機器人技術在海外礦山作業(yè)中的應用研究

[摘 要]海外礦山作業(yè)一直是資源開采行業(yè)的重要組成部分，但傳統(tǒng)的開采方式面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，而機器人不僅能夠在極端環(huán)境下工作，減少人員傷害，還能提高作業(yè)精度和效率。同時隨著遠程控制和人工智能技術的發(fā)展，機器人在自主性、靈活性和智能決策方面的能力也在不斷提升。文章概述了機器人技術在海外礦山作業(yè)中的作用，分析了機器人技術在海外礦山作業(yè)中應用面臨的挑戰(zhàn)，并介紹了機器人技術在海外礦山作業(yè)中的具體應用。

[關鍵詞]機器人技術；海外；礦山作業(yè)

[中圖分類號]TP391.41 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0119–03

Research on the Application of Robot Technology in Overseas Mining Operations

HUANG Yitao

[Abstract]Overseas mining operations have always been an important part of the resource extraction industry， but traditional mining methods are facing increasing challenges. Robots can not only work in extreme environments to reduce personnel injuries， but also improve operational accuracy and efficiency. With the development of remote control and artificial intelligence technology， robots’ abilities in autonomy， flexibility， and intelligent decision-making are constantly improving. The article outlines the role of robot technology in overseas mining operations， analyzes the challenges faced by the application of robot technology in overseas mining operations， and introduces the specific applications of robot technology in overseas mining operations.

[Keywords]robotics technology； overseas； mining operations

1 機器人技術概述

機器人技術涵蓋了機器人設計、控制、感知、決策和學習。機器人設計專注于硬件構造的設計與制造；機器人控制則研究如何精準操控機器人的動作和反應；機器人感知致力于提升機器人理解和解讀環(huán)境信息的能力；機器人決策探索如何使機器人依據(jù)環(huán)境信息作出明智選擇；而機器人學習則關注如何通過學習和實踐經(jīng)驗提升機器人的性能。隨著科技進步，機器人發(fā)展十分成熟，如用于工業(yè)作業(yè)的機器人、提供服務的機器人、軍事用途的機器人及醫(yī)療機器人等。這些機器人不僅能處理復雜任務，還能在危險或極端環(huán)境下工作，極大地提高了生產(chǎn)力并保障了安全。

2 機器人技術在海外礦山作業(yè)中的優(yōu)勢

2.1 提高安全性

傳統(tǒng)的采礦操作常需要大量工人親力親為，尤其是在執(zhí)行諸如爆破、開挖和運輸?shù)雀呶Ｗ鳂I(yè)時，工人們時常暴露于嚴重的安全隱患之下。礦井內(nèi)的條件復雜多變，不穩(wěn)定的地質(zhì)結構、極端氣候條件及存在的有毒氣體等潛藏危機，隨時會釀成嚴重事故。機器人技術的引進承擔起了執(zhí)行這類危險任務的角色，這些機器人不受惡劣環(huán)境的影響，配備有各種傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)控環(huán)境并迅速作出響應。

2.2 提升效率

引入機器人技術，能構建出全自動的鉆探、裝載和運輸體系，能全天候不間斷工作，極大地降低了由于人為因素導致的停工時間。如自動化鉆探機器人能持續(xù)不斷地進行鉆孔，自動化裝載設備則能迅速而高效地將礦石從開采面移走。此外，自動駕駛的卡車或列車可以持續(xù)運輸物料，無需停歇或換人。這些自動化策略不僅優(yōu)化了作業(yè)流程，保證了工作的連貫性和穩(wěn)定性，還極大地提升了生產(chǎn)力。借助精準操控和高級數(shù)據(jù)分析，機器人技術還能優(yōu)化資源配置，減少損耗，從而進一步提高整個礦山作業(yè)的效率。

2.3 降低成本

雖然初期投入較大，但海外礦山運營引入機器人技術能實現(xiàn)長期的成本優(yōu)化。具體而言：①機器人可替代大量人力，從而降低長期勞動力成本。②由于機器人更可靠、故障率低，其維護成本也較低。③機器人能減少人為錯誤，避免因此造成的財產(chǎn)損失和生產(chǎn)延誤[1]。而減少事故的發(fā)生，可以省去醫(yī)療費用、賠償金及聲譽損失?？傊?，通過提升工作效率、削減人力和維護成本、減小事故風險，機器人技術能有效壓低總體運營成本。

2.4 增加精準度

在海外礦山作業(yè)中，機器人與自動化系統(tǒng)的應用能執(zhí)行極其精準的任務。比如，在鉆孔作業(yè)時，機器人能精準定位鉆孔位置，最大化資源利用率并降低浪費。同樣的精確性也適用于礦石篩選，自動化系統(tǒng)能迅速且準確地依據(jù)礦石質(zhì)量和類型進行分類，進而提升礦物的回收效率。這種精確操作既防止了資源的無謂損耗，又提高了生產(chǎn)效能，確保每一顆礦石都得到最優(yōu)處理。這樣的效率提升直接增加了礦業(yè)公司的盈利，能以更低的成本生產(chǎn)出更多的可銷售產(chǎn)品。

2.5 環(huán)境友好

機器人技術能精準地提取資源，從而降低對周邊環(huán)境的干擾。比如，機器人能夠準確挖掘目標資源，避免對周圍土壤和生態(tài)系統(tǒng)造成不必要的破壞。此外，機器人技術有助于減少有害化學試劑的依賴，這些試劑在常規(guī)采礦中會引發(fā)環(huán)境污染。減少這些試劑的使用，礦業(yè)企業(yè)不僅能減輕環(huán)境負擔，也能更好地符合日益嚴格的環(huán)保法規(guī)。再者，自動化系統(tǒng)還能有效控制廢棄物的產(chǎn)生。傳統(tǒng)采礦常伴隨著大量廢石和尾礦的處理問題，而機器人技術能精確區(qū)分有價值的礦物和廢石，減少廢石量，進而降低廢物處理和環(huán)境恢復的成本。

3 機器人技術在海外礦山作業(yè)中應用面臨的挑戰(zhàn)

3.1 環(huán)境適應性問題

在海外礦場作業(yè)的環(huán)境中，機器人面臨著嚴峻的考驗，因為這些區(qū)域常伴有極端的氣候特征和復雜地貌，如酷熱、潮濕、塵土飛揚及變化多端的地勢。為了在這種苛刻條件下勝任任務，機器人必須展示出較高的環(huán)境耐受力。設計時內(nèi)部電子組件需經(jīng)過特殊考量，以防止在高溫下過熱，同時，外部構造需選用能抵抗持續(xù)高溫而不致變形或損壞的材料。在濕度較高的情況下，機器人的電氣系統(tǒng)必須具備出色的防水能力，以防止短路或銹蝕的發(fā)生。面對多塵的工況，其活動部件如關節(jié)和傳動裝置需嚴密封閉，以阻止灰塵進入并干擾其正常運行。為了確保在惡劣條件下的可靠性，機器人的設計需要整合散熱、防塵、防水等多重解決方案，并選用耐高溫、抗腐蝕的材質(zhì)[2]。

3.2 通信與數(shù)據(jù)傳輸問題

在海外礦山作業(yè)中，機器人會遭遇信號弱化甚至完全喪失通信聯(lián)系的問題，這嚴重阻礙了遠程操控和即時數(shù)據(jù)傳輸。為應對這一挑戰(zhàn)，機器人需具有獨立的通信能力，如配備衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以保證在遙遠地帶也能保持基本的通信連通。另外，可以采用高級的無線電傳播技術，如長距離無線局域網(wǎng)絡或高頻無線電波通信，以增強通信效果。在面對無法實時傳輸數(shù)據(jù)至中心服務器的情況時，機器人應能臨時存儲大量數(shù)據(jù)，并在通信恢復后迅速上傳。這需要機器人擁有充足的本地存儲容量和數(shù)據(jù)處理能力，確保在離線情況下依然能夠有效地進行數(shù)據(jù)收集和預處理。

3.3 自主導航與定位問題

海外礦山的環(huán)境變幻莫測，具有各種不同的地貌特征和難以預料的障礙，這極大地考驗著機器人的自主導航性能。在這種環(huán)境下，機器人不能依靠GPS等外部信號來確定位置，因為這些信號會因遮擋或干擾而變得不穩(wěn)定甚至失效。因此，機器人必須配備精密的傳感器和高級算法，以實現(xiàn)高程度的自我導航[3]。這涉及利用激光雷達、視覺相機、慣性測量單元等傳感器收集環(huán)境信息，并運用同步定位與映射技術持續(xù)更新其在礦山的確切位置。同時，機器人需要擁有強大的路徑規(guī)劃功能，能根據(jù)即時的環(huán)境變化，計算出最佳或最安全的行進路線，有效地避障并高效完成任務。

3.4 人機交互問題

在海外礦業(yè)運營中，機器人不僅能與各類機械設備配合，還需與來自多元文化和國家的工作人員溝通。因此，機器人必須擁有一個高效的人機交互平臺，以便處理各種語言和文化差異。設計時應著重考慮其易用性，確保未經(jīng)高等教育或?qū)Ω呖萍疾皇煜さ墓と艘材苎杆僬莆詹僮鞣椒?。同時交互系統(tǒng)應包含直觀的指示、語音識別功能及緊急停機機制，以保障工人的安全。為了提升機器人在不同文化環(huán)境中的適應性和效率，開發(fā)團隊還需確保其行為和通信模式尊重并符合當?shù)氐奈幕瘋鹘y(tǒng)和工作慣例。

3.5 維護與可靠性問題

海外礦山的工作環(huán)境通常極端嚴酷，涉及劇烈的溫度變化、粉塵、高濕、振動和機械碰撞等。這些因素極大地考驗著機器人的穩(wěn)定性和維護需求。為降低保養(yǎng)成本和頻率，機器人需設計得既堅固又便于維護。重要組件應采用耐久的高強度材料，并盡量減少對易損部件的依賴。此外，機器人應具有自我診斷和預測維護的功能，能實時監(jiān)測自身性能和狀態(tài)，在潛在問題發(fā)生前發(fā)出預警，從而減少突發(fā)故障，延長作業(yè)壽命，減少維修或替換部件引起的停機時間。設計時，應充分考慮現(xiàn)場維修的便利性，確保即使需要更換部件，也能迅速完成，以保持作業(yè)流程的不間斷。

4 機器人技術在海外礦山作業(yè)中的具體應用

4.1 自動化裝載與運輸

在現(xiàn)代礦業(yè)，尤其是海外大規(guī)模礦山作業(yè)中，自動化裝載與運輸技術是提升效率、降低成本和保障安全的關鍵。這種技術的核心是自動化的裝載與運輸車，其能自動執(zhí)行挖掘、裝載、轉(zhuǎn)運及卸載礦石和其他材料的任務。這些無人駕駛的LHD配備了先進的導航和定位系統(tǒng)，GPS作為主要工具，使車輛能準確確定其在礦區(qū)的位置并沿預定路線行駛。為應對復雜地形，車輛還配備慣性導航系統(tǒng)、地面標志或RFID標簽等輔助導航技術。行駛路徑預先由詳細地圖和軟件算法規(guī)劃，旨在優(yōu)化行駛路線，避免多余的轉(zhuǎn)向和停頓，進而提升運輸效率。這些路徑還能根據(jù)礦區(qū)的實時變化，如新挖掘區(qū)或臨時道路封閉，進行迅速調(diào)整。LHD的廣泛應用減少了對人力的依賴，不僅提升了工作效率，也顯著降低了工人在危險環(huán)境下的工作風險。

4.2 遠程鉆探系統(tǒng)

在海外礦業(yè)作業(yè)，特別是地質(zhì)結構復雜、環(huán)境嚴酷的地區(qū)，傳統(tǒng)的人工鉆探方法通常效率低且風險較高，工人面臨有毒氣體、地形不穩(wěn)、極端天氣和設備故障等多重危險。為解決這一問題，遠程鉆探系統(tǒng)應運而生，允許操作員借助先進的遠程控制技術，在安全的控制室里執(zhí)行任務，無需親自到現(xiàn)場。遠程鉆探系統(tǒng)是一種通過遠程控制技術實現(xiàn)對鉆探設備操控和監(jiān)控的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以實時傳輸鉆探數(shù)據(jù)，包括鉆孔位置、深度、壓力等參數(shù)，使得操作人員可以在遠離現(xiàn)場的控制室內(nèi)對鉆探設備進行精確控制。這大幅降低了操作人員在現(xiàn)場所面臨的安全風險，提高了作業(yè)安全性。這類系統(tǒng)配備了一系列高科技工具，包括精確的GPS、慣性測量單元及其他導航技術，以確保鉆探設備能準確定向。借助實時數(shù)據(jù)傳輸，操作員能即時獲取關鍵的鉆探信息，如鉆頭位置、鉆桿狀況、鉆進速度、巖石硬度及溫度等，這些實時反饋有助于迅速作出決策，優(yōu)化鉆探策略，提升工作效率。

4.3 無人機監(jiān)控

在國際礦業(yè)領域的應用中，地質(zhì)測繪是一項重要任務，無人機配備有高級成像工具和地理信息系統(tǒng)，能獲取礦區(qū)的高清圖像和地形資料，這對解析礦脈的位置、規(guī)模和形態(tài)具有決定性意義，進而支持有效的開采計劃制訂和資源管理優(yōu)化。監(jiān)控海外礦山地形變動也是無人機的關鍵功能。鑒于開采過程中地形的持續(xù)變化會產(chǎn)生安全問題，無人機能定期飛行并記錄實時地形變化，助力管理者評估邊坡穩(wěn)定，防止地質(zhì)災害如滑坡。此外，無人機在檢查遠程礦山設備狀態(tài)方面展現(xiàn)出高效性。由于設備通常分散較廣，傳統(tǒng)人工檢查既耗時又存在安全隱患，而無人機則能輕松抵達各個設備點，利用高清攝像頭檢查設備運行狀態(tài)，及早識別潛在故障或磨損，減少維修時間和費用。利用無人機，能即時監(jiān)督礦山的各個操作階段，包括采礦和運輸?shù)?，保證全面了解。借助高清晰度攝像頭，無人機能獲取地面人員不易察覺的視野和區(qū)域，為礦山管理提供詳盡信息。鑒于海外礦山作業(yè)的安全風險較大，無人機可執(zhí)行定期安全檢查，迅速識別危險狀況，如山體滑坡或崩塌，以便預先采取防范措施，防止事故發(fā)生。

4.4 爆破自動化

借助先進的計算機程序，工程師可在實施爆破前詳細研究礦體結構、巖石特性及地質(zhì)狀況。這些軟件能基于輸入信息，如巖石硬度、裂隙分布、地下水位等，模擬出多種爆破場景。通過這種方式，工程師能評估不同方案的效益，選擇最佳爆破策略，兼顧最佳效果和最小環(huán)境影響。然后一旦選定最佳方案，自動化系統(tǒng)便開始運行。利用現(xiàn)代機器人技術，可精確執(zhí)行鉆孔任務，按照預設的模式和深度鉆孔，確保炸藥布置的理想化。這些機器人裝備有精密的導航定位系統(tǒng)，能在復雜地形中精準移動和操作，減少人為錯誤。而在裝藥階段，自動化系統(tǒng)能嚴格按照預設計劃精確放置炸藥及其他爆破材料，保證爆破能量的有效利用，同時最大程度降低對環(huán)境和人員安全的風險。

5 結束語

機器人技術在海外礦產(chǎn)開采中展現(xiàn)出了較大的潛力與價值，有望帶來更高效、安全且環(huán)保的作業(yè)方式，從而對全球礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。但這項技術的應用目前仍處于初期階段，面臨諸多技術及管理挑戰(zhàn)，因此既要增加研發(fā)投入以提升技術實力，也要強化國際合作，共同促進機器人技術在這一領域的實際應用，旨在確保礦山作業(yè)的安全性，提升生產(chǎn)效率，并且助力全球礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 徐嘉麟，張瀛方.淺談礦山巷道多功能修復機器人技術[J].中國金屬通報，2022（4）：111-113.

[2] 陳明君.智能控制在礦山機電一體化系統(tǒng)中的應用[J].當代化工研究，2021（18）：65-66.

[3] 梁占澤.大柳塔煤礦智能礦山建設實踐[J].工礦自動化，2021，47（S2）：70-74.