行业领域

高端装备制造产业,其他产业,煤矿开采保障,喷浆机器人

需求背景

巷道喷浆是煤矿巷道围岩控制的重要环节，传统喷浆作业主要依赖人工手持喷枪配合喷浆机完成，存在劳动强度大、粉尘浓度高、回弹率高、喷层厚度不均、作业效率低等问题。尤其在顶板破碎区、底板泥化段及狭窄断面巷道中，普通喷浆设备难以进入或效率低下，导致支护质量不稳定、材料浪费严重，影响巷道安全与采掘接替。

        当前矿山智能化建设虽在掘进、采煤等环节取得进展，但喷浆支护环节仍处于机械化程度低、自动化水平落后的短板。国内外虽有部分喷浆机械手应用，但普遍存在功能单一、转场困难、厚度控制不精准、无法自适应断面变化等问题。为此，亟需研发喷浆机器人，实现自主行走、自动喷浆、厚度自适应、低回弹、少人化遥控作业，提升巷道支护效率与安全水平。

需解决的主要技术难题

一、狭窄非结构化巷道自主定位与行走

井下巷道低照度、高粉尘、水雾弥漫，传统定位方法易受干扰。技术难点：
    激光雷达+惯性导航+编码器+超宽带融合定位；
    退化环境下的鲁棒闭环检测；
    狭窄巷道自主避障与路径规划；
    泥水混合路面防滑与越障控制。

二、喷浆轨迹规划与厚度自适应控制

需根据巷道断面形状和围岩条件自动规划喷浆轨迹。技术难点：
断面三维重建与喷浆区域分割；
喷枪姿态与距离自适应控制；
喷层厚度在线检测与闭环调节；
多遍喷涂路径优化与重叠率控制。

三、低回弹与粉尘抑制工艺

技术难点：
混凝土配比、喷射压力、喷射角度与回弹率关系建模；
基于振动频谱与压力波形的工艺参数自适应；
主动抑尘与雾化降尘；
喷头防堵与磨损实时监测。

四、人机协同安全与防爆

         技术难点：
         融合热成像与毫米波雷达的人员检测；
        基于虚拟力场的动态速度限制与紧急制动；
        机器人姿态与巷壁距离实时预警；
        煤矿瓦斯环境防爆设计。

期望实现的主要技术目标

一、作业能力目标

喷射能力≥8m³/h；
回弹率≤15%；
喷层厚度误差≤±20mm；
喷浆效率≥30m²/h；
适应巷道断面≥20m²；
最小转弯半径≤3.5m，最大越障高度≥300mm，最大涉水深度≥300mm；
适应巷道坡度±18°。

二、智能化感知与控制目标

定位误差≤10cm；
三维巷道重建更新频率≥1Hz；
喷层厚度在线检测准确率≥90%；
自动生成喷浆路径，单次下达任务后无人干预连续作业时间≥10min；
典型动作序列可学习并参数自优化。

三、安全与可靠性目标

人员接近检测距离≥8m，检测到后1s内自动降速至0.3m/s或停机；
电子围栏设定误差≤20cm，越界触发制动时间≤0.3s；
机身倾角≥12°时自动限制臂架运动幅度；
防爆等级ExdIMb，整机防护等级≥IP65，关键电控箱IP67；
MTBF≥200h，关键部件设计寿命≥5000h。

四、人机交互与远程运维目标

无线遥控距离视距≥150m，非视距≥50m；
远程集控视频传输延时≤100ms，控制指令延时≤50ms；
遥控终端集成至少2路高清视频+1路热成像；
显示位姿、油温、瓦斯浓度、喷浆压力等关键数据；
实现液压、动力、感知系统故障自诊断，覆盖≥80%常见故障。

五、绿色与节能目标

若采用电驱，每立方米喷浆物料能耗≤2.5kWh；
若采用柴油机，满足国四及以上排放标准；
液压系统能效比≥65%；
粉尘浓度显著降低，回弹率≤15%。

六、标准化与扩展性目标

属具接口统一，支持至少5种以上作业属具快速切换；
控制软件采用ROS-like架构；
数据接口开放，可接入矿山智能化管控平台。

验收验证标准

         在典型矿井完成不少于200小时井下工业性试验；
          喷浆后巷道断面尺寸合格率≥95%；
          回弹率≤15%，喷层厚度误差≤±20mm；
          操作人员培训周期≤40学时，普通掘进工可独立操作。