从机械化到智能化，煤矿机器人加速“数字煤矿”释放新产能

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。作为煤炭开采最重要的环节之一，掘进工作发挥着为回采工作面探煤、掘煤、探水、探气的作用，对于保障煤炭供应具有重要意义。完善掘进工作面机械化和数字化设施建设，是打通煤矿智能化的关键着力点。

在习近平总书记“扎实推进新型工业化”的重要指示下，各工业领域加速高新技术与实体产业数实融合。煤炭是保障我国能源安全的“压舱石”，煤炭行业的数字化进程关乎我国能源体系稳定性，具有重大意义。

在煤炭行业，推进煤矿产业数字化进程，要摸索建立以5G、人工智能、区块链、云计算、大数据等新兴信息技术为支撑的技术体系，形成智能装备和煤矿机器人集群协同作业的新模式。加速煤炭开发智能化转型内容明确落地，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

补齐掘进短板

具有现实价值

煤炭行业长期存在“重采煤、轻掘进”现象。据统计，当前煤矿综采程度（回采机械化率）已越过90%大关，而掘进工作面综掘程度（掘进机械化率）仅有65%左右。全国有数量可观的矿区延用传统综掘工艺，煤矿掘进队与综采队平均配比3.1：1，无法衔接综采工作面对采煤效率的高标准，严重制约煤矿智能化发展。同时，采掘工作面一直是煤矿灾害事故的高发区，据不完全统计，近年来我国煤矿重大事故中，掘进事故最多，约占全部事故的40%以上。

利用新一代通信技术与人工智能深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、动态预测、协同控制的智能系统，完善煤矿智能化顶层设计与架构，实现掘进、开采、运输、洗选全流程智能和通风、供电、排水、监控常态化保障，建设现代化掘采体系，是实现矿井“减人增安”的正确解答。

智能快速掘进

研发成果快速推广

自国家开展首批智能化示范煤矿建设工作以来，煤矿智能采掘技术进入快速转型期，智能掘进一体化系统、掘进工作面辅助作业机器人技术加速迭代、应用逐步落地。当前，全国首批智能化煤矿建设示范取得显著成效，在70处示范煤矿中，已有60座达到中级智能化煤矿水平，为全国煤矿智能化建设提供可复制的经验和样板。多家企业站在科技创新潮头，向全国推广煤矿智能解决方案，促进全国大小煤矿共享掘进工作面的科技成果，山东天河科技股份有限公司（以下简称“天河科技”）就是其中之一。天河科技研发的掘锚护一体机和智能掘进系统，解决了多环节不能平行作业的顽疾，为多座矿山场景贡献了优秀的智能掘进方案。

图1 天河科技煤矿机器人模型

作为生产的重要环节，煤矿掘进速度和巷道质量直接关系到矿井合理的生产布局、稳定的采掘接续，关系到重大灾害超前治理、系统保障的能力提升。天河科技研发团队在悬臂式掘进机的设计基础之上，为掘锚机器人配备2部或4部机载液压锚杆钻机，分别布置于掘进机本体架两侧行走部上方，大大提高煤矿掘进速度。掘进时，钻锚系统位于回转台后方，不影响正常掘进作业。支护时，钻锚系统通过两级纵移机构行进至截割头前方进行支护作业，可施工巷道顶帮部锚杆锚索及卸压孔、探测孔，大幅改善巷道质量。

智能远程控制系统，融合机器视觉、惯性导航、运动控制、智能感知与精确定位等多种监控技术与手段，具有全方位参数智能感知、状态监测与故障诊断、自主导航与纠偏、自动截割与远程操控、全流程一键启停控制、多系统融合联动等功能模块，实现掘进机高精度定向、位姿调整、自适应截割及掘进环境可视化，形成掘进工作面掘、支、锚、运高效协同、一键启停、自动掘进、自主决策与智能控制的智能掘进作业体系。天河科技着力构建数字化、虚拟化透明工作面，打造“位姿监测数字孪生、视频监控辅助作业、边缘计算智能规划”的超视距智能远程控制新型工作模式。

我国煤矿掘进工艺从人工发展到半机械化、机械化，目前已迈入自动化、智能化阶段。在智能快速掘进技术方面，煤炭行业通过改进掘进工艺模式，攻克快速支护、连续掘进等关键技术难题，探索实现配套装备一体化、自动化和智能化掘进模式，初步构建了适用于不同煤层条件的煤矿智能化快速掘进工艺技术与装备体系。

为矿下设备

补好“短板弱项”

早日实现煤矿少人化，是发展煤矿智能技术及设备的重要驱动力之一。 目前，掘进工作面自动化已普遍实现，但真正具备“井下无人，井上遥控”功能的煤矿却少之又少。 要减少掘进工作面对人员的依赖性，关键在于从三个层次提升其感知能力。

掘进前，进行全面、系统的煤岩体地质力学测试，在掘进过程中进行超前探测、随掘探测、随钻测量，实现对掘进工作面及配套系统“人-机-环”信息的全面感知，在此基础上建立掘进工作面动态地质模型，作为基础环境。

掘进时，设备应具有对外部环境条件的感知能力，实时监测顶板离层、巷道变形、围岩应力、锚杆锚索支护体受力及瓦斯、粉尘质量浓度等，监测作业环境的动态变化。

在掘进全过程中，设备状态的数字化呈现和分析尤为重要，实时监测截割动载、截割轨迹、锚杆锚索钻机扭矩、推力等信息，记录设备工况并进行故障诊断，监测设备的位置、姿态信息，实现设备的行走导航与各功能动作的定位感知。

感知信息随时通过高网速通信系统，传送至智能掘进自主决策平台和井上智能煤矿总控中心，以实现数据要素价值转化为核心，建设“智慧”大脑，按照数据驱动、数据变现与自适应智能控制的思路进行开采工艺流程变革，实现煤炭采掘机运通等全流程的少人无人智能化开采。

智能掘进系统

技术难题分析

随着掘进巷道长度的增加和掘进成套装备的功率日益提高，掘进机末端的电压降明显需要提高才能保证正常启动。但这个解决办法并不能一劳永逸，掘进机在超过1公里范围作业，供电电缆压降就大到设备不能正常启动，为此掘进作业规程规定每隔一定距离就要前移变压器，或者并联电缆降低线路阻抗，这种做法拖慢了工人的工作效率，增强了他们的工作强度。目前，业内提出一种富有创新思维的解决办法，采用电压自动调节装置，安装在掘进机装备侧，通过自动进行线路无功和有功的补偿，使得线路中的压降能自主可控，从而保证掘进装备终端的电压稳定，表现为延长供电距离。

此外，智能掘进系统建设，还受制于智能通压风系统、供电与供排水系统和安全监控系统，各模块正协同蓄力攻克技术瓶颈。同时，在煤矿机器人单机发展基础上，煤矿机器人研发及应用逐渐向集群化发展，许多智能煤矿示范点研发、应用了机器人集群管控平台，形成智能装备和机器人集群协同作业的新模式。

截至目前，全国758处煤矿共建成1651个智能化采掘工作面，“数字煤炭”转型和煤矿智能化建设进入攻坚阶段。数字中国建设是我国重要发展战略，“数字煤炭”则是煤炭业现代化发展的必然选择，面临着历史性的发展机遇，数字化赋能促进行业安全、高效、绿色低碳智能化发展，煤炭行业高质量发展的前景可期。

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