“煤炭绿色开采的新路径是机器人化。”前不久，在中国工程院与神华集团联合举办的2017年国际工程科技发展战略高端论坛上，中国矿业大学校长葛世荣介绍了煤矿机器人化开采关键技术研发情况。
据葛世荣介绍，我国煤矿平均井深超过500米，而澳大利亚煤矿平均井深只有250米，美国煤矿平均井深只有150米。我国煤炭绿色开采的最大难题是“三高”，即高伤亡、高损害、高排放。
“煤炭绿色开采广义的‘三零’内涵是零伤亡、零损害、零排放。”葛世荣说，“我们需要机器人化，光靠一般的机械化开采很难实现‘三零’。”
源自仿生走向拟人
从煤炭开采的历史看，最早是人工开采，后来是机械化开采、自动化开采，机械化开采部分替代了人的劳动，自动化开采减少了人的劳动。如今的机器人化开采的最终目标是实现无人化开采。
葛世荣介绍，机器人化开采源自仿生，要走向拟人。掘进机仿了穿山甲的功能，采煤机仿了地鼠的挖掘功能，而带式输送机仿了蚁群搬家的功能，每个托辊相当于一只蚂蚁，现在要通过人工智能的嵌入或嫁接来实现煤矿机器人化开采。
“从动物开始，经过发展再回归到高级动物的采矿机器人，这是我们要研发的。”葛世荣说，现在，我国提倡智能矿山建设，而机器人化开采是智能矿山的核心架构。
葛世荣介绍，机器人化开采是机器拟人化生产，多机器人协同作业。这个时候它要具有自主定位、自动感知、自适运行的功能，要实现整个采矿过程的数字化和物联化，以及运行的透视化和可视化。机器人化开采技术体系包括采煤作业的机器人、无人操作的刮板输送机、无人值守的提升机以及无人驾驶的车辆等。机器人化开采关键技术系统包括可视化与建模系统、智能感知与大数据系统、井下定位导航技术、虚拟采矿与仿真控制技术、生产工况动态监控技术、机器人化采矿设备、地面监控中心和矿井物联网。
煤要自动采出来
采煤机是把煤炭从地下挖出来的最前端、最核心的机器。葛世荣认为，采煤机要实现机器人化，“五调控”是核心。一是调控截割速度，二是调控截割高度，三是调控截割轨迹，四是刮板输送机调直，五是液压支架调直。
“‘五调控’缺一不可，只要一个步骤不能实现智能或者机器人化开采，整个采煤工作面的机器人化就无从谈起。”葛世荣说。
为此，葛世荣团队研发了井下精准定位导航技术。试验表明，采煤机通过惯性导航的方式实现了定位和定向，采煤轨迹误差小于10厘米。现在，他们仍在进一步提高定位精度，减小误差，争取在5厘米以内，甚至更小。
“煤层并不是一马平川的，而是起伏变化的，煤岩界面的机器识别至关重要。”葛世荣说，“我们研发了煤岩界面自动识别截割技术，即采用将电流与震动等多参数融合的方式使误差控制在1厘米左右。”
在井下采煤，除了自动识别煤岩界面，还得让采煤机知道在什么地方拐弯，在什么地方直行。“我们将导航的信息嵌入地理信息系统，这就相当于给了采煤机地理导航图。有了类似GPS的导航图，采煤机就会像汽车一样，知道在哪个地方拐弯，到哪个地方直行了。”葛世荣说。
机器人化开采是多机器人协同，如何实现协同？对此，葛世荣表示，首先是联动控制，其次是机群的协同，再其次是远程感知。所以，要构建一个物联网系统，来实现无人操作和机器人化群组之间的自动化运行。
“有了物联网，我们就可以在距离采煤工作面500米左右的地下手持遥控，在采煤工作面1公里范围内的顺槽内实现远程监控，甚至可以到距离采煤工作面10公里以上的地面监控中心进行远程监控。这三方面如果都能实现远程监控的话，那我们就可以实现煤矿机器人化开采的无人值守、远程操控。”葛世荣说。
葛世荣团队在山西一煤矿进行了机器人化开采试验。这个矿年产量1000万吨，采煤工作面只需6人远程监控和巡检，初步实现了机器人化开采。
还要把煤自动运出去
从煤采出来运输到地面要经过两个环节，一是刮板输送机转载，二是斜井皮带提升或竖井钢丝绳提升。这两个环节是地下煤炭运输到地面的咽喉要道，缺一不可。葛世荣说，这就需要无人操作运行、自动适应负载和智能安全保护。
“蜘蛛吊在树上的时候，非常容易就使自己提上去，因为它是个弹性自适应系统。”葛世荣说。根据这个原理，葛世荣团队研制出了不确定摩擦约束的超长钢丝绳提升稳控技术系统，解决了竖井提升机器人化的问题。
井下带式输送机运距很长，最长可达五六千米。“这么长距离的输送，粘弹性输送带的自适应驱动非常难。机头犹如企鹅行走一样，任何时候都不能打滑；机尾犹如两人拉紧橡皮筋拔河，大变形松弛的时候，要能够自适应拉紧，一旦负荷变化就立即响应调控张力，实现智能牵引。这套机械系统看似简单，实际上需要从粘弹性力学、摩擦学、控制理论等方面系统研究，获得技术支撑。”葛世荣说。
经过努力，葛世荣团队研发了超长运距智能驱动及张紧系统。目前，驱动功率可达1000千瓦，运输能力可达1500万吨／年，一条皮带的连续运距可达6000米，建立了井下长运距、大运量、无人值守的煤炭连续运输体系。
在井下，刮板输送机既是采煤机的导轨又是转运煤炭的设备，同时也是液压支架的移步支点。在这种情况下，一旦刮板输送机出故障趴窝，采煤工作面所有工作都得停止。
“问题在哪？因为刮板输送机的使用寿命短，影响产量；故障多，影响采煤机和液压支架开机率；轨迹歪，导致采煤机截割偏离煤层走向。”葛世荣说。
对此，葛世荣团队与企业协同创新，研发了直联永磁电动机驱动的刮板输送机。它可以柔性启停，大大降低了刮板输送机的负载；可以重载牵引，动载平衡，多点驱动；节能效率要比传统的刮板输送机高30％以上。
刮板输送机的磨损非常大，这是影响采煤效率的关键难题。“为了保证使用寿命，过去只能进口国外的耐磨材料。经过努力，我们研制出一种自增强耐磨金属材料。这种材料在与煤摩擦过程中，越摩擦，表层越硬，磨得次数越多硬度增加值越高。这是我们的意外发现。”葛世荣说，“利用这项技术，我们轧制出一种越磨越硬的钢板，用这种钢板制作刮板输送机溜槽，其寿命超过了国外产品，无维修运煤量可达1500万吨，创国内外最高水平。”
未来五大攻关方向
葛世荣表示，未来，机器人化开采有五大攻关方向。
一是研制高压水射流辅助采煤机器人。现在的采煤机类似于流程式作业机器人，一旦某个部件坏了，整个系统就停机了，所以要研制并行式独立采煤机器人，即一种短壁开采的高压水流切割支护转运一体化机器人。
二是井下采选充一体化机器人。采完煤以后要就地分选矸石，然后把矸石运回采空区充填。这样的话，减排问题在井下就能解决。
三是井下精煤管道提升技术。要实现精采精运。精采就是选择性开采煤炭，精运就是通过管道把精煤提升到地面，设备、人员采用管道、轨道运输。如果目标实现了，将大大优化传统的煤矿运输工艺，形成一套直达高效的井下物流系统。
四是地下无人驾驶运输车技术。通过几年的努力，井下运输和电机车运输可以实现无人驾驶，跟地面的特斯拉无人驾驶汽车一样，自动导航。
五是煤矿地下气化机器人。葛世荣表示，煤炭地下气化是煤炭生产的革命性变化，使采煤变成采气，不再是烧煤发电，而是烧气发电。
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