高永军副总工程师：柠条塔煤矿多场景作业机器人关键技术研发与集群应用

2025年12月10日 16:14 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

为解决井下辅助作业和煤质监测场景的机器人种类少、智能化不足、可靠性较差等问题，突破井下目标定位识别、重载机械臂高精度控制等巷道辅助作业关键技术，研制多款煤矿井下多场景辅助作业机器人装备，形成煤炭样品全流程智能化采制机器人系统；集成应用成熟机器人装备，形成煤矿智能化机器人集群管控体系，建设数据统一接入、数字孪生监控和机器人分级管控的综合管控与机器人协同管理调度一体化平台。在陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司成功应用，实现了多岗位机器人替代，建成了全国首个全矿井机器人应用集群，矿井的智能化水平、机器人协同调度能力得到明显提高。

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：高永军，现任陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司机电副总工程师，主要从事煤矿机电智能化相关研究工作。 E-mail：15891263345@163.com

作者单位：陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司

引用格式：高永军，贺明利，崔详，等.柠条塔煤矿多场景作业机器人关键技术研发与集群应用[J].智能矿山，2025，6(11)：56-64.

点击文末左下角阅读原文，免费下载阅读pdf全文

关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展

陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司（简称柠条塔煤矿）核定生产能力2 000万t/a，配套1 800万t选煤厂。矿井采用斜井开拓方式，可采煤层7层，保有资源量26.20亿t，可采储量16.45亿t。柠条塔煤矿2020年入选国家首批智能化示范建设煤矿，2022年8月，通过国家能源局全国智能化示范煤矿验收，被评定为I类中级智能化矿井。

柠条塔煤矿在国内首次提出机器人集群的建设理念，致力于打造地面生产决策中心统一控制+井下机器人或智能装备执行的智能化煤矿，在开采、掘进等子系统及煤流、物流等作业线智能化的基础上，在关键工艺、高风险、重体力、非连续线作业岗位应用各类机器人，重点攻关辅助作业类机器人，设计研制煤矿井下多场景辅助作业机器人装备和煤炭样品全流程智能化采制机器人系统，研发智能化煤矿综合管控与机器人协同管理调度的一体化平台，形成煤矿机器人集群应用的“柠条塔模式”，煤矿多场景作业机器人建设总体思路如图1所示。

图1 煤矿多场景作业机器人建设总体思路

煤矿机器人建设难点

根据国家矿山安全监察局2019年1月发布的《煤矿机器人重点研发目录》分类，煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控和救援5类，服务于智能化煤矿的地质、掘进、采煤、主辅运、供电排水等11个子系统。随着矿井智能化的发展和机器人应用种类和数量的增多，存在以下3个方面的问题亟待解决。

（1）当前煤矿机器人以巡检类为主，辅助作业机器人受限于井下作业环境复杂性及防爆要求，高可靠性结构、高精度感知和高灵活性控制技术还未根本突破，抓管、水仓清淤、喷浆、巷道修复等工人数最多、劳动强度最大、环境最恶劣的作业环节还未实现机器人替代。

（2）井上煤质检测过程环节多、精度要求高、标准要求严格，人工检测时间长、质量难以控制，需系统解决煤质检测的定量化、标准化和一致性难题。

（3）传统煤矿机器人的控制模式多为独立配套控制系统，各机器人缺乏统一调度，不适应机器人规模化应用，煤矿机器人涉及到全矿井上下多系统多环节，缺少分层分类管控和协同作业指导体系。

煤矿井下辅助作业机器人关键技术及装备

针对井下喷浆、管道安装和巷道壁修复等用人多、劳动强度大的辅助作业工序，突破井下目标定位识别方法、多自由重载机械臂高精度控制等关键技术；研发喷浆机器人、管道安装机器人、巷道修复机器人和卷缆机器人，同时改进和应用包括巡检机器人、安全监测机器人、清扫机器人在内的多种辅助作业机器人，实现安全高效的辅助作业。煤矿辅助作业机器人如图2所示。

图2 煤矿辅助作业机器人

（1）井下目标定位识别方法

基于多视觉传感器的井下复杂场景目标定位识别方法如图3所示。利用外参计算实现RGB图像、点云的多元信息拼接融合，自动分辨出目标物体的位置信息；同步建立煤矿井下多维特征空间，对目标进行全局特征描述，基于投影映射关系实现目标关键点的抓取，准确定位井下目标。

图3 井下复杂场景目标定位识别方法

（2）重载机械臂高精度控制

开发煤矿多自由度重载机械臂位姿轨迹解算与感知系统，采用2级伸缩配合局部关节型机械手，配合隔爆型编码器、磁致位移伸缩传感器、激光测距传感器等实现机械臂位姿信息的实时感知；开发井下六自由度机械臂路径算法，结合多源信息传感器进行实现运动精确控制，井下六自由度机械臂设计模型如图4所示。

图4 井下六自由度机械臂设计模型

（3）煤矿喷浆机器人

研发集自动上料、搅拌、送料于一体的煤矿喷浆机器人（图5），研发喷浆机器人及自动取料喷射一体化装备，配合喷浆机械臂作业轨迹规划与精准控制等技术。

图5 喷浆机器人

喷浆轨迹规划与精准控制如图6所示，实现巷道喷浆过程的自动上料、自主轨迹规划与自动喷涂。应用实践表明，喷浆机器人自动喷浆回弹率≤20%，浆液厚度一致性≥80%，提高了喷浆作业质量，较原有作业工艺减人3～4人。

图6 喷浆轨迹规划与精准控制

（4）井下管道安装机器人

研发1种实现管路自动抓取对位的煤矿井下管道安装机器人（图7），管路安装机器人液压机械臂精准控制技术架构如图8所示，实现了复杂工况下的管路识别定位及液压机械臂压力反馈联动控制，保障管路牢固抓取。

图7 管路安装机器人

图8 管路安装机器人液压机械臂精准控制技术架构

应用实践表明，抓管机器人抓取管路直径范围80～200 mm，最大举升高度3.5 m，最大抓举质量≤0.5 t，作业人员由5～8人减到3～4人。

（5）巷道修复机器人

研发运载平台-机械臂协同作业的巷道修复机器人，巷道修复机器人如图9所示。巷道修复机器人具有巷道变形快速检测、作业区域自动识别、作业流程自动控制，并可进行多种修复工具便捷更换等特点。

图9 巷道修复机器人

巷道修复机器人作业流程如图10所示，通过对激光扫描和视觉信息的融合分析，依据作业工艺自主决策控制执行机构动作，实现自主扩帮、水沟掏槽、巷道起底、破碎等作业内容。

图10 巷道修复机器人作业流程

应用实践表明，巷道修复机器人扩帮高度≥3 m，扩帮深度≥0.5 m，起底深度≥0.2 m，作业人员减少3～4人。

煤炭样品全流程智能化采制及机器人系统

为提高样品采制效率和煤质分析结果的精确性，开发煤炭样品全流程智能化采制系统；为实现煤炭样品全流程智能化采制，研制固体颗粒物料样品采集的多轴机器人；为提升不同硬度煤炭一次性破碎效率，研发固体矿物破碎自感知与自反馈装置。

（1）煤炭样品全流程智能化采制系统

开发煤炭样品全流程智能化采制系统如图11所示，一体式制样单元如图12所示，将采样和制样环节直接联通，并采用无输送带式的输送方式，解决了当前传统采样、制样工艺流程分开且需要远距离输送的问题；优化设计煤炭样品采制控制机构，减少了机构驱动设备数量，实现了煤炭样品采集和破碎的工序同步，提高了采制效率。

图11 煤样全流程智能化采制系统

图12 一体式制样单元

（2）多轴机器人

用于固体颗粒物料样品采集的多轴机器人如图13所示，在机器人支撑框架上增设了自动螺栓拧紧机构，使多轴机器人进行位置角度的转动时，可拧紧松动的螺栓，改善机器人长期运行的稳定性；优化多轴机器人断电转动限制机构，在外界设备故障发生断电情况时，及时对机器人转动臂之间的转动进行限制，保证了断电前后机器人的重复定位精度，实现了煤炭样品自动安全稳定抓取；配套可基于温度进行自动润滑的多轴机器人关节，降低了机器人关节长时间工作磨损。

图13 多轴取样机器人

（3）固体矿物破碎自感知与自反馈装置

为解决煤炭样品在破碎过程中容易出现的粒度偏大、堵破碎设备等难题，研发固体矿物破碎自感知与自反馈装置，固体颗粒物料样品采集装置如图14所示。

图14 固体颗粒物料样品采集装置

通过实时感知原料信息、破碎机转动情况，针对不同物理化学性质的煤炭样品设置定制化运行参数，实现了单位时间破碎腔物料质量恒定，提升了大颗粒或湿粘样品一次性破碎效率，改善了煤质检测取样过程中的样品数量和质量，保障了化验结果的准确度。

综合管控与机器人协同管理一体化平台

针对机器人集群统一管控的问题，柠条塔煤矿建设了国内外首个智能化煤矿综合管控与机器人协同管理调度一体化平台。应用对象化管理的机器人数据采集组件，统一不同平台及系统数据通信协议，打通机器人个体间信息交互壁垒；针对煤矿机器人场景的数字孪生监控系统，形成面向矿区生产的八大机器人群场景，创新与集成成熟机器人82台/套，实现机器人群组协同。

（1）一体化平台建设

智能化煤矿综合管控与机器人协同管理调度的一体化平台如图15所示，以一体化大数据中台为支撑，打通机器人数据、生产控制系统数据、安全监控数据及管理数据，形成“一支撑一平台六中心”的智能化综合管控应用架构，实现了矿井各业务系统的统一管控与机器人集群化作业。

图15 智能化煤矿综合管控与机器人协同管理调度的一体化平台

（2）机器人数据统一接入

研发对象化建模的数据采集组件，实现机器人统一接入。机器人数据统一接入与快速扩展如图16所示，基于OPC UA技术研发通信协议自适应转换数据交互中间件，并将各物理机器人进行公有属性虚拟对象化管理，构建面向煤矿机器人的信息模型，绑定集成包括本体、姿态、环境感知、电量、操控等统一属性的机器人对象化模型，实现机器人数据统一接入与快速扩展。

图16 机器人数据统一接入与快速扩展

（3）数字孪生监控系统

结合矿井三维地质模型，构建场景化的煤矿机器人三维模型，并根据机器人作业工艺及数据模型构建部件级虚实驱动关系，建立虚实双向通信链路及多机器人独立通道，实现煤矿井下机器人作业空间全要素表达、作业过程仿真呈现及远程控制。煤矿机器人孪生监控系统界面如图17所示。

图17 煤矿机器人孪生监控系统界面

（4）机器人分级管控

构建面向矿区生产和安全的八大机器人群，集成应用煤矿机器人82台/套，面向矿区生产和安全的八大机器人群如图18所示。按照“群间任务调度，群内任务编排，突发任务触发”的机器人群分级管控策略，将机器人作业纳入煤矿安全生产综合管控业务，实现平台与群、群与群、群与机器人之间的一体化融合协同体系。

图18 面向矿区生产和安全的八大机器人群

应用效果

多场景作业机器人已在柠条塔煤矿全面推广应用，涵盖采煤、掘进、运输系统巡检、智能仓储、辅助作业、固定场所巡检、消防救援和地面服务等八大场景，相关机器人覆盖了《煤矿机器人重点研发目录》5大类，合计约82台/套。

通过应用多场景作业机器人，智能综采工作面生产班单班岗位人员减少至5人以下，工人平均作业时间大幅减少；快速掘进机器人群，单进达到80 m/天，月进尺1 500 m/月；通过系列辅助机器人群的建设，井下管路安装、喷浆作业、巷道修复、巷道冲尘、电缆卷放、道路清扫、井上煤质监测等场景实现机器人化作业。

柠条塔煤矿主煤流系统实现了煤质在线监测、分析及机器人自动巡检，实现了一键顺煤流、逆煤流启停，带式输送机实现变频软启动及智能调速运行；机器人集群平台的应用使整个矿井的智能化水平、机器人之间的协同调度能力得到明显提高，目前累计减人/换岗55人以上，为产能由1 800万t/a向2 000万t/a的增长提供了有力支撑。

结语

当前，机器人集群理念已被行业广泛认同，相关成果在榆神矿区和陕煤集团同类大型矿井开始推广应用，带动了相关企业和科研院所对平台和机器人开发热潮，以及对巷道辅助作业机器人的研发投入。在此基础上同时进行智能化煤矿综合管控与机器人集群调度一体化平台建设，实现机器人集群化智能运行，成为煤矿智能化建设的未来方向。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录8种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团有限公司主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

主编：王国法院士

刊载栏目：企业/团队/人物专访政策解读视角·观点智能示范矿井对话革新·改造学术园地、专题报道等。

投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

👉 征稿函详见链接： 征稿┃《智能矿山》面向广大读者征稿，欢迎投稿

期刊成果：创刊5年来，策划出版了“中国煤科煤矿智能化成果”“陕煤集团智能化建设成果”“聚焦煤炭工业‘十四五’高质量发展”等特刊/专题30多期。主办“煤矿智能化重大进展发布会”“煤炭清洁高效利用先进成果发布会”“《智能矿山》理事、特约编辑年会暨智能化建设论坛”“智能矿山零距离”“矿山智能化建设运维与技术创新高新研修班”等活动20余次。组建了理事会、特约编辑团队、卓越人物等千余人产学研用高端协同办刊团队，打造了“刊-网-号-群-库”全覆盖的1+N全媒体传播平台，全方位发布矿山智能化领域新技术、新产品、新经验。

👉 具体详见链接：《智能矿山》创刊5周年回顾

联系人：李编辑 010-87986441

邮发代号：82-476

👉 期刊订阅详见链接：欢迎订阅┃《智能矿山》杂志2026年订阅开始了！

往期荐读