煤矿机电设备中自动化技术的应用探究

唐利山，罗武军，栾梦涛，毕国强，陈龙龙

（国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

通过持续探索和优化，我国煤矿产业迅速发展，煤炭供应能力得到显著提升，同时煤炭进口量相应减少。但高耗能、高成本、高污染、劳动密集等问题严重制约着煤炭产业的可持续发展。此外，由于设备故障、突发事件等引起的煤矿安全事故，轻者为企业带来严重经济损伤，重者出现人员伤亡现象，产生了极为恶劣的社会影响。因此，煤矿产业需要加强对现金技术的研究和引进，提升矿井机电设备管理体系的效率性、适应性、连续性，促进煤矿企业向技术集约型产业转型升级。在煤矿机电设备中使用自动化技术，能够有效提升产业的煤炭供应力，推动煤矿产业长期、稳定、高效运行。

1 煤矿机电设备自动化概念及应用现状分析

在确保煤矿机电设备正常运转的基础上，企业要积极引进和优化自动化技术，对现有机电设备升级改造，突破煤矿生产过程中设备性能的局限性，提升煤矿开采的稳定性、可靠性和安全性。

1.1 煤矿机电设备自动化概念

自动化技术具有一定的复杂性和综合性，与自动控制、电子学、控制论、系统工程、信息论、计算机技术、液压气压技术等联系密切，将其用于现代机械设备，能够缩减工艺流程，减少人力资源消耗，同时提升企业产能和生产安全性。煤矿机电设备自动化指借助自动化技术对煤矿开采、运输等一线生产设备、辅助设备和安全保障设备进行集中控制，表现出优异的集成性和综合性，使得煤矿生产更加机械化、多元化。煤矿机电设备常用的自动化技术包括自动化控制技术、微电子技术、软件技术和传感技术，其中自动化控制技术能够提升煤矿机电设备的自动控制水平，减少机电设备运行中人力的投入，保障煤矿生产的高效性和安全性；微电子技术需要将各类微小电子元件放置在合适位置，凭借元件微小体积向控制系统实时传输监控数据，预防煤矿机电设备连接或系统运行出现故障问题；软件技术主要用于各类煤矿机电设备，能够对设备运行和采集数据进行精确分析并给出合理盘孤单，提升设备运行效率，调整机电设备运行方式；传感技术是支持机电设备机械部件正常运行的重要技术，能够帮助系统或管理者精确掌握设备运行数据，确保机电设备保持最佳工作状态。

1.2 煤矿机电设备自动化现状

发达国家对自动化技术及煤矿自动化生产研究较早，积累了丰富的经验。早在20 世纪末，美国、德国、瑞典等发达国家煤矿机电设备自动化程度已经居于世界前列，整体煤矿产业生产安全性和效率得到了大幅提升。我国于20 世纪60 年代开始将自动化技术应用于煤矿产业，现如今多数大型煤矿生产企业移交给构建了机电一体化生产模式，能够在矿井内构建大型开放式、分布式控制体系，实现对矿井煤炭生产、检测、控制等自动控制，并依托互联网技术，对煤炭生产和商业运营进行一体化、端对端管理，使得煤炭产能和安全得到保障。但国家能源局对山西、内蒙、新疆、陕西等地煤矿产业智能化验收数据反映，虽然煤炭行业在行业主管部门引导下智能化建设水平取得了较大进展，如截至2021 年12 月30 日内蒙古自治区已对41做煤矿完成智能化验收工作，包括进攻煤矿29 座、露天煤矿12 座。但纵向对比验收结果发现，多数煤矿现代自动化体现水平较低，优化效果不明显，许多业务系统和自动化技术仍处于辅助、展示与备用阶段，并未投入煤矿生产常态化工作。

1.3 煤矿自动化发展痛点分析

受到区域经济发展水平的影响，自动化技术在煤矿机电设备中的应用出现不平衡现象，使得煤矿企业在生产规模等方面产生了较大差距。煤矿自动化发展痛点主要表现在以下几个方面：第一，基于自动化技术的煤矿机电设备操作难度较大。基于自动化技术的煤矿机电设备操作人员不仅需要具备扎实的自动化专业知识，还需要具备一定的操作经验。但煤矿产业特别是矿井工作并不是机电、采矿、自动化等复合型高技能人才的首选，因此，企业只能通过培训现有煤矿工人，实现机电自动化设备的应用。但就当前煤矿产业人力资源结构可知，随着自动化技术在煤矿机电设备中的应用，全国煤矿井下作业人员减少了37 万，行业专业人士反映，煤矿产业人才缺口非常大，出现了技能人才与技术装备不匹配现象。第二，煤矿机电设备自动化设计合理性欠缺。当前，煤矿产业正处于转型升级的关键阶段，对于机电自动化设备的需求量较大，但市场上高性能、高质量的机电设备较少，且应对复杂开采场景的能力较差，影响了自动化技术在煤矿生产中的普及。此外，煤矿机电设备管理制度不健全、硬件设备投入有限，为节约生产成本，企业仍在使用老旧自动化机电设备，导致自动化技术在煤矿产业中难以充分发挥作用。

2 自动化技术在煤矿机电设备中的应用价值

煤矿生产具备作业难度高、工作环境复杂等特征，借助自动化技术推动煤矿机电设备的集成化操作和管理，有助于提升煤矿产业生产效益，降低产业生产成本。因此，现如今自动化技术在煤矿机电设备中的应用已经成为煤炭企业转型的重要趋势。

2.1 提高煤矿的整体生产效益

在传统煤矿工作模式下，机电设备需要人工操作，但人工操作机械设备难免出现误差，造成机械运行故障或引发安全事故，不仅为煤矿产业带来经济损失，还影响了煤矿整体生产效益。同时，在传统生产模式下，煤矿机电设备较为落后，性能较差，长期使用极易发生故障。随着自动化技术在煤矿机电设备中的广泛应用和发展，煤矿机电设备性能得到了大幅提升，生产的精确性提高，操作形式也由最初的人工转变为智能控制体系，使得煤矿整体生产效率得到提升。此外，煤矿机电设备出现故障时，可借助自动检测和控制系统迅速准确找到机电设备故障原因和科学解决方案，为专业维修人员提供参考，节约设备维修时间，进而提升煤炭生产效益。

2.2 降低煤矿产业生产成本

自动化技术在煤矿机电设备中的应用，能够提升煤炭生产过程组织管理效率和经济管理效率，降低煤矿产业生产成本。自动化技术的应用能够优化煤矿机电设备的配比关系，协调煤炭生产各环的节能力，确保煤矿的稳定、连续生产，进而降低生产成本。以露天煤矿为例，其生产环节较为复杂，对自动化、机械化要求较高，增加了煤矿产业生产组织管理难度；自动化技术的应用促进了煤矿机电设备调度体系的完善，增强了组织管理指令的权威性，使得煤炭企业生产组织管理水平得到大幅提升，同时避免了生产运输环节由于组织管理问题导致的成本浪费。此外，自动化技术用于煤矿机电设备，能够增强采掘、排水等工程的科学性和合理性，便于技术人员制定更具经济性的开采方案。虽然煤矿机电设备自动化在前期采购环节需要投入大量资金，但设备投入使用后不仅可以降低人力资本消耗，还可以降低安全事故和错误操作发生率。

2.3 增强煤矿生产的安全性

现如今，煤矿产业通过完善安全生产规章制度、自动化设备应用等方法提升生产的安全性，但煤矿事故仍旧时有发生。自动化技术应用于煤矿机电设备，能够大幅提升煤矿生产的安全性，具体表现如下。

（1）自动化技术可以对机电设备危险问题进行自动探测、分析和处理，先进的机电自动化设备通常设置了保护程序，只要工作环境出现危险因子，设备就会做出预警并启动安全保护机制。例如，根据《煤矿安全规程》采掘工作面内，体积大于0.5m3的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，机电设备停止运行、自动闭锁，同时电源自动切断，并发出预警，进而降低事故发生率。

（2）自动化技术的应用，提升了煤矿机电设备运行的精准化，提升了煤矿生产的安全性。

2.4 缓解人力资源紧缺问题

自动化技术在煤矿机电设备中的应用，有助于煤矿产业由劳动密集型产业向技术集约型产业转型，有效缓解煤矿企业人力资源紧缺问题。煤矿机电自动化设备能够在无人操作的环境下根据控制系统的指令精准完成工作内容，不仅减轻了一线工人的工作负荷，还提升了产业工作效率。例如，矿井水泵作为煤矿机电重要场所，主要承担矿井排水工作，是确保煤矿生产安全的重要环节；在传统生产模式下，矿井排水主要借助继电器，需要人工观察水仓水位，管理水泵运行，过程烦琐复杂，且水泵运行时间长，导致劳动强度非常大。华科电气利用自动化技术实现了对煤矿泵房的自动化控制和管理，不仅缓解了人力资源紧缺问题，还提升了矿井水泵工作效率，节约了大量人力。

3 自动化技术在煤矿机电设备中的应用分析

为顺应现代社会对能源的需求，提升煤矿企业的产能，保障煤矿生产的安全性，企业需要积极引进和优化煤矿机电设备自动化技术水平，提升煤矿采掘设备、运输设备、通风排水设备、监管设备的自动化程度，使得煤矿企业的工作流程化繁为简，减少或规避煤矿生产中的资源浪费现象和安全问题，促进煤矿产业的高质量发展。

3.1 自动化技术在煤矿开采设备中的应用

将自动化技术应用于煤矿开采设备，根据掘进作业、开采作业需求优化相应的机电设备性能，调节机电设备控制系统和操作系统，能够提升煤矿开采工作的效率与安全性。

（1）煤矿掘进工作是后续开采、运输的基础，常用掘进机及其他机电设备提升掘进效率。自动化技术通常用于掘进机械照明箱、操作箱、卡口控制等环节。以EBZ-220 型掘进机为例，分配阀固定于机械油梁的底部，借助高压油管密封连接摩擦点与分配器、泵与动力控制器，并将整个系统置于掘进机的底部。安装结束后，人们需要对自动化系统进行周期调试、时间调试和油量调试，确保掘进机能够安全、稳定运行。

（2）除了掘进机械以外，煤矿掘采工作还需要以液压系统作为辅助，不仅可以支撑煤层，还可以改变作业环境的压强，进而增强掘进设备的作用力，提升掘进工作效率，缩短作业周期。自动化技术能够实时分析矿井开采进度，同时借助计算机和数字传感设备及时调整顶板支护装置，提升液压系统的灵活性、煤矿作业安全性。

（3）自动化技术在煤炭开采设备中的应用可以帮助开采设备更好地适应矿井的空气环境与复杂地形，提升煤矿开采效率。例如，将自动化系统用于采煤机，借助可编程控制器和高集成化电子元件对采煤机设备的遥控器、传感器和变频器进行集中控制，可对采煤机工作状态、故障问题、采煤数据等进行自动化监测与管理，确保设备恒状态、恒功率运行。

3.2 自动化技术在煤矿提升运输中的应用

用于煤矿机电设备的自动化技术由驱动单元、生产单元和控制单元组成主要框架，现如今，已经初步具备智能化功能，将其用于煤矿提升机和运输机，能够辅助煤矿生产，增强煤矿资源产能。（1）煤矿提升设备在煤矿生产中占据着非常重要的位置，比如，PLC 可编程控制器等自动化技术在该环节的应用已经十分普遍，实现了对提升设备的多功能控制，优化控制效果。现如今，煤矿产业对数字化交直流提升设备的应用较多，设备主要将驱动和滚筒组合，组成自动化技术、计算机、机电设备一体化煤炭提升系统。此外，我国还自主研发了以自动稳定控制系统（Automatic Stabilization Control System ,ASCS）为核心、基于中央处理器（Central Processing Unit ,CPU）的自动化提升设备，同煤集团等大型煤矿企业已经投入使用。（2）自动化技术用于煤矿运输设备能够减轻一线工人的工作强度，提升矿井煤炭的运输效率。煤矿运输体系自动化技术的突出作用在于胶带运输机，主要分为矿井主干胶带运输机和支路运输机；企业通过PLC 对这些系统进行监管和控制，传感器和传输设备能够将各工作点的运输数据实时传输到控制系统，便于操作人员及时发现运输系统胶带偏移、胶带跑偏等现象，避免由运输设备故障引发的安全事故或停工现象。例如，华夏天信开发的胶带运输智能调速系统具备煤量识别、实时监测、并行分析、综合决策、多档调速、灵活闭锁、实时计算、数据分析、远控集控、多重控制等多项功能，实现了煤多快转、煤少慢转、无煤停车的自动化目标。

3.3 自动化技术在煤矿通风排水中的应用

通风系统和排水系统在煤矿安全生产中占据着十分重要的地位，涉及的机电设备十分复杂。因此，在煤矿通风排水系统中应用自动化技术，需要综合考虑矿井环境。

（1）煤矿通风系统的主要作用为净化、优化工作环境，提升一线工作人员的安全性。基于自动化技术的煤矿通风系统主要包括集中控制、数据传输和通风指令执行，其中集中控制的作用为管理和控制矿井整体通风情况；数据传输的作用为将煤矿局部和主要通风设备运行数据、监测数据实时传输到集成控制系统；通风指令执行主要将控制中心发出的数字指令转换为设备实际操作。以基于TCP/IP 协议的煤矿通风自动化系统为例，其主要由采取VC++组态语言，由以太网络、集控中心、信息集成站组成，实现了对煤矿通风系统的自动化控制，具有极高的安全性。

（2）自动化技术在煤矿排水设备中的应用能够提升排水系统控制水平，增强排水系统运行的连贯性；排水系统可在无人为干预的情况下自动调节用水量、排水量，同时具备抗负压、超温、过载、泄露等应急功能，以及实时数据传输功能和人工远程遥控功能，为煤矿安全生产提供了有利条件。例如，安科高新技术研究院自主研发了中小型煤矿排水自动化无人值守系统，系统运用了各类传感器与SIEMENS 的S7 系列PLC，具备自动轮换功能，且能够根据避峰填谷原则开启排水水泵，具有节能、低成本、运行可靠等多重优势。

3.4 自动化技术在煤矿监管设备中的应用

基于互联网的煤矿分布式安全监控系统能够对煤矿整体矿井通风数据、防治瓦斯、防治煤尘、防火灭火（一通三防）工作数据构建专业的数据模型，同时借助现代指挥技术和预警系统对煤矿工作环境中的各项指标进行全过程、全时间的控制和管理，以此提升煤矿监管的精确性，为煤矿一线工人提供安全保障。利用网络摄像头、视频服务器等设备可以构建自动化、网络化、数字化监控体系，将各类节点监控体系进行集中整合，实现对煤矿生产的分流监测、集中管理。现阶段，基于自动化技术的煤矿监管设备将供电监测、主扇风机监测、火灾控制、信息处理、计算机控制等节点子系统利用千兆级工业以太网进行集成化管理，减少各个岗位一线员工，进而实现煤矿生产系统的自动化管控。例如，矿井地下水监控系统能够将矿井中水位传感器监测到的数据实时传输到集中控制中心，如果水位到达矿井水位的警戒线，监测系统则会在集中控制中心与矿井一线同时发出警报，便于一线工人迅速、有序的撤离，同时集中控制中心会同步采取排水等有效措施，避免发散安全事故。比如，山东新云鹏研发的全矿井综合自动化管控平台可借助自动化平台软件和工业以太网实现对全矿山安全进行一体化管控，能够帮助煤矿企业精准预防和处理各项自然灾害和突发事故。

4 煤矿机电设备自动化技术发展趋势分析

煤矿所处区域的地质条件复杂，矿井空间狭窄、阴暗潮湿、工人活动受限、能见度极低。将自动化技术应用于煤矿机电设备，能够减轻工人的作业强度，帮助设备操作人员精准掌握矿井的环境数据，提升生产效率和生产安全性。随着自动化技术的不断发展，煤矿机电设备将逐步向集成化、智能化、微型化、绿色化方向发展，为煤矿产业创造更多价值。

（1）集成化。基于计算机技术对煤矿机电设备进行整合，形成一体化的管控生产体系，对煤矿生产的各个分系统进行实时监控，发布任务，使得各子系统既相互独立又密切联系，促进煤矿高效、安全生产。

（2）智能化。短短几年间，智能技术在煤矿生产领域已经表现出突出的便捷性和先进性。未来，自动化技术将逐步向智能化靠近，思安煤矿各环节实现机电设备智能化作业，智能控制系统对煤矿进行全时间、全过程、全方位监测和控制，同时具备设备运行数据智能检测与分析功能，在发出警报的同时给出科学、精确、有效的故障解除方案，为工程师维护设备提供便捷。

（3）微型化。煤矿作业需要大量掘进机、提升机等大型机电设备，这些设备操作复杂、移动困难，增加了煤矿生产的难度。未来，随着自动化技术的持续优化，微电子技术将会发挥更大作用，不断减小煤矿机电设备的操作控制模块重量和体积，简化其操作流程，使其更便于操作和移动。

（4）绿色化。当今时代，环境污染严重，能源问题突出，节能环保成为人们关注度极高的话题。虽然煤矿机电自动化设备提升了能源产出效率和质量，但这些设备同样属于高耗能机械设备，经过长期运行必然会产生大量能耗，同时影响周边的生态环境。自动化技术未来需要向绿色化方向发展，不断降低煤矿机电自动化设备的能耗，提升机电自动化设备的综合性能，避免其对周边生态造成影响，顺应国家绿色经济发展要求。在煤矿生产工作中，自动化技术的应用使得煤矿机电设备性能得到大幅优化，煤矿机电设备的功能更加丰富，提高了煤矿生产效率与安全性，降低了煤矿生产成本，解决了煤矿人力资源紧缺问题。现如今，自动化技术已经广泛用于煤矿开采、运输、通风排水和安全监管等机电设备，为煤矿高效、安全、稳定作业做出了重要贡献。未来，随着自动化技术的不断发展，煤矿机电设备将逐渐向集成化、智能化、微型化、绿色化进军，为能源行业创造更丰富的价值。