机器人技术在地下矿山的应用前景展望

  在过去的10年里，随着矿产勘查向深部进军和技术成本的下降，自主的地下勘探和监测机器人已成为越来越着迷和和切合实际的研究领域。

  地下矿井巡检机器人技术面临一系列复杂条件下的通信和地形问题，然而，慢慢的开始在危险的矿井巷道中使用装备了一系列传感器和摄像头的原型机，并取得了可喜的成果。

  近日，《Mining Magazine》的欧洲、中东和非洲地区编辑Craig Guthrie采访了英国埃克塞特大学坎伯恩矿业学院的专家团队，针对他们的自主巡检机器人项目（ARISE）进行了交流。

  当作业人员因爆破后的烟雾和地震风险而撤离矿井时，则可通过ARISE项目巡检研发的机器人在这段非生产时间内实现对井下岩土工程状况的自主勘查。

  坎伯恩矿业学院的ARISE项目的重要目的是降低风险，因为矿井爆破后的再进入过程是特别危险的，机器人能帮助自动识别地面特征并指示可能会引起运动学失稳的关键区块的位置。

  该解决方案还能大大的提升生产能力，由于机器人平台被设计成可以在爆破后的班组轮换期间的停工期自主作业，因此岩土特征分析不影响采矿周期。

  当矿井内仍存在爆破后的烟雾时，机器人能进入相应区域并进行勘测，随后机器人返回部署点，与到达的作业人员会面并立即给出勘测结果，指示出也许会出现运动学失稳的关键区块的位置。

  机器人勘测对反向验证和数字孪生也有帮助。机器人将记录暴露在外的岩体，并创建一个高精度且一直更新的数字孪生环境。

  可以从机器人下载记录的数据，并将其用于规划、超挖和欠挖分析，以及在进行任何衬砌施工（如混凝土喷浆）之前提供岩体的数字记录。该数字记录将提供对下伏岩体的验证，并可用于校验混凝土喷浆的厚度。采集到的数据可将爆破后的效果与爆破设计作对比，从而提供更好的质量控制。

  随着矿井不断开拓，一直更新的下伏岩体记录将有利于了解整个作业过程中的岩土工程参数。此外，机器人勘测减少了人为错误，并且可对整个巷道进行填绘，而不是依赖于传统的扫描线或窗口调查。

  以前的许多机器人应用都需要人工控制，因此不如完全自主的解决方案更着迷。缺乏自主性制约了机器人在采矿周期内的使用。由于ARISE解决方案是完全自主的，因此能在停工期开展工作。

  以前的解决方案成本高昂，而ARISE解决方案则成本低廉。因为现在能够尝试用小规模的3D打印生产同样的机器人/电子系统，这样既便宜又方便替换。

  巡检机器人将自主导航至巷道工作面，然后使用机载激光雷达扫描绘制该区域。已开发出的软件从车载传感器上自动加载点云，并设置识别场景及识别关键的可控岩块。随后，这一些信息将被传送给岩土工程师和到达的施工人员。

  由于每次推进时都会连续记录岩体状态，因此会创建一个一直更新的数字孪生环境。这一些信息可用于校验混凝土喷浆的厚度，同时为将来的评估提供下伏岩体的记录。采集到的有关剥落前和剥落后的岩石表面以及最后的稳定岩体的数据都可以在整个开发周期内得到无限期地存储。

  由于测量系统是自动化的，还可进行可重复且纯客观的测量。这大幅度的降低了非自动化测量方法中常常会出现的误差。

  可以利用记录的信息评价爆破效果，以验证欠挖和超挖。随着岩石条件的变化，这可以反馈到钻孔设计和爆破方案中。该系统还设计用于进入采场并对采场进行填绘，以便进行协调及分析潜在的贫化情况。精确绘制的3D数字孪生环境有利于矿山规划并提高开采过程中的岩土工程评价水平，从而有助于更好的认识采矿过程。

  由于机器人是自主运行的，因此其部署不会影响采矿周期，相比以前手动勘测提高了效率。未来将结合智能气体监测系统，告知作业人员何时可以安全地重新进入，从而缩短重新进入时间。

  “我们”认为机器人平台还没办法做到这些。尽管有几项技术处于较高的技术成熟度，但这些技术还没完成整合。也许将来会实现巡检工作全部机器人化，但是设备一定要经过验证并且必须证明其稳定性。

  非常狭窄的开拓工程面临的主体问题在于限制了物料流，而且若需要对机器人进行回收或维修，则作业人员将没办法进入该区域。在未来的几年里，通过更大规模的开拓工程单独部署机器人平台可能是一个需要探索的解决方案。

  车载导航基于SLAM（同步定位和地图构建），可使机器人自主运行。GMV公司是ARISE的主要合作伙伴，在该领域有着非常丰富的背景和专业相关知识，在此应用之前，该解决方案已在多个领域得到了验证。

  此外，采取了激光雷达进行3D扫描测绘，为岩土工程表征工作提供了依据。搭载的其他传感器包括深度和跟踪摄像头，以用来辅助导航。

  处理能力也很关键，Sundance公司专门为该项目生产了新的现场可编程门阵列板卡，从而为机器人平台提供了快速而适当的处理能力。

  自主岩土特征分析软件可用于捕获点云，自动识别设备并分析可能的失稳区域。该软件将接入机器人系统中并近实时地运行。

  该机器人可以在没有通信基础设施的状态下运行，能够最终靠矿井的WiFi将数据发送到中控室，并将结果返回给班组轮换后重新进入矿井的作业人员。

  （中国地质调查局地学文献中心，国际矿业研究中心矿业科技组编译，张炜审校，陈秀法审核，文章来源：

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