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MSTA｜葛世荣：无人化采矿不再遥远
煤炭生产消费技术可以认为包括四个方面：一是变有人开采为无人开采；二是变物理开采为化学开采；三是变运输煤炭为输送电力；四是变化石能源高碳排放为近零排放，甚至是零排放，减轻化石能源对环境造成的污染压力。
煤炭生产消费技术可以认为包括四个方面：一是变有人开采为无人开采；二是变物理开采为化学开采；三是变运输煤炭为输送电力；四是变化石能源高碳排放为近零排放，甚至是零排放，减轻化石能源对环境造成的污染压力。
01 距离煤矿智能化开采还有10年
时代的发展，社会的进步，让人们有理由相信，未来机器人化煤炭开采将应运而生，采煤机、运输机、液压支架等采矿装备都具有智能性甚至是智慧的机器人，煤炭开采进入智能开采的新时代。
从原始的人力开采到机器人开采，尽管还是人，但“人”已经不是原来生物体的人了，而是机器与智能化的融合体。机器人化开采源自仿生，未来要走向拟人。掘进机模仿了穿山甲的功能，采煤机模仿了地鼠挖掘的功能，而带式输送机模仿了蚁群搬家的功能，每个托辊相当于一只蚂蚁。要通过人工智能的嵌入或嫁接来实现煤矿机器人化开采。
从原始的人力开采到机器人开采，尽管还是人，但“人”已经不是原来生物体的人了，而是机器与智能化的融合体。机器人化开采源自仿生，未来要走向拟人。掘进机模仿了穿山甲的功能，采煤机模仿了地鼠挖掘的功能，而带式输送机模仿了蚁群搬家的功能，每个托辊相当于一只蚂蚁。要通过人工智能的嵌入或嫁接来实现煤矿机器人化开采。
从体力化到动力化采煤，人类用了约1000年时间；从动力化到机械化，用了约50年时间；从机械化到自动化，用了约25年时间。照此预测，人类距离智能化开采的时间还有10年左右。我们完全有理由相信，在现有技术的基础上，凭着人类的勤劳智慧，我们很有可能实现这个目标，至少是在部分矿井上进行应用。实现这个宏伟目标，关键是靠人才、靠知识和靠创新研发。
02 迈进无人化采矿新时代是大势所趋
我国煤矿平均井深超过700米，而澳大利亚、美国煤矿平均井深350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。实现零伤亡、零损害、零排放的煤炭绿色开采目标，仅靠一般的机械化开采很难实现，必须从机器人化找出路。
机器人化开采是机器拟人化生产，由多机器人协同作业，具有自主定位、自动感知、自适运行的功能，实现整个采矿过程的数字化和物联化，装备运行的无人化和可视化。机器人化开采技术体系，包括了采煤作业机器人、无人操作刮板输送机、无人值守提升机以及无人驾驶车辆等。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。
这是一个必须抓住的历史机遇，机器人化采矿已经引起广泛关注，受到了格外重视。中国制造2025明确指出，要在一些生产关键工序实现智能化，关键岗位由机器人替代，生产过程实现智能控制，在重点领域建设智能工厂。具体到煤矿开采，就是要在关键工序上实现智能化，关键的岗位要由机器人替代人，开采过程实现智能控制，把重点矿山建设成智能煤矿。在不久的将来，智能工业机器人等被 大规模应用到煤矿开采之中，实现生产设备的网络化、开采现场的无人化，等等。
机器人化开采是机器拟人化生产，由多机器人协同作业，具有自主定位、自动感知、自适运行的功能，实现整个采矿过程的数字化和物联化，装备运行的无人化和可视化。机器人化开采技术体系，包括了采煤作业机器人、无人操作刮板输送机、无人值守提升机以及无人驾驶车辆等。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。
这是一个必须抓住的历史机遇，机器人化采矿已经引起广泛关注，受到了格外重视。中国制造2025明确指出，要在一些生产关键工序实现智能化，关键岗位由机器人替代，生产过程实现智能控制，在重点领域建设智能工厂。具体到煤矿开采，就是要在关键工序上实现智能化，关键的岗位要由机器人替代人，开采过程实现智能控制，把重点矿山建设成智能煤矿。在不久的将来，智能工业机器人等被 大规模应用到煤矿开采之中，实现生产设备的网络化、开采现场的无人化，等等。
今年1月，国家煤监局发布了煤矿机器人机器技术体系，分为5类38种，标志着中国已经率先站在煤矿机器人的前列。今年4月1日，中国矿业大学（北京）智慧矿山与机器人研究院揭牌，目的就是要把无人化采矿、机器人化采煤的目标落实推进，付诸于生产实践。当然，宏伟目标的实现，不能仅凭高校之力，还需要企业、科研单位特别是政府的大力支持，共同发力，形成合力，集中力量办成这件大事。
03 煤矿机器人化开采已经实验成功
采煤机是把煤炭从地下挖出来的最前端、最核心的机器。采煤机要实现机器人化，“五调控”是核心，即调控截割速度、调控截割高度、调控截割轨迹、刮板输送机调直和液压支架调直。5个方面缺一不可，其中任何一个步骤不实现智能或者机器人化，整个采煤工作面的机器人化就无从谈起。为此，井下精准定位导航技术研发是重中之重。试验表明，采煤机可以通过惯性导航的方式实现定位和定向，采煤轨迹误差小于10厘米。下一步，需要进一步提高定位精度，减小误差至5厘米以内，甚至更小。
煤层地下是起伏变化的，煤岩界面的机器识别至关重要。目前研发的煤岩界面自动识别截割技术，采用电流、温度、声波、振动等多参数融合，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，需要将导航的信息嵌入地理信息系统，给采煤机地理导航图。一旦有了类似GPS的导航图，采煤机就会像汽车导航行驶一样，知道在哪个地方拐弯，到哪个地方直行了。
机器人化开采是多机器人协同，需要联动控制、机群协同、远程感知，构建一个物联网系统，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，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1千米范围内的硐室内实现远程监控，甚至可以到距离采煤工作面10千米以上的地面监控中心进行远程监控，进而实现煤矿机器人化开采的无人值守、远程操控。
目前，山西一座煤矿已经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个人远程监控和巡检，初步实现了机器人化开采。不久的未来，巷道掘进机器人将形成机器人群作业，成为掘、支、锚、运四位一体的智能化机组。
煤层地下是起伏变化的，煤岩界面的机器识别至关重要。目前研发的煤岩界面自动识别截割技术，采用电流、温度、声波、振动等多参数融合，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，需要将导航的信息嵌入地理信息系统，给采煤机地理导航图。一旦有了类似GPS的导航图，采煤机就会像汽车导航行驶一样，知道在哪个地方拐弯，到哪个地方直行了。
机器人化开采是多机器人协同，需要联动控制、机群协同、远程感知，构建一个物联网系统，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，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1千米范围内的硐室内实现远程监控，甚至可以到距离采煤工作面10千米以上的地面监控中心进行远程监控，进而实现煤矿机器人化开采的无人值守、远程操控。
目前，山西一座煤矿已经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个人远程监控和巡检，初步实现了机器人化开采。不久的未来，巷道掘进机器人将形成机器人群作业，成为掘、支、锚、运四位一体的智能化机组。
04 煤炭自动运到地面正在变成现实
有了挖掘和开采，还需要有运输。从煤炭采下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，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，非常容易就将自己提上去，因为它是个弹性自适应系统。根据这个原理，专家们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。这么长的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；机尾犹如人在拉着橡皮筋拔河，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，实现智能张紧。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，才能获得技术支撑。经过努力，我国科学家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3000万吨/年，一条输送带的连续运距可达6000米，建立了井下长运距、大运量、无人值守的煤炭连续运输系统。
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，一旦刮板输送机发生故障趴窝，采煤工作面所有工作都要停止。问题在于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。
在科学家与企业协同努力下，目前我国已经研发永磁电动机直联驱动的刮板输送机，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。同时，还研制出一种自硬化耐磨金属材料。这种材料在与煤摩擦过程中，越摩擦，表层越硬，磨的次数越多，硬度增加越高。用这项技术，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。
蜘蛛吊在树上的时候，非常容易就将自己提上去，因为它是个弹性自适应系统。根据这个原理，专家们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。这么长的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；机尾犹如人在拉着橡皮筋拔河，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，实现智能张紧。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，才能获得技术支撑。经过努力，我国科学家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3000万吨/年，一条输送带的连续运距可达6000米，建立了井下长运距、大运量、无人值守的煤炭连续运输系统。
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，一旦刮板输送机发生故障趴窝，采煤工作面所有工作都要停止。问题在于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。
在科学家与企业协同努力下，目前我国已经研发永磁电动机直联驱动的刮板输送机，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。同时，还研制出一种自硬化耐磨金属材料。这种材料在与煤摩擦过程中，越摩擦，表层越硬，磨的次数越多，硬度增加越高。用这项技术，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。
（本文系科普时报记者侯静根据葛世荣校长在MSTA大家系列科技讲座上的演讲速记整理而成，并经作者本人审核）
