文章来源：《智能矿山》2022年第11期“视角·观点”专栏
作者简介：袁晓明，研究员，现任中煤科工集团太原研究院有限公司（山西天地煤机装备有限公司）科技发展部主任，主要从事防爆机电工程理论及技术研究工作
引用格式：袁晓明.少人化煤矿井下辅助作业装备及机器人现状与展望[J].智能矿山，2022，3（11）：2-7.
在数字化、智能化发展的社会大背景下，我国煤炭开采快速地从机械化、自动化向智能化方向迈进，智能化、少人化煤矿的发展目标已经成为行业共识。少人化煤矿首先实现了综采技术的少人化、无人化，并带动配套的掘进、支护、运输等生产工序智能化程度大幅提升，其中快速掘进月进尺最高已突破3 000 m。煤矿井下生产准备和生产服务工作为了适应少人化、智能化矿井的需求，需要为采煤、掘进配备各种辅助作业机械装备，保证生产接续顺利进行。
1958年，美国Wagner公司开发出第1台地下装载机；19世纪70—80年代，美国、英国、德国、澳大利亚和南非等国家已相继建立了煤矿无轨辅助运输装备体系，并开发了大量用于生产准备和生产服务的移动装备，主要有铲运机、支架搬运车、锚杆钻车等。
1999年，我国成功研制出国内首台防爆无轨胶轮车；2008年开始，我国陆续开发了系列化蓄电池铲板式搬运车、蓄电池铲运机、蓄电池运人车等蓄电池车辆，无轨胶轮车市场保有量已经突破2万台，广泛应用于全国700余处高产高效矿井，并在重型车辆技术、新能源技术上超越国外，成为全球最大、最齐全的无轨辅助运输装备制造和使用国家，国产系列化无轨辅助运输车辆如图1所示。
图1 国产系列化无轨辅助运输车辆
在辅助运输车辆中，包含很多辅助作业的车辆，主要包括连采工作面配套使用的铲车、铲运机，工作面安装回撤用的支架搬运车、铲板车等，以及巷道维护作业的巷道修复机、巷道清理机、液压装煤机等，这些机械装备组成了我国辅助作业装备体系的雏形（图2）。
图2 辅助作业装备体系雏形
2019年，国家矿山安全监察局制定公布了《煤矿机器人重点研发目录》，规划出掘进、采煤、运输、安控和救援5类38种煤矿机器人，并对每种机器人的功能提出了具体要求，大量机器人与辅助作业装备相关。早在2016年，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司（以下简称中国煤科太原研究院）就提出煤矿井下辅助作业技术装备理念，随着少人化矿井对生产准备和生产服务机械化、机器人化需求的不断提升，2020年中国煤科太原研究院将辅助作业装备及机器人确定为新产业方向，又经过国家能源集团保德煤矿少人化矿井建设、陕煤集团陕北矿区智能化建设等新业态、新需求的不断磨合，辅助作业装备及机器人已迎来全面发展的历史机遇期。辅助作业装备及机器人图谱如图3所示。
图3 辅助作业装备及机器人图谱
针对少人化矿井，当前煤矿井下辅助作业装备研发主要集中在巷道修复机、管路安装车、钻孔车、电缆收放车、设备自移列车、装煤机等装备上（图4），涉及煤矿运输、通风、排水、安装、掘进等作业环节，已体现出减人提效、安全可靠的特点。
图4 各种辅助作业装备及机器人
辅助作业装备的应用，有效提高了煤矿井下生产效率，直接效果体现在下井作业人员大幅减少和工作效率大幅提高。当前30个座位的载人车辆已经正式退出市场，大批量人员下井现象在智能化矿井建设过程中已经逐步淡出视野，少人化矿井单班作业人数仅有几十人，这些都佐证了煤矿井下大量机械装备应用的成效。煤矿井下辅助作业装备应用主要体现在以下4个方面：
（1）安装回撤作业
生产准备队通常负责采煤工作面设备安装回撤和末采，以及其他零星工程的施工，作业工序繁杂、作业强度大；使用无轨胶轮铲板车、支架搬运车、铲运机、回撤三角区掩护支架等机械化作业装备后，成功将作业周期从2个多月压缩至15天，效率提升的同时安全性大幅提高，人员也减少50%以上。综采工作面安装回撤机械化作业工艺如图5所示。
图5 综采工作面安装回撤机械化作业工艺
此外，采煤机整机吨位过大，大采高采煤机仅机身质量就超过100 t，长度也超过普通运输车辆整体长度，常规安装回撤效率低、用工多、安全隐患大，使用双铲板协同抬运方式大幅提升了工作效率（图6）。
图6 双铲板车抬运采煤机机身应用现场
除了大吨位的支架、采煤机安装回撤作业，现场还有大量的刮板输送机、电缆、管路、输送带架等同样需要机械化作业，主要用到的装备包括多功能铲运机、电缆收放车、管路安装车等，大量相关辅助作业专用机器人装备正在研发中。
（2）生产辅助作业
采煤、掘进生产作业过程，同样需要自移列车、超前支架循环搬运作业、锚杆补强作业、材料集中运输与装卸作业、输送带伸缩作业、电缆收放作业、管路安装拆除作业、巷道修复、砼底板等各种辅助工序，各种辅助运输装备也正在现场推广应用；其中，门式超前支架循环无反复支撑作业，采用专用防爆搬运车辆，克服了顶板反复支撑破碎风险及少人作业技术难题（图7）；锚杆、锚索补强作业，通常都是人工补打，存在作业人员多、劳动强度大、顶部锚杆够不着、接电接气频繁、拖拽电缆气管费力等诸多问题，专用补强作业车辆可解决以上问题，能够实现高效、少人补强作业，如图8所示。随着少人化矿井的建设发展，其他各种生产辅助作业需求不断转化为专用装备，正在改变着煤矿井下生产辅助工作方式。
图7 无反复支撑门式支架搬运作业车
图8 锚杆、锚索补强作业车
（3）运输服务作业
矿井辅助运输通常仅负责运输人员和材料，智能化、少人化矿井已经大幅拓展了辅助运输的作业化需求，除了短壁机械化装备中常见的铲车设备外，市场已经存在洒水降尘、清淤铲运、井下装卸等运输服务作业车辆装备，洒水和铲运服务作业车如图9所示。
图9 洒水和铲运服务作业车
（4）巡检作业
根据《煤矿安全规程》2022版要求，煤矿井下通风、排水、提升机、供电、紧急避险设施必须巡检，通常有轨道式、轮式、足式及蛇形等各种形式，以适应各种巡检环境和使用条件，其中轮式巡检机器人如图10所示。轮式巡检机器人相对轨道式巡检机器人更加机动灵活，能够适应煤矿井下路面情况，具备移动速度快、作业效率高、巡视范围广等特点，能够利用自身携带的视觉相机、激光雷达、毫米波雷达等多型传感设备自主完成巡检任务，并且还可利用同步定位与建图技术完成作业区域内人员和装备状态位置辨识、井下空间三维结构重建等任务。
图10 轮式巡检机器人
由于辅助作业机器人开发既要熟悉作业场景，又要熟悉作业装备开发，还需高端智能识别控制技术，属于个性化定制开发，开发难度大、周期长。因此，加速研发和推广煤矿井下辅助作业机器人的关键在于合理分解技术和模块化生产，形成社会化分工合作的局面，避免同业竞争。辅助作业机器人发展，需要克服蓄电池通用底盘、煤矿蓄电池快速自动更换、煤矿井下无人驾驶、A I智能识别、智能传感器等关键技术。
（1）通用防爆纯电动底盘技术
各种作业机器人通常在小范围内开展往复作业活动，最适合采取防爆蓄电池车辆底盘。防爆锂离子蓄电池车辆通用底盘组成如图11所示，只有采用模块化的设计形式与结构优化的框架式车体，统筹考虑底盘结构强度和车载电气设备隔爆要求，实现防爆电驱车辆底盘的轻量化、标准化和集成化，才能适应各种辅助作业装备个性化用途需求。
图11 防爆锂离子蓄电池车辆通用底盘组成
（2）蓄电池快速更换技术
蓄电池快速更换技术是直接提升蓄电池作业机器人使用率、延长续驶里程、减少充电时间的最优措施。目前所有重型防爆铅酸蓄电池车辆采取液压更换电池的方式，整个更换过程仅需几分钟，也无需借助外部机构。防爆锂离子电池车辆采取相似的快速更换电池技术，但安全措施更加详细。快速更换电池的蓄电池车辆如图12所示。
图12 快速更换电池的蓄电池车辆
（3）智能辅助驾驶与无人驾驶技术
针对辅助作业装备机器人化，当前技术水平难以实现全系列产品全无人化操作。人员驾驶车辆和无人驾驶车辆在矿区同时运行对矿井安全、调度安全、无人驾驶路径规划等提出更高要求。煤矿智能驾驶面对井下室内导航条件、环境污染容易致残感知系统、井下巷道狭长多叉相似度高定位识别要求特殊、防爆后产品性能变化等一系列特殊困难，只能采取兼容4G/5G、UWB、视觉识别等技术的融合算法，形成定制化适应性无人驾驶算法，无人驾驶车辆井巷试验如图13所示。
图13 无人驾驶车辆井巷试验
（1）在无轨辅助运输装备的基础上，我国辅助作业装备及机器人迎来全面发展的历史机遇期，已经形成较为完整的辅助作业装备架构，正在快速构建辅助作业机器人应用场景。
（2）辅助作业机械化和机器人化，全面提升了煤矿井下安装回撤、生产准备、生产服务、巡检等作业方式的生产效率，已初步得到认可。
（3）辅助作业机器人发展，还需在蓄电池通用底盘、蓄电池快速更换、煤矿井下无人驾驶、A I智能识别、智能传感器等关键技术上寻求突破，集合社会共同认知和资源才能快速形成辅助作业机器人产业。
（4）辅助作业机器人化的过程，不但需要投入大量高级技术人员进行设计研发，也对现场操作和运维人员的专业素养提出更高要求，辅助作业装备及机器人的推广将推动煤矿从业人员结构的变革。
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