機械自動化在煤礦機械制造中的運用研究

賈建斌

（陜西煤業(yè)化工物資集團有限公司采購中心，陜西 西安 710014）

引言

煤礦是古代植物遺體經(jīng)過億萬年的復雜變化形成的不可再生資源，在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著極為重要的位置，但在過去的開采過程中，受科學技術的限制人力是開采煤礦的主要動力，在當代煤礦生產(chǎn)的過程中，應用自動化機械在提升煤礦生產(chǎn)能力的同時，還可以保障工作人員的生命財產(chǎn)安全。

1 機械自動化對于煤礦生產(chǎn)的意義

煤礦機械作為維持礦井作業(yè)順利開展的重要設備，其工作性能與企業(yè)的生產(chǎn)效率之間存在著極為密切的關系。近年來，隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展速度的不斷加快，傳統(tǒng)以人力開采為主的煤礦開采方式所開采的煤炭，已經(jīng)無法滿足社會對煤礦資源的需求量，此時自動化機械設備受到了人們的廣泛歡迎，并且隨著科學技術的不斷發(fā)展，煤礦機械的自動化水平不斷提升，不僅大大提升了煤礦的開采效率，還可以令工作人員遠程對礦井內(nèi)部情況加以探查，達到保證工作人員生命財產(chǎn)安全的目的，進而為我國煤炭企業(yè)的良好發(fā)展打下堅實的基礎。

1.1 解放勞動力

人類開發(fā)并使用工具的目的之一就是解放勞動力，在煤礦開采過程中，用自動化的機械設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力開采方式，不僅可以提升煤炭的開采效率，還可以令開采人員從危險的礦井轉移到相對安全的設備監(jiān)控中心，這種工作方式不僅保障了工作人員的生命安全，提升了煤炭開采的質(zhì)量，還在一定程度上減少了礦井對礦工的需求量，達到了解放勞動力的目的。

1.2 提高開采工作的安全性

由于傳統(tǒng)的煤礦開采工作需要工作人員深入礦井進行工作，而礦井的工作環(huán)境較為惡劣，存在工作空間小、煤塵大、噪聲響、工作狀況復雜等問題，工作人員在礦井下工作的過程中存在較多的安全隱患。但現(xiàn)階段，將機械自動化應用于煤礦機械中，讓工作人員在礦井外對機械設備加以調(diào)控，由機械設備代替工人完成這些具備較大風險性的井下工作，在保證煤炭開采工作質(zhì)量的同時，避免了因礦井滲漏、瓦斯?jié)舛冗^高等問題的出現(xiàn)給工作人員的生命安全造成威脅。

1.3 降低開采工作成本

盡管在當前煤礦企業(yè)在采購自動化的煤礦機械設備時需要消耗大筆的資金，但從長遠來看，將這些新型的自動化設備應用于礦井工作中可以減少對人力資源的使用量，提升煤礦的開采量，從而達到降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。

2 在煤礦機械制造中機械自動化的應用

近年來，隨著科學技術的發(fā)展進步，在一定程度上帶動了電機一體化技術的發(fā)展與完善，尤其是在“十二五”期間，為貫徹落實我黨下達的“安全第一、以人為本”的生產(chǎn)運營理念，我國煤礦開采企業(yè)紛紛引進了具備先進機電數(shù)控技術的機械設備，在減少了對人力、物力資源的消耗的基礎上，滿足了當前社會的發(fā)展需求。

2.1 機械自動化技術在煤礦掘進中的應用

近年來，隨著我國煤炭行業(yè)的發(fā)展速度不斷加快，與其密切相關的煤機設備行業(yè)也受到了人們的廣泛關注，在當前煤炭行業(yè)的綱領性文件《關于促進煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》、全國煤炭工業(yè)科學技術大會以及國家發(fā)改委出臺的煤炭行業(yè)機構調(diào)整政策中，都強調(diào)了發(fā)展煤礦井下采煤設備在煤炭行業(yè)發(fā)展中的重要性?，F(xiàn)階段，掘進與回采作為煤礦生產(chǎn)中較為重要的環(huán)節(jié)，國家指出當前在煤礦開采過程中，煤礦企業(yè)應當遵循“采掘并重、掘進先行”的工作原則，掘進機（如圖1 所示）作為一種快速掘進煤礦巷道，保證礦井開采質(zhì)量的關鍵性機械，其自動化水平與礦井的安全性以及生產(chǎn)能力之間存在著極為密切的關系。具體來說，機械自動化在掘進機中被廣泛應用于掘進機的操作箱、照明燈、安全型開關箱以及壓扣控制按鈕等自動化系統(tǒng)當中，同時，在掘進機實際工作過程中，這些系統(tǒng)的配合使用可以輔助掘進機工作發(fā)揮更大的效用，同時，工作人員往往將掘進機與液壓系統(tǒng)搭配在一起使用，從而更好地發(fā)揮掘進機各系統(tǒng)的綜合效用，達到節(jié)約煤礦開采時間，提升工作效率的目的。此外，當前掘進機的構成主要包括行走機構、工作機構、裝運機構以及轉載機構，其工作方式為，機械在行走機構向前推進的過程中，由工作機構切割煤礦，并將切碎的煤礦運輸?shù)较鄳恢?。需要注意的是，盡管近年來我國掘進機的研發(fā)取得了一定的進步，但當前煤礦開采企業(yè)使用最廣泛的礦井施工仍以鉆爆法為主，面對這一問題，為進一步提升煤礦生產(chǎn)的高效性與安全性，我國的掘進機正朝著自動化、大型化、大功率、機電一體化的方向發(fā)展，并且先后引進了德國的MAV300、奧地利的AHM105 以及英國的MK3 型重型懸臂式掘進機，對我國的掘進機優(yōu)化提供參考[1]。

圖1 掘進機

2.2 機械自動化技術在煤礦開采中的應用

對于煤礦企業(yè)來說，獲取經(jīng)濟效益的核心工作就是采煤，在當期采煤工作開展的過程中應用機械自動化技術不僅可以減少工作人員的人力資源消耗量，還可以提升采煤工作的效率。近年來，在采煤過程中，最典型的機械自動化技術運用機械為電牽引采煤機（如圖2 所示），功率早已超過1200kW，并且電壓也已從過去的1140V 增加到現(xiàn)在普遍使用的3300V，其主要結構包括遙控器、傳感器、計算機和變頻器等部分，具備結構合理、操作便利、適應性好、程序設置簡單、工作性能優(yōu)良等優(yōu)點，被廣泛應用于煤礦開采工作當中。

圖2 電牽引采煤機

2.3 機械自動化技術在煤炭輸送中的應用

對于一些煤礦企業(yè)而言即使其生產(chǎn)效率有所提升，但如果其運輸效率比較低，那么其經(jīng)濟效益仍無法得到提升，因此，煤礦開采與煤礦運輸在其運營過程中一樣重要，在當前煤礦機械制造的過程中，將機械自動化技術應用于煤礦運輸機械中可以有效地提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益。具體來說，在當前很多煤礦企業(yè)的生產(chǎn)運輸過程中都已經(jīng)應用了PLC 技術與膠帶運輸相結合的運輸方式，PLC 技術作為一種自動化運輸系統(tǒng)，將其與傳統(tǒng)的膠帶運輸技術相結合，使得膠帶運輸更為精確、高效以及可靠，并且這種以電力為能源的運輸方式的運用，不需要工作人員像管理傳統(tǒng)膠帶運輸方式一樣，對其進行實時的干預與維護，降低了因人工操作失誤出現(xiàn)安全事故的可能性，在提升煤炭運輸效率的同時，提升了煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2.4 機械自動化技術在煤礦安全監(jiān)控中的應用

對于所有的生產(chǎn)企業(yè)而言，安全始終是其生產(chǎn)運營中的前提，在過去的一段時間里，頻頻發(fā)生的煤礦安全事故，使得人們對煤炭行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不信任感。對此，將機械自動化技術應用于煤礦安全監(jiān)控過程中，已經(jīng)成為解決這一問題，提升煤礦工作安全性的有效方式之一。具體來說，當前部分煤礦開采企業(yè)為進一步提升自身對煤礦生產(chǎn)流程的監(jiān)控力度，將遙測儀、斷電儀、紅外線自動噴霧裝置等自動化監(jiān)控設備安置在礦井當中，并且要求工作人員實時監(jiān)控檢測設備顯示數(shù)據(jù)的方式，實現(xiàn)對礦井的全方位監(jiān)管，最終達到維持礦井環(huán)境穩(wěn)定性，提升工作人員生命財產(chǎn)安全性，提高煤礦生產(chǎn)管理有效性的目的。以某全礦井綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心，對礦井內(nèi)的各項自動控制系統(tǒng)加以整合，并將其與安全防火墻、礦級管理系統(tǒng)共同組成一個高速統(tǒng)一的監(jiān)控網(wǎng)絡，達到對礦井整體情況統(tǒng)一化管理的目的，其綜合識別與感知運行機制如圖3 所示。

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的識別與感知流程圖

整個系統(tǒng)被分成信息層、控制層以及設備層三部分，其中控制層主要由工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為核心，實現(xiàn)了對礦井內(nèi)各子系統(tǒng)的無縫集成，以及通過Web 瀏覽器實時顯示安全生產(chǎn)的各項數(shù)據(jù)。其中子系統(tǒng)包括安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位管理系統(tǒng)、壓風機自動化控制系統(tǒng)、通風機自動化控制系統(tǒng)、中央泵房自動化控制系統(tǒng)、皮帶自動化控制系統(tǒng)、變電所自動化控制系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)。在該安全信息化平臺當中，主要通過上位機以太網(wǎng)通訊卡將安全監(jiān)控系統(tǒng)就近接入交換機當中，在與平臺相連接時，其軟件的接入方式主要由軟件提供商與軟件購買方進行協(xié)調(diào)后選擇相應的接入通訊協(xié)議，以便滿足企業(yè)的實際需要。

（2）人員定位管理系統(tǒng)。在該安全信息化平臺當中，人員定位管理系統(tǒng)同樣是依靠上位機以太網(wǎng)的通訊卡就近接入交換機，并與平臺相連，軟件的接入方式也是由軟件提供商與軟件購買方相協(xié)調(diào)后得出的。其工作方式為，由于安全信息化平臺包含了人員定位系統(tǒng)地面監(jiān)控主站的功能，可以對礦井工作的人員進行實時監(jiān)控，若發(fā)生特殊情況時，監(jiān)控界面發(fā)出警報，Web 瀏覽器顯示出現(xiàn)問題的對應攝像頭所監(jiān)視的畫面，達到保護工作人員生命安全的目的。同時，由于該子系統(tǒng)可以采集所有工作人員的入井、升井時間，因此，該子系統(tǒng)還在一定程度上可以達到提升工作人員工作效率的目的[2]。

（3）壓風機自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是通過現(xiàn)場PLC 提供的以太網(wǎng)接入口與就近交換機相連接，進而達到與安全信息化網(wǎng)絡平臺相連接的目的，其通訊協(xié)議同樣是由軟件提供商與購買方相互溝通協(xié)商得出。其工作方式為，壓風機自動化控制系統(tǒng)將地面壓風機、井下壓風機、閥門等設備的運行情況傳送到安全信息化系統(tǒng)平臺中，平臺通過Web 瀏覽器將數(shù)據(jù)進行實時顯示，若存在安全隱患時，系統(tǒng)的事故報警功能啟動，從而達到保護礦井安全的目的。

3 機械自動化技術在煤礦機械制造中的發(fā)展前景

機械自動化技術在當前社會資源開發(fā)利用過程中，所起到的作用逐漸加重，盡管當前我國煤礦機械在機械自動化方向發(fā)展的速度，與部分西方國家之間存在一定的差距，但從我國近年來經(jīng)濟、科技等方面的發(fā)展速度來看，我國的機械自動化技術發(fā)展水平將會越來越高。煤炭資源作為當前我國的主要能源，在較長一段時間的社會發(fā)展過程中仍占據(jù)著極為重要的位置，因此，提升煤礦機械的自動化水平成為未來煤礦機械制造中的主要任務之一。

3.1 減少煤礦機械對資源的浪費

對當前我國現(xiàn)有的煤礦機械設備進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，機械設備對煤炭資源的浪費是設備運行過程中較為常見的一個問題。對此，為進一步提升煤炭資源的利用率，減少資源在開采運輸過程中的浪費，在進行機械設備進行自動化改進的過程中，設計人員不僅需要降低設備對人力資源的消耗，還需要對設備的運行方式加以改進，盡可能令開采出的煤炭資源全部運送到購買方的手上，達到減少煤炭資源浪費的目的。

3.2 強化機械設備制造中理論與實踐的結合

近年來，隨著我國對機械自動化技術的關注程度不斷提升，部分機械專業(yè)研究人員從理論層面對煤礦機械設備進行了改進，但在實際生產(chǎn)過程中，部分理論的應用難度較高并不適用于當前機械制造的工藝水平。對此，機械專業(yè)研究人員在對機械設備進行改進的過程中，應當切實了解我國機械制造行業(yè)的發(fā)展水平，明確當前煤礦機械設備在使用過程中存在的缺陷，并對其加以改進，在此過程中，研究人員還需要確保自身所提出的理論觀念，存在切實可以支撐觀念的工藝技術，以便將觀念切實應用到工藝實踐過程當中，最終達到促進煤礦機械設備朝著自動化方向發(fā)展的目標[4]。

4 結束語

總而言之，煤礦行業(yè)作為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)階段，為進一步提升煤礦的生產(chǎn)效率自動化機械被廣泛應用于煤礦生產(chǎn)過程中，這種開采方式不僅降低了因人力開采造成煤礦安全事故的可能性，還在一定程度上提升了煤礦開采企業(yè)的經(jīng)濟效益，為我國煤礦行業(yè)的發(fā)展提供了動力。