煤矿机器人集群研发与工程示范建设实践 ——陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司智能矿井建设经验
陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司（以下简称柠条塔煤矿）于2005年5月18日正式挂牌成立，注册资本金14.26亿元，是陕西省、榆林市、神木市三方联合在神木市开发建设的第1个千万吨大型现代化煤炭开采企业。 矿井位于陕西省神木县孙家岔镇境内，井田南北长度，东西宽度9.5 km，面积，可采煤层7层，保有资源量26.20亿t，可采储量16.45亿t。
柠条塔煤矿自成立以来，始终坚持“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”的建设方针，依靠国际先进的采掘工艺，形成了以“生产集约化、装备现代化、队伍专业化、管理信息化、人机系统宜人化、过程控制精细化”为特征的千万吨级安全高效矿井管理模式，获得了“全国煤炭工业文明煤矿”“国家水土保持生态文明矿山”“国家安全高效特级矿井”“国家级绿色矿山试点单位”“全国安全文化示范企业”等荣誉称号，以及全国“五一劳动奖状”等奖项。
柠条塔煤矿机器人集群建设实践
2020年，柠条塔煤矿被列为国家首批智能化示范建设煤矿，自此拉开了全面建设智能化示范煤矿的序幕。柠条塔煤矿将机器人集群建设作为矿井智能化建设的重要载体，高度重视、大力推进。经过近2年的深耕研究与实践，柠条塔煤矿已经建设形成1个综合管控平台，多种机器人协同作业、综合调度的机器人集群管理模式。
图1 柠条塔煤矿综合管控与机器人集群协同调度平台
图2 柠条塔煤矿机器人集群展示界面
图3 机器人集群协同调度与管控平台示意
智能化煤矿综合管控与机器人集群协同调度平台
柠条塔煤矿智能化综合管控与机器人集群协同调度平台是全矿井的信息中心、调度中心、决策中心以及管理中心，主要有3个重要功能。
（1）形成对煤矿“巨系统”的综合管控
王国法院士将煤矿种类繁多、数量庞大、各系统变量众多且相互关联机制复杂的各类系统称为“巨系统”，并提出“5G+智能化煤矿巨系统”的管理理念。柠条塔煤矿智能化综合管控与机器人集群协同调度平台如图1所示，按照“五统一”（统一数据标准、统一应用平台、统一接口规范、统一事件管理、统一运行维护）的模式进行建设，构建了实时、透明的煤矿采、掘、机、运、通、洗选等数据链条，集成矿井51个子系统，实现了煤矿智能化和“巨系统”的深度融合与应用。
（2）实现对机器人集群的协同调度
机器人集群协同调度平台是智能化煤矿综合管控与机器人集群协同调度平台的重要基础功能。该平台接入和集成GIS系统巷道地图信息、空间位置服务系统定位信息、安全监控系统环境传感器和摄像头监测信息等数据，进行可视化展现，形成“人在回路”的人机共融的机器人管控体，实现了机器人集群作业环境监控、遥控操作、任务规划与执行操作的统一管控。柠条塔煤矿机器人集群展示界面及协同调度与管控平台示意分别如图2、图3所示。
（3）构建运动学模型和等比例仿真动画模型
柠条塔煤矿综合管控与机器人集群协同调度平台可对机器人进行运动学模型和等比例仿真动画设计（图4），结合矿井三维地质模型，形成全时空作业模拟动画显示，通过多源数据孪生驱动实现矿井的监控和调度，煤矿机器人集群仿真与控制管理实现路径如图5所示。
（a）危险环境侦测机器人（b）带式输送机巡检机器人（c）采煤机器人群
图4 多场景机器人运动学模型展示
图5 煤矿机器人群仿真与控制管理实现路径
图6 采煤工作面机器人群作业示意
通过5G通信网络将实时采集数据传输到云存储平台，经多源数据融合后实现物理空间与信息空间的实时交互与同步反馈，实现基于煤矿“大数据”的机器人作业监测、虚拟操作与远程控制。
采掘机器人群建设
（1）采煤工作面机器人
群柠条塔煤矿智能采煤机器人群包括采煤机器人高效截割工艺、截割路径智能规划、液压支架组合式敏捷高效供液系统、采煤机器人群精准执行机构以及工作面巷道超前支护机器人。
采煤工作面机器人群具备回采工作面设备机群自主决策控制、煤岩界面自主识别等功能，可实现工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机及超前支架等设备自主运行、多机协同联动作业。采煤工作面机器人群作业如图6所示。
1）采煤机器人高效截割工艺及截割路径规划
采煤机的截割工艺和路径规划是实现智能化割煤的关键，通过对影响进刀的3个因素（工作面长度、采煤机空刀运行速度和等待移端头支架、输送机头的时间）进行量化分析，结合相应的算法，为采煤机器人快速截割提供决策支持，实现截割工艺和截割路径的自适应调整。采煤机器人高效截割工艺和截割路径规划如图7所示。
（a）双向割煤 （b）中部斜切进刀
图7 采煤机器人高效截割工艺和截割路径规划
2）液压支架组合式敏捷高效供液系统
通过建设集中-分布式结合的敏捷供液体系，建立工作面液压支架压力-流量补偿机制，保证了系统压力能够满足快速开采的需要。此外，综采工作面支架液压系统快速响应机制的应用，实现了电液控与供液系统的智能联动控制，保证了支架精准、有序、高效推进。液压支架组合式敏捷高效供液系统如图8所示。
（a）敏捷供液系统技术实现方案
（b）供液系统组成
图8 液压支架组合式敏捷高效供液系统
3）采煤机器人群精准执行机构
应用新型数字油缸替代了现有液压支架推移千斤顶、刮板输送机张紧油缸、转载机采煤机摇臂举升油缸等，保障机器人群动作的精准执行，并通过高速电磁换向阀的集中控制，实现了位置的变速调控。基于位移传感器的新型千斤顶及控制系统如图9所示。
（a）位移传感器结构 （b）数字油缸结构
（c）位移传感器标定台
图9 基于位移传感器的新型千斤顶及控制系统
4）工作面运输巷道超前支护机器人
通过对超前支架与转载机进行一体式设计，抽屉结构联接超前支架与转载机，解决了工作面超前支护随动和导向的问题，实现了超前支护和工作面“三机”协同控制。运支一体化超前支护机器人如图10所示。
图10 运支一体化超前支护机器人
图11 EJM340/4-2掘锚一体机
（a）无人叉车产品外形（b）潜伏式AGV（c）软件系统操作界面
图12 运输及仓储机器人系统
（2）掘进机器人群
柠条塔煤矿 2021 年引进了山特维克集团掘锚一体机（图11），已累计服役3个工作面，最大月进尺突破1500 m。EJM340/4-2掘锚一体机集截割、装载、运输、行走、锚护、喷雾除尘于一体，能同步完成掘进和支护作业，同时配套梭车及快速掘进后配套设备，实现了煤巷快速掘锚运高效作业，截割效率高、机身稳定性好、锚护效率高、行走通过能力强，提高了巷道掘进速度，解决了煤矿采掘比例失调的问题。
掘锚一体机主要有5个技术优点：①具有自动截割功能，可实现截割、锚护平行作业；②采用可伸缩的横轴全宽截割滚筒，巷道一次成型；③履带行走采用交流变频调速技术，启动转矩大，可有效解决传统掘锚一体机在较差底板条件下的“卧机”难题；④作业空顶距小，能适应较差的顶板条件；⑤采用油缸推进截割，截割时机身保持不动，减少设备调动，降低履带对底板的破坏。
运输及仓储机器人
运输及仓储机器人主要应用于地面材料库房，可实现自动搬运、出入库、路径规划、数据分析集成等功能，运输及仓储机器人系统如图12所示，主要包括无人叉车、潜伏式AGV和软件系统3个部分。
（1）无人叉车
采用单舵轮驱动转向一体式设计，搭载安全激光雷达，配合货物检测传感器、货叉末端插取传感器，配合声光告警系统，可实现全方位安全保护，适用于人车混行的复杂场景作业。
（2）潜伏式AGV
外观采用工业级设计，灵巧便捷，可提供800kg的搬运能力。同时，采用二维码和高精度IMU传感器，可实现机器人的亚厘米级精确定位与导航。
（3）软件系统
软件系统由管理软件和控制软件组成，具备设备管理、调度、控制与优化功能，能适应多种作业场景，并可对仓储机器人进行统一集中调配。
安控类机器人柠条塔煤矿现已应用有轨道式巡检机器人（北翼二号采区、南翼3-1煤运输巷）、井下复杂环境侦测机器人、轮式巡检机器人（35 kV地面变电所）、轮式安防巡检机器人（西区库房）等多种安控类机器人。安控类机器人现场应用如图13所示。
（a）巷道巡检机器人（b）环境侦测机器人
（c）轨道式巡检机器人（d）轮式巡检机器人
图13 安控类机器人现场应用
安控类机器人
整合了机器人、导航定位、多传感器融合以及物联网等技术，并与后台系统连接，可对机器人进行远程控制和安防状态监测，实现智能化安全防控巡逻管理。安控类机器人主要具备以下4项功能：
（1）自主巡逻、避障
依据路径规划可实现自主巡逻、自主调速，特定区域设置虚拟墙以保证机器人巡逻过程安全可靠。自主巡逻过程中，机器人可通过1 0° 、20°、30°坡度，10 cm垂直障碍，10、20 cm沟壑以及砂石路等多种复杂地形。
（2）视频监控、AI识别
云台按场景需求加装多种摄像头（长焦、鱼眼镜头、热成像），可实现２个自由度俯仰、偏转,并可配合机身的升降机构实现不同高度角度的视频捕捉拍摄。
（3）环境检测功能
搭载的各类传感器通过对标的物进行红外辐射探测，可实现温度、湿度、烟雾、气体等多种环境信息的监测上传。
（4）设备诊断、表计识别功能
搭载局部放电检测设备，可有效发现设备柜内部的局部放电情况，从而评估设备内部绝缘劣化程度，为设备状态维修提供科学的决策依据。同时，还可对有度数的表盘、油计、设备运行时的声音进行检测、对比、分析。
工程作业机器人
柠条塔煤矿现已投入工程作业的机器人包括自动喷浆机器人、管路安装机器人等，后期计划投入运行巷道修复机器人、电缆卷放机器人、掏槽机器人等工程类机器人。
（1）自动喷浆机器人
自动喷浆机器人具备自主路径规划、自动避障、自动平衡、自主行走、自主复位等功能，也可对混凝土配料、搅拌、泵送等各个环节进行协同闭环控制，可实现自主作业、自主决策、远程操控。巷道自动喷浆机器人如图14所示。
（a）上料 （b）喷浆
图14 巷道自动喷浆机器人
（2）管路安装机器人
管路安装机器人具备机械臂抓取管道、视觉定位安装、自主或遥控操作模式，现已应用于柠条塔煤矿回风巷，有效减少了工人作业强度，大幅提高了工作效率，保障了安全生产。管路安装机器人如图15所示。
图15 管路安装机器人
（a）讲解机器人 （b）迎宾机器人
图16 地面服务类机器人
地面服务类机器人
柠条塔煤矿在地面应用了智能仓储机器人、扫地机器人、讲解机器人、传菜机器人、大疆无人机等服务机器人，在提升企业形象、强化企业管理的同时，也为矿区职工提供了便利的生产生活条件。地面服务类机器人如图16所示。
总结与展望
2021年，国家矿山安全监察局在《2021年煤矿智能化建设和机器人研发应用大事件》中介绍：陕煤集团神木柠条塔矿业公司智能化煤矿机器人集群研发项目一期全面展开，开发出智能化综合管控与机器人集群协同调度平台，现有及在研的地面、井下机器人近20种，覆盖《煤矿机器人重点研发目录》相关机器人种类的40%以上，初步形成集群效应。
柠条塔煤矿在2020年被确认为国家首批智能化示范建设煤矿以来，将“五大智慧生活应用，八大智慧工作应用”作为智能化矿井建设方向，以建成万物互联、信息共享、高效扁平化管理的智慧示范矿区为目标，建成了智能化煤矿综合管控与机器人集群协同调度平台，集成了5大类20多种机器人，以机器人集群建设带动了企业质量变革、效率变革、管理变革。
未来，柠条塔煤矿将结合先进的技术研发并进行攻关，不断推进机器人集群建设，实现井上井下机器人应用覆盖率达80%以上，实现多机器人集群任务规划及数字孪生控制，实现关键及重点岗位的全部机器人作业，煤矿机器人集群示范工程项目基本建成，应用煤矿机器人种类达40种以上，统一远程集控、调度，争创煤矿机器人集群建设的引领者和示范者。