机电一体化在采矿过程中的实践与发展分析

＊王旭荣

（山西沁新煤业有限公司 山西 046500）

机电一体化是指在机械和电气两个领域的融合中，通过信息技术的支持，将机械部件和电气部件紧密结合在一起，实现相互协作和自动化控制的一种技术体系，其基本原理是通过传感器、执行器和控制系统的协同作用，实现对机械系统的感知、控制和反馈，从而达到提高系统效率、减少人工干预、提升生产质量和安全性的目标。通过机电一体化，矿山生产过程可以实现自动化控制和监测，从而提高生产效率，自动化设备和系统能够更快、更准确地完成任务，减少人为错误和延误，提高生产线的运行效率。

1.机电一体化在采矿行业中的应用优势

（1）安全可靠。机电一体化系统能够实现自动化控制和监测，减少人工操作的需求，从而降低了工作人员接触危险环境的风险，可以实时监测矿井内的温度、湿度、气体浓度等参数，及时发现并处理潜在的危险情况。它具备智能故障诊断和预警功能，能够及时检测设备的异常状况，并提前预警，减少因设备故障引发的事故发生概率，还可以通过远程监控和操作，使操作人员能够在安全的环境中进行工作。

（2）自动化程度高。在矿山的采掘过程中，传统的手工操作需要大量人力，而引入机电一体化系统可以实现自动化的矿山开采，有效减少了人力投入和劳动强度，还能全程监测和控制采矿设备的工作状态，实现采矿行业的数字化转型，通过将传感器和数据采集装置与数据处理和分析系统相连接，直接获取和分析采矿过程中的各种数据，帮助管理者更好地了解和掌握采矿过程，从而优化生产计划、提高设备利用率和降低能源消耗[1]。

（3）操作简便高效。机电一体化系统的操作界面设计简洁直观，采用图形化的界面，操作人员可以直观地了解设备的工作状态和参数，并通过简单的指令完成对设备的控制。采矿行业的作业环境通常复杂恶劣，存在着高温、高压、有毒有害气体等危险因素，机电一体化系统通过集成安全监测装置和安全控制模块，实时监测环境参数和设备状态，不同设备之间通过网络连接，实现数据的共享和信息的传递，可以直观地调整和优化工作流程，降低能耗和物料浪费。这种协同工作的模式使得采矿作业能够更加精确、高效地进行，减少了因信息传递和协调不畅导致的生产延误和资源浪费。

2.机电一体化技术在采矿实践中遇到的挑战

（1）作业环境复杂。采矿作业通常发生在地下或恶劣的地面条件下，这些环境对机电设备的正常运行提出了严格要求，高温、低温、高湿度或极端干燥等恶劣气候条件会对电子元件和机械部件造成损坏或过早磨损，从而影响机电一体化系统的可靠性和性能。矿井中常常存在有害气体、粉尘和腐蚀性物质，它们可能对电路、传感器和执行器等关键组件造成腐蚀或损坏，导致设备故障。地质条件的不确定性也是一个挑战，地下矿井中可能会存在岩石崩塌、地震等地质灾害风险，会对机电设备的稳定性和安全性构成威胁。面对这些挑战，开发机电一体化系统需要考虑设计和选择耐高温、防尘、防腐蚀等特殊材料，加强设备的密封性和抗干扰能力，以及应对不确定地质条件的灵活性和适应性[2]。

（2）矿石性质多样化。不同矿石具有不同的物理和化学特性，存在硬度、密度、颗粒大小、导电性等方面的差异，硬度不同的需要不同类型的破碎和磨矿设备，对于较硬的矿石，需要更强大的破碎力和磨矿能力，而对于较软的矿石，则需要更加精确和控制的处理方式。不同矿石的密度和颗粒大小差异较大，对输送、分离和筛选过程中的设备和系统造成影响。另外，一些矿石具有较高的导电性，这可能会干扰机电设备的电子元件和信号传输。为了应对矿石性质多样化的挑战，机电一体化技术需要灵活的系统设计和控制策略，要根据不同矿石的特性选择合适的设备和工艺，并进行实时的监测和调整，以确保机电一体化系统的稳定性和高效性。

（3）技术集成与兼容。技术要求将机械设备与电气系统有机地结合在一起，以实现自动化控制和信息化管理。然而，由于机械设备和电气系统通常来自不同的供应商，存在着不同的技术标准、通信协议和接口要求，技术集成变得复杂而困难。为了克服这些挑战，需要加强不同技术领域之间的合作与交流，制定统一的技术标准和通信协议，并投入足够的人力和物力资源来实现技术集成和兼容性的解决方案。

3.机电一体化技术在采矿过程中的实践情况

（1）矿井安全生产监控系统。该系统通过技术集成与兼容，实现了各个子系统之间的无缝连接和信息交流，提高了系统的整体性能和可靠性，使监控系统能够集成多种传感器和设备，实时获取矿井内部的各种数据。通过将传感器数据进行采集、传输和处理，监控系统可以及时监测到矿井内的温度、氧气含量、可燃气体浓度等重要参数，从而实现对潜在危险的快速响应和预警。技术兼容性确保了各个子系统之间的信息交流和协同工作。不同子系统可能采用不同的硬件和软件平台，但通过技术兼容性的设计，它们可以无障碍地进行数据传输和共享。例如，监控系统可以与矿井的通风系统、供电系统及消防系统进行无缝连接，实现数据的互通互联。这种技术集成与兼容的方式不仅提高了矿井安全生产监控系统的综合性能，还降低了系统的复杂度和维护成本。

（2）在提升机中的应用。提升机是在矿山或采矿现场用于提升和运输矿石、矿砂、岩石等物料的特殊机械，属于大型、重载的设备，具有高强度、耐磨、耐腐蚀等特性，通过电动机或其他动力源驱动提升机构，使提升机的提升和下降，以实现物料的垂直输送。它被用于将从井下开采出的矿石或岩石提升至地面，实现快速、高效的输送[3]。这在地下采矿工程中尤为重要，因为地下空间有限，需要通过提升机将矿石迅速运送至地面进行进一步处理和加工。传统的提升机多采用机械传动方式，而机电一体化技术可以将电机直接与传动装置相连，减少了传动链条和传动件的数量，提高了传动效率和可靠性。同时，采用变频器可以实现对电机的调速，根据物料的不同需求进行灵活的调节，从而提高了提升机的适应性和运行效率。在提升机的关键部位安装传感器和监控装置，还可以实时监测提升机的工作状态和运行参数，一旦发现异常情况，系统能够及时做出响应，避免事故的发生。

（3）在带式传送机中的应用。机电一体化技术可以将传送带与其他设备（如输送机、分拣机、包装机等）进行无缝连接和协同控制，与其他设备的联动实现物料的自动分拣、包装和堆垛等操作，减少人工干预，提高生产效率和准确性。当传送带上的物料到达指定位置时，通过与分拣机的协同控制，自动将物料分拣到相应的位置，实现自动化的分拣过程。传送机在运行过程中会产生大量的惯性能量和热能，通过应用机电一体化技术，可以将这些能量进行回收和利用，结合逆变器和能量存储设备构建能量回馈系统，将惯性能量转化为电能并供给其他设备使用。

（4）在掘进机中的应用。掘进机被用于掘进矿体，将地下的矿石切割并移除到地表，通过传感器和控制系统，可以实时监测掘进机的工作状态、负载情况和环境参数，如切割力、刀具磨损、瓦斯浓度等，操作人员可以及时获取运行数据，并进行优化调整，以实现最佳的掘进效率和安全性。在采矿过程中，巷道需要进行扩大、清理和维护，以确保矿石的顺畅运输和工作场所的安全。此外，掘进机在钻孔准备中发挥着重要作用。为了进行爆破或其他矿石破碎操作，有时需要进行钻孔准备。掘进机可以精确地定位和控制钻孔，确保钻孔的精度和效率。

（5）钻机自动化中的应用。通过将机械、电子和信息技术相结合，实现钻机的自动化控制和监测，提高钻机的生产效率和工作质量，传统的钻机操作需要人工参与，人工操作存在一定的误差和风险，而引入机电一体化技术后，可以通过传感器和自动控制系统实时监测和控制钻机的钻头位置、转速、下压力等参数，并预先设置好控制程序，让钻机按照规定的路径和参数进行自动钻孔，避免了人为操作中的偏差，提高了钻孔的准确性和稳定性。在定位和定深过程中，可以利用机械臂、视觉识别等技术，实现对目标位置的自动搜索和定位；在取心和钻孔过程中，可以利用自动取心装置和切削力监测系统，实现对岩层的实时采样和钻孔过程的自动调节。

（6）在矿山通风系统中的应用。矿山通风设备能够有效地控制和排除矿井中的有害气体，提供新鲜空气，将有害气体排出矿井，确保矿工能够在相对安全和健康的环境中工作，防止矿井中积聚的爆炸性气体引发事故。传统的矿山通风系统需要人工监测和调整，工作量大且容易出现人为错误，而采用机电一体化技术，可以通过传感器和自动控制装置实时监测矿井中的气体浓度、温度、湿度等参数，并根据设定的阈值自动调整通风设备的运行状态，通过数据采集、传输和处理，能建立矿山通风系统的信息化平台，实现对通风设备的远程监控和管理。

（7）在排水系统中的应用。采矿过程中，地下水会不断涌入矿井或采矿工作面，如果未及时排除地下水，水位将逐渐上升，会导致矿井失稳、坍塌甚至淹没，通过采用传感器、执行器和自动控制系统，可以实现对排水设备的自动调节和操作，根据实时的水位、流量等信息进行智能控制，使排水设备能够根据实际情况进行自动启停和调整，提高排水效率，减少能源消耗。其次，机电一体化技术还可以实现对排水系统的实时监测。通过安装传感器和监测设备，可以对排水设备、管道和水位等进行实时监测和数据采集，将监测数据传输给控制中心进行分析和处理，及时发现并解决排水系统中的故障和异常情况，保障排水系统的正常运行。

4.采矿过程中机电一体化的发展方向

（1）人机协作改善采矿环境。机电一体化技术的应用将各种机械设备、电子控制系统和人工智能相结合，实现更高效、智能化的采矿过程，通过机械化设备的应用，可以减少人工劳动强度，降低事故发生率，提高工作安全性。自动化控制系统的运用能够提高采矿过程的精确度和稳定性，减少误操作的可能性，人工智能技术的引入使得采矿设备能够通过学习和优化，提高自身的智能水平，更好地适应不同的工作环境和变化条件。人机协作的模式可以使得人类和机器之间相互配合，发挥各自的优势，提高采矿效率。人类操作员通过监控和调节设备的运行，实时获取信息并做出决策，而机器则负责执行具体的操作任务，相互协作形成高效的采矿系统。

（2）采矿作业的无人化。采矿行业一直以来都是一个危险、繁重和复杂的行业，传统的采矿作业存在着人身安全风险和效率低下的问题，而机电一体化技术的引入，通过将机械和电子技术紧密结合，实现了自动化、智能化的采矿作业，有效解决了传统采矿作业所面临的种种挑战。通过无人驾驶技术，可以实现矿车、矿机等设备的自主运行，减少了人员操作的风险，提高了作业的安全性。其次，机电一体化系统可以通过传感器、监控设备等实时采集和传输数据，实现对矿区环境、设备状态等的监测和控制，提高了作业的可靠性和稳定性。

5.机电一体化采矿案例分析

某矿井的井田呈现南北走向，长约2.5～10.0km,平均7.0km，其东西面的倾斜宽度长为2.0～5.0km，总面积大概在28.0km²，主要为侏罗系鸡西群城子河组蕴含14层左右的可采煤层，该矿井在建设初期是低瓦斯矿井，有一定的爆炸危险。随着科技发展，该矿井引用了机电一体化技术，并采用现代化的管理模式，对各个环节进行优化和革新，在矿井的各个区域加设传感器网络和智能检测系统，实时监测瓦斯浓度、温度和风速等参数，并采用了自动化采煤机和智能化输送系统，实现了无人化采煤和自动化矿石运输。通过一系列科学措施，成功地克服了低瓦斯矿井的爆炸危险，提高了安全性。同时，矿井的生产效率得到了显著提升，采煤过程更加高效。

6.结束语

总而言之，通过技术集成与兼容，矿井安全生产监控系统的整体性能和可靠性得到提升；提升机、带式传送机、掘进机和钻机等设备在机电一体化技术的推动下实现了智能化和自动化，提高了生产效率和安全性。同时，矿山通风系统和排水系统的智能化应用进一步保障了矿工的安全和生产环境的稳定。未来，机电一体化技术将继续推动采矿行业的发展，人机协作和采矿作业的无人化将成为趋势，为提高生产效率、降低人员风险、优化资源利用提供了广阔的空间。