光测距和视频定位技术。 车载式瓦斯巡检机器人 ，就是在胶轮车等车辆上， 加装 UWB 精准平面定位 、升降支架和激光测距空 间定位模块 ， 相关检测数据实时传输到操作控制 系统。
瓦斯巡检机器人控制系统的主要性能及参数
瓦斯巡检机器人控制系统是瓦斯巡检机器人的 大脑 ，具体分为矿井版和集团版 。系统开发基于国 产基础操作控制系统 、数据库 、CAD 等软件 ，采用 大数据一张图技术 ，所有操作都在一张图内完成， 系统容量 n.256。
矿井版控制系统功能
矿井版控制系统如图 5 所示 ，负责操作 、控制、 升级 、管理井下机器人各个模块的运行 ， 以及数据 存储 、分析 、报表 、报告等 。具体包括显示模块的 检测指标 、检测频率 、报警点设置 、报警 、故障诊 断 、数据存在 、运行状态等 ；显示模块的显示清晰 度 、显示内容 、显示格式 、语音播报 、报警 、无线 通信 、广播对讲等 ；传输模块的运行状态 ， 电源模 块输出电流电压 、电池电量 、充放电时间 、温度湿 度 、故障等 。可自动生成瓦斯报表 、趋势曲线 、故障报警等。
图 5 矿井版瓦斯巡检机器人控制系统
集团版控制系统功能
集团版瓦斯巡检机器人控制系统如图 6 所示， 负责集团级数据汇总分析 ，具体包括分布图、预警、 报表 、报告等 。可直接进入矿井级系统 ，对各矿、 各个机器人数据进行管理查询 (进入矿井界面)、 集 团级数据汇总分析、报告。
图 6 集团版瓦斯巡检机器人控制系统
APP 控制系统功能
APP 瓦斯巡检机器人控制系统如图 7 所示 ，根 据权限与矿井版 、集团版有类似的功能 ，例如分布 图管理 、各类数量浏览查看 、报表审批等 。还有现 场管控功能 ，例如 LED 显示格式现场设定 ，一氧化 碳、氧气标校管理 ，瓦斯数据自动推送等功能。
图 7 APP 瓦斯巡检机器人控制系统
瓦斯巡检机器人井下模块基本性能参数
检测模块基本性能参数
检测模块根据不同场景需求 ，具有多参数 、不 同周期检测 、主要参数免调校等特点 。一般地点检 测指标为甲烷 、二氧化碳 、温度 、湿度 ，特殊地点增加一氧化碳、氧气、硫化氢、粉尘、风速等参数。 遥测检测参数为甲烷 、温度 、距离 、视频 。检测模 块检测周期最快 2 s ，并可以任意设置 。具备甲烷、 二氧化碳 、温度 、湿度等主要参数免调校技术 。 甲 烷检测采用激光检测技术 ， 测量范围 ( 0 ~ 10%)， 分辨率 0.01%； ( 10% ~ 100%)， 分辨率 0. 1%； 二氧 化碳检测采用红外检测技术 ，测量范围 ( 0 ~ 5%)， 分辨率 0.01%； 一氧化碳采用固态电化学技术 ，测 量范围 ( 0 ~ 1 000 × 10-6 )， 分辨率 1 × 10-6 ；氧气采用 固态电化学技术 ， 测量范围 ( 0 ~ 30%)， 分辨率 0. 1%； 温度测量范围 (−20.0 ~ 100.0 ℃)， 分辨率 0. 1 ℃；湿度测量范围 ( 0 ~ 100%)， 分辨率 1%。
显示模块基本参数
采用真彩超低功耗本安型多媒体 LED 显示屏， 尺寸有 250 mm×500 mm 、250 mm ×750 mm 等多种 规格型号 ，可根据场景需要选择规格和显示方式， 显示方式包括表格、曲线、语音播报等 (图 8)。
图 8 现场数据显示格式
传输模块基本参数
传输模块兼容有线和无线方式 ，有线传输接口为 485 、光口 、 网口 ， 无线接口为 WiFi 、4G 、5G 等 ，方便接入矿井环网。
电源模块基本参数
输入电压 90 ~ 1 140 V ，输出 3 ~ 9 路 18 V 。输 出电压 、电池电压 、温湿度等智能监控 ，可及时发 出超限和故障报警。
瓦斯巡检机器人安装运行情况与前景展望
小保当煤矿安装运行情况
小保当二号井 ，2021 年 6 月二号煤矿安装 4 套 瓦斯巡检机器人 ，2022 追加 20 套 ，其中固定式 22 套 ，分别安装在变电所 、永久避难硐室过渡舱 、永 久避难硐室生存舱 、采区回风巷 、采煤回风巷等地点 。随机移动式 2 套安装在采煤工作面回风隅角和回风流 。系统巡检周期 2 s ，软件系统与各个硬件设 备运行稳定可靠 ， 甲烷和二氧化碳分辨率 0.01%， 一氧化碳分辨率 10-6 ，氧气分辨率 0. 1% ，温度分辨 率 0. 1° ，湿度分辨率 1.0% ， 皆满足《煤矿安全规程》 要求 。瓦斯报表格式按照煤矿要求编制 ，实现网络 签名 。在“检测、记录、上板、报表、报警、比对、 报警”等瓦斯巡检的各个环节 ， 明显优于人工作业， 杜绝了空班漏检等重大安全隐患 ，在安装区域替代 了人工检查工作 。部分安装场景如图 9 所示。
图 9 瓦斯巡检机器人部分现场安装场景
另有 1 套遥测式瓦斯巡检机器人在井下进行了 测试 ，测试的甲烷传感器有效遥测距离 150m 以上， 采用标准气样测试 (本矿甲烷浓度太低 ， 不便测 试)， 分辨率 1 ppm.m；热成像检测温度 ，遥测距离 200 m 以上 ，分辨率 0. 1° ，与水银温度计比对误差小 于 0.5° 。通过激光测距 ，距离 200 m ，误差 1 mm， 视频分辨率高 ， 图像清晰。
与其他瓦斯巡检机器人对比
通过实践应用 ，笔者论述的瓦斯巡检机器人系 统与其他原有 5 种瓦斯巡检机器人相比 ，从功能上 来讲 ，能够完全替代瓦检员的全流程工作 ，形成了 替代人工检查的技术支撑 。避免出现撞坏设备等带 来新的安全隐患 ；能够实现连续运行 ，攻克了动力 等重大技术难题 ，具有应用价值和推广价值 ，两者功能对比见表 1。
表 1 与其他瓦斯巡检机器人对比
前景展望
瓦斯巡检机器人系统除了小保当煤矿应用以外， 另外还有 30 多个煤矿正在试验和使用 。2022 年 9 月 25 日 ， 中国煤炭工业协会组织了对“煤矿瓦斯巡检 机器人系统”科研项目的专家鉴定 ，表示其达到了 “整体国内领先水平”。《瓦斯巡检机器人系统通用技 术条件》 中国煤炭工业协会 TB 标准也于 2022 年 11 月通过了公开征求意见和会议征求意见 ，等待专家 审查后发布 。瓦斯巡检机器人系统 ，在技术层面上， 能够适用于 90% 以上的瓦斯检查场景 ，替代 90% 以 上瓦检员 ，系统运行稳定可靠 ，具备了机器人取代 人工巡检的条件 ；在政策和法律层面上 ，完全符合 原国家煤矿安全监察局《煤矿机器人重点研发目录》 第二十九条可以“替代人工巡检”的规定 ；完全符合 《煤矿安全规程》 2022 版第十条“积极推广自动 化 、智能化开采 ，减少井下作业人数”的规定 ；完 全符合八部委关于加快煤矿智能化建设的相关规定。 瓦斯巡检机器人系统可全国推广 ，能够替代 10 多万 瓦检员 ，投入仅需要 100 多亿元 ，实现 5 年节省人工 费 1 000 多亿元 ，经济效益和社会效益提升显著。
