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葛世荣:距离煤矿智能化开采还有10年
发布时间:2019-07-24浏览:317次

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

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。


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538种,标志着中国已经率先站在煤矿机器人的前列。今年41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。

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。


新闻来源:煤博士


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