“智能化煤矿建设关键技术”专题（《煤炭科学技术》）

来源：《煤炭科学技术》2020年第7期

2020年3月2日，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，文件的发布实施对于加快推进智能化煤矿建设，构建智能+绿色煤炭工业新体系，实现煤炭资源的智能、安全、高效、绿色开发与低碳、清洁、高效利用，促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。

为促进煤矿智能化技术成果交流与理论实践进步，推进我国煤矿智能化建设进程，进一步发挥《煤炭科学技术》的学术交流平台和桥梁纽带作用，组织策划了“智能化煤矿建设关键技术专题"，组约国内煤矿智能化技术研究与应用领域的专家、学者撰稿，报道了煤矿智能化技术体系研究与工程应用、智能化煤矿顶层架构设计、智能化煤矿建设路线、智能开采关键技术、5G关键技术、煤矿机器人技术等方面的研究与工程应用进展。本次专题收稿145篇，录用稿件49篇，限于版面，2020年第7期刊登28篇论文，其余稿件将择期在机电与智能化栏目中刊登。

在此衷心感谢各位专家为此专题撰稿，特别感谢《煤炭科学技术》杂志主编王国法院士、中国矿业大学校长葛世荣教授在专题策划、组稿方面给予的大力支持，同时感谢中国煤炭科工集团、中国矿业大学(北京)、陕西煤业化工集团、神东煤炭集团、兖矿集团、同煤集团、平煤集团、郑州煤矿机械集团、陕西延长石油集团等对专题给予的关注与支持!

为了保证专题论文的时效性，《煤炭科学技术》编辑部已将专题论文进行网络首发，点击如下链接可免费下载全文。

行业视野: 智能化
类别; 133个
关键词; 122位
专家; 33篇
论文; 45781IP
点击量; 65150次
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综采工作面巡检机器人关键技术研究

作者(Author)：李森, 张学亮, 王峰, 赵文生, 刘帅, 张国栋, 荣耀

摘要：目前国内许多煤矿应用了可视化远程干预型智能无人化综采，但是综采工作面内仍然需要1名工人进行巡检作业，为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人，需要研究一种综采工作面巡检机器人，实现对综采工作面巡检人员的替代，是智能综采的发展方向。在分析综采工作面巡检机器人研究现状的基础上，提出综采工作面巡检机器人研究目前处于起步阶段，指出了综采工作面巡检机器人研究需要攻克的5个方面的技术难题：综采工作面巡检机器人控制平台技术、高可靠行走驱动技术、移动通信实时控制技术、协同控制技术、应用配套技术。给出并具体分析了综采工作面巡检机器人发展所需的5项关键技术：柔性轨道技术、精准定位导航技术、高可靠控制技术、动态图像采集技术、三维采场模型构建技术。研制了一款综采工作面巡检机器人，以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动，轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接，综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、红外热成像摄像仪、可见光摄像仪、无线移动终端等装备，可完成对综采工作面直线度、水平度检测、工作面精确定位、工作面点云扫描、采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能，并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用，实现最大巡检速度60m/min;辅助构建出工作面三维点云模型实测精度0.2 m;实现搭载惯导系统360m综采工作面直线度可控制在±50mm;综采工作面巡检机器人在质量和电池续航两个方面仍需进行进一步的研究优化，以满足实际生产需求。研究成果可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。

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煤矿巷道机器人管线视觉辅助定位与导航方法研究

作者(Author)：程健

摘要：在煤矿巷道安全巡检以及灾变环境应急救援等工作中通常需要使用到智能机器人。目前智能机器人的自主导航与避障的技术已经比较成熟，但是主要应用场景都是室外有卫星定位（GPS、北斗导航系统等）环境或者特定室内环境。对于煤矿巷道环境复杂、光照不均匀、井下空间狭窄等难点，智能机器人在煤矿巷道的自主导航方法还需要进一步的研究。常用的传统惯性导航是使用惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）的加速度与角速度来推算物体在三维空间的位置信息，但是误差累积问题比较严重。煤矿巷道存在大量管线，结构化特征显著，通过机载摄像头获取井下巷道图像，使用机器视觉算法来定位巷道图像中的管线，并且通过解算机器人与管线之间的偏航角来辅助机器人的视觉导航。针对巷道中管线的颜色鲜明、几何形状特征明显的特点，结合颜色与几何特征，通过将图像纵向分割成多个独立的子图像，减小环境噪声对图像中管线分割带来的影响，然后从每个子图像中获取候选管线轮廓，并根据是否属于同一根管线进行轮廓分组，从每组候选轮廓中进一步根据管线轮廓所拟合直线的平行程度进一步筛选出较为鲁棒和稳定的管线轮廓，效果显著。结合相机针孔模型和偏航角解算模型，进而获得机器人当前的偏航角度，试验表明，上述方法不仅快速，而且计算的偏航角准确可靠，能够满足煤矿巷道机器人视觉辅助定位与导航需求。

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我国煤矿运输机器人发展趋势及关键技术

作者(Author)：陈杨阳, 霍振龙, 刘智伟, 张袁浩

摘要：煤矿运输机器人是煤矿机器人体系的重要组成部分，可完成煤炭、煤机装备和人员的运输任务，对构建采矿智能运输系统和实现煤矿无人化开采有较强现实意义。为了系统性阐述煤矿运输机器人的未来发展趋势和关键技术，首先从煤矿主运输、辅助运输和露天运输三个方面综述了我国煤矿运输装备智能化发展的研究历程和产品应用现状；然后针对煤矿安全监察局提出的煤矿机器人重点研发目录中运输类机器人的功能要求，基于文件中初步定义的11种运输机器人，从机器人学角度采用归纳分析法提出了三类煤矿运输机器人体系：机械臂主导类机器人、清理服务机器人、自动驾驶系统与无人车，以安全为第一要素从煤矿机器人特殊性角度提出了一种通用安全目标：包括机器人主动安全系统和联动安全系统，基于上述4点全面地分析了煤矿运输机器人的未来发展趋势；最后，绕过煤矿机器人专用技术，围绕3类运输机器人共性研究，提出了几种与之相适应的关键技术：实时目标检测技术、煤矿环境定位导航与避障、路径规划与轨迹跟踪控制技术、汽车线控驱动技术、有人/无人系统协同技术，详细分析了各项技术在不同煤矿运输机器人中的应用，指出煤矿运输机器人的发展目标是形成“采矿智能运输系统有人，运输机器人平台无人”的人机共融状态。

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煤矿机器人视觉系统除尘方法研究

作者(Author)：胡而已 , 李梦雅, 王一然, 吕东翰, 孙益壮

摘要：为了提高煤矿机器人视觉系统在高粉尘、高湿度等恶劣工况下的工作效率和控制精度，提出了一种镜头的复合式防尘除尘方法，为视觉系统镜头和视窗自动清洁提供了新思路。基于自揭膜的方式实现防爆摄像装置的自清洁，而且整个揭膜保护装置的设计满足矿用机电产品的防爆设计要求的原理，设计出典型的防尘系统的虚拟样机，在采集图像的过程中，根据曝光量和图像质量获得当前镜头的清洁度，将洁净度与所设置的能见度阈值进行实时比较，判断是否执行除尘动作，通过揭膜的动作完成主动防尘的动作。防尘的同时考虑在揭膜失效的情况下结合被动式喷淋除尘方法，设计了被动式除尘系统的总体架构，根据CCD成像原理获取镜头的曝光量，将其与预设的洁净度对比判断，进行镜头的清洗动作，在此过程中详细分析了机器人和喷淋冲洗系统间的定位方法和匹配措施。初步实验研究表明：井下现场的高粉尘环境对煤矿机器人视觉系统的图像采集质量影响较大，通过对视觉系统获取的图像进行在线灰度直方图分析，可实时判断图像的劣化程度，启动视觉系统除尘清洁装置，能够有效的提高机器人视觉系统图像拍摄质量，为煤矿机器人导航、定位、巡检作业等提供保障。

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智能矿山车联网体系架构与关键技术

作者(Author)：阎俊豪, 贾宗璞, 李东印

摘要：矿山车辆作为矿山生产的重要设备，其管理水平直接影响矿山生产、安全、经营管理的各个方面，应用车联网技术提升矿山车辆管理智能化水平是智能矿山建设的重要内容。为避免车联网在矿山车辆管理应用中因概念不清、目标不同、路径不同、体系架构不同、技术应用重点不同造成发展方向分散、重复建设投入、系统融合困难的问题，以智能煤矿为例，提出了矿山车联网的概念，并对其体系架构、关键技术和典型应用进行了分析探讨：首先，在回顾智能矿山和车联网发展的基础上，定义和阐述矿山车联网的概念；然后参考车联网和矿山物联网体系结构，设计了由感知控制层、网络层、服务支持层和应用层构成的矿山车联网体系架构；综合车联网和智能矿山信息系统关键技术，分析了矿山车辆定位与监控、矿山车辆智能感知和控制、矿山车辆无线通信、矿山车联网协同计算等关键技术；最后从“人、车、环、管”4个方面出发，对矿山车辆及驾乘人员监控、矿山车辆自动驾驶及无人驾驶、基于矿山车辆的矿山安全监测、矿山车辆智能调度等矿山车联网典型应用进行了探讨。研究成果为推动车联网技术在智能矿山车辆管理中深入有序应用奠定了基础，同时丰富了矿山物联网技术内涵，为矿山物联网其他技术分支在智能矿山建设中的应用积累了经验。

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井下电磁干扰特性及智能设备电磁兼容标准研究

作者(Author)：辛中华, 张晓冬, 刘涛, 陈贺, 张子良, 苏珂嘉

摘要：新型井下安全监控系统在应用中被干扰的问题仍偶有发生，为使智能化矿井的通信、控制设备在井下不受电磁干扰的影响可靠工作，调查走访了多家煤矿、分析研究了产生干扰的原因并对主要设备的干扰情况进行了现场测试。总结分析了现场测试数据，发现煤矿井下电磁环境的特点，提出井下设备电磁环境干扰类型和参数：包括低频干扰、射频辐射耦合的传导干扰、电压跌落与中断、辐射干扰等。变频器的干扰低频分量更大达到90 dBuV/m，超过了该频段标准限值，频段也超出了试验范围。在靠近变频器输出的位置高频段辐射甚至接近30 V/m，达到抗扰度4级水平；50 Hz工频磁场强度达到了0.19 μT，这个场强已经接近危险值。电压跌落和变化在井下电网中频繁出现，通过电源线冲击智能化设备的工作稳定性。基于现场电磁环境的测试结果结合现有智能设备的测试标准，分析了测试参数存在的问题并提出了解决方案。建议增加射频场感应的传导抗扰度试验、磁场抗扰度试验、电压跌落试验等作为补充。最后从井下设备电磁兼容水平的概念、以及为达到智能化煤矿无人工作面的目标，提出了建议的电磁兼容标准体系框架，包括稳态和瞬态的干扰参数和项目，通过使用不同标准的参数组合对整个频段进行覆盖。瞬态抗扰度试验应考虑井下实际干扰形式、设备的敏感线来确定标准参数等级。

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基于时空约束的瓦斯事故知识库构建及预警推理

作者(Author)：刘鹏, 景江波, 魏卉子, 虞婧, 鹿晓龙, 刘明明

摘要：现有煤矿瓦斯事故预警方法多以基于监测数据的人工防控为主，为了实现瓦斯事故智能化分析预警以及相关知识复用和共享，基于本体和事故树理论，提出构建动态瓦斯事故预警知识库及推理模型，满足各致灾因素时间空间共存约束下的瓦斯事故知识描述和分析预警。构建本体模型及推理规则库，实现从根源危险源到基本事件的隐性知识推理，根据推理所得基本事件和顶上事件关系，计算出动态时空约束下的瓦斯事故顶上事件发生概率及事故等级，最后根据事故等级给出相应的决策支持。试验结果表明，提出的瓦斯事故预警知识库及推理模型，可有效计算各种时空约束下的动态瓦斯事故发生概率，在瓦斯事故知识描述和智能化预警领域做出了有益的探索。

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“孔-井-地”一体化智能钻进系统及关键技术

作者(Author)：雷晓荣

摘要：根据国家出台和发布的一系列能源装备制造、煤矿机器人和煤矿智能化发展等政策和标准的方向性要求，结合煤炭行业智能化开采的发展趋势，在研究我国钻探施工过程中钻探电液参数、钻机姿态参数、钻孔几何参数、钻孔地质参数、工况环境参数测量和控制现状的基础上，针对钻探施工过程中操作、安全和决策控制等实际需求，提出了智能开采“孔-井-地”一体化智能钻进系统的定义和总体框架，介绍了框架的详细组成及节点测量参数，搭建了基于几何-地质-机械-环境全面感知的钻探数据融合的软硬件平台。研究了组成智能钻进系统的关键技术与装备：钻孔测斜技术的测量原理、组成框架和设计方案，伽马参数测量的原理、组成和设计方案，孔中工况参数的组成和采集方案；无线电磁波传输技术的组成框图、传输原理、基于偶极子天线的激励方式以及机械结构；一体化钻机工况参数测量的组成和实现方案；钻场环境感知参数测量与网络摄像头相结合的监测监控技术；基于目视化管理技术的地面可视化大屏电子看板软件系统。技术实现结果表明，系统利用矿井成熟的工业环网系统作为传输介质并结合多种传感器的采集、控制、传输和展示手段，实现“孔-井-地”一体化地面智能控制钻孔体系的思路在技术上是可行的，能为智能化钻进测量体系完善及技术发展提供参考。

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