煤礦機電設備一體化技術應用探究

張磊 杜善營 甘強

摘要：煤礦機電設備一體化技術的應用不僅標志著產業的技術進步，也逐漸成為提高煤礦生產效率和安全性的重要手段，其核心是將機械設備與電子控制系統有效結合，實現自動化、智能化管理，形成高效、可靠的礦山作業新模式，目前已經成為我國多家煤礦提升產能的關鍵因素。該項技術通過精確的自動控制系統，結合智能采掘、集成化運輸設備，可顯著提高設備的操作精度與故障預警水平，為煤炭行業的現代化進程提供強大動力。

關鍵詞：煤礦；機電設備；一體化技術

DOI：10.12433/zgkjtz.20240408

煤礦機電設備一體化技術作為現代礦業的前沿技術，融合了機械工程、電子技術和信息技術，具有高度集成和精確控制的特點，可將煤礦作業從傳統的人工密集型轉變為技術密集型，實現生產過程優化。我國作為世界上最大的煤炭生產和消費國，對煤礦機電設備一體化技術的應用尤為重視。近年來，隨著技術的不斷成熟和普及，從最初的單一機械設備到現在的高度自動化、智能化系統，越來越多的煤礦企業開始引入高度自動化的機電設備。此外，基于5G技術的智能裝備支撐系統已形成有效的網絡架構，實現了海量數據的高效傳輸。例如，8m超大采高智能采煤機、智能刮板輸送機、液壓支架等一系列創新技術已在智能煤礦建設中應用推廣。

一、煤礦機電設備一體化的技術基礎

（一）機械制造技術

作為煤礦機電設備一體化技術的基石，機械制造技術展現了精密工程和創新設計的融合，以高精度、高可靠性的機械部件制造為核心，確保煤礦作業的持續、穩定運行。高強度材料的使用是機械制造技術的關鍵。例如，煤礦挖掘機械通常采用高強度鋼材制作，其抗拉強度通常在800MPa以上，保證設備在極端地質條件下的耐用性。在焊接技術方面，機械制造采用先進的激光或電子束焊接技術，可實現微米級的焊接精度，大幅提高焊接接頭的強度和耐腐蝕性。對于煤礦機電設備的齒輪制造，通常采用數控機床進行加工，這些機床的加工精度可達到0.001mm，以保證齒輪傳動平穩和高效。此外，熱處理、鍍層、表面硬化等表面處理技術廣泛應用于各種機械部件，可將部件的表面硬度提高到700HV以上，顯著延長設備的使用壽命。通過優化機械結構設計和應用減震材料，可以降低設備運行時的振動和噪音，減輕對設備本身的影響，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，遠低于國際標準的要求。

（二）傳動技術

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

（三）傳感器技術

精密的傳感器不僅能夠實時監測設備狀態，還能夠感知礦井環境，為機電設備的安全運行提供保障。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的甲烷、一氧化碳等有害氣體的濃度，而且檢測精度可達到ppm級別。例如，甲烷傳感器的靈敏度需達到0.1%的甲烷濃度，在甲烷濃度達到爆炸下限（大約5%）之前提供警報，保障礦工的安全。振動傳感器在監測機電設備的健康狀態方面發揮著重要作用，頻率響應范圍通常在0.1～1 kHz，足以覆蓋大部分機械設備的振動頻譜。通過監測和分析設備的振動數據，可以及時發現設備的異常磨損和潛在故障。溫度傳感器能夠在極端的環境下穩定工作，測量范圍通常在－40～150℃之間，保持±0.5℃的測量精度，確保在設備過熱或環境溫度異常時能夠及時發出警報。光電傳感器在自動化煤礦設備中用于精確定位和物體檢測，能夠在光線昏暗的礦井環境中有效工作，檢測范圍通常在幾厘米到幾十米之間，滿足煤礦機電設備對高精度定位和快速響應的需求。

二、煤礦機電設備一體化技術應用

煤礦機電設備一體化綜采自動化系統主要由液壓支架電液控制系統、視頻監控系統、采煤機電控系統、三機泵站集控系統、順槽集控系統組成，如圖1所示。使用該系統后，綜采工作面可實現正常采煤生產過程：以采煤機記憶割煤為主，人工干預為輔；以液壓支架跟隨采煤機自動動作為主，人工干預為輔；以綜采運輸設備集中自動化控制為主，就地控制為輔；以綜采設備數據監測為主，視頻監控為輔，即“以工作面自動控制為主、人工干預控制為輔”的自動化生產模式，實現工作面少人、安全高效開采的目標。

（一）電牽引聯合采煤機

電牽引聯合采煤機作為煤礦機電設備一體化技術的重要組成部分，在現代煤礦作業中具有重要作用，其設計和制造融合了高效的電動機械系統和精密的控制技術，在煤炭開采中展現出卓越的性能。電牽引系統作為聯合采煤機的動力核心，采用了高性能的電動機，額定功率能夠達到數百千瓦級別。這種高效能電動機的扭矩輸出強勁，轉速可通過電子控制系統在寬范圍內精準調節，確保了在不同開采條件下的最佳性能表現。例如，一些先進的電牽引聯合采煤機的電動機轉速可在0～3000轉/min范圍內調節，滿足復雜煤層條件下的切割需求。在控制系統上，聯合采煤機裝備了先進的微處理器和多功能傳感器，能夠實時監控設備狀態和礦井環境，例如，溫度、振動和位置等，并在數毫秒內做出響應，有效防止設備超載運行。在安全性方面，電牽引聯合采煤機具備多重安全保護功能，例如，過載保護、短路保護和漏電保護，防塵防水等級達到IP65以上，設備的下滑制動功能在傾斜角度達到40～50°時發揮作用，可有效避免下滑事故的發生。電動機和傳動系統部件的模塊化設計使更換、維護更加簡單快捷。設備的平均無故障工作時間（MTBF）達到數千小時，可以降低維護頻率和成本。此外，電牽引聯合采煤機相比傳統液壓牽引設備，具有更小的體積和更輕的質量，節能效益明顯，能夠有效降低設備運行成本。

（二）帶式輸送機智能化

帶式輸送機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的電動機控制、精確的傳動機制和高效的監控系統，可極大提高輸送機的可靠性與作業效率。帶式輸送機智能化系統中的傳感器能實時獲取關鍵傳動參數，包括輸送帶的傳動速率、電動機的實時轉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變化，精度達到±0.1m/s，可以確保輸送機穩定運行。電動機轉速的監測可精確到每分鐘轉數（RPM），監測范圍通常在0～5000 RPM之間。對于各軸輸入功率的監測，傳感器能夠實時反映功率的微小變化，精度達到±1W。控制面板的設計允許現場工作人員根據實際情況調整運輸參數，使帶式輸送機的運行更加靈活高效。編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是智能帶式輸送機系統的“大腦”，負責處理從傳感器收集到的數據，并作出相應的控制決策。PLC具備強大的在線監控功能，能夠實時監控輸送機的運行狀態，其自動診斷通過分析電動機功率、轉速偏差，可以預測軸承磨損或傳動帶松弛等問題，提前發出警告，減少意外停機時間。

（三）保障掘進機安全性

掘進機的電氣系統通常由礦用隔爆型電鈴、礦本質安全型操作箱、礦用隔爆兼安全型開關箱、隔爆照明燈等組成。一體化技術在掘進機電氣系統中起到協調和控制的核心作用。主控制器作為保護設備的中樞，不僅協調上述電氣設備，還可通過集成的控制系統，實時收集、處理電氣系統的電流、電壓、溫度等關鍵參數，為設備的安全運行提供準確的數據支撐。當掘進機的電氣系統發生異常時，主控制器能記錄故障發生的時間、類型和相關參數，確保事后的故障分析和預防。一旦掘進機發生短路，主控制器會立即記錄故障發生的確切時刻和環境條件，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、二運電機的過壓保護和三相電流不平衡監測功能，在電氣系統出現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出警報的措施，防止發生設備損壞和意外事故。例如，當油泵電機的電壓超過額定電壓的10%，主控制器會自動斷開電源，防止電機過熱。

（四）電液雙控支護設備

電液雙控系統的核心在于精密的電子控制單元和高效的液壓執行機構。電子控制單元采用高性能微處理器，能夠實時處理、分析來自支護設備的數據，例如，壓力、位置和載荷等。在液壓系統方面，采用了高強度的液壓缸和先進的液壓泵站，運用雙向相鄰支架恒壓技術，允許支架在保持恒定壓力的同時，快速響應和適應復雜的礦井環境。液壓缸的設計標準要求承受的工作壓力至少達到25MPa，確保高壓力環境下的穩定性和可靠性。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，壓力控制精度在±1MPa以內，以精準控制液壓支架。當液壓油的壓力或流量偏離預設的標準值時，系統會立即通知操作人員加以調整，保障礦山作業安全、穩定。

（五）提升機自動化控制

礦井提升機的自動化控制代表了礦業機械領域的一大技術進步，特別是交、直流全數字礦井提升機的應用，采用了先進的變頻技術和數字控制系統。變頻器在其中發揮著關鍵作用，能夠精確控制電動機的速度和扭矩，確保提升機的平穩起升與下降。例如，一些高級礦井提升機使用的變頻器能夠實現頻率調整范圍在0～60Hz之間，提供高達150%的起動扭矩，滿足不同載荷和速度的需求。同時，提升機的自動化控制系統包括速度傳感器、位置傳感器和負荷傳感器等。速度傳感器能夠精確測量提升機的運行速度，測量精度通常在±0.1%范圍內；位置傳感器用于確定提升罐籠的位置，精度可達±1cm；負荷傳感器用于監測提升罐籠的載荷，精度通常在±1%的范圍內。提升機自動化控制系統還具備多重安全保護措施，包括過載保護、速度過快保護和緊急停機功能。過載保護能夠在提升罐籠超過安全載荷時自動停機，而速度過快保護可以在提升機超出安全速度時觸發緊急制動。

三、結語

煤礦機電設備一體化技術的應用展示了技術創新與工業安全之間的和諧結合。將先進的電子控制系統與傳統機械設備相結合，能夠實現礦山作業的自動化、智能化和高效化。從電液雙控支護設備的精密控制到提升機自動化控制系統的高度安全性，每一項技術的應用均可提升煤礦作業的安全標準和生產效率。未來，隨著技術的不斷進步和創新，煤礦機電設備一體化技術將繼續在提高生產效率和確保作業安全方面發揮更大的作用。

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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。