"煤炭綠色開采的新路徑是機器人化。"前不久,在中國工程院與神華集團聯(lián)合舉辦的2017年國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略高端論壇上,中國礦業(yè)大學校長葛世榮介紹了煤礦機器人化開采關鍵技術(shù)研發(fā)情況。

據(jù)葛世榮介紹,我國煤礦平均井深超過500米,而澳大利亞煤礦平均井深只有250米,美國煤礦平均井深只有150米。我國煤炭綠色開采的最大難題是"三高",即高傷亡、高損害、高排放。
"煤炭綠色開采廣義的'三零'內(nèi)涵是零傷亡、零損害、零排放。"葛世榮說,"我們需要機器人化,光靠一般的機械化開采很難實現(xiàn)'三零'。"
源自仿生走向擬人
從煤炭開采的歷史看,最早是人工開采,后來是機械化開采、自動化開采,機械化開采部分替代了人的勞動,自動化開采減少了人的勞動。如今的機器人化開采的最終目標是實現(xiàn)無人化開采。
葛世榮介紹,機器人化開采源自仿生,要走向擬人。掘進機仿了穿山甲的功能,采煤機仿了地鼠的挖掘功能,而帶式輸送機仿了蟻群搬家的功能,每個托輥相當于一只螞蟻,現(xiàn)在要通過人工智能的嵌入或嫁接來實現(xiàn)煤礦機器人化開采。
"從動物開始,經(jīng)過發(fā)展再回歸到高級動物的采礦機器人,這是我們要研發(fā)的。"葛世榮說,現(xiàn)在,我國提倡智能礦山建設,而機器人化開采是智能礦山的核心架構(gòu)。
葛世榮介紹,機器人化開采是機器擬人化生產(chǎn),多機器人協(xié)同作業(yè)。這個時候它要具有自主定位、自動感知、自適運行的功能,要實現(xiàn)整個采礦過程的數(shù)字化和物聯(lián)化,以及運行的透視化和可視化。機器人化開采技術(shù)體系包括采煤作業(yè)的機器人、無人操作的刮板輸送機、無人值守的提升機以及無人駕駛的車輛等。機器人化開采關鍵技術(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)、井下定位導航技術(shù)、虛擬采礦與仿真控制技術(shù)、生產(chǎn)工況動態(tài)監(jiān)控技術(shù)、機器人化采礦設備、地面監(jiān)控中心和礦井物聯(lián)網(wǎng)。
煤要自動采出來

采煤機是把煤炭從地下挖出來的最前端、最核心的機器。葛世榮認為,采煤機要實現(xiàn)機器人化,"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,四是刮板輸送機調(diào)直,五是液壓支架調(diào)直。
"'五調(diào)控'缺一不可,只要一個步驟不能實現(xiàn)智能或者機器人化開采,整個采煤工作面的機器人化就無從談起。"葛世榮說。
為此,葛世榮團隊研發(fā)了井下精準定位導航技術(shù)。試驗表明,采煤機通過慣性導航的方式實現(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一步提高定位精度,減小誤差,爭取在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,煤巖界面的機器識別至關重要。"葛世榮說,"我們研發(fā)了煤巖界面自動識別截割技術(shù),即采用將電流與震動等多參數(shù)融合的方式使誤差控制在1厘米左右。"
在井下采煤,除了自動識別煤巖界面,還得讓采煤機知道在什么地方拐彎,在什么地方直行。"我們將導航的信息嵌入地理信息系統(tǒng),這就相當于給了采煤機地理導航圖。有了類似GPS的導航圖,采煤機就會像汽車一樣,知道在哪個地方拐彎,到哪個地方直行了。"葛世榮說。
機器人化開采是多機器人協(xié)同,如何實現(xiàn)協(xié)同?對此,葛世榮表示,首先是聯(lián)動控制,其次是機群的協(xié)同,再其次是遠程感知。所以,要構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),來實現(xiàn)無人操作和機器人化群組之間的自動化運行。
"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)實現(xiàn)遠程監(jiān)控,甚至可以到距離采煤工作面10公里以上的地面監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控。這三方面如果都能實現(xiàn)遠程監(jiān)控的話,那我們就可以實現(xiàn)煤礦機器人化開采的無人值守、遠程操控。"葛世榮說。
葛世榮團隊在山西一煤礦進行了機器人化開采試驗。這個礦年產(chǎn)量1000萬噸,采煤工作面只需6人遠程監(jiān)控和巡檢,初步實現(xiàn)了機器人化開采。
還要把煤自動運出去
從煤采出來運輸?shù)降孛嬉?jīng)過兩個環(huán)節(jié),一是刮板輸送機轉(zhuǎn)載,二是斜井皮帶提升或豎井鋼絲繩提升。這兩個環(huán)節(jié)是地下煤炭運輸?shù)降孛娴难屎硪溃币徊豢?。葛世榮說,這就需要無人操作運行、自動適應負載和智能安全保護。
"蜘蛛吊在樹上的時候,非常容易就使自己提上去,因為它是個彈性自適應系統(tǒng)。"葛世榮說。根據(jù)這個原理,葛世榮團隊研制出了不確定摩擦約束的超長鋼絲繩提升穩(wěn)控技術(shù)系統(tǒng),解決了豎井提升機器人化的問題。
井下帶式輸送機運距很長,最長可達五六千米。"這么長距離的輸送,粘彈性輸送帶的自適應驅(qū)動非常難。機頭猶如企鵝行走一樣,任何時候都不能打滑;機尾猶如兩人拉緊橡皮筋拔河,大變形松弛的時候,要能夠自適應拉緊,一旦負荷變化就立即響應調(diào)控張力,實現(xiàn)智能牽引。這套機械系統(tǒng)看似簡單,實際上需要從粘彈性力學、摩擦學、控制理論等方面系統(tǒng)研究,獲得技術(shù)支撐。"葛世榮說。
經(jīng)過努力,葛世榮團隊研發(fā)了超長運距智能驅(qū)動及張緊系統(tǒng)。目前,驅(qū)動功率可達1000千瓦,運輸能力可達1500萬噸/年,一條皮帶的連續(xù)運距可達6000米,建立了井下長運距、大運量、無人值守的煤炭連續(xù)運輸體系。
在井下,刮板輸送機既是采煤機的導軌又是轉(zhuǎn)運煤炭的設備,同時也是液壓支架的移步支點。在這種情況下,一旦刮板輸送機出故障趴窩,采煤工作面所有工作都得停止。
"問題在哪?因為刮板輸送機的使用壽命短,影響產(chǎn)量;故障多,影響采煤機和液壓支架開機率;軌跡歪,導致采煤機截割偏離煤層走向。"葛世榮說。
對此,葛世榮團隊與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新,研發(fā)了直聯(lián)永磁電動機驅(qū)動的刮板輸送機。它可以柔性啟停,大大降低了刮板輸送機的負載;可以重載牽引,動載平衡,多點驅(qū)動;節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機高30%以上。
刮板輸送機的磨損非常大,這是影響采煤效率的關鍵難題。"為了保證使用壽命,過去只能進口國外的耐磨材料。經(jīng)過努力,我們研制出一種自增強耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中,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,"利用這項技術(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溜槽,其壽命超過了國外產(chǎn)品,無維修運煤量可達1500萬噸,創(chuàng)國內(nèi)外最高水平。"
未來五大攻關方向
葛世榮表示,未來,機器人化開采有五大攻關方向。
一是研制高壓水射流輔助采煤機器人。現(xiàn)在的采煤機類似于流程式作業(yè)機器人,一旦某個部件壞了,整個系統(tǒng)就停機了,所以要研制并行式獨立采煤機器人,即一種短壁開采的高壓水流切割支護轉(zhuǎn)運一體化機器人。
二是井下采選充一體化機器人。采完煤以后要就地分選矸石,然后把矸石運回采空區(qū)充填。這樣的話,減排問題在井下就能解決。
三是井下精煤管道提升技術(shù)。要實現(xiàn)精采精運。精采就是選擇性開采煤炭,精運就是通過管道把精煤提升到地面,設備、人員采用管道、軌道運輸。如果目標實現(xiàn)了,將大大優(yōu)化傳統(tǒng)的煤礦運輸工藝,形成一套直達高效的井下物流系統(tǒng)。
四是地下無人駕駛運輸車技術(shù)。通過幾年的努力,井下運輸和電機車運輸可以實現(xiàn)無人駕駛,跟地面的特斯拉無人駕駛汽車一樣,自動導航。
五是煤礦地下氣化機器人。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。