山東魯班機械科技總經理宋峰：煤礦水倉清理智能化整體解決方案及成套裝備研發應用

2025年12月05日 12:06 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

煤炭工業的快速發展，智能化煤礦水倉清理工作的重要性日益凸顯。針對傳統的人工清理方法勞動強度大、效率低、環境污染嚴重等問題，提出了煤礦水倉清理智能化整體解決方案，研發了包括清運機器人、煤礦用清倉機、固液分離設備、礦用上料機在內的成套裝備，旨在提高煤礦水倉清理的效率、保障施工人員的安全以及減少環境污染。筆者深入研究與分析煤礦水倉清理智能化整體解決方案的技術特點、工作流程、主要優勢以及實際應用效果，并與其他清理方法進行了比較，以期為煤礦水倉清理技術的現代化提供參考。

文章來源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機器人技術創新與實踐特刊”

第一作者：宋峰，高級工程師，“國家萬人計劃” 領軍人才，現任山東魯班機械科技有限公司總經理，主要從事應急救援智能裝備和礦山機器人等研究。 E-mail：cbl95599@sina.com

通信作者：胡而已，博士，研究員，主要從事智慧應急、礦山智能化、智能傳感與機器人等技術研究。E-mail：horyhu@126.com

作者單位：山東魯班機械科技有限公司；齊魯工業大學（山東省科學院）；山東省科學院自動化研究所；應急管理部信息研究院

引用格式：宋峰，陳泓羲，馬爭光，等.煤礦水倉清理智能化整體解決方案及成套裝備研發應用[J].智能礦山，2025，6(11)：47-55.

點擊文末左下角閱讀原文，免費下載閱讀pdf全文

關注微信公眾號，了解更多礦山智能化建設進展

煤礦水倉是保證煤礦生產安全、預防礦井水災的重要設施，主要有存集涌水、沉淀煤泥和排放廢水的功能。但在煤炭開采過程中會產生大量廢水和煤泥，此類懸浮顆粒最終會在水倉中堆積造成淤堵。如果不能及時有效地清理水倉，將會影響排水系統的安全運行及水倉防涌水能力。因此，需要定期清除煤礦水倉的淤泥，以保證水倉的高效運行。

目前，煤礦水倉清理技術主要為人工清淤、機械化清淤、柱塞排污泵清淤和振動篩清淤。人工清淤簡單，但勞動強度大、危險度高、清挖周期長，且無法徹底清除淤泥；機械化清淤減輕了工人負擔，但設備復雜、清理效果不佳，在巷道內移動受限；柱塞排污泵清淤效率高，但需配套地面污水處理系統，對管路系統要求高；振動篩清淤能分級處理淤泥，但對細小顆粒清理不徹底。在煤礦水倉清理領域，機器人技術的應用面臨多重技術挑戰。

（1）由于礦井環境中可能存在易燃氣體，清倉機器人必須配備嚴格的防爆設計，以確保在復雜環境中的安全運行。

（2）煤礦水倉內的泥濘、積水和狹窄空間對機器人的作業能力提出了更高的要求：機器人必須具備足夠大的牽引力和高機動性，同時配備先進的智能傳感技術以實現精準的自主導航和路徑規劃。

（3）機器人的研發還需解決穩定的井下通信、實時安全健康監測等技術難題，以確保系統的高可靠性與易維護性。

筆者將煤礦水倉清理主機及智能控制臺等多種設備集成為一體，通過機器人與機械設備的配合，實現了煤礦水倉清理的自動化和智能化，解決了傳統清理方法中的諸多問題，提高清理效率和安全性、減少環境污染。

煤礦水倉清理智能化系統工作流程

煤礦水倉清理系統主要由清運機器人、煤礦用清倉機、固液分離粗濾設備、固液分離精濾設備、礦用上料機以及智能控制臺等關鍵部分組成。煤礦水倉清理系統各組成部分協同作業，共同完成水倉清理任務。煤礦水倉清理系統工作流程如圖1所示，煤礦水倉清理系統示意如圖2所示，煤礦水倉清理智能化系統的工作流程包括以下3個方面。

圖1 煤礦水倉清理系統工作流程

圖2 煤礦水倉清理系統示意

（1）煤礦水倉清理系統各組成部分通過無線或有線和智能控制臺通信連接。開始工作時，2臺清運機器人在水倉內部協同作業；水倉深處的清運機器人依靠配備的激光雷達及超聲波傳感器等多傳感器信息融合，感知巷道壁特征自主行走到預設位置，通過液位傳感器的數據，實現對清運機器人工作臂的角度調整，使旋轉的工作裝置時刻對水倉深處的煤泥進行攪拌，改善煤泥流動性。

（2）另外1臺清運機器人根據預設路線，在水倉深處的清運機器人和清倉機間往返運動，把可流動的煤泥推向清倉機方向。清倉機在水倉口將清運機器人推來的煤泥進行集料，并通過管路將煤泥遠程泵送到后端的固液分離設備。

（3）固液分離設備包括粗濾設備和精濾設備。粗濾設備采用2級振動和旋流處理方法，將煤泥中較大顆粒分離，剩余煤泥進入精濾設備，通過高速離心螺旋沉降，方式分離出較小顆粒，分離出來的煤泥顆粒分別由上料機轉運至輸送帶或者其他運輸設備。固液分離設備管路配備有壓力傳感器，智能控制臺根據壓力信號可以調節清倉機的集料速度和泵送量，保證系統平穩連續運行。

通過系列自動化流程，煤礦水倉清理系統可提升煤泥清理的效率和安全性，減少環境污染，實現煤礦水倉管理的現代化和智能化。

煤礦水倉清理智能化系統設備技術特性

2.1 清運機器人

清運機器人采用可拆分設計，整機可拆分為前端作業裝置、履帶車架和動力裝置（防爆柴油機）等關鍵部分。可分拆結構便于下井和運輸，確保機器人在煤礦水倉中作業及維護高效性和安全性。清運機器人設計模型如圖3所示，清運機器人實物如圖4所示。

圖3 清運機器人設計模型

圖4 清運機器人實物

清運機器人的主要技術參數見表1，包括適應水倉斷面規格、最大涉水深度、對底板比壓等關鍵技術指標，為清運機器人的實際應用提供技術參考。

表1 清運機器人主要技術參數

（1）清運機器人采用左右分體式履帶車架，整機質量為6 000 kg，履帶設計寬度為280 mm。該設計減小了清運機器人在煤泥中行走阻力，保證整機的靈活性和通過性。

（2）防爆柴油機是清運機器人的驅動核心，為電啟動方式，柴油機在最大轉速為2 200 r/min時，功率輸出為60 kW，滿足清運機器人的動力需求；柴油箱容量為160 L，保證清運機器人長時間工作。

（3）清運機器人的液壓系統由變量柱塞泵、負載敏感比例電磁閥、行走馬達、曲軸連桿式徑向柱塞馬達、液壓油缸等部件組成。通過負載敏感比例電磁閥控制液壓油缸平穩精確地實現工作臂的起升和下落。600 cc曲軸連桿式徑向柱塞馬達轉矩大、結構簡單，用來驅動攪拌裝置以60 r/min的速度在煤泥中旋轉。該驅動方式與機器人穩定行走功能相結合，推動煤泥水從水倉中流動到水倉口，為后續的集料和泵送作業提供便利。

（4）清運機器人的智能控制系統主要由主機控制電腦板、動力裝置監測控制模塊、作業裝置監測控制模塊和MESH自組網模塊組成。利用激光及超聲波傳感器等多傳感器信息融合感知巷道壁特征，實現機器人的精確定位。通過實時采集動力裝置和作業裝置的工作狀態數據，基于超聲波衰減檢測技術感知水倉煤泥的清淤狀態，結合電液比例自動控制技術，實現機器人的自主行走和合理避障，完成整機的自動化作業。

（5）主機控制電腦板負責系統的核心運算，處理來自各傳感器的數據，具備急停、斷電和程序監測功能，確保作業安全。

（6）動力裝置監測控制模塊和作業裝置監測控制模塊分別負責監控動力系統和作業執行情況，通過對工作狀態的實時監控和分析，提升系統的穩定性和作業效率。

2.2 煤礦用清倉機器人

煤礦用清倉機器人設計目的為提升煤泥水的收集和遠程輸送效率，煤礦用清倉機器人設計模型如圖5所示，煤礦用清倉機器人實物如圖6所示。

圖5 煤礦用清倉機器人設計模型

圖6 煤礦用清倉機器人實物

清倉機器人的主要技術參數見表2，包括油泵類型、最大泵送量、泵送壓力、集料螺旋和輸送螺旋的轉速，以及機器人在水平和垂直方向上的直線泵送距離，表征了清倉機器人在煤泥水收集、輸送效率方面的高效性。

表2 清倉機器人主要技術參數

（1）清倉機的動力是1臺75 kW/1 480 r/min的防爆電動機，驅動串聯的變量柱塞泵和齒輪泵為整機提供液壓能。

（2）液壓系統通過比例電磁閥驅動絞籠馬達，帶動前端螺旋，將煤礦水倉淤積煤泥向中間集料；驅動輸送馬達帶動輸送螺旋，將收集到的物料向后輸送到泵送機的料斗中；用泵送機通過管路將煤泥遠程輸送到煤泥水固液分離裝置，進行進一步處理。

（3）泵送模塊是煤礦用清倉機器人的關鍵組成部分，遠程泵送煤泥到固液分離裝置。將液壓能轉換為機械能，為煤泥遠程高效輸送提供動力。泵送系統包括泵送油缸、物料缸、擺動油缸、攪拌裝置、分配閥、料斗、水洗箱和出料口等多個部件。

分配閥換向前如圖7所示，分配閥換向后如圖8所示，在液壓閥和液壓油的配合下，泵送油缸執行往復動作，擺動油缸則驅動分配閥進行換向，完成物料在物料缸內的排出或吸入。為滿足復雜環境下煤泥水遠距離運輸的需求，泵送模塊設計泵送壓力為12 MPa，最大泵送量為30 m3/h，水平直線泵送距離為500～600 m，垂直直線泵送距離為80～120 m。泵送模塊具備反泵功能，應對物料堵管情況，確保泵送過程的連續性和穩定性。

圖7 分配閥換向前

圖8 分配閥換向后

（4）前端輔助作業機構模塊是煤礦用清倉機器人的重要組成部分，提供輔助挖掘和破碎功能。油缸控制的前端挖掘臂將煤泥從水倉地板、片幫以及頂板噴漿層等區域挖取至集料絞籠前方，掏挖清理范圍廣泛，高度從-1.35 m延伸至3.8 m，寬度最大為4.5 m，提升了集料速度。由于挖掘臂的前伸處理，增加了煤泥流動性，有效防止了煤泥坍塌，保障了作業的安全。該模塊可選裝的破碎裝置對水倉地板起鼓、片幫以及頂板噴漿層散落的碎料可有效破碎，確保煤泥清理作業的安全性和高效性。

2.3 煤泥水固液分離裝備

煤泥水固液分離裝備將煤泥水中的煤泥渣與液體分離，以有效回收煤泥，減少資源浪費和損耗、減輕對環境負擔。該裝備主要分為固液分離粗濾設備、固液分離精濾設備。

（1）固液分離粗濾設備

固液分離粗濾設備將清倉機器人遠程泵送的煤泥漿進行初步固液分離，處理掉煤泥漿中的大顆粒物質，減少后續煤泥水精細分離的負擔。固液分離粗濾設備設計模型如圖9所示，固液分離粗濾設備實物如圖10所示。

圖9 固液分離粗濾設備設計模型

圖10 固液分離粗濾設備實物

固液分離粗濾設備的主要技術參數見表3，包括入料粒度、分離粒度、渣料最大含水率、振動電機額定電壓、振動電機振動頻率、粗篩和細篩規格、水力旋流器處理量，固液分離粗濾設備在煤泥水固液分離過程中，實現高效、可靠的分離效果。

表3 固液分離粗濾設備主要技術參數

固液分離粗濾設備通過進料口接收清倉機器人遠程泵送的煤泥漿，利用振動篩的下層粗篩（篩孔大小1～50 mm）進行初步固液分離，將粒徑較大的渣料分離出來，剩余的煤泥稀漿被收集到收集箱中。

立式渣漿泵從收集箱內抽吸篩選后的煤泥稀漿，通過離心加速加壓，沿管路送入水力旋流器進行二次分選。在水力旋流器中，煤泥漿通過旋轉流動和離心力的作用進行固液分離。較大粒徑的泥沙在旋流器底部被排出，并通過上層的細篩（篩孔為0.075～1 mm）重新回到收集箱中進一步處理。含有微細顆粒的煤泥水從水力旋流器中間溢流口排出，此部分煤泥水根據具體要求送達固液分離精濾設備進行精細化處理，或者直接排出。固液分離粗濾設備的處理量為15～40 m3/h，滿足不同規模煤礦水倉清理的需求。

（2）固液分離精濾設備

固液分離精濾設備是螺旋卸料沉降式離心機，對經過初步粗濾處理的煤泥水進行更精細的固液分離。固液分離精濾設備設計模型如圖11所示，固液分離精濾設備實物如圖12所示，設備主要由轉鼓、螺旋輸送器、差速器以及軸承座、罩殼和機座等部件構成。

圖11 固液分離精濾設備設計模型

圖12 固液分離精濾設備實物

固液分離精濾設備的主要技術參數見表4，包括入料粒度、分離粒度、轉鼓最高轉速、分離因數、處理后尾水含固率、傳動方式等，實現了固液分離精濾設備在固液分離過程中高效率、低含固率的尾水排放。

表4 固液分離粗濾設備主要技術參數

在固液分離精濾設備的工作過程中，煤泥水首先通過進料口進入設備，轉鼓開始高速旋轉產生強大的離心力。煤泥水中的固相顆粒在離心力的作用下被推向轉鼓壁，形成固體層，液相密度較小，離心力影響較小，形成液體層靠近轉鼓中心。

利用螺旋輸送器與轉鼓之間的速度差異，固體層的污泥被逐漸推向轉鼓的錐形部分。在轉鼓的錐形區域，污泥經過壓榨和干燥處理，并通過錐形部分的出口連續排出。液體層中的液體在重力作用下，從轉鼓較寬一端的溢流口連續流出，產生清澈的分離液。固液分離精濾設備的處理能力為25 m3/h，處理后尾水的含固率<0.8%，確保排放的水質符合環保標準。

2.4 礦用上料機

礦用上料機為多功能設備，適用于多種軌距，實現移動和手動液壓升降的螺旋輸送轉載機構。礦用上料機設計模型如圖13所示，礦用上料機實物如圖14所示，設備主要由螺旋輸送絞籠、料斗、底架、手動液壓泵、手動液壓油缸、電機和減速機以及工礦輪對等部件組成。

圖13 礦用上料機設計模型

圖14 礦用上料機實物

上料機主要技術參數見表5，包括輸送量、物料顆粒度、輸出轉速、螺旋尺寸、輸送長度和電機額定功率，在上料過程中實現高效、穩定的物料輸送。

表5 上料機主要技術參數

在工作過程中，礦用上料機通常布置在運輸巷中，將固液分離粗濾設備及精濾設備分離出的煤泥，通過螺旋輸送裝置被提升到1.35 m至2.0 m的高度，并從出料口釋放到下方輸送帶輸送機上。輸送帶輸送機與礦方的運輸巷相連，將煤泥運輸至煤倉。該設備的輸送能力為20 m3/h，輸出轉速為82±2 r/min，確保煤泥的高效輸送。

煤礦水倉清理智能化系統實際應用與效益分析

3.1 煤礦水倉清理智能化系統實際應用

煤礦水倉清理智能化系統備已成功取得煤安認證，并已在華能慶陽煤電有限責任公司核桃峪煤礦（簡稱核桃峪煤礦）中央水倉進行了現場應用。核桃峪煤礦中央水倉由3個水倉組成，總容量為10 770 m，該煤礦涌水量大，夾帶更多煤泥，碎石顆粒及各類雜物，造成3個水倉快速淤堵，每年至少需要4次清理。煤礦水倉清理智能化系統在核桃峪煤礦進行了實際應用，煤礦水倉清理智能化系統現場應用如圖15所示。

圖15 煤礦水倉清理智能化系統現場應用

（1）煤礦清倉機在水倉口運行，前端集料螺旋收集煤泥水混合物，通過清倉機的螺旋輸送筒運至泵送機構料斗，泵送機構將料斗中的煤泥水混合物泵送至500 m外的振動篩。

（2）煤泥水經過振動篩的第1級篩網（20目）進入儲料箱，經螺旋泵加壓至上方旋流裝置，旋流器旋出的稍細的顆粒料落至第2級篩網（60目），2級篩網篩出的顆粒料落至上料機的進料口。

（3）旋流器溢流的料通過軟管輸送至固液分離機，固液分離機的螺旋輸送器和轉鼓以相反的旋向高速轉動，把細小顆粒連續過濾至上料機的進料口。

（4）振動篩分離出的大顆粒和固液分離機分離出的小顆粒通過上料機轉至輸送帶輸送機，固液分離機分離出的達標水隨管道流回其他水倉。

（5）煤礦水倉清理智能化系統連續運行，水倉整體液位下降，自然流動的煤泥水已經無法滿足清倉機的處理量，此時智能控制臺下達指令，1臺清運機器人自行深入至距離水倉約50 m位置攪拌煤泥水，另1臺清運機器人在清運機器人和清倉機器人之前往返將流動性提高的煤泥水推送至水倉口以供清倉機處理。

（6）隨著水位的再次下降，清運機會繼續深入，直至水倉的煤泥水清理完畢。

煤礦水倉清理的智能化系統通過整合水倉清淤、遠程管道輸送、固液分離以及煤泥運輸等環節，滿足了核桃峪煤礦高頻率的清理需求，通過管路進行淤泥的遠程輸送，避免了在巷道中的污染，而且在井下直接進行固液分離和精細處理，實現了資源有效回收，充分證明了在實際煤礦環境中的應用價值。

煤礦水倉清理的智能化系統解決了傳統清倉機在作業過程中，需要人工續接泵送管路和拖拽電纜的問題，減少了人力和時間成本，實現了水倉清理的智能化和無人化。與傳統人工清理方法相比，在成本和效率上具有明顯優勢，為煤礦創造巨大的社會效益和經濟效益。

煤礦水倉清理的智能化系統總體技術參數見表6，包括清運機器人作業能力、清倉機的處理能力，以及煤泥水固液分離裝置的分離效率等關鍵指標，展示了清運機器人智能化系統核心組件性能。

表6 煤礦水倉清理智能化主要技術參數

3.2 煤礦水倉清理智能化系統效益分析

在核桃峪煤礦中央水倉的應用實踐中，提升了水倉清理的工作效率，降低了清理成本。單次水倉清理成本數據對比見表7，表明采用智能化系統前后在水倉清理效率和成本上的差異。

表7 單次水倉清理成本數據對比

在引入煤礦水倉清理智能化系統之前，核桃峪煤礦的中央水倉清理工作主要依賴于人工操作。每班需要8人，每日2班，共計16人參與清理，日清理速度為90 m，清理過程實際耗時160天。人工費用總計為76.8萬元，油費39萬元，外包運輸隊費用11萬元，設備外總成本為126.8萬元。

采用煤礦水倉清理智能化系統之后，水倉清理工作人數每班減少至2人，每日總人數減少至4人，清理速度顯著提升至每日為480 m3，水倉清理實際完成時間縮短至24天，設備外總成本僅為2.88萬元。

表7數據表明，采用煤礦水倉清理智能化系統后，單次水倉清理的人工費用從76.8萬元降低至2.88萬元，節省了123.92萬元。核桃峪煤礦中央水倉每年至少需要清理2次，每年可節省的費用高達495.68萬元。同時，系統減輕了礦工的勞動強度、保護了礦內環境，解決了煤礦井下水倉清理周期長、隱患多、安全壓力大、污染環境等系列問題。

截至2024年5月，煤礦水倉清理機器人系統已在核桃峪煤礦平穩運行30個月，在水倉內最大作業速度為0.78 m/s，障礙物跨越高度最高為300 mm，涉水深度超過1.2 m。系統整體及中繼裝置開機率為98%，行走系統與清潔機構可應對煤礦水倉內各種復雜地形和惡劣工況，無線通信穩定，作業期間無任何安全事故或設備碰撞情況發生。

煤礦水倉清理機器人系統的應用降低了水倉清理的勞動強度，減少了礦工進入高危區域風險，與傳統人工清淤相比，作業效率提高了4倍，費用成本縮減了80%。

結語

煤礦水倉清理智能化整體解決方案，通過整合多種先進設備，形成了高效協同作業體系，實現了煤礦水倉清理的自動化與智能化。系統在核桃峪煤礦成功應用，通過與傳統的清理方法數據對比，證明了其顯著的實用性和經濟性。同時，在應用過程中也發現了系統設備數量多不便于井下運輸布置，設備間協同還存在提高的空間。提高多種設備整合集成將是本系統研究的重點方向，在下一代設備開發時，結合煤礦井上遠程控制技術，實現井下無人作業。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學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，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團有限公司主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業/團隊/人物專訪政策解讀視角·觀點智能示范礦井對話革新·改造學術園地、專題報道等。

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

?? 征稿函詳見鏈接： 征稿┃《智能礦山》面向廣大讀者征稿，歡迎投稿

期刊成果：創刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團智能化建設成果”“聚焦煤炭工業‘十四五’高質量發展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進展發布會”“煤炭清潔高效利用先進成果發布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設運維與技術創新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團隊、卓越人物等千余人產學研用高端協同辦刊團隊，打造了“刊-網-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發布礦山智能化領域新技術、新產品、新經驗。

?? 具體詳見鏈接：《智能礦山》創刊5周年回顧

聯系人：李編輯 010-87986441

郵發代號：82-476

?? 期刊訂閱詳見鏈接：歡迎訂閱┃《智能礦山》雜志2026年訂閱開始了！

往期薦讀