煤炭生產(chǎn)消費(fèi)技術(shù)可以認(rèn)為包括四個(gè)方面：一是變有人開采為無人開采;二是變物理開采為化學(xué)開采;三是變運(yùn)輸煤炭為輸送電力;四是變化石能源高碳排放為近零排放，甚至是零排放，減輕化石能源對(duì)環(huán)境造成的污染壓力。

　　01距離煤礦智能化開采還有10年

　　時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，讓人們有理由相信，未來機(jī)器人化煤炭開采將應(yīng)運(yùn)而生，采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、液壓支架等采礦裝備都具有智能性甚至是智慧的機(jī)器人，煤炭開采進(jìn)入智能開采的新時(shí)代。

　　從原始的人力開采到機(jī)器人開采，盡管還是人，但“人”已經(jīng)不是原來生物體的人了，而是機(jī)器與智能化的融合體。機(jī)器人化開采源自仿生，未來要走向擬人。掘進(jìn)機(jī)模仿了穿山甲的功能，采煤機(jī)模仿了地鼠挖掘的功能，而帶式輸送機(jī)模仿了蟻群搬家的功能，每個(gè)托輥相當(dāng)于一只螞蟻。要通過人工智能的嵌入或嫁接來實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開采。

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　　從體力化到動(dòng)力化采煤，人類用了約1000年時(shí)間;從動(dòng)力化到機(jī)械化，用了約50年時(shí)間;從機(jī)械化到自動(dòng)化，用了約25年時(shí)間。照此預(yù)測(cè)，人類距離智能化開采的時(shí)間還有10年左右。我們完全有理由相信，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，憑著人類的勤勞智慧，我們很有可能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，至少是在部分礦井上進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉目標(biāo)，關(guān)鍵是靠人才、靠知識(shí)和靠創(chuàng)新研發(fā)。

　　02 邁進(jìn)無人化采礦新時(shí)代是大勢(shì)所趨

　　我國(guó)煤礦平均井深超過700米，而澳大利亞、美國(guó)煤礦平均井深350米。我國(guó)煤炭綠色開采的最大難題是“三高”，即高傷亡、高損害、高排放。實(shí)現(xiàn)零傷亡、零損害、零排放的煤炭綠色開采目標(biāo)，僅靠一般的機(jī)械化開采很難實(shí)現(xiàn)，必須從機(jī)器人化找出路。

　　機(jī)器人化開采是機(jī)器擬人化生產(chǎn)，由多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，具有自主定位、自動(dòng)感知、自適運(yùn)行的功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)采礦過程的數(shù)字化和物聯(lián)化，裝備運(yùn)行的無人化和可視化。機(jī)器人化開采技術(shù)體系，包括了采煤作業(yè)機(jī)器人、無人操作刮板輸送機(jī)、無人值守提升機(jī)以及無人駕駛車輛等。機(jī)器人化開采關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)，包括可視化與建模系統(tǒng)、智能感知與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、井下定位導(dǎo)航技術(shù)、虛擬采礦與仿真控制技術(shù)、生產(chǎn)工況動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)、機(jī)器人化采礦設(shè)備、地面監(jiān)控中心和礦井物聯(lián)網(wǎng)。

　　這是一個(gè)必須抓住的歷史機(jī)遇，機(jī)器人化采礦已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，受到了格外重視。中國(guó)制造2025明確指出，要在一些生產(chǎn)關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)智能化，關(guān)鍵崗位由機(jī)器人替代，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)智能控制，在重點(diǎn)領(lǐng)域建設(shè)智能工廠。具體到煤礦開采，就是要在關(guān)鍵工序上實(shí)現(xiàn)智能化，關(guān)鍵的崗位要由機(jī)器人替代人，開采過程實(shí)現(xiàn)智能控制，把重點(diǎn)礦山建設(shè)成智能煤礦。在不久的將來，智能工業(yè)機(jī)器人等被大規(guī)模應(yīng)用到煤礦開采之中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、開采現(xiàn)場(chǎng)的無人化，等等。

　　國(guó)家煤監(jiān)局發(fā)布了煤礦機(jī)器人機(jī)器技術(shù)體系，分為5類38種，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)率先站在煤礦機(jī)器人的前列。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院揭牌，目的就是要把無人化采礦、機(jī)器人化采煤的目標(biāo)落實(shí)推進(jìn)，付諸于生產(chǎn)實(shí)踐。當(dāng)然，宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不能僅憑高校之力，還需要企業(yè)、科研單位特別是政府的大力支持，共同發(fā)力，形成合力，集中力量辦成這件大事。

　　03煤礦機(jī)器人化開采已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功

　　采煤機(jī)是把煤炭從地下挖出來的最前端、最核心的機(jī)器。采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化，“五調(diào)控”是核心，即調(diào)控截割速度、調(diào)控截割高度、調(diào)控截割軌跡、刮板輸送機(jī)調(diào)直和液壓支架調(diào)直。5個(gè)方面缺一不可，其中任何一個(gè)步驟不實(shí)現(xiàn)智能或者機(jī)器人化，整個(gè)采煤工作面的機(jī)器人化就無從談起。為此，井下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)是重中之重。試驗(yàn)表明，采煤機(jī)可以通過慣性導(dǎo)航的方式實(shí)現(xiàn)定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。下一步，需要進(jìn)一步提高定位精度，減小誤差至5厘米以內(nèi)，甚至更小。

　　機(jī)器人化開采是多機(jī)器人協(xié)同，需要聯(lián)動(dòng)控制、機(jī)群協(xié)同、遠(yuǎn)程感知，構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人操作和機(jī)器人化群組之間的自動(dòng)化運(yùn)行。有了物聯(lián)網(wǎng)，就可以在距離采煤工作面500米左右的地下手持遙控，在采煤工作面1千米范圍內(nèi)的硐室內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至可以到距離采煤工作面10千米以上的地面監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開采的無人值守、遠(yuǎn)程操控。

　　目前，山西一座煤礦已經(jīng)進(jìn)行了機(jī)器人化開采試驗(yàn)。這個(gè)礦年產(chǎn)量1000萬噸，采煤工作面只需6個(gè)人遠(yuǎn)程監(jiān)控和巡檢，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化開采。不久的未來，巷道掘進(jìn)機(jī)器人將形成機(jī)器人群作業(yè)，成為掘、支、錨、運(yùn)四位一體的智能化機(jī)組。

　　04煤炭自動(dòng)運(yùn)到地面正在變成現(xiàn)實(shí)

　　有了挖掘和開采，還需要有運(yùn)輸。從煤炭采下來運(yùn)輸?shù)降孛嬉?jīng)過兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載，二是斜井皮帶提升或豎井鋼絲繩提升。這兩個(gè)環(huán)節(jié)是地下煤炭運(yùn)輸?shù)降孛娴难屎硪?，缺一不可，需要無人操作運(yùn)行、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載和智能安全保護(hù)。

　　蜘蛛吊在樹上的時(shí)候，非常容易就將自己提上去，因?yàn)樗莻€(gè)彈性自適應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)原理，專家們研制出了不確定摩擦約束的超長(zhǎng)鋼絲繩提升穩(wěn)控技術(shù)系統(tǒng)，解決了豎井提升機(jī)器人化的問題。

　　井下帶式輸送機(jī)運(yùn)距很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)五六千米。這么長(zhǎng)的粘彈性輸送帶的自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)非常難。機(jī)頭猶如企鵝行走一樣，任何時(shí)候都不能打滑;機(jī)尾猶如人在拉著橡皮筋拔河，大變形松弛的時(shí)候，要能夠自適應(yīng)拉緊，一旦負(fù)荷變化就立即響應(yīng)調(diào)控張力，實(shí)現(xiàn)智能張緊。這套機(jī)械系統(tǒng)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上需要從粘彈性力學(xué)、摩擦學(xué)、控制理論等方面系統(tǒng)研究，才能獲得技術(shù)支撐。經(jīng)過努力，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)了超長(zhǎng)運(yùn)距智能驅(qū)動(dòng)及張緊系統(tǒng)。目前，驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)1000千瓦，運(yùn)輸能力可達(dá)3000萬噸/年，一條輸送帶的連續(xù)運(yùn)距可達(dá)6000米，建立了井下長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、無人值守的煤炭連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)。

　　在井下，刮板輸送機(jī)既是采煤機(jī)的導(dǎo)軌又是轉(zhuǎn)運(yùn)煤炭的設(shè)備，同時(shí)也是液壓支架的移步支點(diǎn)。在這種情況下，一旦刮板輸送機(jī)發(fā)生故障趴窩，采煤工作面所有工作都要停止。問題在于刮板輸送機(jī)的使用壽命短，影響產(chǎn)量;故障多，影響采煤機(jī)和液壓支架開機(jī)率;軌跡歪，導(dǎo)致采煤機(jī)截割偏離煤層走向。

　　在科學(xué)家與企業(yè)協(xié)同努力下，目前我國(guó)已經(jīng)研發(fā)永磁電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，可以柔性啟停，大大降低了刮板輸送機(jī)的負(fù)載;可以重載牽引，動(dòng)載平衡，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng);節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)高30%以上。同時(shí)，還研制出一種自硬化耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中，越摩擦，表層越硬，磨的次數(shù)越多，硬度增加越高。用這項(xiàng)技術(shù)，軋制出一種越磨越硬的鋼板，用這種鋼板制作刮板輸送機(jī)溜槽，其壽命超過了國(guó)外產(chǎn)品，無維修運(yùn)煤量可達(dá)1500萬噸，創(chuàng)國(guó)內(nèi)外最高水平。

　　煤炭生產(chǎn)消費(fèi)技術(shù)可以認(rèn)為包括四個(gè)方面：一是變有人開采為無人開采;二是變物理開采為化學(xué)開采;三是變運(yùn)輸煤炭為輸送電力;四是變化石能源高碳排放為近零排放，甚至是零排放，減輕化石能源對(duì)環(huán)境造成的污染壓力。

　　01距離煤礦智能化開采還有10年

　　時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，讓人們有理由相信，未來機(jī)器人化煤炭開采將應(yīng)運(yùn)而生，采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、液壓支架等采礦裝備都具有智能性甚至是智慧的機(jī)器人，煤炭開采進(jìn)入智能開采的新時(shí)代。

　　從原始的人力開采到機(jī)器人開采，盡管還是人，但“人”已經(jīng)不是原來生物體的人了，而是機(jī)器與智能化的融合體。機(jī)器人化開采源自仿生，未來要走向擬人。掘進(jìn)機(jī)模仿了穿山甲的功能，采煤機(jī)模仿了地鼠挖掘的功能，而帶式輸送機(jī)模仿了蟻群搬家的功能，每個(gè)托輥相當(dāng)于一只螞蟻。要通過人工智能的嵌入或嫁接來實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開采。

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　　從體力化到動(dòng)力化采煤，人類用了約1000年時(shí)間;從動(dòng)力化到機(jī)械化，用了約50年時(shí)間;從機(jī)械化到自動(dòng)化，用了約25年時(shí)間。照此預(yù)測(cè)，人類距離智能化開采的時(shí)間還有10年左右。我們完全有理由相信，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，憑著人類的勤勞智慧，我們很有可能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，至少是在部分礦井上進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉目標(biāo)，關(guān)鍵是靠人才、靠知識(shí)和靠創(chuàng)新研發(fā)。

　　02 邁進(jìn)無人化采礦新時(shí)代是大勢(shì)所趨

　　我國(guó)煤礦平均井深超過700米，而澳大利亞、美國(guó)煤礦平均井深350米。我國(guó)煤炭綠色開采的最大難題是“三高”，即高傷亡、高損害、高排放。實(shí)現(xiàn)零傷亡、零損害、零排放的煤炭綠色開采目標(biāo)，僅靠一般的機(jī)械化開采很難實(shí)現(xiàn)，必須從機(jī)器人化找出路。

　　機(jī)器人化開采是機(jī)器擬人化生產(chǎn)，由多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，具有自主定位、自動(dòng)感知、自適運(yùn)行的功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)采礦過程的數(shù)字化和物聯(lián)化，裝備運(yùn)行的無人化和可視化。機(jī)器人化開采技術(shù)體系，包括了采煤作業(yè)機(jī)器人、無人操作刮板輸送機(jī)、無人值守提升機(jī)以及無人駕駛車輛等。機(jī)器人化開采關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)，包括可視化與建模系統(tǒng)、智能感知與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、井下定位導(dǎo)航技術(shù)、虛擬采礦與仿真控制技術(shù)、生產(chǎn)工況動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)、機(jī)器人化采礦設(shè)備、地面監(jiān)控中心和礦井物聯(lián)網(wǎng)。

　　這是一個(gè)必須抓住的歷史機(jī)遇，機(jī)器人化采礦已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，受到了格外重視。中國(guó)制造2025明確指出，要在一些生產(chǎn)關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)智能化，關(guān)鍵崗位由機(jī)器人替代，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)智能控制，在重點(diǎn)領(lǐng)域建設(shè)智能工廠。具體到煤礦開采，就是要在關(guān)鍵工序上實(shí)現(xiàn)智能化，關(guān)鍵的崗位要由機(jī)器人替代人，開采過程實(shí)現(xiàn)智能控制，把重點(diǎn)礦山建設(shè)成智能煤礦。在不久的將來，智能工業(yè)機(jī)器人等被大規(guī)模應(yīng)用到煤礦開采之中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、開采現(xiàn)場(chǎng)的無人化，等等。

　　國(guó)家煤監(jiān)局發(fā)布了煤礦機(jī)器人機(jī)器技術(shù)體系，分為5類38種，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)率先站在煤礦機(jī)器人的前列。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院揭牌，目的就是要把無人化采礦、機(jī)器人化采煤的目標(biāo)落實(shí)推進(jìn)，付諸于生產(chǎn)實(shí)踐。當(dāng)然，宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不能僅憑高校之力，還需要企業(yè)、科研單位特別是政府的大力支持，共同發(fā)力，形成合力，集中力量辦成這件大事。

　　03煤礦機(jī)器人化開采已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功

　　采煤機(jī)是把煤炭從地下挖出來的最前端、最核心的機(jī)器。采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化，“五調(diào)控”是核心，即調(diào)控截割速度、調(diào)控截割高度、調(diào)控截割軌跡、刮板輸送機(jī)調(diào)直和液壓支架調(diào)直。5個(gè)方面缺一不可，其中任何一個(gè)步驟不實(shí)現(xiàn)智能或者機(jī)器人化，整個(gè)采煤工作面的機(jī)器人化就無從談起。為此，井下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)是重中之重。試驗(yàn)表明，采煤機(jī)可以通過慣性導(dǎo)航的方式實(shí)現(xiàn)定位和定向，采煤軌跡誤差小于10厘米。下一步，需要進(jìn)一步提高定位精度，減小誤差至5厘米以內(nèi)，甚至更小。

　　機(jī)器人化開采是多機(jī)器人協(xié)同，需要聯(lián)動(dòng)控制、機(jī)群協(xié)同、遠(yuǎn)程感知，構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人操作和機(jī)器人化群組之間的自動(dòng)化運(yùn)行。有了物聯(lián)網(wǎng)，就可以在距離采煤工作面500米左右的地下手持遙控，在采煤工作面1千米范圍內(nèi)的硐室內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至可以到距離采煤工作面10千米以上的地面監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人化開采的無人值守、遠(yuǎn)程操控。

　　目前，山西一座煤礦已經(jīng)進(jìn)行了機(jī)器人化開采試驗(yàn)。這個(gè)礦年產(chǎn)量1000萬噸，采煤工作面只需6個(gè)人遠(yuǎn)程監(jiān)控和巡檢，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化開采。不久的未來，巷道掘進(jìn)機(jī)器人將形成機(jī)器人群作業(yè)，成為掘、支、錨、運(yùn)四位一體的智能化機(jī)組。

　　04煤炭自動(dòng)運(yùn)到地面正在變成現(xiàn)實(shí)

　　有了挖掘和開采，還需要有運(yùn)輸。從煤炭采下來運(yùn)輸?shù)降孛嬉?jīng)過兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)載，二是斜井皮帶提升或豎井鋼絲繩提升。這兩個(gè)環(huán)節(jié)是地下煤炭運(yùn)輸?shù)降孛娴难屎硪?，缺一不可，需要無人操作運(yùn)行、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載和智能安全保護(hù)。

　　蜘蛛吊在樹上的時(shí)候，非常容易就將自己提上去，因?yàn)樗莻€(gè)彈性自適應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)原理，專家們研制出了不確定摩擦約束的超長(zhǎng)鋼絲繩提升穩(wěn)控技術(shù)系統(tǒng)，解決了豎井提升機(jī)器人化的問題。

　　井下帶式輸送機(jī)運(yùn)距很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)五六千米。這么長(zhǎng)的粘彈性輸送帶的自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)非常難。機(jī)頭猶如企鵝行走一樣，任何時(shí)候都不能打滑;機(jī)尾猶如人在拉著橡皮筋拔河，大變形松弛的時(shí)候，要能夠自適應(yīng)拉緊，一旦負(fù)荷變化就立即響應(yīng)調(diào)控張力，實(shí)現(xiàn)智能張緊。這套機(jī)械系統(tǒng)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上需要從粘彈性力學(xué)、摩擦學(xué)、控制理論等方面系統(tǒng)研究，才能獲得技術(shù)支撐。經(jīng)過努力，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)了超長(zhǎng)運(yùn)距智能驅(qū)動(dòng)及張緊系統(tǒng)。目前，驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)1000千瓦，運(yùn)輸能力可達(dá)3000萬噸/年，一條輸送帶的連續(xù)運(yùn)距可達(dá)6000米，建立了井下長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、無人值守的煤炭連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)。

　　在井下，刮板輸送機(jī)既是采煤機(jī)的導(dǎo)軌又是轉(zhuǎn)運(yùn)煤炭的設(shè)備，同時(shí)也是液壓支架的移步支點(diǎn)。在這種情況下，一旦刮板輸送機(jī)發(fā)生故障趴窩，采煤工作面所有工作都要停止。問題在于刮板輸送機(jī)的使用壽命短，影響產(chǎn)量;故障多，影響采煤機(jī)和液壓支架開機(jī)率;軌跡歪，導(dǎo)致采煤機(jī)截割偏離煤層走向。

　　在科學(xué)家與企業(yè)協(xié)同努力下，目前我國(guó)已經(jīng)研發(fā)永磁電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，可以柔性啟停，大大降低了刮板輸送機(jī)的負(fù)載;可以重載牽引，動(dòng)載平衡，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng);節(jié)能效率要比傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)高30%以上。同時(shí)，還研制出一種自硬化耐磨金屬材料。這種材料在與煤摩擦過程中，越摩擦，表層越硬，磨的次數(shù)越多，硬度增加越高。用這項(xiàng)技術(shù)，軋制出一種越磨越硬的鋼板，用這種鋼板制作刮板輸送機(jī)溜槽，其壽命超過了國(guó)外產(chǎn)品，無維修運(yùn)煤量可達(dá)1500萬噸，創(chuàng)國(guó)內(nèi)外最高水平。