采礦設備自動化發展方向與應用

陳功勝 劉建營 淮河能源煤業分公司謝橋煤礦

我國雖然是一個能源消耗大國，但是可供開發的礦石資源卻十分有限。尤其是我國的采礦技術和設備與發達國家相比還有比較大的差距，采礦設備陳舊、自動化程度比較低，致使國內的自產礦石無法滿足國民經濟發展的需求。煤礦生產在國民經濟的發展中處于舉足輕重的地位[1]，而煤礦設備的自動化，將會大幅度提高煤炭企業的生產和管理水平，做到各種資源合理有效的配置[2]。近些年來，由于全球經濟一體化趨勢的不斷增強，隨著一些先進礦山設備的引進及國內針對采礦設備的不斷研究與創新，一大批新型的自動化采礦設備得到了推廣和應用，不僅在很大程度上提高了煤礦的生產效率和煤炭質量，而且節約了大量的能源和人力資源[3]。因此，提高采礦設備的自動化程度對于提高我國煤炭產量、促進我國經濟發展方面有著重要的意義。

一、采礦設備的發展方向

現階段制約我國煤炭企業的其中一個主要因素就是采礦設備，由于其生產效率低，自動化程度差，造成了煤炭采出率底，事故發生率較其他發達國家高，以及大量的人員及能源的浪費。近些年隨著計算機技術的發展，自動化技術逐漸普及到各個領域，采礦設備的自動化作業技術得到了重視。各采礦發達國家、世界知名的采礦設備制造公司、礦山軟件開發公司都進行了這方面的研究和實踐，將電力電子技術逐步應用到煤礦設備的設計研究當中，比如，將信息采集與檢測、信息傳輸及信息處理技術應用到煤礦自動化和監控系統中。

另外，隨著我國高產高效工作面的逐漸增多，煤礦各個工序對設備的要求不斷提高，以往以人工為主的簡單控制難以滿足日益復雜的控制要求。控制技術經歷了開關量控制、模擬控制、和數字化控制三個階段，而數字化控制在提升機、膠帶輸送機、電控系統中獲得了成功的應用，而且具有精確的信息監測、數據采集及處理，是當前控制技術的主要方向。因此，可以看出自動化是采礦設備一個很重要的發展方向，對于煤炭企業的生產及管理也有著至關重要的意義。

二、采礦設備自動化的應用

機電一體化技術的興起使得采礦設備不斷與計算機和微電子技術進行結合，實現了智能化的發展趨勢。可以說，目前采礦設備的自動化、智能化已經取得了實質性的進步。

（一）提升機電控系統

提升機在煤炭礦井的生產中是一項十分重要的設備，煤礦的安全生產和提升機的可靠性、安全性和自動化程度密切相關。提升機的監控系統與自動化通過兩種方式連接：（1）該提升系統利用OPC 方式連接調度管理中心的網絡交換機，從而連接到煤礦生產自動化網絡上實現調度的目的；（2）提升機監控系統利用Modbus 協議來實現與煤礦井自動化系統的連接，從而操作人員可以在調度中心觀測提升機的工作情況，以便更好地了解提升機的工作狀態，及時維修，保證礦井的正常運行工作。

（二）瓦斯監測系統

瓦斯是煤礦災害發生的主要因素之一。為了降低事故發生率，有必要對井下瓦斯濃度進行實時的測量。而瓦斯監測監控系統的存在可以較精確地測量出井下瓦斯的濃度，瓦斯監測系統具有以下兩項功能：

（1）該監測系統除了能對瓦斯濃度進行監測外，還具備監測位于采煤掘進面處機械設備、水泵等的生產工況參數以及這些設備的電壓、電流等電力參數的功能。

（2）瓦斯監測系統可以將監測到的數據以列表的形式顯示在大屏幕上，同時為了使工作人員能很直觀地觀測數據及數據的變化趨勢，該系統也可以模擬實時曲線和歷史曲線。

（三）智能化露天設備

隨著微電子技術和衛星無線通信技術的飛速發展，露天礦設備逐步開始向著自動化的方向發展。首先是車載監控，為使用者提供相關的運行和維護的信息，通過無限通信對設備進行實時的監控。早期的電鏟儀表及監控系統是這方面的工作先驅。目前，國外生產的露天礦大型穿孔、裝載和運輸設備一般都配有車載監控分析系統。第二，GPS 定位系統，通過GPS 全球衛星定位系統的運用，能夠實現科學的微型定位。現階段，定位精度有了大的提升，可達l m 以內，還有精度達到厘米級的高精度系統。第三，礦山調度系統，全面提供實時數據和前期生產數據。另外，如果將礦山調度系統與衛星定位主系統連接，進行實時的設備監控。

（四）鏟運機技術

自動化技術在鏟運機的設計中也得到了廣泛的應用。比如遙控鏟運機技術及借助控制導線實現鏟運機的運行控制技術。此種控制技術的原理是利用埋設在運輸道路上的控制導線測定鏟運機的行駛位置和速度，通過將取得的數據與計算機里面的設定數據進行比較，然后將相應指令通過無線電發送給鏟運機，操作人員通過視頻監控器監控鏟運機作業狀態。還可以在鏟運機上裝有攝像機和接收裝置，鏟運機在攝像機的引導下沿著巷道頂板和邊幫上的白色條帶運行，自動完成行使工作。裝載和卸載則由操作人員在控制室內進行遙控作業。

（五）深海采礦機器人

深海采礦與陸地采礦相比，其作業環境比較復雜。同時，由于人很難到達洋底，因此十分需要可自主移動的深海采礦機器人。到現在為止，世界各國進行的深海采礦試驗還只有很少的幾次。世界各國都十分重視利用虛擬現實手段與仿真技術來進行深海采礦系統的研究。20 世紀60 年代末期，科學家們開始了自主式可移動機器人的研究。斯坦福研究院設計開發了可自主移動的作業機器人。我國學者得到深海采礦機器人在大洋底作直線運動時的拉格朗日運動方程，創建了三維深海履帶作業機器人虛擬樣機，使用多剛體動力學仿真MADYMO，建立了采礦機器人的動力學模型。整個深海采礦系統由海上監控系統和海底采礦系統構成。水上監控子系統主要負責采礦機器人的操縱控制、采礦機器人的位置和軌跡監控、數據及報警信息的存儲、處理；水下測控子系統主要負責采礦機器人多任務調度、行走控制算法的實現及執行機構的控制。

三、煤礦設備自動化的主要意義

（一）提高煤炭生產率和煤炭質量

煤礦設備的自動化能使信息的檢測、數據采集及處理更為精確，所采取的控制策略更為優化，這使得工作人員可以讓設備在較好的狀態下運行，從而提高設備的運行效率，達到提高煤炭生產率和煤炭質量的目的。

（二）提高生產設備的可靠性和生產過程的安全性

由于煤炭產業自身的特點，作業環境復雜，生產連續性，高危險性等，煤礦生產設備的安全性和可靠性具有非常重要的意義。現代自動化裝備的硬件系統采用高度集成化的電子器件、專用集成芯片及計算機，大大提高了硬件的可靠性。而且軟件的靈活性允許在系統中設置各種控制、故障監測和診斷程序，形成一個完善的自動化系統，其控制功能與狀態監測、故障保護功能緊密結合，從而保證了自動化系統的高度可靠性，實行離機操作，對煤礦的安全生產具有特殊的意義。

（三）在保證生產的前提下節約能源、節省勞動力資源

合理的自動化系統可以實現設備的軟啟動、平滑調速、恒減速制動等，從而可以達到降低設備的機、電應力，優化運行狀態和周期及減少運行損耗的目的。同時，采用大量的節能型機電裝置，如高效電動機、高效風機等設備，可以達到節能的目的，取得較好的經濟效益。

四、結語

自動化是采礦設備的一個發展趨勢，文章通過論述分析主要采礦設備的自動化應用現狀及發展方向、主要意義，說明采礦設備的自動化技術在提高煤炭生產率、增加安全性、降低成本等方面有著重要作用，特別是對于高危作業具有更大的優越性。因此，對于采礦技術的深入研究，提高采礦設備的自動化程度在提高我國能源產量、促進我國經濟發展方面有著重要的意義。