煤礦機電設備中自動化技術的應用探究

唐利山，羅武軍，欒夢濤，畢國強，陳龍龍

（國能蒙西煤化工股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

通過持續探索和優化，我國煤礦產業迅速發展，煤炭供應能力得到顯著提升，同時煤炭進口量相應減少。但高耗能、高成本、高污染、勞動密集等問題嚴重制約著煤炭產業的可持續發展。此外，由于設備故障、突發事件等引起的煤礦安全事故，輕者為企業帶來嚴重經濟損傷，重者出現人員傷亡現象，產生了極為惡劣的社會影響。因此，煤礦產業需要加強對現金技術的研究和引進，提升礦井機電設備管理體系的效率性、適應性、連續性，促進煤礦企業向技術集約型產業轉型升級。在煤礦機電設備中使用自動化技術，能夠有效提升產業的煤炭供應力，推動煤礦產業長期、穩定、高效運行。

1 煤礦機電設備自動化概念及應用現狀分析

在確保煤礦機電設備正常運轉的基礎上，企業要積極引進和優化自動化技術，對現有機電設備升級改造，突破煤礦生產過程中設備性能的局限性，提升煤礦開采的穩定性、可靠性和安全性。

1.1 煤礦機電設備自動化概念

自動化技術具有一定的復雜性和綜合性，與自動控制、電子學、控制論、系統工程、信息論、計算機技術、液壓氣壓技術等聯系密切，將其用于現代機械設備，能夠縮減工藝流程，減少人力資源消耗，同時提升企業產能和生產安全性。煤礦機電設備自動化指借助自動化技術對煤礦開采、運輸等一線生產設備、輔助設備和安全保障設備進行集中控制，表現出優異的集成性和綜合性，使得煤礦生產更加機械化、多元化。煤礦機電設備常用的自動化技術包括自動化控制技術、微電子技術、軟件技術和傳感技術，其中自動化控制技術能夠提升煤礦機電設備的自動控制水平，減少機電設備運行中人力的投入，保障煤礦生產的高效性和安全性；微電子技術需要將各類微小電子元件放置在合適位置，憑借元件微小體積向控制系統實時傳輸監控數據，預防煤礦機電設備連接或系統運行出現故障問題；軟件技術主要用于各類煤礦機電設備，能夠對設備運行和采集數據進行精確分析并給出合理盤孤單，提升設備運行效率，調整機電設備運行方式；傳感技術是支持機電設備機械部件正常運行的重要技術，能夠幫助系統或管理者精確掌握設備運行數據，確保機電設備保持最佳工作狀態。

1.2 煤礦機電設備自動化現狀

發達國家對自動化技術及煤礦自動化生產研究較早，積累了豐富的經驗。早在20 世紀末，美國、德國、瑞典等發達國家煤礦機電設備自動化程度已經居于世界前列，整體煤礦產業生產安全性和效率得到了大幅提升。我國于20 世紀60 年代開始將自動化技術應用于煤礦產業，現如今多數大型煤礦生產企業移交給構建了機電一體化生產模式，能夠在礦井內構建大型開放式、分布式控制體系，實現對礦井煤炭生產、檢測、控制等自動控制，并依托互聯網技術，對煤炭生產和商業運營進行一體化、端對端管理，使得煤炭產能和安全得到保障。但國家能源局對山西、內蒙、新疆、陜西等地煤礦產業智能化驗收數據反映，雖然煤炭行業在行業主管部門引導下智能化建設水平取得了較大進展，如截至2021 年12 月30 日內蒙古自治區已對41做煤礦完成智能化驗收工作，包括進攻煤礦29 座、露天煤礦12 座。但縱向對比驗收結果發現，多數煤礦現代自動化體現水平較低，優化效果不明顯，許多業務系統和自動化技術仍處于輔助、展示與備用階段，并未投入煤礦生產常態化工作。

1.3 煤礦自動化發展痛點分析

受到區域經濟發展水平的影響，自動化技術在煤礦機電設備中的應用出現不平衡現象，使得煤礦企業在生產規模等方面產生了較大差距。煤礦自動化發展痛點主要表現在以下幾個方面：第一，基于自動化技術的煤礦機電設備操作難度較大。基于自動化技術的煤礦機電設備操作人員不僅需要具備扎實的自動化專業知識，還需要具備一定的操作經驗。但煤礦產業特別是礦井工作并不是機電、采礦、自動化等復合型高技能人才的首選，因此，企業只能通過培訓現有煤礦工人，實現機電自動化設備的應用。但就當前煤礦產業人力資源結構可知，隨著自動化技術在煤礦機電設備中的應用，全國煤礦井下作業人員減少了37 萬，行業專業人士反映，煤礦產業人才缺口非常大，出現了技能人才與技術裝備不匹配現象。第二，煤礦機電設備自動化設計合理性欠缺。當前，煤礦產業正處于轉型升級的關鍵階段，對于機電自動化設備的需求量較大，但市場上高性能、高質量的機電設備較少，且應對復雜開采場景的能力較差，影響了自動化技術在煤礦生產中的普及。此外，煤礦機電設備管理制度不健全、硬件設備投入有限，為節約生產成本，企業仍在使用老舊自動化機電設備，導致自動化技術在煤礦產業中難以充分發揮作用。

2 自動化技術在煤礦機電設備中的應用價值

煤礦生產具備作業難度高、工作環境復雜等特征，借助自動化技術推動煤礦機電設備的集成化操作和管理，有助于提升煤礦產業生產效益，降低產業生產成本。因此，現如今自動化技術在煤礦機電設備中的應用已經成為煤炭企業轉型的重要趨勢。

2.1 提高煤礦的整體生產效益

在傳統煤礦工作模式下，機電設備需要人工操作，但人工操作機械設備難免出現誤差，造成機械運行故障或引發安全事故，不僅為煤礦產業帶來經濟損失，還影響了煤礦整體生產效益。同時，在傳統生產模式下，煤礦機電設備較為落后，性能較差，長期使用極易發生故障。隨著自動化技術在煤礦機電設備中的廣泛應用和發展，煤礦機電設備性能得到了大幅提升，生產的精確性提高，操作形式也由最初的人工轉變為智能控制體系，使得煤礦整體生產效率得到提升。此外，煤礦機電設備出現故障時，可借助自動檢測和控制系統迅速準確找到機電設備故障原因和科學解決方案，為專業維修人員提供參考，節約設備維修時間，進而提升煤炭生產效益。

2.2 降低煤礦產業生產成本

自動化技術在煤礦機電設備中的應用，能夠提升煤炭生產過程組織管理效率和經濟管理效率，降低煤礦產業生產成本。自動化技術的應用能夠優化煤礦機電設備的配比關系，協調煤炭生產各環的節能力，確保煤礦的穩定、連續生產，進而降低生產成本。以露天煤礦為例，其生產環節較為復雜，對自動化、機械化要求較高，增加了煤礦產業生產組織管理難度；自動化技術的應用促進了煤礦機電設備調度體系的完善，增強了組織管理指令的權威性，使得煤炭企業生產組織管理水平得到大幅提升，同時避免了生產運輸環節由于組織管理問題導致的成本浪費。此外，自動化技術用于煤礦機電設備，能夠增強采掘、排水等工程的科學性和合理性，便于技術人員制定更具經濟性的開采方案。雖然煤礦機電設備自動化在前期采購環節需要投入大量資金，但設備投入使用后不僅可以降低人力資本消耗，還可以降低安全事故和錯誤操作發生率。

2.3 增強煤礦生產的安全性

現如今，煤礦產業通過完善安全生產規章制度、自動化設備應用等方法提升生產的安全性，但煤礦事故仍舊時有發生。自動化技術應用于煤礦機電設備，能夠大幅提升煤礦生產的安全性，具體表現如下。

（1）自動化技術可以對機電設備危險問題進行自動探測、分析和處理，先進的機電自動化設備通常設置了保護程序，只要工作環境出現危險因子，設備就會做出預警并啟動安全保護機制。例如，根據《煤礦安全規程》采掘工作面內，體積大于0.5m3的空間，局部積聚瓦斯濃度達到2%時，機電設備停止運行、自動閉鎖，同時電源自動切斷，并發出預警，進而降低事故發生率。

（2）自動化技術的應用，提升了煤礦機電設備運行的精準化，提升了煤礦生產的安全性。

2.4 緩解人力資源緊缺問題

自動化技術在煤礦機電設備中的應用，有助于煤礦產業由勞動密集型產業向技術集約型產業轉型，有效緩解煤礦企業人力資源緊缺問題。煤礦機電自動化設備能夠在無人操作的環境下根據控制系統的指令精準完成工作內容，不僅減輕了一線工人的工作負荷，還提升了產業工作效率。例如，礦井水泵作為煤礦機電重要場所，主要承擔礦井排水工作，是確保煤礦生產安全的重要環節；在傳統生產模式下，礦井排水主要借助繼電器，需要人工觀察水倉水位，管理水泵運行，過程煩瑣復雜，且水泵運行時間長，導致勞動強度非常大。華科電氣利用自動化技術實現了對煤礦泵房的自動化控制和管理，不僅緩解了人力資源緊缺問題，還提升了礦井水泵工作效率，節約了大量人力。

3 自動化技術在煤礦機電設備中的應用分析

為順應現代社會對能源的需求，提升煤礦企業的產能，保障煤礦生產的安全性，企業需要積極引進和優化煤礦機電設備自動化技術水平，提升煤礦采掘設備、運輸設備、通風排水設備、監管設備的自動化程度，使得煤礦企業的工作流程化繁為簡，減少或規避煤礦生產中的資源浪費現象和安全問題，促進煤礦產業的高質量發展。

3.1 自動化技術在煤礦開采設備中的應用

將自動化技術應用于煤礦開采設備，根據掘進作業、開采作業需求優化相應的機電設備性能，調節機電設備控制系統和操作系統，能夠提升煤礦開采工作的效率與安全性。

（1）煤礦掘進工作是后續開采、運輸的基礎，常用掘進機及其他機電設備提升掘進效率。自動化技術通常用于掘進機械照明箱、操作箱、卡口控制等環節。以EBZ-220 型掘進機為例，分配閥固定于機械油梁的底部，借助高壓油管密封連接摩擦點與分配器、泵與動力控制器，并將整個系統置于掘進機的底部。安裝結束后，人們需要對自動化系統進行周期調試、時間調試和油量調試，確保掘進機能夠安全、穩定運行。

（2）除了掘進機械以外，煤礦掘采工作還需要以液壓系統作為輔助，不僅可以支撐煤層，還可以改變作業環境的壓強，進而增強掘進設備的作用力，提升掘進工作效率，縮短作業周期。自動化技術能夠實時分析礦井開采進度，同時借助計算機和數字傳感設備及時調整頂板支護裝置，提升液壓系統的靈活性、煤礦作業安全性。

（3）自動化技術在煤炭開采設備中的應用可以幫助開采設備更好地適應礦井的空氣環境與復雜地形，提升煤礦開采效率。例如，將自動化系統用于采煤機，借助可編程控制器和高集成化電子元件對采煤機設備的遙控器、傳感器和變頻器進行集中控制，可對采煤機工作狀態、故障問題、采煤數據等進行自動化監測與管理，確保設備恒狀態、恒功率運行。

3.2 自動化技術在煤礦提升運輸中的應用

用于煤礦機電設備的自動化技術由驅動單元、生產單元和控制單元組成主要框架，現如今，已經初步具備智能化功能，將其用于煤礦提升機和運輸機，能夠輔助煤礦生產，增強煤礦資源產能。（1）煤礦提升設備在煤礦生產中占據著非常重要的位置，比如，PLC 可編程控制器等自動化技術在該環節的應用已經十分普遍，實現了對提升設備的多功能控制，優化控制效果。現如今，煤礦產業對數字化交直流提升設備的應用較多，設備主要將驅動和滾筒組合，組成自動化技術、計算機、機電設備一體化煤炭提升系統。此外，我國還自主研發了以自動穩定控制系統（Automatic Stabilization Control System ,ASCS）為核心、基于中央處理器（Central Processing Unit ,CPU）的自動化提升設備，同煤集團等大型煤礦企業已經投入使用。（2）自動化技術用于煤礦運輸設備能夠減輕一線工人的工作強度，提升礦井煤炭的運輸效率。煤礦運輸體系自動化技術的突出作用在于膠帶運輸機，主要分為礦井主干膠帶運輸機和支路運輸機；企業通過PLC 對這些系統進行監管和控制，傳感器和傳輸設備能夠將各工作點的運輸數據實時傳輸到控制系統，便于操作人員及時發現運輸系統膠帶偏移、膠帶跑偏等現象，避免由運輸設備故障引發的安全事故或停工現象。例如，華夏天信開發的膠帶運輸智能調速系統具備煤量識別、實時監測、并行分析、綜合決策、多檔調速、靈活閉鎖、實時計算、數據分析、遠控集控、多重控制等多項功能，實現了煤多快轉、煤少慢轉、無煤停車的自動化目標。

3.3 自動化技術在煤礦通風排水中的應用

通風系統和排水系統在煤礦安全生產中占據著十分重要的地位，涉及的機電設備十分復雜。因此，在煤礦通風排水系統中應用自動化技術，需要綜合考慮礦井環境。

（1）煤礦通風系統的主要作用為凈化、優化工作環境，提升一線工作人員的安全性。基于自動化技術的煤礦通風系統主要包括集中控制、數據傳輸和通風指令執行，其中集中控制的作用為管理和控制礦井整體通風情況；數據傳輸的作用為將煤礦局部和主要通風設備運行數據、監測數據實時傳輸到集成控制系統；通風指令執行主要將控制中心發出的數字指令轉換為設備實際操作。以基于TCP/IP 協議的煤礦通風自動化系統為例，其主要由采取VC++組態語言，由以太網絡、集控中心、信息集成站組成，實現了對煤礦通風系統的自動化控制，具有極高的安全性。

（2）自動化技術在煤礦排水設備中的應用能夠提升排水系統控制水平，增強排水系統運行的連貫性；排水系統可在無人為干預的情況下自動調節用水量、排水量，同時具備抗負壓、超溫、過載、泄露等應急功能，以及實時數據傳輸功能和人工遠程遙控功能，為煤礦安全生產提供了有利條件。例如，安科高新技術研究院自主研發了中小型煤礦排水自動化無人值守系統，系統運用了各類傳感器與SIEMENS 的S7 系列PLC，具備自動輪換功能，且能夠根據避峰填谷原則開啟排水水泵，具有節能、低成本、運行可靠等多重優勢。

3.4 自動化技術在煤礦監管設備中的應用

基于互聯網的煤礦分布式安全監控系統能夠對煤礦整體礦井通風數據、防治瓦斯、防治煤塵、防火滅火（一通三防）工作數據構建專業的數據模型，同時借助現代指揮技術和預警系統對煤礦工作環境中的各項指標進行全過程、全時間的控制和管理，以此提升煤礦監管的精確性，為煤礦一線工人提供安全保障。利用網絡攝像頭、視頻服務器等設備可以構建自動化、網絡化、數字化監控體系，將各類節點監控體系進行集中整合，實現對煤礦生產的分流監測、集中管理。現階段，基于自動化技術的煤礦監管設備將供電監測、主扇風機監測、火災控制、信息處理、計算機控制等節點子系統利用千兆級工業以太網進行集成化管理，減少各個崗位一線員工，進而實現煤礦生產系統的自動化管控。例如，礦井地下水監控系統能夠將礦井中水位傳感器監測到的數據實時傳輸到集中控制中心，如果水位到達礦井水位的警戒線，監測系統則會在集中控制中心與礦井一線同時發出警報，便于一線工人迅速、有序的撤離，同時集中控制中心會同步采取排水等有效措施，避免發散安全事故。比如，山東新云鵬研發的全礦井綜合自動化管控平臺可借助自動化平臺軟件和工業以太網實現對全礦山安全進行一體化管控，能夠幫助煤礦企業精準預防和處理各項自然災害和突發事故。

4 煤礦機電設備自動化技術發展趨勢分析

煤礦所處區域的地質條件復雜，礦井空間狹窄、陰暗潮濕、工人活動受限、能見度極低。將自動化技術應用于煤礦機電設備，能夠減輕工人的作業強度，幫助設備操作人員精準掌握礦井的環境數據，提升生產效率和生產安全性。隨著自動化技術的不斷發展，煤礦機電設備將逐步向集成化、智能化、微型化、綠色化方向發展，為煤礦產業創造更多價值。

（1）集成化。基于計算機技術對煤礦機電設備進行整合，形成一體化的管控生產體系，對煤礦生產的各個分系統進行實時監控，發布任務，使得各子系統既相互獨立又密切聯系，促進煤礦高效、安全生產。

（2）智能化。短短幾年間，智能技術在煤礦生產領域已經表現出突出的便捷性和先進性。未來，自動化技術將逐步向智能化靠近，思安煤礦各環節實現機電設備智能化作業，智能控制系統對煤礦進行全時間、全過程、全方位監測和控制，同時具備設備運行數據智能檢測與分析功能，在發出警報的同時給出科學、精確、有效的故障解除方案，為工程師維護設備提供便捷。

（3）微型化。煤礦作業需要大量掘進機、提升機等大型機電設備，這些設備操作復雜、移動困難，增加了煤礦生產的難度。未來，隨著自動化技術的持續優化，微電子技術將會發揮更大作用，不斷減小煤礦機電設備的操作控制模塊重量和體積，簡化其操作流程，使其更便于操作和移動。

（4）綠色化。當今時代，環境污染嚴重，能源問題突出，節能環保成為人們關注度極高的話題。雖然煤礦機電自動化設備提升了能源產出效率和質量，但這些設備同樣屬于高耗能機械設備，經過長期運行必然會產生大量能耗，同時影響周邊的生態環境。自動化技術未來需要向綠色化方向發展，不斷降低煤礦機電自動化設備的能耗，提升機電自動化設備的綜合性能，避免其對周邊生態造成影響，順應國家綠色經濟發展要求。在煤礦生產工作中，自動化技術的應用使得煤礦機電設備性能得到大幅優化，煤礦機電設備的功能更加豐富，提高了煤礦生產效率與安全性，降低了煤礦生產成本，解決了煤礦人力資源緊缺問題。現如今，自動化技術已經廣泛用于煤礦開采、運輸、通風排水和安全監管等機電設備，為煤礦高效、安全、穩定作業做出了重要貢獻。未來，隨著自動化技術的不斷發展，煤礦機電設備將逐漸向集成化、智能化、微型化、綠色化進軍，為能源行業創造更豐富的價值。