机械手在煤矿开采中的自动化应用

摘要：随着科学技术的高速发展，煤炭工业正在进行着一次深度的智能革命。煤炭是我国主要的能源资源，其开发利用的有效性和安全性对保障国家的能源供给以及国民经济的发展具有重大意义。传统的煤炭生产模式存在着生产效率低、安全风险高、劳动力密集等问题。随着自动化技术、人工智能和物联网等技术的发展，矿井采掘机械臂的使用正逐步形成驱动工业革命的重要动力。机械臂具有操作精确、作业效率高、可编程柔性好等优点，为矿井的安全运行提供新的契机，它将使煤炭行业从传统的劳动力密集型转变为科技密集型的生产方式。

关键词：机械手；煤矿开采；自动化应用

近几年，煤炭工业在实现智慧采矿的过程中，已经有了长足的进步。根据有关研究表明，在矿井中采用自动和智能的方法，可以使矿井的生产效率提升30%，而安全事故发生率下降20%左右。其中，机械手的使用越来越受到人们的重视。比如，采用机器视觉技术设计的多机械手手臂式煤矸石分选机械手，可实现50-260 mm范围内的煤矸石高效快速分选，大幅提升分选效率与准确性。另外，随着综采工作面自动控制和采煤机自动控制等自动控制技术的进步，使得机械臂在矿井生产中得到广泛地应用。

一、机械手在煤矿开采中的核心应用场景

（一）井下危险环境作业替代

在矿井生产中，机械臂是代替手工操作人员深入危险作业区域的重要设备。如煤矿井下煤矿研制一种新型抗爆式液压机械臂，实现瓦斯含量低于1%时的预警，实现支护工作的全过程。如山东能源唐口矿采用KJZ-240自动机械臂，在800 m的深井中，顺利地安装36套液压支架，彻底避免手工下钻采空区的危险。针对透水灾害，由中国煤炭科学集团太原研究所研发的“快闭式”自动封闭机械手，采用高压灌浆与钢板支撑相结合的方式，可实现5分钟以内的封闭工作，比以往手工工作40多分钟。本研究成果已被工信部《煤矿井下应急救援装备配置标准》（AQ 1088-2025）《华北矿井突水灾害应急救援预案》中，取得了较好的效果[1]。

（二）智能化开采系统协同

机械手与智能采煤设备的深度协作，重构煤炭生产全过程。山西煤炭集团公司斜沟矿采用一种新型的自动清矸系统，该系统采用机械手视觉技术，并与采煤机进行了人机交互，利用激光扫描及浓度辨识技术，对矸石进行自动分类，并对其进行分类。根据“2025年”的实际测试结果，本系统的分类效果为每分钟3吨，错误率只有0.8%，比手工的高出15倍。中煤科工研发出了一种具有6个自由度关节及耐磨抓钳的 S型履带自动恢复机械臂，可实现胶带自动定位及暂时扣紧。经陕煤集团张家峁矿井现场使用，事故处置周期从原来的120分钟到18分钟，每年可为企业挽回经济损失2000多万。

（三）设备维护与应急处理

在装备维修方面，机械手具有明显的技术优越性。国能神东煤矿有限公司所研制的新型六向齿轮更换机械手，是一种集合力控制与可视化于一体的智能机械手，能够准确地辨识出截割头的磨损状况。在使用中，首先利用三维扫描技术，构建齿轮的三维空间坐标，然后对老的齿轮进行了0.1毫米的拆卸，新的齿轮的装配，不需要停机。经实际测试，该方法可将一套齿轮的换刀时间从4个小时缩短到30分钟，换刀时间增加40%。在紧急情况下，由中国矿业大学研制的抗热消防机械手，可实现800° C低温长时间工作30 min，采用液氮回路对核心部位进行防护，喷雾射程可达到15 m。“内蒙古乌海矿井发生3个火点灭火”，被国家应急管理部评为“矿井抢险十项重大技术装备”[2]。

二、机械手自动化应用的技术突破与实施路径

（一）关键技术攻关

煤矿机械臂的关键是实现了防爆和精确控制的有机融合。我国于2025年颁布的 GB/T3836-2025中，对矿井作业臂要求使用防爆伺服马达，并要求其壳体能够经受1.5 MPa的内爆压力。如徐工公司最近开发的XGZ-300型机械臂，其马达线圈表面镀有特种陶瓷涂料，可以在高达9.5%的甲烷气体中长期稳定运行。将5 G网络和 UWB网络相结合，采用机械手臂末端的无线传感器，在200 m范围内布置1个定位锚，结合机械手臂末端的无线传感器，达到3 cm的精确位置。现场试验结果表明，在陕煤张家峁矿井等复杂矿井条件下，臂式液压支架的翻覆位置测量精度只有4.8 mm，基本达到《煤矿井下机械手安全技术要求》（AQ 2049-2025）中的相关标准。

（二）系统集成方案

由于采用“数字化孪生”的概念，使得机器臂的控制有一个巨大的进步。在陕煤榆林煤矿建设的智慧矿井系统中，实现2000余处的数据采集，实现对矿井运行状态的实时绘制。该机械手臂控制系统利用Unity3D技术建立双头机械手的数字化孪生体，以50毫秒一次的速度进行姿态信息的实时更新，并通过VR装置实时观测机械手的运动轨迹。针对多机械手协作，采用蚂蚁算法将六个机械臂的轨迹规划问题转换成一个TSP 问题，采用基于信息素模型的智能决策方法，实现煤炭分选效率提高27%。在整合过程中，尤其注意界面的规范化，通过使用OPC UA网关将机械手的Modbus-TCP通信协定与当前PLC的控制系统进行了数据交换，保证了1000个数据点/秒钟的可靠传送[3]。

（三）人员培训与安全管理

虚拟现实技术训练是对操作人员进行评估必不可少的手段。按照2025年七月的统计，目前已经有286个矿井装备了虚拟现实技术训练。中国矿业大学研制的MX-200仿真训练系统，由用户在操作平台上进行17种典型的故障情景，其中编码器校验和谐波减速器的安装调试等操作测试是必不可少的。在操作安全性上，基于毫米波雷达和 ToF相机的结合，一旦有人靠近机械手2米以内，该装置将启动减速命令，0.5米以内自动停车。一家电力公司的数据表明，这项新的操作臂故障发生率降低了83%。到2025年，国家矿山机械手操作人员资格考试的通过率将比去年提高15%，虚拟现实仿真测试分数将达到40%。

（四）经济效益与行业推广

安徽淮北煤矿对该机械手的经济性进行了论证。公司新引进的10套 FANUC M 2000 iA机械手，单台造价为185万，而取代手工完成支架安装和设备检修等工作后，每亩节省了82万元的人力，加上维修保养后，只有2.1年的投资回报。新修订的《煤矿智能化建设补贴管理办法》中，对采矿机械手购置时，按购置价格30%的税额减免政策，单项补助金额不超过500万。业内资料表明，到了2025年，中国煤炭机械手的安装数量将增加67%，山东电力公司一次购买200套，创造了业内新的纪录。此外，机械手臂的普及也促进了周围相关行业的发展，单是防爆伺服马达的市场，就已达23.5亿，比2020增加了八倍[4]。

三、结束语

总而言之，机械手技术在矿井生产中的运用是十分必要的。这不但可以大幅度地提升矿井的采掘工作效率，而且可以大大降低工人的工作强度，减轻工人的安全危险，促进煤炭工业的可持续发展。随着科技的发展，机器臂在矿井生产中的地位越来越重要，其使用范围也由单纯的物料搬运、煤矸石分选扩展到采煤、掘进等核心生产过程。机械手与人工智能、物联网等技术的深入结合，将加快煤炭生产的智能化程度，使我国煤炭工业在世界上保持技术的领先地位，为我国的能源安全与国民经济发展做出贡献。

参考文献

[1]张洋.焊接工艺在煤矿电缆槽机械手上的应用[J].机械管理开发，2020，35（03）：107-108.DOI：10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2020.03.047.

[2]任建超，冯彦军，丁维波，等.基于机器视觉的煤矿井下钻杆抓取系统研究[J].煤矿机械，2025，46（04）：66-68.DOI：10.13436/j.mkjx.202504017.

[3]王昊.煤矿用钻机上卸杆机械手的精度问题研究[J].煤矿机械，2024，45（07）：112-114.DOI：10.13436/j.mkjx.202407032.

[4]孙长斌，姚亚峰，张建荣.煤矿井下钻机的自动加卸钻杆方法探讨[J].煤矿机械，2024，45（05）：82-84.DOI：10.13436/j.mkjx.202405025.