山东鲁班机械科技总经理宋峰：煤矿水仓清理智能化整体解决方案及成套装备研发应用

2025年12月05日 12:06 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

煤炭工业的快速发展，智能化煤矿水仓清理工作的重要性日益凸显。针对传统的人工清理方法劳动强度大、效率低、环境污染严重等问题，提出了煤矿水仓清理智能化整体解决方案，研发了包括清运机器人、煤矿用清仓机、固液分离设备、矿用上料机在内的成套装备，旨在提高煤矿水仓清理的效率、保障施工人员的安全以及减少环境污染。笔者深入研究与分析煤矿水仓清理智能化整体解决方案的技术特点、工作流程、主要优势以及实际应用效果，并与其他清理方法进行了比较，以期为煤矿水仓清理技术的现代化提供参考。

文章来源：《智能矿山》2025年第11期“矿山机器人技术创新与实践特刊”

第一作者：宋峰，高级工程师，“国家万人计划” 领军人才，现任山东鲁班机械科技有限公司总经理，主要从事应急救援智能装备和矿山机器人等研究。 E-mail：cbl95599@sina.com

通信作者：胡而已，博士，研究员，主要从事智慧应急、矿山智能化、智能传感与机器人等技术研究。E-mail：horyhu@126.com

作者单位：山东鲁班机械科技有限公司；齐鲁工业大学（山东省科学院）；山东省科学院自动化研究所；应急管理部信息研究院

引用格式：宋峰，陈泓羲，马争光，等.煤矿水仓清理智能化整体解决方案及成套装备研发应用[J].智能矿山，2025，6(11)：47-55.

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煤矿水仓是保证煤矿生产安全、预防矿井水灾的重要设施，主要有存集涌水、沉淀煤泥和排放废水的功能。但在煤炭开采过程中会产生大量废水和煤泥，此类悬浮颗粒最终会在水仓中堆积造成淤堵。如果不能及时有效地清理水仓，将会影响排水系统的安全运行及水仓防涌水能力。因此，需要定期清除煤矿水仓的淤泥，以保证水仓的高效运行。

目前，煤矿水仓清理技术主要为人工清淤、机械化清淤、柱塞排污泵清淤和振动筛清淤。人工清淤简单，但劳动强度大、危险度高、清挖周期长，且无法彻底清除淤泥；机械化清淤减轻了工人负担，但设备复杂、清理效果不佳，在巷道内移动受限；柱塞排污泵清淤效率高，但需配套地面污水处理系统，对管路系统要求高；振动筛清淤能分级处理淤泥，但对细小颗粒清理不彻底。在煤矿水仓清理领域，机器人技术的应用面临多重技术挑战。

（1）由于矿井环境中可能存在易燃气体，清仓机器人必须配备严格的防爆设计，以确保在复杂环境中的安全运行。

（2）煤矿水仓内的泥泞、积水和狭窄空间对机器人的作业能力提出了更高的要求：机器人必须具备足够大的牵引力和高机动性，同时配备先进的智能传感技术以实现精准的自主导航和路径规划。

（3）机器人的研发还需解决稳定的井下通信、实时安全健康监测等技术难题，以确保系统的高可靠性与易维护性。

笔者将煤矿水仓清理主机及智能控制台等多种设备集成为一体，通过机器人与机械设备的配合，实现了煤矿水仓清理的自动化和智能化，解决了传统清理方法中的诸多问题，提高清理效率和安全性、减少环境污染。

煤矿水仓清理智能化系统工作流程

煤矿水仓清理系统主要由清运机器人、煤矿用清仓机、固液分离粗滤设备、固液分离精滤设备、矿用上料机以及智能控制台等关键部分组成。煤矿水仓清理系统各组成部分协同作业，共同完成水仓清理任务。煤矿水仓清理系统工作流程如图1所示，煤矿水仓清理系统示意如图2所示，煤矿水仓清理智能化系统的工作流程包括以下3个方面。

图1 煤矿水仓清理系统工作流程

图2 煤矿水仓清理系统示意

（1）煤矿水仓清理系统各组成部分通过无线或有线和智能控制台通信连接。开始工作时，2台清运机器人在水仓内部协同作业；水仓深处的清运机器人依靠配备的激光雷达及超声波传感器等多传感器信息融合，感知巷道壁特征自主行走到预设位置，通过液位传感器的数据，实现对清运机器人工作臂的角度调整，使旋转的工作装置时刻对水仓深处的煤泥进行搅拌，改善煤泥流动性。

（2）另外1台清运机器人根据预设路线，在水仓深处的清运机器人和清仓机间往返运动，把可流动的煤泥推向清仓机方向。清仓机在水仓口将清运机器人推来的煤泥进行集料，并通过管路将煤泥远程泵送到后端的固液分离设备。

（3）固液分离设备包括粗滤设备和精滤设备。粗滤设备采用2级振动和旋流处理方法，将煤泥中较大颗粒分离，剩余煤泥进入精滤设备，通过高速离心螺旋沉降，方式分离出较小颗粒，分离出来的煤泥颗粒分别由上料机转运至输送带或者其他运输设备。固液分离设备管路配备有压力传感器，智能控制台根据压力信号可以调节清仓机的集料速度和泵送量，保证系统平稳连续运行。

通过系列自动化流程，煤矿水仓清理系统可提升煤泥清理的效率和安全性，减少环境污染，实现煤矿水仓管理的现代化和智能化。

煤矿水仓清理智能化系统设备技术特性

2.1 清运机器人

清运机器人采用可拆分设计，整机可拆分为前端作业装置、履带车架和动力装置（防爆柴油机）等关键部分。可分拆结构便于下井和运输，确保机器人在煤矿水仓中作业及维护高效性和安全性。清运机器人设计模型如图3所示，清运机器人实物如图4所示。

图3 清运机器人设计模型

图4 清运机器人实物

清运机器人的主要技术参数见表1，包括适应水仓断面规格、最大涉水深度、对底板比压等关键技术指标，为清运机器人的实际应用提供技术参考。

表1 清运机器人主要技术参数

（1）清运机器人采用左右分体式履带车架，整机质量为6 000 kg，履带设计宽度为280 mm。该设计减小了清运机器人在煤泥中行走阻力，保证整机的灵活性和通过性。

（2）防爆柴油机是清运机器人的驱动核心，为电启动方式，柴油机在最大转速为2 200 r/min时，功率输出为60 kW，满足清运机器人的动力需求；柴油箱容量为160 L，保证清运机器人长时间工作。

（3）清运机器人的液压系统由变量柱塞泵、负载敏感比例电磁阀、行走马达、曲轴连杆式径向柱塞马达、液压油缸等部件组成。通过负载敏感比例电磁阀控制液压油缸平稳精确地实现工作臂的起升和下落。600 cc曲轴连杆式径向柱塞马达转矩大、结构简单，用来驱动搅拌装置以60 r/min的速度在煤泥中旋转。该驱动方式与机器人稳定行走功能相结合，推动煤泥水从水仓中流动到水仓口，为后续的集料和泵送作业提供便利。

（4）清运机器人的智能控制系统主要由主机控制电脑板、动力装置监测控制模块、作业装置监测控制模块和MESH自组网模块组成。利用激光及超声波传感器等多传感器信息融合感知巷道壁特征，实现机器人的精确定位。通过实时采集动力装置和作业装置的工作状态数据，基于超声波衰减检测技术感知水仓煤泥的清淤状态，结合电液比例自动控制技术，实现机器人的自主行走和合理避障，完成整机的自动化作业。

（5）主机控制电脑板负责系统的核心运算，处理来自各传感器的数据，具备急停、断电和程序监测功能，确保作业安全。

（6）动力装置监测控制模块和作业装置监测控制模块分别负责监控动力系统和作业执行情况，通过对工作状态的实时监控和分析，提升系统的稳定性和作业效率。

2.2 煤矿用清仓机器人

煤矿用清仓机器人设计目的为提升煤泥水的收集和远程输送效率，煤矿用清仓机器人设计模型如图5所示，煤矿用清仓机器人实物如图6所示。

图5 煤矿用清仓机器人设计模型

图6 煤矿用清仓机器人实物

清仓机器人的主要技术参数见表2，包括油泵类型、最大泵送量、泵送压力、集料螺旋和输送螺旋的转速，以及机器人在水平和垂直方向上的直线泵送距离，表征了清仓机器人在煤泥水收集、输送效率方面的高效性。

表2 清仓机器人主要技术参数

（1）清仓机的动力是1台75 kW/1 480 r/min的防爆电动机，驱动串联的变量柱塞泵和齿轮泵为整机提供液压能。

（2）液压系统通过比例电磁阀驱动绞笼马达，带动前端螺旋，将煤矿水仓淤积煤泥向中间集料；驱动输送马达带动输送螺旋，将收集到的物料向后输送到泵送机的料斗中；用泵送机通过管路将煤泥远程输送到煤泥水固液分离装置，进行进一步处理。

（3）泵送模块是煤矿用清仓机器人的关键组成部分，远程泵送煤泥到固液分离装置。将液压能转换为机械能，为煤泥远程高效输送提供动力。泵送系统包括泵送油缸、物料缸、摆动油缸、搅拌装置、分配阀、料斗、水洗箱和出料口等多个部件。

分配阀换向前如图7所示，分配阀换向后如图8所示，在液压阀和液压油的配合下，泵送油缸执行往复动作，摆动油缸则驱动分配阀进行换向，完成物料在物料缸内的排出或吸入。为满足复杂环境下煤泥水远距离运输的需求，泵送模块设计泵送压力为12 MPa，最大泵送量为30 m³/h，水平直线泵送距离为500～600 m，垂直直线泵送距离为80～120 m。泵送模块具备反泵功能，应对物料堵管情况，确保泵送过程的连续性和稳定性。

图7 分配阀换向前

图8 分配阀换向后

（4）前端辅助作业机构模块是煤矿用清仓机器人的重要组成部分，提供辅助挖掘和破碎功能。油缸控制的前端挖掘臂将煤泥从水仓地板、片帮以及顶板喷浆层等区域挖取至集料绞笼前方，掏挖清理范围广泛，高度从-1.35 m延伸至3.8 m，宽度最大为4.5 m，提升了集料速度。由于挖掘臂的前伸处理，增加了煤泥流动性，有效防止了煤泥坍塌，保障了作业的安全。该模块可选装的破碎装置对水仓地板起鼓、片帮以及顶板喷浆层散落的碎料可有效破碎，确保煤泥清理作业的安全性和高效性。

2.3 煤泥水固液分离装备

煤泥水固液分离装备将煤泥水中的煤泥渣与液体分离，以有效回收煤泥，减少资源浪费和损耗、减轻对环境负担。该装备主要分为固液分离粗滤设备、固液分离精滤设备。

（1）固液分离粗滤设备

固液分离粗滤设备将清仓机器人远程泵送的煤泥浆进行初步固液分离，处理掉煤泥浆中的大颗粒物质，减少后续煤泥水精细分离的负担。固液分离粗滤设备设计模型如图9所示，固液分离粗滤设备实物如图10所示。

图9 固液分离粗滤设备设计模型

图10 固液分离粗滤设备实物

固液分离粗滤设备的主要技术参数见表3，包括入料粒度、分离粒度、渣料最大含水率、振动电机额定电压、振动电机振动频率、粗筛和细筛规格、水力旋流器处理量，固液分离粗滤设备在煤泥水固液分离过程中，实现高效、可靠的分离效果。

表3 固液分离粗滤设备主要技术参数

固液分离粗滤设备通过进料口接收清仓机器人远程泵送的煤泥浆，利用振动筛的下层粗筛（筛孔大小1～50 mm）进行初步固液分离，将粒径较大的渣料分离出来，剩余的煤泥稀浆被收集到收集箱中。

立式渣浆泵从收集箱内抽吸筛选后的煤泥稀浆，通过离心加速加压，沿管路送入水力旋流器进行二次分选。在水力旋流器中，煤泥浆通过旋转流动和离心力的作用进行固液分离。较大粒径的泥沙在旋流器底部被排出，并通过上层的细筛（筛孔为0.075～1 mm）重新回到收集箱中进一步处理。含有微细颗粒的煤泥水从水力旋流器中间溢流口排出，此部分煤泥水根据具体要求送达固液分离精滤设备进行精细化处理，或者直接排出。固液分离粗滤设备的处理量为15～40 m³/h，满足不同规模煤矿水仓清理的需求。

（2）固液分离精滤设备

固液分离精滤设备是螺旋卸料沉降式离心机，对经过初步粗滤处理的煤泥水进行更精细的固液分离。固液分离精滤设备设计模型如图11所示，固液分离精滤设备实物如图12所示，设备主要由转鼓、螺旋输送器、差速器以及轴承座、罩壳和机座等部件构成。

图11 固液分离精滤设备设计模型

图12 固液分离精滤设备实物

固液分离精滤设备的主要技术参数见表4，包括入料粒度、分离粒度、转鼓最高转速、分离因数、处理后尾水含固率、传动方式等，实现了固液分离精滤设备在固液分离过程中高效率、低含固率的尾水排放。

表4 固液分离粗滤设备主要技术参数

在固液分离精滤设备的工作过程中，煤泥水首先通过进料口进入设备，转鼓开始高速旋转产生强大的离心力。煤泥水中的固相颗粒在离心力的作用下被推向转鼓壁，形成固体层，液相密度较小，离心力影响较小，形成液体层靠近转鼓中心。

利用螺旋输送器与转鼓之间的速度差异，固体层的污泥被逐渐推向转鼓的锥形部分。在转鼓的锥形区域，污泥经过压榨和干燥处理，并通过锥形部分的出口连续排出。液体层中的液体在重力作用下，从转鼓较宽一端的溢流口连续流出，产生清澈的分离液。固液分离精滤设备的处理能力为25 m³/h，处理后尾水的含固率<0.8%，确保排放的水质符合环保标准。

2.4 矿用上料机

矿用上料机为多功能设备，适用于多种轨距，实现移动和手动液压升降的螺旋输送转载机构。矿用上料机设计模型如图13所示，矿用上料机实物如图14所示，设备主要由螺旋输送绞笼、料斗、底架、手动液压泵、手动液压油缸、电机和减速机以及工矿轮对等部件组成。

图13 矿用上料机设计模型

图14 矿用上料机实物

上料机主要技术参数见表5，包括输送量、物料颗粒度、输出转速、螺旋尺寸、输送长度和电机额定功率，在上料过程中实现高效、稳定的物料输送。

表5 上料机主要技术参数

在工作过程中，矿用上料机通常布置在运输巷中，将固液分离粗滤设备及精滤设备分离出的煤泥，通过螺旋输送装置被提升到1.35 m至2.0 m的高度，并从出料口释放到下方输送带输送机上。输送带输送机与矿方的运输巷相连，将煤泥运输至煤仓。该设备的输送能力为20 m3/h，输出转速为82±2 r/min，确保煤泥的高效输送。

煤矿水仓清理智能化系统实际应用与效益分析

3.1 煤矿水仓清理智能化系统实际应用

煤矿水仓清理智能化系统备已成功取得煤安认证，并已在华能庆阳煤电有限责任公司核桃峪煤矿（简称核桃峪煤矿）中央水仓进行了现场应用。核桃峪煤矿中央水仓由3个水仓组成，总容量为10 770 m，该煤矿涌水量大，夹带更多煤泥，碎石颗粒及各类杂物，造成3个水仓快速淤堵，每年至少需要4次清理。煤矿水仓清理智能化系统在核桃峪煤矿进行了实际应用，煤矿水仓清理智能化系统现场应用如图15所示。

图15 煤矿水仓清理智能化系统现场应用

（1）煤矿清仓机在水仓口运行，前端集料螺旋收集煤泥水混合物，通过清仓机的螺旋输送筒运至泵送机构料斗，泵送机构将料斗中的煤泥水混合物泵送至500 m外的振动筛。

（2）煤泥水经过振动筛的第1级筛网（20目）进入储料箱，经螺旋泵加压至上方旋流装置，旋流器旋出的稍细的颗粒料落至第2级筛网（60目），2级筛网筛出的颗粒料落至上料机的进料口。

（3）旋流器溢流的料通过软管输送至固液分离机，固液分离机的螺旋输送器和转鼓以相反的旋向高速转动，把细小颗粒连续过滤至上料机的进料口。

（4）振动筛分离出的大颗粒和固液分离机分离出的小颗粒通过上料机转至输送带输送机，固液分离机分离出的达标水随管道流回其他水仓。

（5）煤矿水仓清理智能化系统连续运行，水仓整体液位下降，自然流动的煤泥水已经无法满足清仓机的处理量，此时智能控制台下达指令，1台清运机器人自行深入至距离水仓约50 m位置搅拌煤泥水，另1台清运机器人在清运机器人和清仓机器人之前往返将流动性提高的煤泥水推送至水仓口以供清仓机处理。

（6）随着水位的再次下降，清运机会继续深入，直至水仓的煤泥水清理完毕。

煤矿水仓清理的智能化系统通过整合水仓清淤、远程管道输送、固液分离以及煤泥运输等环节，满足了核桃峪煤矿高频率的清理需求，通过管路进行淤泥的远程输送，避免了在巷道中的污染，而且在井下直接进行固液分离和精细处理，实现了资源有效回收，充分证明了在实际煤矿环境中的应用价值。

煤矿水仓清理的智能化系统解决了传统清仓机在作业过程中，需要人工续接泵送管路和拖拽电缆的问题，减少了人力和时间成本，实现了水仓清理的智能化和无人化。与传统人工清理方法相比，在成本和效率上具有明显优势，为煤矿创造巨大的社会效益和经济效益。

煤矿水仓清理的智能化系统总体技术参数见表6，包括清运机器人作业能力、清仓机的处理能力，以及煤泥水固液分离装置的分离效率等关键指标，展示了清运机器人智能化系统核心组件性能。

表6 煤矿水仓清理智能化主要技术参数

3.2 煤矿水仓清理智能化系统效益分析

在核桃峪煤矿中央水仓的应用实践中，提升了水仓清理的工作效率，降低了清理成本。单次水仓清理成本数据对比见表7，表明采用智能化系统前后在水仓清理效率和成本上的差异。

表7 单次水仓清理成本数据对比

在引入煤矿水仓清理智能化系统之前，核桃峪煤矿的中央水仓清理工作主要依赖于人工操作。每班需要8人，每日2班，共计16人参与清理，日清理速度为90 m，清理过程实际耗时160天。人工费用总计为76.8万元，油费39万元，外包运输队费用11万元，设备外总成本为126.8万元。

采用煤矿水仓清理智能化系统之后，水仓清理工作人数每班减少至2人，每日总人数减少至4人，清理速度显著提升至每日为480 m3，水仓清理实际完成时间缩短至24天，设备外总成本仅为2.88万元。

表7数据表明，采用煤矿水仓清理智能化系统后，单次水仓清理的人工费用从76.8万元降低至2.88万元，节省了123.92万元。核桃峪煤矿中央水仓每年至少需要清理2次，每年可节省的费用高达495.68万元。同时，系统减轻了矿工的劳动强度、保护了矿内环境，解决了煤矿井下水仓清理周期长、隐患多、安全压力大、污染环境等系列问题。

截至2024年5月，煤矿水仓清理机器人系统已在核桃峪煤矿平稳运行30个月，在水仓内最大作业速度为0.78 m/s，障碍物跨越高度最高为300 mm，涉水深度超过1.2 m。系统整体及中继装置开机率为98%，行走系统与清洁机构可应对煤矿水仓内各种复杂地形和恶劣工况，无线通信稳定，作业期间无任何安全事故或设备碰撞情况发生。

煤矿水仓清理机器人系统的应用降低了水仓清理的劳动强度，减少了矿工进入高危区域风险，与传统人工清淤相比，作业效率提高了4倍，费用成本缩减了80%。

结语

煤矿水仓清理智能化整体解决方案，通过整合多种先进设备，形成了高效协同作业体系，实现了煤矿水仓清理的自动化与智能化。系统在核桃峪煤矿成功应用，通过与传统的清理方法数据对比，证明了其显著的实用性和经济性。同时，在应用过程中也发现了系统设备数量多不便于井下运输布置，设备间协同还存在提高的空间。提高多种设备整合集成将是本系统研究的重点方向，在下一代设备开发时，结合煤矿井上远程控制技术，实现井下无人作业。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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