煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)應(yīng)用探究

張磊 杜善營 甘強(qiáng)

摘要：煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的應(yīng)用不僅標(biāo)志著產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，也逐漸成為提高煤礦生產(chǎn)效率和安全性的重要手段，其核心是將機(jī)械設(shè)備與電子控制系統(tǒng)有效結(jié)合，實現(xiàn)自動化、智能化管理，形成高效、可靠的礦山作業(yè)新模式，目前已經(jīng)成為我國多家煤礦提升產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。該項技術(shù)通過精確的自動控制系統(tǒng)，結(jié)合智能采掘、集成化運(yùn)輸設(shè)備，可顯著提高設(shè)備的操作精度與故障預(yù)警水平，為煤炭行業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程提供強(qiáng)大動力。

關(guān)鍵詞：煤礦；機(jī)電設(shè)備；一體化技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20240408

煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)作為現(xiàn)代礦業(yè)的前沿技術(shù)，融合了機(jī)械工程、電子技術(shù)和信息技術(shù)，具有高度集成和精確控制的特點，可將煤礦作業(yè)從傳統(tǒng)的人工密集型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型，實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化。我國作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，對煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的應(yīng)用尤為重視。近年來，隨著技術(shù)的不斷成熟和普及，從最初的單一機(jī)械設(shè)備到現(xiàn)在的高度自動化、智能化系統(tǒng)，越來越多的煤礦企業(yè)開始引入高度自動化的機(jī)電設(shè)備。此外，基于5G技術(shù)的智能裝備支撐系統(tǒng)已形成有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的高效傳輸。例如，8m超大采高智能采煤機(jī)、智能刮板輸送機(jī)、液壓支架等一系列創(chuàng)新技術(shù)已在智能煤礦建設(shè)中應(yīng)用推廣。

一、煤礦機(jī)電設(shè)備一體化的技術(shù)基礎(chǔ)

（一）機(jī)械制造技術(shù)

作為煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的基石，機(jī)械制造技術(shù)展現(xiàn)了精密工程和創(chuàng)新設(shè)計的融合，以高精度、高可靠性的機(jī)械部件制造為核心，確保煤礦作業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。高強(qiáng)度材料的使用是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵。例如，煤礦挖掘機(jī)械通常采用高強(qiáng)度鋼材制作，其抗拉強(qiáng)度通常在800MPa以上，保證設(shè)備在極端地質(zhì)條件下的耐用性。在焊接技術(shù)方面，機(jī)械制造采用先進(jìn)的激光或電子束焊接技術(shù)，可實現(xiàn)微米級的焊接精度，大幅提高焊接接頭的強(qiáng)度和耐腐蝕性。對于煤礦機(jī)電設(shè)備的齒輪制造，通常采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，這些機(jī)床的加工精度可達(dá)到0.001mm，以保證齒輪傳動平穩(wěn)和高效。此外，熱處理、鍍層、表面硬化等表面處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械部件，可將部件的表面硬度提高到700HV以上，顯著延長設(shè)備的使用壽命。通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用減震材料，可以降低設(shè)備運(yùn)行時的振動和噪音，減輕對設(shè)備本身的影響，例如，振動水平控制在5mm/s以下，噪音水平控制在75dB分貝以下，遠(yuǎn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（二）傳動技術(shù)

傳動技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)中處于核心位置，通過齒輪傳動、皮帶傳動和液壓傳動等方面的創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高可靠性的動力傳遞。在煤礦設(shè)備中，齒輪的設(shè)計和制造必須達(dá)到高精度標(biāo)準(zhǔn)。例如，用于重型挖掘機(jī)械的齒輪，模數(shù)通常在10以上，齒面硬度需達(dá)到350HB（布氏硬度）以上，以承受極端的負(fù)載和磨損條件。齒輪的齒距誤差控制在0.01mm以內(nèi)，齒形誤差控制在0.005mm以內(nèi)，才能保證傳動的高效性和長期穩(wěn)定性。采用高強(qiáng)度合成材料制成的傳動帶，例如，聚氨酯或尼龍材料，具有優(yōu)異的耐磨性和抗拉伸能力，抗拉強(qiáng)度可達(dá)100MPa以上，即使在惡劣的煤礦環(huán)境中，依然持久耐用。皮帶傳動系統(tǒng)中，輪槽的設(shè)計精度要求極高，誤差控制在0.05mm以內(nèi)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮到復(fù)雜的礦井環(huán)境，液壓泵和馬達(dá)的工作壓力通常在25MPa以上，以滿足重型設(shè)備的動力需求。液壓油粘度指數(shù)需大于100，保證在不同溫度下的穩(wěn)定性。此外，液壓系統(tǒng)中的密封技術(shù)也至關(guān)重要，密封件的泄漏率需控制在1×10－6L/min以下，防止油液泄漏和環(huán)境污染。

（三）傳感器技術(shù)

精密的傳感器不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，還能夠感知礦井環(huán)境，為機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障。在種類繁多的傳感器中，煤礦用的氣體傳感器尤為重要。這些傳感器能夠檢測礦井內(nèi)的甲烷、一氧化碳等有害氣體的濃度，而且檢測精度可達(dá)到ppm級別。例如，甲烷傳感器的靈敏度需達(dá)到0.1%的甲烷濃度，在甲烷濃度達(dá)到爆炸下限（大約5%）之前提供警報，保障礦工的安全。振動傳感器在監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的健康狀態(tài)方面發(fā)揮著重要作用，頻率響應(yīng)范圍通常在0.1～1 kHz，足以覆蓋大部分機(jī)械設(shè)備的振動頻譜。通過監(jiān)測和分析設(shè)備的振動數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常磨損和潛在故障。溫度傳感器能夠在極端的環(huán)境下穩(wěn)定工作，測量范圍通常在－40～150℃之間，保持±0.5℃的測量精度，確保在設(shè)備過熱或環(huán)境溫度異常時能夠及時發(fā)出警報。光電傳感器在自動化煤礦設(shè)備中用于精確定位和物體檢測，能夠在光線昏暗的礦井環(huán)境中有效工作，檢測范圍通常在幾厘米到幾十米之間，滿足煤礦機(jī)電設(shè)備對高精度定位和快速響應(yīng)的需求。

二、煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)應(yīng)用

煤礦機(jī)電設(shè)備一體化綜采自動化系統(tǒng)主要由液壓支架電液控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、采煤機(jī)電控系統(tǒng)、三機(jī)泵站集控系統(tǒng)、順槽集控系統(tǒng)組成，如圖1所示。使用該系統(tǒng)后，綜采工作面可實現(xiàn)正常采煤生產(chǎn)過程：以采煤機(jī)記憶割煤為主，人工干預(yù)為輔；以液壓支架跟隨采煤機(jī)自動動作為主，人工干預(yù)為輔；以綜采運(yùn)輸設(shè)備集中自動化控制為主，就地控制為輔；以綜采設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測為主，視頻監(jiān)控為輔，即“以工作面自動控制為主、人工干預(yù)控制為輔”的自動化生產(chǎn)模式，實現(xiàn)工作面少人、安全高效開采的目標(biāo)。

（一）電牽引聯(lián)合采煤機(jī)

電牽引聯(lián)合采煤機(jī)作為煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的重要組成部分，在現(xiàn)代煤礦作業(yè)中具有重要作用，其設(shè)計和制造融合了高效的電動機(jī)械系統(tǒng)和精密的控制技術(shù)，在煤炭開采中展現(xiàn)出卓越的性能。電牽引系統(tǒng)作為聯(lián)合采煤機(jī)的動力核心，采用了高性能的電動機(jī)，額定功率能夠達(dá)到數(shù)百千瓦級別。這種高效能電動機(jī)的扭矩輸出強(qiáng)勁，轉(zhuǎn)速可通過電子控制系統(tǒng)在寬范圍內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保了在不同開采條件下的最佳性能表現(xiàn)。例如，一些先進(jìn)的電牽引聯(lián)合采煤機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速可在0～3000轉(zhuǎn)/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足復(fù)雜煤層條件下的切割需求。在控制系統(tǒng)上，聯(lián)合采煤機(jī)裝備了先進(jìn)的微處理器和多功能傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和礦井環(huán)境，例如，溫度、振動和位置等，并在數(shù)毫秒內(nèi)做出響應(yīng)，有效防止設(shè)備超載運(yùn)行。在安全性方面，電牽引聯(lián)合采煤機(jī)具備多重安全保護(hù)功能，例如，過載保護(hù)、短路保護(hù)和漏電保護(hù)，防塵防水等級達(dá)到IP65以上，設(shè)備的下滑制動功能在傾斜角度達(dá)到40～50°時發(fā)揮作用，可有效避免下滑事故的發(fā)生。電動機(jī)和傳動系統(tǒng)部件的模塊化設(shè)計使更換、維護(hù)更加簡單快捷。設(shè)備的平均無故障工作時間（MTBF）達(dá)到數(shù)千小時，可以降低維護(hù)頻率和成本。此外，電牽引聯(lián)合采煤機(jī)相比傳統(tǒng)液壓牽引設(shè)備，具有更小的體積和更輕的質(zhì)量，節(jié)能效益明顯，能夠有效降低設(shè)備運(yùn)行成本。

（二）帶式輸送機(jī)智能化

帶式輸送機(jī)在煤礦中用于長距離、大容量的物料輸送，其智能化改造集成了先進(jìn)的電動機(jī)控制、精確的傳動機(jī)制和高效的監(jiān)控系統(tǒng)，可極大提高輸送機(jī)的可靠性與作業(yè)效率。帶式輸送機(jī)智能化系統(tǒng)中的傳感器能實時獲取關(guān)鍵傳動參數(shù)，包括輸送帶的傳動速率、電動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速以及各軸的輸入功率。例如，傳感器能夠檢測傳動帶的速度在范圍內(nèi)變化，精度達(dá)到±0.1m/s，可以確保輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測可精確到每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM），監(jiān)測范圍通常在0～5000 RPM之間。對于各軸輸入功率的監(jiān)測，傳感器能夠?qū)崟r反映功率的微小變化，精度達(dá)到±1W?？刂泼姘宓脑O(shè)計允許現(xiàn)場工作人員根據(jù)實際情況調(diào)整運(yùn)輸參數(shù)，使帶式輸送機(jī)的運(yùn)行更加靈活高效。編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是智能帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)處理從傳感器收集到的數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的控制決策。PLC具備強(qiáng)大的在線監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r監(jiān)控輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，其自動診斷通過分析電動機(jī)功率、轉(zhuǎn)速偏差，可以預(yù)測軸承磨損或傳動帶松弛等問題，提前發(fā)出警告，減少意外停機(jī)時間。

（三）保障掘進(jìn)機(jī)安全性

掘進(jìn)機(jī)的電氣系統(tǒng)通常由礦用隔爆型電鈴、礦本質(zhì)安全型操作箱、礦用隔爆兼安全型開關(guān)箱、隔爆照明燈等組成。一體化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)中起到協(xié)調(diào)和控制的核心作用。主控制器作為保護(hù)設(shè)備的中樞，不僅協(xié)調(diào)上述電氣設(shè)備，還可通過集成的控制系統(tǒng)，實時收集、處理電氣系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的電氣系統(tǒng)發(fā)生異常時，主控制器能記錄故障發(fā)生的時間、類型和相關(guān)參數(shù)，確保事后的故障分析和預(yù)防。一旦掘進(jìn)機(jī)發(fā)生短路，主控制器會立即記錄故障發(fā)生的確切時刻和環(huán)境條件，便于維修人員快速定位并解決問題。此外，主控制器還具備對油泵、二運(yùn)電機(jī)的過壓保護(hù)和三相電流不平衡監(jiān)測功能，在電氣系統(tǒng)出現(xiàn)過壓或三相電流不平衡等情況時，會立即采取切斷電源或發(fā)出警報的措施，防止發(fā)生設(shè)備損壞和意外事故。例如，當(dāng)油泵電機(jī)的電壓超過額定電壓的10%，主控制器會自動斷開電源，防止電機(jī)過熱。

（四）電液雙控支護(hù)設(shè)備

電液雙控系統(tǒng)的核心在于精密的電子控制單元和高效的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電子控制單元采用高性能微處理器，能夠?qū)崟r處理、分析來自支護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，例如，壓力、位置和載荷等。在液壓系統(tǒng)方面，采用了高強(qiáng)度的液壓缸和先進(jìn)的液壓泵站，運(yùn)用雙向相鄰支架恒壓技術(shù)，允許支架在保持恒定壓力的同時，快速響應(yīng)和適應(yīng)復(fù)雜的礦井環(huán)境。液壓缸的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求承受的工作壓力至少達(dá)到25MPa，確保高壓力環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。同時，液壓泵站的流量和壓力控制精度極高，其流量控制精度通常在±0.5%以內(nèi)，壓力控制精度在±1MPa以內(nèi)，以精準(zhǔn)控制液壓支架。當(dāng)液壓油的壓力或流量偏離預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值時，系統(tǒng)會立即通知操作人員加以調(diào)整，保障礦山作業(yè)安全、穩(wěn)定。

（五）提升機(jī)自動化控制

礦井提升機(jī)的自動化控制代表了礦業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的一大技術(shù)進(jìn)步，特別是交、直流全數(shù)字礦井提升機(jī)的應(yīng)用，采用了先進(jìn)的變頻技術(shù)和數(shù)字控制系統(tǒng)。變頻器在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠精確控制電動機(jī)的速度和扭矩，確保提升機(jī)的平穩(wěn)起升與下降。例如，一些高級礦井提升機(jī)使用的變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)頻率調(diào)整范圍在0～60Hz之間，提供高達(dá)150%的起動扭矩，滿足不同載荷和速度的需求。同時，提升機(jī)的自動化控制系統(tǒng)包括速度傳感器、位置傳感器和負(fù)荷傳感器等。速度傳感器能夠精確測量提升機(jī)的運(yùn)行速度，測量精度通常在±0.1%范圍內(nèi)；位置傳感器用于確定提升罐籠的位置，精度可達(dá)±1cm；負(fù)荷傳感器用于監(jiān)測提升罐籠的載荷，精度通常在±1%的范圍內(nèi)。提升機(jī)自動化控制系統(tǒng)還具備多重安全保護(hù)措施，包括過載保護(hù)、速度過快保護(hù)和緊急停機(jī)功能。過載保護(hù)能夠在提升罐籠超過安全載荷時自動停機(jī)，而速度過快保護(hù)可以在提升機(jī)超出安全速度時觸發(fā)緊急制動。

三、結(jié)語

煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)的應(yīng)用展示了技術(shù)創(chuàng)新與工業(yè)安全之間的和諧結(jié)合。將先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山作業(yè)的自動化、智能化和高效化。從電液雙控支護(hù)設(shè)備的精密控制到提升機(jī)自動化控制系統(tǒng)的高度安全性，每一項技術(shù)的應(yīng)用均可提升煤礦作業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)效率。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，煤礦機(jī)電設(shè)備一體化技術(shù)將繼續(xù)在提高生產(chǎn)效率和確保作業(yè)安全方面發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：張磊（1984），山東省菏澤市人，助理工程師，主要研究方向為安全管理。