摘 要
为破解受限空间煤矸分选难题、推进智能化矿井建设，研发基于智能干选机(TDS)技术的受限空间智能选矸机器人，通过智能感知、紧凑装备与动态控制技术融合，实现狭窄场景高效分选。设备适配直径小于3.2 m、高度小于3.5 m的受限空间，处理25~300 mm粒级煤矸时易选煤分选率超99%、难选煤分选率达95%以上。在平煤股份天宏选煤公司、十二矿的应用中，替代了人工降本增效，以多维度智能化设计成为矿井智能化升级的关键支撑，为同类场景提供可复制的智能化改造方案。
在智能化矿井建设中，煤矸分选是连接开采与加工的核心环节。井下洗选硐室、洗煤厂老旧狭窄车间等受限空间，存在人工分选安全风险高，常规设备体积大无法进驻，普通机械分选精度不足等问题。
智能干选机（TDS）在地面开阔场景验证了高效性，但需针对受限空间进行智能化升级。基于此，研发受限空间TDS智能选矸机器人，解决设备进得去、分得出的基础问题，通过感知、装备、控制的全链条智能化设计，成为智能化矿井建设中“小空间大智能”的典型实践，为受限场景智能化改造提供新思路，受限空间立式X光智能选矸机器人研究思路如图1所示。
图1 受限空间立式X光智能选矸机器人研究思路
01、受限空间TDS选矸机器人技术架构
在国家煤矿智能化升级与煤炭洗选高质量发展政策驱动下，中国平煤神马控股集团炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室联合湖南大学机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心、河南中平自动化股份有限公司，历经5年技术攻关，构建“感知-决策-执行-工艺”四位一体的智能化技术架构，突破受限空间装备适配性、复杂环境稳定性、动态工况精准性等行业痛点，研制出3代具有完全自主知识产权的TDS智能选矸机器人成套装备，为受限空间煤矸分选提供了高端智能化解决方案，包含感知、分析、决策、执行等流程，以及机械设计、软件算法、电气等多个模组，立式X光智能选矸机器人的整体技术路线如图2所示。
图2 立式X光智能选矸机器人的整体技术路线
1.1 多模态协同感知技术架构
针对受限空间粉尘浓度高、煤流波动大、光照条件差导致的感知精度低问题，构建“双能X光+可见光+质量+纹理”多维度协同感知体系，形成高穿透探测-动态补偿校正-智能认知推理的感知技术链，解决传统单一感知手段漏检率高、抗干扰能力弱的行业难题。
（1）双能X光高穿透感知模块
联合湖南大学研发高频双能X光探测单元，选用200 kV/800 W医用级X光射线源，相比传统工业级160 kV射线源，穿透能力提升25%，可精准识别25～300 mm全粒级煤矸（涵盖末煤、块煤、大块矸石）；搭配0.8 mm像素间距的碲锌镉（CZT）高敏感探测器，图像采集帧率提升至50 fps，同步精度控制在±1 ms内，确保煤流带速达2.5 m/s时无漏检。针对受限空间粉尘易附着探测器的问题，设计脉冲式压缩空气吹扫+负压防尘腔的双重防护结构，有效避免粉尘侵入，探测器数据可靠率从传统设备的92%提升至98.5%。
（2）多源数据动态融合算法
开发时空同步-特征对齐-权重优化的3阶融合算法，解决多传感器数据异构性难题。通过GPS+惯性导航实现X光探测器、可见光相机、质量传感器的时空同步，采用卷积神经网络（CNN）提取X光密度特征、可见光纹理特征。
煤的黑亮光泽与矸石的灰白粗糙纹理、质量传感器的煤流负荷特征，构建特征向量引入注意力机制动态优化各特征权重，当煤流堆叠时提升X光与质量特征权重，当粉尘干扰时增强可见光纹理特征占比，实现复杂工况下特征互补。在河南平宝煤业有限公司现场应用期间，应用情况与试验模拟数据相吻合，该算法使难选煤分选率从传统TDS技术的90%提升至95.2%，易选煤分选率稳定在99.3%以上，较行业同类设备平均水平高3%～5%，使用效果良好。
（3）认知推理型智能识别模型
针对受限空间小样本、强噪声、煤质多变场景，研发知识库驱动+在线自学习的认知推理算法。构建煤矸石成像机理知识库，融入煤岩成分、密度分布、表面纹理等12类常识性知识，形成2 000+条推理规则；采用半监督对比学习算法，仅需500组标注样本即可完成模型初始化，后续通过实时采集的煤矸数据在线更新模型参数，每月迭代1次，模型泛化能力提升40%。在平顶山天安煤业股份有限公司（简称平煤股份）十一矿应用中，针对煤质灰分波动±3%的工况，模型识别准确率为97%以上，解决传统模型需大量标注样本、煤质变化后精度骤降的痛点。认知推理型智能识别模型原理如图3所示。
图3 认知推理型智能识别模型原理
1.2 紧凑型智能装备集成设计
针对井下洗选硐室、老旧车间等场景的尺寸约束，通常宽度小于8 m、高度小于9 m，采用立式循环架构+模块化集成设计，突破传统卧式选矸设备长径比大、运输安装难的局限，形成适配性强、部署效率高、环境耐受性优的核心装备体系。
（1）立式循环分选结构创新
摒弃传统进料-探测-剔除的卧式线性流程，设计顶部进料-中部环形探测-底部分区剔除的立式循环结构。进料模块采用3层倾斜式智能抖料机构，通过离散元法（DEM）仿真优化筛板孔径与排布，实现煤流均匀分布；探测模块采用环形平行布局，将X光射线源与探测器环绕于直径2.8～3.2 m的立式煤流通道外侧，探测覆盖角度360°，横向占用空间较卧式设备减少60%；剔除模块集成500个MAC高速电磁阀，呈环形阵列分布于探测模块下方，通过流场仿真优化气阀喷气角度与压力，确保矸石剔除准确率达98%以上。设备整体尺寸控制为直径小于3.2 m、高度小于3.5 m，可通过井下副井运输，适配80%以上的受限空间场景。
（2）模块化智能集成方案
基于功能解耦-模块标准化-接口通用化的原则，将设备拆分为进料抖料模块、多模态探测模块、高速剔除模块、智能控制模块4大核心模块，各模块独立设计、统一接口。进料模块含智能抖料机构与溜槽，适配带宽1.0～1.6 m的输送带；探测模块集成X光射线源、CZT探测器、可见光相机，设备总质量小于8 t，支持快速插拔更换；剔除模块含环形气阀阵列与风压调节系统，气阀故障可单独更换；控制模块含工控机、PLC、5G通信单元，支持远程参数配置与故障诊断。模块间采用快插式机械接口与以太网工业总线连接，现场组装仅需3天，相较传统卧式设备需7天减少安装周期。最小宽度为1.2 m，可通过狭窄通道运输，解决受限空间设备进不去、安装周期长的行业痛点。
（3）极端环境适应性设计
针对受限空间高瓦斯、高粉尘、高湿度、温度波动大的恶劣条件，构建防爆-防尘-防潮-耐温的四重防护体系。设备外壳采用12 mm厚Q235防爆钢板，焊接处通过超声波探伤检测，电气部件均符合GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》中的Ex db I Mb防爆等级，可在瓦斯浓度≤1%的井下环境安全运行；所有接口采用IP65密封标准，控制箱内部设计正压通风系统，防止粉尘与湿气侵入；电子元件选用-20～60 ℃宽温型号，X光射线源配备水冷散热系统，确保设备在-20 ℃极寒、60 ℃高温、90%湿度环境下连续稳定运行，无故障运行时间（MTBF）达800 h以上，远高于行业平均的500 h。
1.3 动态联动实现无人值守
全流程智能控制系统的动态自适应算法，实时联动煤流负荷与设备运行参数，当煤流超额定值时，自动降低抖料速度并提升气阀剔除频率，确保分选率波动≤2%；故障自诊断系统实时监测20项设备参数，出现异常时自动报警并切换备用模式，无故障运行时间大于800 h。
搭建云边端一体化智能监控平台，通过F5G网络将分选率、煤流负荷、故障信息等数据实时上传至地面调度中心，支持远程参数调整与故障排查。受限空间内仅需1名巡检人员定期检查，替代传统18名人工分选岗位，实现地面远程监控、井下无人作业的智能化运行模式，降低了人员安全风险，一体化煤矸石智能分选机器人系统如图4所示。
图4 一体化煤矸石智能分选机器人系统
1.4 3代样机迭代升级成果
历经5年技术打磨，完成3代样机的迭代优化。2020年完成初代样机，实现基础尺寸适配与核心分选功能，处理能力150 t/h，分选精度92%；2022年第2代样机优化感知算法与结构设计，引入多源融合技术，处理能力提升至200 t/h，分选精度达97%；2024年完成第3代样机，融入AI智慧体与全流程监控功能，搭载数字孪生预诊断模块，处理能力突破350 t/h，分选精度为99%，难选煤分选率达95.2%，受限空间立式X光智能选矸机器人（3代机）如图5所示。
图5 受限空间立式X光智能选矸机器人（3代机）
02、智能化矿井建设的典型应用
2.1 老旧车间的智能化改造升级
平煤股份天宏选煤公司3号分选车间为2005年建成的老旧设施，空间狭窄且工艺落后，是智能化矿井建设中的难点区域。引入受限空间TDS智能选矸机器人后，通过以下3大智能化改造亮点实现突破。
（1）工艺智能衔接，机器人进料口与原有输送带、出料口与破碎机/矸石仓智能对接，无需大规模改造车间布局，快速融入现有生产流程。
（2）数据智能联动，机器人运行数据接入公司智能调度平台，与原煤产量、煤质检测数据实时交互，实现分选环节与全流程的智能协同。
（3）运维智能高效，通过远程监控平台实现设备参数远程调节，故障预警响应时间缩短至5 min，较人工巡检效率提升80%。
应用后，车间处理能力从60 t/h提升至180 t/h，分选精度提升13%，年减少煤炭浪费1.2万t，老旧车间从人工密集型升级为智能高效型，成为智能化矿井建设中“旧场景焕新能”的典型案例。
2.2 井下受限空间的智能化闭环运营
平煤股份十二矿三水平采区为高瓦斯区域，洗选硐室空间狭窄且安全要求高，此前因缺乏适配装备，矸石需提升至地面分选，不符合智能化矿井“井下闭环、降本安全”的建设方向。引入2台受限空间TDS智能选矸机器人后，设备全面采用Ex db I Mb级防爆设计，完全符合GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》及煤矿井下防爆安全规范，从硬件构造到控制逻辑构建全维度防爆体系。
智能选矸机器人外壳选用厚度为12 mm的Q235防爆钢板，关键焊缝经超声波探伤检测确保密封性能，内部电气腔室采用隔爆结构分区设计，将X光射线源驱动模块、主控制器、高压气阀驱动器等核心电气部件与外部瓦斯环境物理隔离，防爆间隙严格控制在0.2 mm以内；所有电气元件均选用煤矿专用防爆型产品，包括防爆电机、防爆传感器、防爆接线盒等，接线端口配备防爆密封接头，电缆敷设通过阻燃防爆穿线管防护，设备接地电阻经实测控制在4 Ω以内，从源头杜绝电气火花产生。受限空间TDS智能选矸机器人构建3方面的智能化应用亮点。
（1）安全智能联动，机器人与硐室瓦斯传感器实时交互，瓦斯浓度超0.8%时自动停机并开启排风，实现设备-环境的智能安全防控。
（2）工艺智能闭环，分选后的矸石直接进入井下矸石仓，经破碎硐室粉碎后回填，无需地面运输，形成开采-分选-回填的井下智能化闭环。
（3）数据智能赋能，设备运行数据与矿井智能开采系统联动，根据采区矸石产出量动态调整分选参数，保障全流程产能匹配。
应用后，节省矸石运输成本252.5万元/年，回收煤炭增加销售收入975万元，硐室作业人员从6人减至2人，瓦斯暴露风险降低67%，实现“安全、高效、低碳”的智能化运营，为高瓦斯矿井受限空间智能化改造提供标杆。
03、智能化矿井建设的推广经验与展望
受限空间TDS智能选矸机器人的应用实践，为智能化矿井建设积累3大核心经验。
（1）需求导向的智能化设计，围绕受限空间“小、恶、变”的场景特点，针对性开发智能感知、紧凑装备与动态控制技术，避免大而全的盲目智能化。
（2）数据贯通的智能化协同，将机器人数据接入矿井现有智能系统，实现分选环节与开采、运输、洗选全流程的数据联动，避免“信息孤岛”。
（3）梯度推广的智能化落地，先在天宏选煤、十二矿等典型场景验证，通过总结标准化方案推广至同类矿井，降低智能化改造门槛。
未来，随着智能化矿井建设深入，设备将向3个方向升级。
（1）“数字孪生+分选”，构建设备-煤流-环境的虚拟模型，实现分选参数智能优化与故障提前预判。
（2）“微型化+智能化”，研发直径<2.5 m的微型机器人，适配井下掘进工作面等极狭窄空间。
（3）“低碳化+智能化”，通过X光机变频控制、气阀节能模块，将单位处理量能耗降至0.5 kW·h/t以下，助力智能化矿井实现绿色低碳的目标。
04、结 语
受限空间TDS智能选矸机器人以感知精准、装备紧凑、控制智能的核心优势，解决了受限空间煤矸分选难题，成为智能化矿井建设中“小场景大突破”的关键载体。在天宏选煤、十二矿的应用实践表明，通过针对性的智能化设计，老旧车间、井下硐室等传统难点区域，实现了从人工到智能、从低效到高效的转型。未来，随着技术持续迭代与推广，将为更多矿山的受限空间智能化改造提供支撑，助力智能化矿井建设实现全流程覆盖、全场景智能的目标。
文章来源：《智能矿山》2026年第1期“专题报道：机器人技术创新与应用”
第一作者：王满，正高级工程师，现任中国平煤神马控股集团有限公司炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室执行副主任，主要从事炼焦煤资源开采与加工的相关研究工作。E-mail：wangman_w@163.com
作者单位：中国平煤神马控股集团炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室；江西省通讯终端产业技术研究院有限公司
引用格式：王满，梁韬，孙景阁，等. 受限空间TDS智能选矸机器人的研发与应用实践[J]. 智能矿山，2026，7（1）：59-64.
编辑丨李莎
审核丨赵瑞
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