煤礦機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展研究

周俊麗

（神華神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心，陜西 神木 719315）

1 機(jī)電一體化對(duì)煤礦企業(yè)的意義

煤礦采煤技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了手工、炮采、機(jī)械化等幾個(gè)階段，生產(chǎn)能力相應(yīng)的得到不斷提高，礦井年產(chǎn)量從幾萬(wàn)噸發(fā)展到幾百萬(wàn)噸。當(dāng)前一些先進(jìn)的煤礦企業(yè)、礦井甚至一個(gè)采煤工作面的生產(chǎn)能力就能達(dá)到500-1500萬(wàn)t/a，例如神東煤炭集團(tuán)上灣礦生產(chǎn)能力達(dá)到了1470萬(wàn)噸。生產(chǎn)能力的提高，與之相適應(yīng)的配套機(jī)械設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。煤礦機(jī)電一體化產(chǎn)物是把各項(xiàng)高新技術(shù)融于一體的高科技產(chǎn)物，其首要技術(shù)搜羅：微電子、計(jì)較機(jī)、自動(dòng)節(jié)制、人工智能、傳感產(chǎn)物等等，這些都是科技高速成長(zhǎng)的熱點(diǎn)技術(shù)。在煤礦企業(yè)中，開(kāi)始操作機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)煤炭系統(tǒng)進(jìn)行刷新舊設(shè)備和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)物，并取得了巨大的成功，這讓人們清楚地意識(shí)到，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)物的成長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)高效、平安、機(jī)械化生產(chǎn)的必要條件。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦的應(yīng)用

2.1 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)包括基礎(chǔ)的機(jī)械技術(shù)、以及計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)動(dòng)技術(shù)。而在礦井的生產(chǎn)過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要，礦井中的監(jiān)控系統(tǒng)情況與銀行不同，數(shù)據(jù)保存并沒(méi)有那么一絲不茍的要求，甚至規(guī)程要求數(shù)據(jù)因死機(jī)丟失在五分鐘之內(nèi)是被允許的，唯獨(dú)不同的是不可以連續(xù)停機(jī)。日常生活中銀行因死機(jī)暫停營(yíng)業(yè)經(jīng)常發(fā)生，人們并不擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)把你的個(gè)人存款數(shù)據(jù)搞丟了，只要耐心等上一個(gè)上午銀行服務(wù)器故障總會(huì)排除。安全監(jiān)控系統(tǒng)不能說(shuō)停就停，否則礦工的生命安全則失去了保障。機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用后，機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)局域網(wǎng)連成同步模式，主備機(jī)的心跳監(jiān)控由自行研制的專(zhuān)用通信接口擔(dān)任，軟硬件相結(jié)合，自身數(shù)據(jù)庫(kù)與主機(jī)同步，還能分擔(dān)諸如數(shù)據(jù)檢索、網(wǎng)絡(luò)上傳、圖形顯示、圖表打印等任務(wù)，經(jīng)過(guò)幾年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)在礦井中的監(jiān)控系統(tǒng)中得到了很好的效果。

2.2 煤礦機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)生活用煤的增加，對(duì)煤礦的生產(chǎn)提出了更高的要求，以我國(guó)煤礦企業(yè)目前的提升和運(yùn)輸系統(tǒng)來(lái)講，與國(guó)外還有很大的差距，以目前的水平來(lái)說(shuō)很難適應(yīng)發(fā)展的需求，所以需要不斷的借鑒外國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，加大研究力度，把機(jī)電一體化很好的應(yīng)用到煤礦的提升和運(yùn)輸系統(tǒng)上。內(nèi)裝式提升機(jī)是目前比較領(lǐng)先的技術(shù)，它采用電機(jī)和滾筒一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)化控制。我國(guó)大部分煤礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了皮帶式運(yùn)輸和生產(chǎn)，大規(guī)模的強(qiáng)力運(yùn)輸機(jī)非常普遍，這種帶式傳輸機(jī)具有遠(yuǎn)距離連續(xù)輸送、大輸送量、運(yùn)行安全可靠、效率高和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的隨時(shí)監(jiān)控下，能夠?qū)崿F(xiàn)自我診斷和自我保護(hù)的功能。雖然在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面還有所欠缺，但是在應(yīng)用過(guò)程中已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。

2.3 煤礦機(jī)電一體化技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

我國(guó)大多煤礦采用了綜合機(jī)械化采煤系統(tǒng)，有力地推動(dòng)了煤礦自動(dòng)化的進(jìn)程，早先采煤系統(tǒng)是液壓牽引，現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)渡到電牽引，機(jī)電一體化牽引技術(shù)比液壓裝置有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先是具有良好的牽引特性，能夠提供采煤機(jī)有效的牽引力，克服其阻力，還可以在下滑時(shí)提供制動(dòng)功能；其次是由于裝有防止下滑的制動(dòng)裝置，使之能夠用于大傾角煤層作業(yè)；第三是運(yùn)行更加可靠，能夠支持長(zhǎng)時(shí)間惡劣環(huán)境的作業(yè)，這是因?yàn)樵摍C(jī)器的整體磨損很小，維修少，故障少的原因。第四是該機(jī)器的動(dòng)態(tài)性好，能夠通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整各種參數(shù)。第五是機(jī)電一體化采煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，而且使用效率很高。同時(shí)電牽引采煤機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)為全部由計(jì)算機(jī)控制，使支架自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)，另外，對(duì)工作面刮板運(yùn)輸機(jī)配置了微機(jī)監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全自動(dòng)化控制。通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)采煤機(jī)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)整體設(shè)備的動(dòng)作協(xié)調(diào)，大大提高了安全性、可靠性和工作效率，操作更加簡(jiǎn)單方便，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.4 機(jī)電一體化技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

帶式輸送機(jī)由于長(zhǎng)距離連續(xù)輸送、輸送量大、運(yùn)行可靠、效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已成為我國(guó)煤礦井下原煤輸送系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備。因此，成為近幾年來(lái)機(jī)電一體化技術(shù)的研究重點(diǎn)。目前主要采用機(jī)、電、液一體化的CST可控軟啟動(dòng)裝置。它是一種專(zhuān)門(mén)為平滑起動(dòng)運(yùn)送大慣性載荷，如煤炭或金屬礦石的長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸機(jī)而設(shè)計(jì)的軟驅(qū)動(dòng)裝置。一條皮帶運(yùn)輸機(jī)可以由一臺(tái)或幾臺(tái)CST驅(qū)動(dòng)。由于尚未解決動(dòng)態(tài)分析和在線(xiàn)監(jiān)控技術(shù)以及啟動(dòng)延遲技術(shù)，我國(guó)帶式輸送機(jī)的中間驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不能不知過(guò)多，一般為3點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，這樣就限制了輸送機(jī)的單機(jī)長(zhǎng)度和運(yùn)量。而且，輸送機(jī)的監(jiān)控設(shè)備功能少、可靠性較差、靈敏度和壽命都較低，和發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在顯著的差距。

2.5 機(jī)電一體化技術(shù)在支護(hù)設(shè)備中的應(yīng)用

液壓支架是煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的支護(hù)設(shè)備，目前正向電液控制方向發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與液壓控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定壓雙向鄰架或成組自動(dòng)移架，避免對(duì)頂板和支架產(chǎn)生沖擊載荷。

乳化液泵站是為液壓支護(hù)設(shè)備提供高壓液體的裝置.要求其具有高壓、大流量的供液能力.并能根據(jù)工作面液壓支護(hù)設(shè)備的用液量自動(dòng)調(diào)節(jié)供液量。我國(guó)生產(chǎn)的智能型乳化液泵站系統(tǒng)由智能型乳化液泵站自動(dòng)配液系統(tǒng)和智能型乳化液泵站供液系統(tǒng)兩部分組成。具有自動(dòng)檢測(cè)油箱油位高度，自動(dòng)配液，高、低液位自動(dòng)控制，在線(xiàn)檢測(cè)乳化液濃度，自動(dòng)校正乳化液濃度(可選定1.5度～5度)，當(dāng)濃度達(dá)不到設(shè)定值時(shí)聲、光報(bào)警，定時(shí)自動(dòng)反沖洗，能夠監(jiān)控實(shí)際用液量，具有遠(yuǎn)距離傳輸功能，采用液晶顯示器，具有實(shí)時(shí)顯示乳化液濃度、液位、油位、流量計(jì)量、自動(dòng)配液狀態(tài)功能。

2.6 機(jī)電一體化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用

掘進(jìn)機(jī)是目前大多數(shù)煤礦廣泛使用的掘進(jìn)機(jī)械，其電氣部分普遍采用了由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型開(kāi)關(guān)箱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)箱)、礦用本質(zhì)安全型操作箱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)操作箱)、礦用隔爆型電鈴、礦用隔爆型壓扣控制按鈕、隔爆照明燈、掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、GJC4低濃度甲烷傳感器等組成的掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)。與液壓系統(tǒng)配合操作可實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)。

2.7 其他煤礦機(jī)電一體化裝置

液壓支架則向電液控制方向發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與液壓控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定壓雙向鄰架或成組自動(dòng)移架，避免對(duì)頂板和支架產(chǎn)生沖擊載荷。我國(guó)神華集團(tuán)大柳塔礦采用從德國(guó)和美國(guó)引進(jìn)的電液控制的支架，移架速度為6～8s/架，最快的移架速度達(dá)3s/架。電液控制裝置還可檢測(cè)支架的工作狀態(tài)。

鎮(zhèn)江中煤的二款分站，KJ101N-F1和KJ101N-F2型分站均采用一體化設(shè)計(jì)，它們分別采用不同的材料和技術(shù)，使其兼有：監(jiān)控分站、斷電儀、本安電源箱、后備電池、風(fēng)電瓦斯閉鎖儀等五項(xiàng)功能，體積纖巧重量輕盈渾然一體，全部?jī)x器重量均在20公斤左右，提在手中如同攜帶一只公文箱；一體化結(jié)構(gòu)減少了設(shè)備之間的電纜連線(xiàn)，可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于分體式結(jié)構(gòu)；使用現(xiàn)場(chǎng)不需要占用很大的空間，減少了設(shè)備之間的連接電纜，無(wú)論安裝和維護(hù)都變得輕松和方便。

3 煤礦機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的建議

近年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)常能聽(tīng)到或看到煤礦塌方、透水等安全事故的發(fā)生，這安全事故的背后，說(shuō)明煤礦在管理和技術(shù)上都存在很?chē)?yán)重的問(wèn)題，對(duì)于廣大煤礦來(lái)講，如何預(yù)防安全事故的發(fā)生，成為煤礦企業(yè)面臨的主要問(wèn)題，機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，有力的提高了煤礦的整體自動(dòng)化水平，所以現(xiàn)在的煤礦企業(yè)應(yīng)加大機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用。目前，在我國(guó)煤礦機(jī)電一體化的技術(shù)在推廣和使用方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在相關(guān)煤礦企業(yè)得到了很好的發(fā)展，但由于我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用此技術(shù)的時(shí)間不長(zhǎng)，還缺乏相關(guān)的驗(yàn)，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的一段差距。所以在機(jī)電一體化技術(shù)的研究和借鑒上一定要加大力度，努力使之達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，減少煤礦安全事故的發(fā)生，保障國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

計(jì)算機(jī)技術(shù)作為機(jī)電一體化的核心科技，要大力發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)的總線(xiàn)任務(wù)，加大研究力度，提高機(jī)電一體化的中央控制系統(tǒng)的運(yùn)算能力的貯存能力。努力研發(fā)軟硬件系統(tǒng)，使之適應(yīng)不同的場(chǎng)地環(huán)境需求，使該機(jī)器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功能強(qiáng)、性能好、精度高、體積小、重量輕、效率高、使用方便等特點(diǎn)。同時(shí)，該技術(shù)產(chǎn)品還應(yīng)該具有通信功能，要具有高可靠性和通信模塊?？梢钥紤]和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)于煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的控制，適當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)良好的通信控制。要提高未來(lái)產(chǎn)品和技術(shù)的智能化水平，要通過(guò)建立一個(gè)高效的、動(dòng)態(tài)的控制系統(tǒng)來(lái)及時(shí)修正系統(tǒng)參數(shù)，判斷系統(tǒng)周?chē)淖兓?，?duì)機(jī)電設(shè)備和自身運(yùn)行環(huán)境都能夠有著準(zhǔn)確的判斷，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)和調(diào)整，通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)的判斷，對(duì)所采集參數(shù)的分析，和對(duì)系統(tǒng)的診斷，準(zhǔn)確地找出故障所在，并且能夠?qū)窈蠊ぷ髦械墓收线M(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。未來(lái)要對(duì)傳感器技術(shù)進(jìn)行深入的研發(fā)，煤礦井下環(huán)境極端惡劣，井下高溫度、高濕度、高粉塵、低含氧、低照度，傳統(tǒng)的傳感器使用電位器調(diào)校，在井下調(diào)整起來(lái)相當(dāng)?shù)牟环奖悖皇且_(kāi)設(shè)電位器調(diào)整孔，儀器外殼無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好密封，井下濕氣與粉塵使產(chǎn)品壽命大減；二是用起子反反復(fù)復(fù)地調(diào)整電位器，極易造成機(jī)件損壞，具現(xiàn)場(chǎng)工人反映：許多產(chǎn)品不是使用壞的而是被調(diào)整壞的；三是徒手旋轉(zhuǎn)調(diào)整精度差費(fèi)時(shí)費(fèi)力，帶下井的氣樣是有限的，如果“零點(diǎn)”、“精度”、“報(bào)警”“、斷電”全部用電位器來(lái)整定的話(huà)，有時(shí)帶到井下一袋子氣（橡膠氣囊攜帶標(biāo)準(zhǔn)氣樣）全部用完還沒(méi)調(diào)好一臺(tái)傳感器。所以要實(shí)現(xiàn)礦用傳感器的數(shù)字化、集成化、智能化和多維化，紅外遙調(diào)技術(shù)應(yīng)用到礦用傳感器上是對(duì)煤礦安全儀器是一場(chǎng)劃時(shí)代的變革。實(shí)現(xiàn)了紅外遙控調(diào)校技術(shù)研發(fā)，使新儀器整機(jī)未設(shè)任何調(diào)整孔，儀器的調(diào)零、精度、報(bào)警值、斷電值設(shè)定；輸出信號(hào)制式設(shè)定；參數(shù)顯示及模擬量輸出微調(diào)全部由紅外遙控器操作?？梢杂行У乇苊庹{(diào)整時(shí)的機(jī)械損傷，提高整機(jī)密封性，延長(zhǎng)儀器使用壽命。紅外遙控調(diào)校技術(shù)在礦用傳感器推廣應(yīng)用充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)的自動(dòng)化。

4 煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于采掘環(huán)境的變化和采掘方法的優(yōu)化，隨著煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，煤礦機(jī)電狀況有了多方面的改變和進(jìn)步，其趨勢(shì)正朝著安全、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

4.1 從供電等級(jí)與布局上看

供電等級(jí)在逐漸提高。地面特高供電由35kV改為60kV。3kV供電綜采工作面正在實(shí)行，10kV供電的機(jī)電設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始使用。供電環(huán)節(jié)多，控制設(shè)備多，纜線(xiàn)長(zhǎng)度及分布網(wǎng)絡(luò)也在發(fā)生相應(yīng)的變化。移動(dòng)式供電設(shè)備普遍使用。

4.2 從單個(gè)設(shè)備電功率看

廣泛采用大功率、高效率、重型成套機(jī)電設(shè)備，采煤機(jī)總功率在2000kW左右，工作面刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率已達(dá)2250kW。某煤礦在使用機(jī)電一體化技術(shù)后，功率為1000kW、730kW等采煤機(jī)已經(jīng)在使用，與過(guò)去使用的功率較大的575采煤機(jī)功率幾乎翻了一倍。配套設(shè)備功率也在增加。

4.3 從噸煤用電比例上看

雖然沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)，但是，噸煤用電比例會(huì)越來(lái)越高。特別是運(yùn)輸環(huán)節(jié)的耗電占有的比例也呈上升趨勢(shì)。

4.4 從設(shè)備控制手段上看

線(xiàn)控制、遠(yuǎn)距離控制和集中控制將成為主流控制手段。單片機(jī)與PLC的應(yīng)用，標(biāo)志著軟件控制將逐步取代硬件控制?？梢暬缑媸沟貌僮髯兊酶颖憬荨⑼该骱蜏?zhǔn)確。量化控制將取代模糊控制。智能控制正在完善和升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制正在興起。

4.5 從安全保護(hù)內(nèi)容上看

目前使用的智能型綜合保護(hù)裝置，具有過(guò)載、短路、斷相，過(guò)壓、欠壓、三相平衡，漏電以及漏電閉鎖、風(fēng)電與瓦斯電閉鎖等多項(xiàng)保護(hù)功能。有的真空隔爆開(kāi)關(guān)還有真空斷路器漏氣報(bào)警功能。除此之外，電氣設(shè)備還有機(jī)械電氣互鎖保護(hù)，高低壓連鎖保護(hù)等。

4.6 從設(shè)備性能、質(zhì)量上看

機(jī)電一體化推廣與使用，使得設(shè)備的質(zhì)量不斷提高，性能也有長(zhǎng)足的改進(jìn)甚至升級(jí)。許多使用者切身體會(huì)到，只要設(shè)置、調(diào)試得當(dāng)，不違章操作，基本不會(huì)出現(xiàn)燒毀電動(dòng)機(jī)、嚴(yán)重影響運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。有的電工說(shuō)，自從智能型電控設(shè)備正常投入運(yùn)轉(zhuǎn)后，現(xiàn)場(chǎng)的工作量明顯減少；主要就是接班后例行檢查、維護(hù)，清理環(huán)境衛(wèi)生和吊掛纜線(xiàn)等。

結(jié)語(yǔ)

隨著煤礦生產(chǎn)不斷向深部水平發(fā)展，對(duì)控制水平和規(guī)模的要求越來(lái)越高，加速了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)煤礦機(jī)電一體化技術(shù)的研究和應(yīng)用均有重大突破，因?yàn)槊旱V是高危行業(yè)，提高機(jī)電設(shè)備自身的安全可靠程度和自動(dòng)化程度，最大減少用人，是實(shí)現(xiàn)礦井長(zhǎng)治久安的關(guān)鍵所在，因此煤礦機(jī)電的自動(dòng)化有力推動(dòng)了企業(yè)安全高效、又好又快發(fā)展。

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