煤炭占我国一次能源消费比例55%左右，在今后一定时间内仍是我国主要能源。随着《2030 年前碳达峰行动方案》的实施，能源结构调整步伐加快，煤炭消费总量、强度双控政策措施日趋严格。为保障国家能源安全，提高战略性矿产资源安全供应能力，实现碳达峰碳中和战略目标，矿山安全高质量发展将面临巨大挑战。根据调研数据显示，我国每天约有200 多万煤矿工人在高温、高湿、高粉尘的井下环境中进行高强度作业，存在人工作业强度大、风险高、作业效率低等问题，亟需采用智能化技术手段解决企业生产难题。以煤矿机器人为代表的特种行业机器人研发和应用则是提升煤炭行业从业人员安全，实现能源供给稳定性的重要技术创新。研究应用煤矿机器人，推进井下各岗位的机器人替代人工，研发智能化关键技术与成套装备和高危岗位、事故救援、井下抢险作业机器人，推动建设一批无人少人智能化示范矿山、智能化采掘工作面，把矿工从恶劣危险的环境中解放出来，是践行“无人则安”的安全生产新理念，实现煤矿无人化开采的关键。
煤矿机器人分类
根据煤矿作业区域、作业内容将煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控及救援5 大类，每大类可细分为各种具体功能、应用场所的机器人，根据目前煤矿井下的工艺和岗位共分为38 种煤矿机器人，如图1 所示。根据国家矿山安全监察局发布的相关报告，已有31 种煤矿机器人在我国煤矿井下投入使用，占据5 大类38 种的81.58%，处于研发阶段的有5 种，处于空白阶段的有2 种。有一半以上的煤矿机器人厂家从事巡检类机器人研发，其他类机器人产品开发涉足较少。
煤矿机器人关键技术
煤矿井下环境复杂、系统多、范围广、危险有害因素较多，煤矿机器人需要整合模式识别、无线信号传输、智能控制、机电控制等多种高新技术手段，集机械、电子、控制、传感、材料等多学科于一体，采集环境或设备的图像、声音、温度等信息，对设备运行状态、仪表数据、现场环境等进行巡检，或根据预先设定的程序和现场状态，按照指定的工艺完成工作。
（1） 适应井下的自主导航技术
机器人导航系统主要是解决定位、建图、路径规划和运动控制4 个方面的问题，井下环境对导航的要求与井上场景不同，相应的导航策略和控制也不同，所以需要在雷达选型和导航算法上增加更多井下巷道考虑因素，增加机器人在井下环境的适应性与定位的准确性。并且需要安装防碰撞接触装置，防止与障碍物的激烈碰撞，进行系统安全报警。机器人获取相对于井下环境的全局坐标位置和姿态对进行精确导航有至关重要的作用，目前主要应用相对定位、绝对定位、组合定位等方法，但由于井下无法应用GPS、北斗等导航定位系统，无法获得最佳的定位效果。在建图阶段，局部地图构建避障与环境交互性较好，但是准确性较差，全局地图适用全局路径规划，但是计算量大，可维护性差。
（2） 机器人动力系统
考虑到井下防爆要求，目前煤矿机器人的供电方式主要包括：①固定行走轨迹的机器人采用拖缆供电；②采用电池供电，更换电池的方式；③离井口较近的场景机器人自主行驶至井上安全场所进行无线充电；④使用带有煤安许可的发电机的机器人按特定设计进行自发电充电。采用电池供电的机器人需根据行走距离及工作要求选定合适容量的电池，并且需考虑井下低温、潮湿等特殊环境对电池的影响，在井下环境中，钛酸铁锂电池的续航能力略低于磷酸铁锂电池。
（3）“矿鸿”操作系统
“矿鸿”操作系统是基于OpenHarmony 打造的新一代面向矿山行业终端的工业物联网操作系统，为不同设备的智能化、互联与协同提供了统一语言，具备一套系统覆盖大大小小的煤矿设备，该系统具备万物互联的特性，能够改变井下机器人的通讯连接方式。例如：神东煤炭集团目前在用的10 类40 余台/套机器人完成了与“矿鸿”操作系统的适配应用，井下设备的连接方式由传统的树状结构变为网状结构（图2）。设备入网后可以相互识别，自动选择最优连接方式并建立连接，实现智能组网、自动配网。设备通过多通道多连接方式来保障业务不中断。采煤机通过使用“矿鸿”操作系统工控屏以后，能够通过通信互联感知到液压支架的位置和姿态，及时调整采煤机自身的动作，防止出现漏架或液压支架姿态不正确而导致的生产中止情况，提高了生产稳定性。掘锚机、梭车通过高速以太网将各设备数据传输至集控中心，实现井下设备的远程集控与视频监测，并通过手机APP能够在手机端查看和启停设备，同时具备运行过程自动监测、数据上传、故障报警功能。通过“矿鸿”四轮巡检机器人，即使在网络中断异常的情况下，也能借助“矿鸿”近场通信能力实时监测现场各类设备的运行状态和传感器数据。此外，通过“矿鸿”的分布式数据存储，可以支持电气类小设备主动调用巡检机器人的硬件存储空间，将大量的历史运行数据存放在机器人上，支持手机随时调用和查看。
煤矿机器人应用分析
掘进类机器人应用情况
以神东煤炭集团为例，2018 年之前，机械化进口掘进设备及其配套装备选型占比88%，智能化水平相对较低；2018 年之后，开始逐渐应用智能综掘机、薄煤层智能掘锚机、梭车，智能转载机器人，2020 年开始，应用智能锚钻机组、两臂四臂六臂锚杆机、锚运破及大跨距桥式转载机；2021 年开始应用智能国产掘锚一体机、智能国产连续采煤机；2022 年引进应用了智能快速掘进成套装备，打造“掘锚一体机+锚运破一体机+大跨距桥式转载机+两臂锚杆钻机”机器人群协同作业的快速掘进新模式（图3），锚运破一体机、大跨距桥式转载机、带式输送机一键启停及协同联动作业，掘进进尺由每月650 m提升至1 000 m。
研发应用了集成破碎、转载、锚钻功能的锚运破一体机，钻臂数量增加1 倍，可进行全断面一次性支护。在机身安装倾角、行程、温振等多种传感器，使设备具备自感知功能；采用激光标靶自动跟踪、惯性导航自动定位、智能变频负压除尘等技术，使设备具备远程控制、自动记忆截割功能；将机身自带的7 个锚杆（索） 钻臂与掘锚机的6 个钻臂进行合理分工，作业效率由原来的2 人每班30 套提高至现在的1 人每班80 套，支护效率是原来的5.3 倍。实现了掘进工作面掘、支、破、运协同作业和支护钻进的智能控制。
掘进类辅助作业机器人已开展了部分产品的研发及井下应用，如巷道喷浆机器人采用全方位巷道扫描系统激光雷达对预喷浆区域进行全方位扫描，可完成巷道的三维模型建立；采用履带式底盘，由液压驱动，适应在不平坦的路面行走；通过多套超声波测距传感器对周边环境进行探测，机器人可感知当前在巷道中的位置；在自主移动过程中，通过倾角传感器、超声测距传感器时刻调节自身移动距离和角度，保持在巷道中央行进，并实现避障，确保到达下个喷涂作业点的最优位置；多自由度防爆机械，通过喷嘴摇摆机构，可保证物料呈扇面均匀喷出，增加物料附着力，减少回弹生产；小臂伸缩、摆动、旋转机构可以调整喷嘴距巷道壁距离，在喷浆过程中纠正喷嘴位置，调整喷嘴与巷壁切面的角度。喷浆机器人如图4所示。
采煤类机器人应用情况
《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》中指出智能采煤系统需根据煤层赋存条件、工作面设计参数、产能指标等要求，建设不同模式的智能化采煤工作面，其中条件适宜的薄及中厚煤层实现智能化少人开采。如神东煤炭集团推广应用的采煤机自适应截割、液压支架自适应支护、智能放顶煤、刮板输送机智能运输、智能供液、综采设备机器人群智能协同控制的智能化开采模式，通过接近、倾角、采高、摆角等多种传感器实现对液压支架姿态、采煤机姿态、工作面起伏等工况的感知；在工作面通过视频全覆盖，实现对关键设备区域的定点监测、采煤机跟随、远程干预自动推送；并依据采煤工艺、设备负载、匹配关系协同控制采煤机、液压支架、带式输送机，实现智能化运行为主、人工干预为辅的智能化开采模式。国能神东煤炭乌兰木伦煤矿22201 综采工作面现已实现生产班常态化无人生产（图5），突破351 m工作面单班生产13 刀，效率首次超过人工割煤效率。
采煤设备群机器人化在应用过程中仍存在一些不足：①受到煤层变化，如遇构造、顶底板破碎等情况，液压支架传感器的精度不足、需要超前拉架等情况时，自动化程序还不足以适应，液压支架的人工干预率偏高；②国产设备的稳定性有待提升，在薄煤层工作面采煤机受割煤时震动影响较大，容易飘刀，采煤机采高传感器、位置传感器、倾角传感器等稳定性和可靠性差，导致采煤机机器人记忆割煤时的人工干预率较高；③采煤机电缆拖缆机器人运行时，受电缆槽浮煤和矸石的影响，易卡阻和跳槽。
运输类机器人应用情况
在应用运输类机器人方面，国能神东煤炭洗选中心应用的选矸机器人集成矸石识别、定位、拣选爪姿态、力量控制等功能，其环境相对固定，作业方式类型简单，应用的X射线识别和视频识别技术相对成熟，智能选矸机器人的应用（图6） 不仅让拣矸工从脏乱枯燥的工作中解放出来，还增加了经济效益，拣矸准确率目前达到95%以上。
国能神东煤炭锦界煤矿应用的水仓清理机器人可以一键控制进行智能化作业（图7），在清仓作业过程中，通过把煤泥和水的混合物吸入管道输送到配套的多功能压滤机里，再通过多功能压滤机进行水煤分离，将压制的煤饼通过压滤机的传送带经上煤点输送到主带式输送机上，最终运送到煤仓，现场只需3 人相互配合进行遥控作业，清仓机器人即可完成，一个水仓的清仓作业只需要7 天即可完成，较以往人工机械作业节约了7 天时间，经过统计，按照该矿现有三盘区水仓计算，每次清理水仓能够节约人工114 人次、台班车辆113 辆次、黄土500 m3，同时能够通过多功能压滤机水煤分离系统分离出来的可以再回收利用的煤炭近350 t。三盘区水仓共计2 个，按每年每个水仓清仓3 次计算，三盘区水仓清仓共计节省成本约420万元，预计能够回收煤炭资源2 100 t。
在井下无人驾驶运输车方面，国能神东煤炭上湾煤矿应用5G+UWB+无人驾驶技术（图8），高可靠、大带宽、广接入和低时延性能的5G通信系统为无人驾驶提供了高质量的网络基础，基于5G网络与UWB精确定位全覆盖，在车辆上安装激光雷达、超声波雷达、AI 摄像头，实现了车辆的轨迹规划及自主避障，突破了无人驾驶车辆在井下精确导航定位、井下复杂环境感知、井下远程监控和应急接管、井下车路协同等关键技术瓶颈。但车辆人工智能程序还需进一步优化，目前车速控制在15 km/h 以内，车辆偶尔制动还不够平稳。
安控类机器人应用情况
目前，安控类机器人大体上已经能够满足常规应用场景需求，神东煤炭集团已应用的综采工作面巡检机器人通过搭载红外及可见光双视云台摄像仪、拾音器、气体检测仪等装备，可以代替人的眼耳口鼻自动识别工作面设备发热、异响、气体浓度等问题，且可搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置实现对工作面直线度水平度检测、工作面精确定位、工作面点云模型建立等功能。生产过程中工作面巡检机器人存在被煤块碰砸的危险，则需在设计过程中保证其强度及系统的稳定性。固定场所的巡检类机器人应用已实现井下固定场所无人值守+机器人巡检的工作目标，如带式输送机巡检机器人（图9）、变电所水泵房巡检机器人。但在应用中仍存在一些问题，由于井下环境恶劣，巷道存在湿度大、淋水等问题，长年累月对带式输送机行走轨道会造成腐蚀与破坏，而轨道的安装任务量又较大，故轨道材料的选型尤其重要，合适的选型可减少后期维护工作量。
救援类机器人应用情况
救援类机器人的研发进展相对缓慢，投入应用较少，主要由于特殊环境下的机器人感知、探测、作业等关键技术未取得较大突破。目前，神东煤炭集团应用的救援机器人运用仿生学原理和多传感器技术，携带各种气体传感器、温湿度传感器、风速传感器及摄像头、拾音头等声像装备，对井下灾害区域进行有毒有害物质的快速检测、环境侦查，将采集的灾害区域各类数据实时回传，当井下可能存在有毒有害气体、冒顶片帮等情况时，作为救援人员的“排头兵”，辅助救援人员井下应急救援。救援机器人如图10所示。
煤矿机器人应用存在的问题
煤矿机器人作为机器人和煤炭行业交叉的新兴学科，总结其产品状态，仍存在以下问题。
（1） 辅助作业类机器人亟需研发，经统计，井下“采、掘、机、运、通”等系统存在的重体力劳动作业场景有90 多种，总结归纳为设备材料搬运类、吊装类、电缆铺设回收类、巷道补强支护类、通风设施施工类、巷道维护类6 大类，亟需针对性地进行研发，目前在材料搬运、电缆回收、巷道补强、巷道维护等方面攻克了近10 种辅助作业机器人技术，仍有80 余种亟待研发攻关。前期研发应用的作业类机器人对现场的适用性较差，需持续迭代几代后才能趋于成熟。
（2） 机器人群智能化程度偏低，煤矿机器人个体的智能化水平参差不齐，尤其是作业类机器人的自主感知、自主判断、自主决策能力较差，巡检类机器人AI 算法缺少学习素材，缺乏系统性的迭代升级和自主学习，且机器人群体协作能力不强，人机交互感差。
（3） 矿井防爆要求给煤矿机器人的研发带来了巨大挑战，防爆设计使机器人整体质量和尺寸大幅增大，影响其运动、负载、续航等能力，因而为煤矿设计轻量化、低功耗、高机动性、长续航的机器人是亟待解决的关键难题。矿用机器人搭载的各类传感器精度及其对环境的适应性较差，井下阴暗、粉尘、煤泥、潮湿的环境对机器人AI 智能算法要求较高，目前自主学习能力及算法迭代速度均不理想。另外，矿用机器人供电安全问题凸显，拖缆式供电大幅度限制了有效作业区域，大容量电池的井下有线、无线充电及安全监控均遇到技术瓶颈，井下无线通信的有效传输距离有限且无线信号繁杂，对于机器人需具备的自组网能力、断网续传能力、自主导航能力和抗干扰能力提出了更高的要求。
（4） 5 大类38 种煤矿机器人无法覆盖全部应用场景，因为同一场景在不同煤矿的环境特征工况差别较大，目前应用的机器人并不能够覆盖单一场景下的所有煤矿，且存在系列化不足、实用化程度不高的问题。正在研发的机器人暴露出多项共性技术难以攻克、应用工艺尚未自主化等问题，从而导致研发进展缓慢。
总 结
（1） 由于各煤矿井下环境不一、空间受限、应用需求多种多样，目前研发应用的辅助作业类机器人在不同矿井应用需单独根据实际工况条件设计制造，研发周期较长，适应作业场景的能力较差，未来需要研发适应性、越障碍能力、涉水能力、续航能力更强，结构稳定免维护，功能多样化的机器人，以满足煤矿生产的特殊需求。
（2） 强化机器人群体意识，打破原有相互独立的场景，系统性思考机器人群的智能化建设，使之相互感知、数据交互、协同作业。要做到机器人从逻辑控制到智能控制的转变，通过人工智能技术使机器人从人的操作经验和决策模型体系中进行大量的学习与训练，获得在多样化应用中进行自主决策的能力。
（3） 由于各煤矿地质条件、开采作业的差异、机器人研发技术不一等问题，导致各煤矿企业在机器人研发方面存在重复投入的现象，应进一步整合优势资源，打破原有的使用单位与生产单位甲乙双方的地位限制，建立新型合作模式，优势互补，共同研发并迭代煤矿机器人。
责任编辑： 李金松
