机械自动化在煤矿机械制造中的运用研究

2021-02-04贾建斌

科技创新与应用 2021年7期

贾建斌

（陕西煤业化工物资集团有限公司采购中心，陕西西安 710014）

引言

煤矿是古代植物遗体经过亿万年的复杂变化形成的不可再生资源，在人们的生产生活中占据着极为重要的位置，但在过去的开采过程中，受科学技术的限制人力是开采煤矿的主要动力，在当代煤矿生产的过程中，应用自动化机械在提升煤矿生产能力的同时，还可以保障工作人员的生命财产安全。

1 机械自动化对于煤矿生产的意义

煤矿机械作为维持矿井作业顺利开展的重要设备，其工作性能与企业的生产效率之间存在着极为密切的关系。近年来，随着我国煤炭工业的发展速度的不断加快，传统以人力开采为主的煤矿开采方式所开采的煤炭，已经无法满足社会对煤矿资源的需求量，此时自动化机械设备受到了人们的广泛欢迎，并且随着科学技术的不断发展，煤矿机械的自动化水平不断提升，不仅大大提升了煤矿的开采效率，还可以令工作人员远程对矿井内部情况加以探查，达到保证工作人员生命财产安全的目的，进而为我国煤炭企业的良好发展打下坚实的基础。

1.1 解放劳动力

人类开发并使用工具的目的之一就是解放劳动力，在煤矿开采过程中，用自动化的机械设备代替传统的人力开采方式，不仅可以提升煤炭的开采效率，还可以令开采人员从危险的矿井转移到相对安全的设备监控中心，这种工作方式不仅保障了工作人员的生命安全，提升了煤炭开采的质量，还在一定程度上减少了矿井对矿工的需求量，达到了解放劳动力的目的。

1.2 提高开采工作的安全性

由于传统的煤矿开采工作需要工作人员深入矿井进行工作，而矿井的工作环境较为恶劣，存在工作空间小、煤尘大、噪声响、工作状况复杂等问题，工作人员在矿井下工作的过程中存在较多的安全隐患。但现阶段，将机械自动化应用于煤矿机械中，让工作人员在矿井外对机械设备加以调控，由机械设备代替工人完成这些具备较大风险性的井下工作，在保证煤炭开采工作质量的同时，避免了因矿井渗漏、瓦斯浓度过高等问题的出现给工作人员的生命安全造成威胁。

1.3 降低开采工作成本

尽管在当前煤矿企业在采购自动化的煤矿机械设备时需要消耗大笔的资金，但从长远来看，将这些新型的自动化设备应用于矿井工作中可以减少对人力资源的使用量，提升煤矿的开采量，从而达到降低生产成本，提升企业经济效益的目的。

2 在煤矿机械制造中机械自动化的应用

近年来，随着科学技术的发展进步，在一定程度上带动了电机一体化技术的发展与完善，尤其是在“十二五”期间，为贯彻落实我党下达的“安全第一、以人为本”的生产运营理念，我国煤矿开采企业纷纷引进了具备先进机电数控技术的机械设备，在减少了对人力、物力资源的消耗的基础上，满足了当前社会的发展需求。

2.1 机械自动化技术在煤矿掘进中的应用

近年来，随着我国煤炭行业的发展速度不断加快，与其密切相关的煤机设备行业也受到了人们的广泛关注，在当前煤炭行业的纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》、全国煤炭工业科学技术大会以及国家发改委出台的煤炭行业机构调整政策中，都强调了发展煤矿井下采煤设备在煤炭行业发展中的重要性。现阶段，掘进与回采作为煤矿生产中较为重要的环节，国家指出当前在煤矿开采过程中，煤矿企业应当遵循“采掘并重、掘进先行”的工作原则，掘进机（如图1 所示）作为一种快速掘进煤矿巷道，保证矿井开采质量的关键性机械，其自动化水平与矿井的安全性以及生产能力之间存在着极为密切的关系。具体来说，机械自动化在掘进机中被广泛应用于掘进机的操作箱、照明灯、安全型开关箱以及压扣控制按钮等自动化系统当中，同时，在掘进机实际工作过程中，这些系统的配合使用可以辅助掘进机工作发挥更大的效用，同时，工作人员往往将掘进机与液压系统搭配在一起使用，从而更好地发挥掘进机各系统的综合效用，达到节约煤矿开采时间，提升工作效率的目的。此外，当前掘进机的构成主要包括行走机构、工作机构、装运机构以及转载机构，其工作方式为，机械在行走机构向前推进的过程中，由工作机构切割煤矿，并将切碎的煤矿运输到相应位置。需要注意的是，尽管近年来我国掘进机的研发取得了一定的进步，但当前煤矿开采企业使用最广泛的矿井施工仍以钻爆法为主，面对这一问题，为进一步提升煤矿生产的高效性与安全性，我国的掘进机正朝着自动化、大型化、大功率、机电一体化的方向发展，并且先后引进了德国的MAV300、奥地利的AHM105 以及英国的MK3 型重型悬臂式掘进机，对我国的掘进机优化提供参考[1]。

图1 掘进机

2.2 机械自动化技术在煤矿开采中的应用

对于煤矿企业来说，获取经济效益的核心工作就是采煤，在当期采煤工作开展的过程中应用机械自动化技术不仅可以减少工作人员的人力资源消耗量，还可以提升采煤工作的效率。近年来，在采煤过程中，最典型的机械自动化技术运用机械为电牵引采煤机（如图2 所示），功率早已超过1200kW，并且电压也已从过去的1140V 增加到现在普遍使用的3300V，其主要结构包括遥控器、传感器、计算机和变频器等部分，具备结构合理、操作便利、适应性好、程序设置简单、工作性能优良等优点，被广泛应用于煤矿开采工作当中。

图2 电牵引采煤机

2.3 机械自动化技术在煤炭输送中的应用

对于一些煤矿企业而言即使其生产效率有所提升，但如果其运输效率比较低，那么其经济效益仍无法得到提升，因此，煤矿开采与煤矿运输在其运营过程中一样重要，在当前煤矿机械制造的过程中，将机械自动化技术应用于煤矿运输机械中可以有效地提升煤矿企业的经济效益。具体来说，在当前很多煤矿企业的生产运输过程中都已经应用了PLC 技术与胶带运输相结合的运输方式，PLC 技术作为一种自动化运输系统，将其与传统的胶带运输技术相结合，使得胶带运输更为精确、高效以及可靠，并且这种以电力为能源的运输方式的运用，不需要工作人员像管理传统胶带运输方式一样，对其进行实时的干预与维护，降低了因人工操作失误出现安全事故的可能性，在提升煤炭运输效率的同时，提升了煤炭企业的经济效益。

2.4 机械自动化技术在煤矿安全监控中的应用

对于所有的生产企业而言，安全始终是其生产运营中的前提，在过去的一段时间里，频频发生的煤矿安全事故，使得人们对煤炭行业的发展产生了不信任感。对此，将机械自动化技术应用于煤矿安全监控过程中，已经成为解决这一问题，提升煤矿工作安全性的有效方式之一。具体来说，当前部分煤矿开采企业为进一步提升自身对煤矿生产流程的监控力度，将遥测仪、断电仪、红外线自动喷雾装置等自动化监控设备安置在矿井当中，并且要求工作人员实时监控检测设备显示数据的方式，实现对矿井的全方位监管，最终达到维持矿井环境稳定性，提升工作人员生命财产安全性，提高煤矿生产管理有效性的目的。以某全矿井综合自动化监控系统为例，该系统主要以工业以太环网为核心，对矿井内的各项自动控制系统加以整合，并将其与安全防火墙、矿级管理系统共同组成一个高速统一的监控网络，达到对矿井整体情况统一化管理的目的，其综合识别与感知运行机制如图3 所示。

图3 综合监控系统的识别与感知流程图

整个系统被分成信息层、控制层以及设备层三部分，其中控制层主要由工业以太环网为核心，实现了对矿井内各子系统的无缝集成，以及通过Web 浏览器实时显示安全生产的各项数据。其中子系统包括安全监控系统、人员定位管理系统、压风机自动化控制系统、通风机自动化控制系统、中央泵房自动化控制系统、皮带自动化控制系统、变电所自动化控制系统以及视频监控系统等。

（1）安全监控系统。在该安全信息化平台当中，主要通过上位机以太网通讯卡将安全监控系统就近接入交换机当中，在与平台相连接时，其软件的接入方式主要由软件提供商与软件购买方进行协调后选择相应的接入通讯协议，以便满足企业的实际需要。

（2）人员定位管理系统。在该安全信息化平台当中，人员定位管理系统同样是依靠上位机以太网的通讯卡就近接入交换机，并与平台相连，软件的接入方式也是由软件提供商与软件购买方相协调后得出的。其工作方式为，由于安全信息化平台包含了人员定位系统地面监控主站的功能，可以对矿井工作的人员进行实时监控，若发生特殊情况时，监控界面发出警报，Web 浏览器显示出现问题的对应摄像头所监视的画面，达到保护工作人员生命安全的目的。同时，由于该子系统可以采集所有工作人员的入井、升井时间，因此，该子系统还在一定程度上可以达到提升工作人员工作效率的目的[2]。

（3）压风机自动化控制系统。该系统主要是通过现场PLC 提供的以太网接入口与就近交换机相连接，进而达到与安全信息化网络平台相连接的目的，其通讯协议同样是由软件提供商与购买方相互沟通协商得出。其工作方式为，压风机自动化控制系统将地面压风机、井下压风机、阀门等设备的运行情况传送到安全信息化系统平台中，平台通过Web 浏览器将数据进行实时显示，若存在安全隐患时，系统的事故报警功能启动，从而达到保护矿井安全的目的。

3 机械自动化技术在煤矿机械制造中的发展前景

机械自动化技术在当前社会资源开发利用过程中，所起到的作用逐渐加重，尽管当前我国煤矿机械在机械自动化方向发展的速度，与部分西方国家之间存在一定的差距，但从我国近年来经济、科技等方面的发展速度来看，我国的机械自动化技术发展水平将会越来越高。煤炭资源作为当前我国的主要能源，在较长一段时间的社会发展过程中仍占据着极为重要的位置，因此，提升煤矿机械的自动化水平成为未来煤矿机械制造中的主要任务之一。

3.1 减少煤矿机械对资源的浪费

对当前我国现有的煤矿机械设备进行分析后可以发现，机械设备对煤炭资源的浪费是设备运行过程中较为常见的一个问题。对此，为进一步提升煤炭资源的利用率，减少资源在开采运输过程中的浪费，在进行机械设备进行自动化改进的过程中，设计人员不仅需要降低设备对人力资源的消耗，还需要对设备的运行方式加以改进，尽可能令开采出的煤炭资源全部运送到购买方的手上，达到减少煤炭资源浪费的目的。

3.2 强化机械设备制造中理论与实践的结合

近年来，随着我国对机械自动化技术的关注程度不断提升，部分机械专业研究人员从理论层面对煤矿机械设备进行了改进，但在实际生产过程中，部分理论的应用难度较高并不适用于当前机械制造的工艺水平。对此，机械专业研究人员在对机械设备进行改进的过程中，应当切实了解我国机械制造行业的发展水平，明确当前煤矿机械设备在使用过程中存在的缺陷，并对其加以改进，在此过程中，研究人员还需要确保自身所提出的理论观念，存在切实可以支撑观念的工艺技术，以便将观念切实应用到工艺实践过程当中，最终达到促进煤矿机械设备朝着自动化方向发展的目标[4]。