摘要：研究了煤矿机器人必须要解决的动力、蓄电池防爆及充电安全等问题，并提出解决方案。提出通过限制蓄电池容量，增加防止过充、过放、过载、过热等保护，可以将免维护铅酸蓄电池放置在隔爆外壳内，用于煤矿井下爆炸性环境。提出煤矿机器人蓄电池宜采用隔爆型防爆型式。提出采用隔爆型防爆型式的锂离子蓄电池，应限制隔爆外壳内蓄电池容量，并根据隔爆外壳内锂离子蓄电池容量，提高隔爆外壳的耐爆和不传爆性能。提出难以建设机器人专用充电硐室的矿井，可设置机器人充电舱；煤矿机器人充电舱宜采用钢材制成，设置在进风巷和机器人作业区域内；机器人充电舱内必须设置灭火器材和甲烷传感器。提出煤矿机器人蓄电池有线充电宜采用隔爆型充电装置；隔爆型充电装置和隔爆蓄电池，在对接、充电和分离状态均应保证形成独立的隔爆腔；在对接、充电和分离状态均有独立的安全闭锁机构，确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前，机器人及其充电装置的充电接口不带电。提出煤矿机器人蓄电池井下无线充电，会在周边金属物体上感生电动势，引爆电雷管，较高的感生电动势将会放电，会引起瓦斯爆炸和火灾；单点小功率、多点分散无线充电，不但要考核单一充电点的本质安全防爆性能，还要考核邻近多点的功率和能量叠加；提出不得将较大功率定向充电天线正对固定岗位操作工。
关键词：煤矿机器人；电气安全；防爆；蓄电池；充电；动力
孙继平(中国矿业大学(北京)，北京100083)
0引言
煤炭是我国主要能源，在我国能源生产与消费结构中所占比例最大。20多年来，煤炭产量约占我国能源生产总量的70%，煤炭消费量约占我国能源消费总量的60%[1]。我国富煤、贫油、少气的资源特点和非化石能源占比低的实际，决定了在未来相当长的时期内，我国以煤炭为主体的这种能源生产和消费构成不会有大的改变，煤炭的战略地位十分重要。节能减排、提高能源转化和利用效率、集中清洁利用煤炭、减少煤炭散烧，大力发展高效超低排放火电机组，电热联产、集中供热，积极引导煤炭散烧用户改用电能，推广应用电能汽车等是防治雾霾的有效措施。因此，火电用煤量将会增加。煤炭将向着安全绿色高效开采、清洁高效集中利用方向发展。
煤炭行业是高危行业，瓦斯、水、火、顶板、爆破、运输和机电等事故困扰着煤矿安全生产[1-3]。2018年全国煤矿共发生事故224起、死亡333人；其中，较大事故17起、死亡69人；重大事故2起、死亡34人；没有发生特别重大事故；煤矿百万吨死亡率0.093，首次降至0.1以下；事故总量、较大事故、重特大事故和百万吨死亡率均大幅下降[4]。事故调查和分析表明，在事故其他条件不变的情况下，煤矿井下作业人员越多，瓦斯爆炸、火灾、水灾等事故死亡人数越多。因此，减少煤矿井下作业人员，是减少煤矿重特大事故、百万吨死亡率、事故总量和死亡人数的有效措施[5]。
煤矿机械化、自动化、信息化和智能化是安全高效绿色现代化煤矿的发展方向。煤矿井下机器人是减少煤矿井下作业人员的有效措施。为指导和促进煤矿机器人发展，国家煤矿安全监察局于2019年1月2日发布了《煤矿机器人重点研发目录》，包括掘进、采煤、运输、安控和救援5大类，共38种[6]。
煤矿井下是有限空间，有甲烷、一氧化碳等易燃易爆气体，有矿尘，有淋水，环境潮湿，空间狭小，巷道长达10余km，电磁波传输衰减严重，卫星定位信号不能覆盖煤矿井下，电磁干扰严重，电网电压波动范围大等，制约着地面机器人直接在煤矿井下应用[1]。因此，需要针对煤矿井下特殊环境和要求，研究煤矿机器人及其安全技术[7-8]。煤矿机器人安全主要包括动力安全、蓄电池安全、蓄电池防爆安全、蓄电池充电安全等。这些问题制约着煤矿机器人安全标志准用证和防爆合格证的取得，是煤矿机器人下井使用必须解决的关键技术问题和难题。
1煤矿机器人动力
地面机器人的动力比较容易解决，但煤矿井下机器人的动力是最难解决，且必须要解决的关键技术难题。煤矿井下机器人动力可选择电动、柴油动力和高压气动。柴油动力具有简单的优点，但柴油是易燃物品，煤矿井下自动加注柴油困难；柴油机作业时噪声大、尾气排放污染井下空气。煤矿井下是受限空间，大量柴油动力机器人在井下使用，将使煤矿井下空气质量降低。加大矿井通风量，可以提高煤矿井下空气质量，但在巷道通风断面一定、风速受限的情况下，风量难以大幅度提高。
高压气动具有简单的优点，但高压气瓶是高压容器，使用维护和管理不善会导致高压容器伤人事故。高压气动煤矿井下机器人存在着自重大、续航时间短、加压补气困难等问题。
电动机器人具有自重小、续航时间长、使用维护方便等优点，煤矿机器人宜优选电动。电动机器人供电包括电缆供电和蓄电池供电等方式。电缆供电具有简单、可靠等优点，但远距离拖拽电缆，具有体积大、质量大、不便于使用等缺点。蓄电池供电具有自重小、续航时间长、使用维护方便等优点，煤矿移动机器人宜优选蓄电池供电。但煤矿井下具有瓦斯等易燃易爆气体，制约着蓄电池机器人在煤矿井下应用，急需研究解决煤矿机器人蓄电池安全问题，这包括使用安全和充电安全等。
2煤矿机器人用蓄电池
常用的蓄电池主要有锂离子、铅酸、镍镉和镍氢等。锂离子蓄电池具有比能量最高、寿命最长等优点，因此被广泛应用。但当充放电保护电路失效，锂离子蓄电池在充电和放电过程中，会发生爆炸。锂离子蓄电池主要有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等。其中，磷酸铁锂蓄电池安全性最好，但当充放电保护电路失效，在充电和放电过程中，也会发生爆炸事故。镍镉和镍氢蓄电池具有记忆效应，比能量低于锂离子电池，因此，镍镉和镍氢蓄电池被锂电池替代。
铅酸蓄电池历史最悠久，但比能量最低、寿命最短，在过充电的情况下，会析出氢气，因此，《GB3836.2—2010爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》[9]规定，在正常使用可能释放氢气和氧气等电解气体的电池不能在隔爆外壳内使用。允许在隔爆外壳内使用的蓄电池有镍镉、镍氢和锂蓄电池，不包括铅酸蓄电池。这就是说铅酸蓄电池不允许在隔爆外壳中使用。
