摘 要

煤礦智能化建設(shè)向縱深推進，有效替代高危、繁重的井下人工作業(yè)已成為行業(yè)核心挑戰(zhàn)。聚焦煤礦井下“掘、支、運、輔、修”全流程作業(yè)需求，基于“工藝協(xié)同、機械化換人、智能化提效”的分類思路，系統(tǒng)梳理了10 種專用智能作業(yè)機器人應(yīng)用實踐，覆蓋巷道掘進支護、設(shè)備物料轉(zhuǎn)運、巷道修復(fù)維護等關(guān)鍵場景，通過集成環(huán)境感知、自主導(dǎo)航、智能決策等共性技術(shù)及場景化工藝適配技術(shù)，實現(xiàn)了從單機操作向多環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)的突破。結(jié)合神東煤炭集團各煤礦現(xiàn)場應(yīng)用案例，驗證了機器人在自動鉆孔錨固、重型設(shè)備安裝、巷道噴漿支護等復(fù)雜任務(wù)中的應(yīng)用成效。

文章來源：《智能礦山》2026年第1期“專題報道：機器人技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”

作者簡介：王飛，高級工程師，主要從事煤礦智能化技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)場應(yīng)用工作。Email：309195710@qq.com

作者單位：國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司

引用格式：王飛. 煤礦井下多場景專用智能作業(yè)機器人應(yīng)用實踐[J]. 智能礦山，2026，7（1）：54-58.

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當(dāng)前，我國煤礦智能化建設(shè)已從單點應(yīng)用步入系統(tǒng)化發(fā)展階段，智能綜采與掘進工作面取得了顯著成效，但仍有很多作業(yè)場景高度依賴人工。因此，以機器人替代人工，實現(xiàn)“少人則安、無人則安”，已成為煤礦智能化向縱深發(fā)展的迫切需求。當(dāng)前機器人研究主要聚焦于4大關(guān)鍵技術(shù)方向。

（1）本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，需解決防爆、抗干擾等特殊設(shè)計，開發(fā)適應(yīng)崎嶇地形的移動底盤。

（2）環(huán)境感知與自主導(dǎo)航，通過多傳感器融合，克服井下粉塵、黑暗與無GPS等困難，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與環(huán)境重建。

（3）智能決策與柔順控制，利用AI算法使機器人理解作業(yè)意圖，并在對抗性環(huán)境中完成力控精細操作。

（4）多機協(xié)同與遠程交互，依托5G/F5G網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)機器人群協(xié)同調(diào)度與“人在回路”的智能監(jiān)控。

筆者系統(tǒng)梳理了煤礦重體力作業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)進展，分析其在掘進、支護、運輸與救援等典型場景中的應(yīng)用成效，并探討當(dāng)前技術(shù)瓶頸與發(fā)展趨勢，以期為推動該技術(shù)的創(chuàng)新與規(guī)模化應(yīng)用，實現(xiàn)煤礦智能化從“有用”到“高效安全”的跨越提供理論參考與實踐路徑。

煤礦井下智能作業(yè)機器人分類及核心技術(shù)

1.1 分類邏輯

基于煤礦 掘、支、運、輔、修連續(xù)作業(yè)工藝鏈條，結(jié)合《礦山智能機器人名錄》標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)范，將專用智能作業(yè)機器人劃分為4類：掘進支護類、物料轉(zhuǎn)運類、巷道維護類、多功能協(xié)同類。分類核心思路為以工藝流為紐帶，確保機器人應(yīng)用覆蓋作業(yè)全環(huán)節(jié)，避免設(shè)備堆砌；嚴格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命名，保障技術(shù)表述的規(guī)范性與通用性；突出“一機多能”與“多機協(xié)同”的應(yīng)用特征，體現(xiàn)智能化升級價值。

1.2 共性核心技術(shù)

（1）環(huán)境感知與自主導(dǎo)航技術(shù)

采用激光雷達+視覺相機+慣性測量單元（IMU）多傳感器融合方案，通過SLAM算法構(gòu)建井下三維環(huán)境地圖，在無 GPS、高粉塵、黑暗環(huán)境中實現(xiàn)±5 cm級精準(zhǔn)定位；搭載避障決策系統(tǒng)，可實時識別巷道內(nèi)障礙物、人員及設(shè)備，自動規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑。

（2）智能決策與柔順控制技術(shù)

集成邊緣計算模塊與輕量化AI算法，實現(xiàn)作業(yè)任務(wù)自主分解、工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整（如鉆錨深度、噴漿流量）；采用力控柔順控制技術(shù)，在管路安裝、錨桿預(yù)緊等精細作業(yè)中，實現(xiàn)0.1 N級力控調(diào)節(jié)，保障操作精度。

（3）多機協(xié)同與遠程交互技術(shù)

基于 5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)機器人群組任務(wù)調(diào)度、作業(yè)狀態(tài)實時反饋與遠程操控；支持 “人在回路” 模式，遠程操作人員可通過VR設(shè)備沉浸式監(jiān)控作業(yè)過程，緊急情況下介入干預(yù)。

1.3 場景化工藝技術(shù)

（1）掘進支護類

采用自適應(yīng)圍巖特性的鉆孔參數(shù)動態(tài)調(diào)整技術(shù)，針對“三軟”煤層開發(fā)防塌孔清渣技術(shù)，噴漿作業(yè)集成三維掃描建模與均勻噴射控制技術(shù)。

（2）物料轉(zhuǎn)運類

開發(fā)重載液壓驅(qū)動與姿態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)，適配井下斜坡、濕滑路面的行走穩(wěn)定需求；集成物料識別與自動裝卸技術(shù)，實現(xiàn) 抓取-運輸-卸載全流程自動化。

（3）巷道維護類

管路清理機器人采用高壓水射流 + 機械旋轉(zhuǎn)復(fù)合除垢技術(shù)，水倉清理機器人集成淤泥厚度精準(zhǔn)檢測與脫水一體化技術(shù)。

專用智能作業(yè)機器人現(xiàn)場應(yīng)用實踐

2.1 鉆錨機器人

針對煤礦巷道修復(fù)中人工補強錨桿錨索用人多、效率低，高處作業(yè)需搭架且存在安全隱患的問題，鉆錨機器人可自動定位、自主鉆進錨固，適配掘進面錨索孔補強、綜采巷道超前支護等場景，配套液壓沖擊鑿巖機還可完成爆破孔施工，實現(xiàn)“支護+爆破鉆孔”雙適配。其搭載高精度定位系統(tǒng)，適配“三軟”煤層快速成孔，配合自動清渣與智能錨固裝置，核心工序無需人工干預(yù)。該機器人應(yīng)用于神東煤炭大柳塔煤礦掘進工作面巷道超前支護工程，替代傳統(tǒng)人工搭架鉆孔錨固作業(yè)，傳統(tǒng)作業(yè)需4人/班，機器人作業(yè)僅需1人遙控操作，減員率75%，鉆錨機器人如圖1所示。

圖1 鉆錨機器人

2.2 管路抓舉安裝機器人

傳統(tǒng)煤礦管路安裝依賴人工抬舉或手動葫蘆吊運，費時費力且效率低下。管路抓舉機器人具備抓、舉、伸、轉(zhuǎn)等動作，可實現(xiàn)前后0.75 m移動、左右1 m橫移、水平14°旋轉(zhuǎn)及抓斗195°回轉(zhuǎn)，穩(wěn)車支腿保障作業(yè)穩(wěn)定。其采用閉式液壓系統(tǒng)，高強度合金鋼抓舉機械手適配150～500 mm管徑，最大抓舉質(zhì)量1.5 t，遙控操作結(jié)合人工微調(diào)，防爆動力單元與抓舉機構(gòu)互鎖提升安全冗余。應(yīng)用于中國神華能源股份有限公司大柳塔煤礦（簡稱大柳塔煤礦）井下主排水管路改造工程，傳統(tǒng)8人/班僅安裝20根管路，機器人6人/班安裝30根，安裝效率提升60%，管路抓舉機器人如圖2所示。

圖2 管路抓舉機器人

2.3 水倉清理機器人

傳統(tǒng)裝載機清淤方式存在耗時久、人工多、效率低的問題。水倉清理機器人由清倉機、攪拌桶、壓濾機、刮板輸送機組成，支持遠程、無線遙控及手動3種控制模式，實現(xiàn)“挖裝-攪拌-脫水-運輸”全流程機械化。其采用階梯模糊PID算法實現(xiàn)淤泥厚度±20 cm精度檢測，雙壓濾機交替工作使效率提升1.5倍，履帶式行走適配復(fù)雜地形。清倉機每小時最大處理量200m，凈煤泥處理量60～80 m，脫水后煤泥含水率低于30%可直接裝車。應(yīng)用于大柳塔煤礦盤區(qū)水倉清淤工程，傳統(tǒng)3人/班“三班倒”需15天完成，機器人1～2人操控7天完工，效率提升200%；遠程操控避免人員在高危環(huán)境下作業(yè)，刮板輸送機與壓濾機聯(lián)動可有效防止巷道污染，水倉清理機器人如圖3所示。

圖3 水倉清理機器人

2.4 礦用開槽機器人

煤礦巷道密閉掏槽、擴幫等施工人工勞動強度高、效率低。礦用開槽機器人采用無軌膠輪行走、全液壓操控，通過快速更換破碎錘、清煤鏟等模塊化附件，適配多場景作業(yè)，狹窄巷道轉(zhuǎn)向靈活。其核心優(yōu)勢為工序集成化“一機多能”，減少設(shè)備交替頻次。應(yīng)用于大柳塔煤礦巷道密閉掏槽工程，傳統(tǒng)4～5人持風(fēng)鎬2天完成1個槽體，機器人1人遙控半小時完成，效率提升3.8倍。該機器人避免人工風(fēng)鎬震動導(dǎo)致的肌肉勞損及頂部矸石墜落風(fēng)險，開槽尺寸精度±10 mm，減少后續(xù)修整工作量與材料浪費，礦用開槽機器人如圖4所示。

圖4 礦用開槽機器人

2.5 履帶輸送機器人

煤礦井下材料運輸過程中的裝卸工作，巷道狹窄區(qū)域的物料搬運，主要靠人工完成，勞動強度大并存在安全隱患。履帶輸送機器人采用高轉(zhuǎn)矩液壓驅(qū)履帶結(jié)構(gòu)，具備30°爬坡、15 cm越障能力，單機載重3 t，集成裝載、運輸、卸載一體化功能。應(yīng)用于大柳塔煤礦掘進工作面設(shè)備備件與支護材料運輸，機器人運輸效率提升4倍，減員率60%，適配多種物料狹窄巷道運輸需求，1人操作即可完成，物料運輸過程全程可控，實現(xiàn)安全運輸，履帶輸送機器人如圖5所示。

圖5 履帶輸送機器人

2.6 自動卷纜機器人

煤礦掘進機跟機供電線纜，采用的是人工拖拽方式，根據(jù)掘進機運行位置控制使用電纜長度。掘進機跟機供電線纜采用人工拖拽方式，增加了人員數(shù)量及勞動強度，影響生產(chǎn)效率。自動卷纜機器人由履帶底盤、電纜卷筒、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)自動行走、卷纜動作的本機自主控制及遙控控制。應(yīng)用于大柳塔煤礦掘進工作，卷纜速度0.5 m/s，機器人自動調(diào)張力防止電纜損傷，完全取代了人工拖纜作業(yè)，自動卷纜機器人如圖6所示。

圖6 自動卷纜機器人

2.7 井下清煤機器人

煤礦井下浮煤清理主要依靠人工使用鐵鍬清理，由于掘進工作面作業(yè)空間狹小，大型機械無法進入，掘進工作面設(shè)備退機后遺留的浮煤清理工作嚴重制約掘進效率的提升。清煤機器人采用柴油機動力、膠輪行走、遙控操作、體積小巧，實現(xiàn)靈活清理工作面和輸送帶巷浮煤作業(yè)，同時具備搬運、銑挖、破碎等功能，實現(xiàn)一機多用。應(yīng)用于神東補連塔煤礦，傳統(tǒng)人工單班清煤3 m，機器人1人遙控單班清理30 m，效率提升10倍，井下清煤機器人如圖7所示。

圖7 井下清煤機器人

2.8 管路清理機器人

煤礦井下排水管路中污水的沉積物在管路中沉淀下來導(dǎo)致管路結(jié)垢，大量淤積固化，造成排水管路的內(nèi)徑減小，排水阻力增大，影響排水效率。目前普遍采取的辦法有更換排水管路法（結(jié)垢管道拆卸至地面后用高壓水清洗）和化學(xué)清洗法，綜合成本高。管路清理機器人包括機器人本體、氣動卷揚裝置和機器人控制器，其中，機器人本體搭載有高壓水射流噴頭和機械旋轉(zhuǎn)式除垢截割頭，可以實現(xiàn)煤礦井下排水管路內(nèi)部空間的原位除垢和清洗。機器人應(yīng)用于大柳塔煤礦主排水管路的清理，50 mm厚結(jié)垢管路單次清理后內(nèi)徑恢復(fù)至設(shè)計值95%以上，管路清理機器人如圖8所示。

圖8 管路清理機器人

2.9 掘進工作面多功能作業(yè)機器人

掘進作業(yè)受巷道空間條件所限，膠輪車等運輸車輛只能把輔助材料運到距離掘進工作面50 m處，然后由人工推、拉、扛等方式把物料卸到掘進工作面位置，長期以來無法實現(xiàn)機械化運輸輔材，該工藝工人勞動強度大，工作效率低，安全隱患多。電機動力的履帶搬運車需要頻繁拆接電纜，且電纜拖拽有較大安全隱患。人工打孔轉(zhuǎn)運鉆機或鑿巖機不便捷，勞動強度大，占用人員多，需要多種設(shè)備交替作業(yè)。掘進工作面多功能作業(yè)機器人，通過吊機吊裝、履帶運輸、鉆機作業(yè)，實現(xiàn)機械代替人力，機械化減人增效，一機多用，提高作業(yè)安全性與便捷性。傳統(tǒng)模式5人單班完成的鉆孔及物料供應(yīng)量，機器人由2人操控即可完成，效率提升50%，人員減少60%。該機器人規(guī)避人工搬運損傷、交叉作業(yè)碰撞風(fēng)險，提高了掘進工作面機械化覆蓋率，掘進工作面多功能作業(yè)機器人如圖9所示。

圖9 掘進工作面多功能作業(yè)機器人

2.10 噴漿機器人

煤礦井下混凝土噴漿作業(yè)量大，實際施工中主要是人工作業(yè)，對人工的需求較大、工人勞動強度高、工作效率較低。噴漿機器人由底盤系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及工作系統(tǒng)組成，采用濕式噴漿工藝，集自行走、混凝土泵送、機械臂噴射、遠程遙控等技術(shù)于一體，通過遙控遠程操作實現(xiàn)電機啟停、泵送啟停、泵送快慢、軟管泵快慢、大臂動作、底盤行走等功能。核心優(yōu)勢為“精準(zhǔn)建模+智能噴射”，提升質(zhì)量與材料利用率。應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)3～4人單班作業(yè)量，機器人1～2人遙控操作即可完成，效率提升2倍。遠程操控使作業(yè)人員遠離高粉塵作業(yè)環(huán)境，規(guī)避矽肺病風(fēng)險，噴漿機器人如圖10所示。

圖10 噴漿機器人

總 結(jié)

（1）通過融合智能感知、柔順控制、多機協(xié)同等前沿技術(shù)，機器人已展現(xiàn)出替代人工完成高強度、高精度作業(yè)的可行性，正成為破解煤礦安全與效率瓶頸的新質(zhì)生產(chǎn)力。

（2）井下復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境對機器人的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及自主決策能力，提出了遠高于工業(yè)機器人的要求；高昂研發(fā)部署成本、尚未統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評測體系，也構(gòu)成了其產(chǎn)業(yè)化落地的現(xiàn)實壁壘。

（3）未來，煤礦重體力作業(yè)機器人的發(fā)展將呈現(xiàn)大模型等新一代AI技術(shù)賦能機器人、仿生結(jié)構(gòu)與專用工具創(chuàng)新、“人機環(huán)”智能協(xié)同，與數(shù)字孿生平臺深度耦合，實現(xiàn)全域作業(yè)流程的智能調(diào)度與優(yōu)化。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

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主編：王國法院士

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