＊王旭榮

（山西沁新煤業(yè)有限公司 山西 046500）

機(jī)電一體化是指在機(jī)械和電氣兩個(gè)領(lǐng)域的融合中，通過(guò)信息技術(shù)的支持，將機(jī)械部件和電氣部件緊密結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作和自動(dòng)化控制的一種技術(shù)體系，其基本原理是通過(guò)傳感器、執(zhí)行器和控制系統(tǒng)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的感知、控制和反饋，從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率、減少人工干預(yù)、提升生產(chǎn)質(zhì)量和安全性的目標(biāo)。通過(guò)機(jī)電一體化，礦山生產(chǎn)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)，從而提高生產(chǎn)效率，自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)能夠更快、更準(zhǔn)確地完成任務(wù)，減少人為錯(cuò)誤和延誤，提高生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

1.機(jī)電一體化在采礦行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）安全可靠。機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)，減少人工操作的需求，從而降低了工作人員接觸危險(xiǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的危險(xiǎn)情況。它具備智能故障診斷和預(yù)警功能，能夠及時(shí)檢測(cè)設(shè)備的異常狀況，并提前預(yù)警，減少因設(shè)備故障引發(fā)的事故發(fā)生概率，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，使操作人員能夠在安全的環(huán)境中進(jìn)行工作。

（2）自動(dòng)化程度高。在礦山的采掘過(guò)程中，傳統(tǒng)的手工操作需要大量人力，而引入機(jī)電一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的礦山開(kāi)采，有效減少了人力投入和勞動(dòng)強(qiáng)度，還能全程監(jiān)測(cè)和控制采礦設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)采礦行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過(guò)將傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)相連接，直接獲取和分析采礦過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，幫助管理者更好地了解和掌握采礦過(guò)程，從而優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃、提高設(shè)備利用率和降低能源消耗[1]。

（3）操作簡(jiǎn)便高效。機(jī)電一體化系統(tǒng)的操作界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀，采用圖形化的界面，操作人員可以直觀地了解設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)，并通過(guò)簡(jiǎn)單的指令完成對(duì)設(shè)備的控制。采礦行業(yè)的作業(yè)環(huán)境通常復(fù)雜惡劣，存在著高溫、高壓、有毒有害氣體等危險(xiǎn)因素，機(jī)電一體化系統(tǒng)通過(guò)集成安全監(jiān)測(cè)裝置和安全控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，不同設(shè)備之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和信息的傳遞，可以直觀地調(diào)整和優(yōu)化工作流程，降低能耗和物料浪費(fèi)。這種協(xié)同工作的模式使得采礦作業(yè)能夠更加精確、高效地進(jìn)行，減少了因信息傳遞和協(xié)調(diào)不暢導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤和資源浪費(fèi)。

2.機(jī)電一體化技術(shù)在采礦實(shí)踐中遇到的挑戰(zhàn)

（1）作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。采礦作業(yè)通常發(fā)生在地下或惡劣的地面條件下，這些環(huán)境對(duì)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行提出了嚴(yán)格要求，高溫、低溫、高濕度或極端干燥等惡劣氣候條件會(huì)對(duì)電子元件和機(jī)械部件造成損壞或過(guò)早磨損，從而影響機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性和性能。礦井中常常存在有害氣體、粉塵和腐蝕性物質(zhì)，它們可能對(duì)電路、傳感器和執(zhí)行器等關(guān)鍵組件造成腐蝕或損壞，導(dǎo)致設(shè)備故障。地質(zhì)條件的不確定性也是一個(gè)挑戰(zhàn)，地下礦井中可能會(huì)存在巖石崩塌、地震等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化系統(tǒng)需要考慮設(shè)計(jì)和選擇耐高溫、防塵、防腐蝕等特殊材料，加強(qiáng)設(shè)備的密封性和抗干擾能力，以及應(yīng)對(duì)不確定地質(zhì)條件的靈活性和適應(yīng)性[2]。

（2）礦石性質(zhì)多樣化。不同礦石具有不同的物理和化學(xué)特性，存在硬度、密度、顆粒大小、導(dǎo)電性等方面的差異，硬度不同的需要不同類型的破碎和磨礦設(shè)備，對(duì)于較硬的礦石，需要更強(qiáng)大的破碎力和磨礦能力，而對(duì)于較軟的礦石，則需要更加精確和控制的處理方式。不同礦石的密度和顆粒大小差異較大，對(duì)輸送、分離和篩選過(guò)程中的設(shè)備和系統(tǒng)造成影響。另外，一些礦石具有較高的導(dǎo)電性，這可能會(huì)干擾機(jī)電設(shè)備的電子元件和信號(hào)傳輸。為了應(yīng)對(duì)礦石性質(zhì)多樣化的挑戰(zhàn)，機(jī)電一體化技術(shù)需要靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略，要根據(jù)不同礦石的特性選擇合適的設(shè)備和工藝，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以確保機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

（3）技術(shù)集成與兼容。技術(shù)要求將機(jī)械設(shè)備與電氣系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和信息化管理。然而，由于機(jī)械設(shè)備和電氣系統(tǒng)通常來(lái)自不同的供應(yīng)商，存在著不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議和接口要求，技術(shù)集成變得復(fù)雜而困難。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要加強(qiáng)不同技術(shù)領(lǐng)域之間的合作與交流，制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，并投入足夠的人力和物力資源來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成和兼容性的解決方案。

3.機(jī)電一體化技術(shù)在采礦過(guò)程中的實(shí)踐情況

（1）礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)集成與兼容，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接和信息交流，提高了系統(tǒng)的整體性能和可靠性，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠集成多種傳感器和設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取礦井內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)。通過(guò)將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和處理，監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)監(jiān)測(cè)到礦井內(nèi)的溫度、氧氣含量、可燃?xì)怏w濃度等重要參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在危險(xiǎn)的快速響應(yīng)和預(yù)警。技術(shù)兼容性確保了各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息交流和協(xié)同工作。不同子系統(tǒng)可能采用不同的硬件和軟件平臺(tái)，但通過(guò)技術(shù)兼容性的設(shè)計(jì)，它們可以無(wú)障礙地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和共享。例如，監(jiān)控系統(tǒng)可以與礦井的通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及消防系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)。這種技術(shù)集成與兼容的方式不僅提高了礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和維護(hù)成本。

（2）在提升機(jī)中的應(yīng)用。提升機(jī)是在礦山或采礦現(xiàn)場(chǎng)用于提升和運(yùn)輸?shù)V石、礦砂、巖石等物料的特殊機(jī)械，屬于大型、重載的設(shè)備，具有高強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕等特性，通過(guò)電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)，使提升機(jī)的提升和下降，以實(shí)現(xiàn)物料的垂直輸送。它被用于將從井下開(kāi)采出的礦石或巖石提升至地面，實(shí)現(xiàn)快速、高效的輸送[3]。這在地下采礦工程中尤為重要，因?yàn)榈叵驴臻g有限，需要通過(guò)提升機(jī)將礦石迅速運(yùn)送至地面進(jìn)行進(jìn)一步處理和加工。傳統(tǒng)的提升機(jī)多采用機(jī)械傳動(dòng)方式，而機(jī)電一體化技術(shù)可以將電機(jī)直接與傳動(dòng)裝置相連，減少了傳動(dòng)鏈條和傳動(dòng)件的數(shù)量，提高了傳動(dòng)效率和可靠性。同時(shí)，采用變頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，根據(jù)物料的不同需求進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，從而提高了提升機(jī)的適應(yīng)性和運(yùn)行效率。在提升機(jī)的關(guān)鍵部位安裝傳感器和監(jiān)控裝置，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升機(jī)的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能夠及時(shí)做出響應(yīng)，避免事故的發(fā)生。

（3）在帶式傳送機(jī)中的應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)可以將傳送帶與其他設(shè)備（如輸送機(jī)、分揀機(jī)、包裝機(jī)等）進(jìn)行無(wú)縫連接和協(xié)同控制，與其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)分揀、包裝和堆垛等操作，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確性。當(dāng)傳送帶上的物料到達(dá)指定位置時(shí)，通過(guò)與分揀機(jī)的協(xié)同控制，自動(dòng)將物料分揀到相應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的分揀過(guò)程。傳送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的慣性能量和熱能，通過(guò)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以將這些能量進(jìn)行回收和利用，結(jié)合逆變器和能量存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)建能量回饋系統(tǒng)，將慣性能量轉(zhuǎn)化為電能并供給其他設(shè)備使用。

（4）在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用。掘進(jìn)機(jī)被用于掘進(jìn)礦體，將地下的礦石切割并移除到地表，通過(guò)傳感器和控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)、負(fù)載情況和環(huán)境參數(shù)，如切割力、刀具磨損、瓦斯?jié)舛鹊龋僮魅藛T可以及時(shí)獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的掘進(jìn)效率和安全性。在采礦過(guò)程中，巷道需要進(jìn)行擴(kuò)大、清理和維護(hù)，以確保礦石的順暢運(yùn)輸和工作場(chǎng)所的安全。此外，掘進(jìn)機(jī)在鉆孔準(zhǔn)備中發(fā)揮著重要作用。為了進(jìn)行爆破或其他礦石破碎操作，有時(shí)需要進(jìn)行鉆孔準(zhǔn)備。掘進(jìn)機(jī)可以精確地定位和控制鉆孔，確保鉆孔的精度和效率。

（5）鉆機(jī)自動(dòng)化中的應(yīng)用。通過(guò)將機(jī)械、電子和信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)，提高鉆機(jī)的生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量，傳統(tǒng)的鉆機(jī)操作需要人工參與，人工操作存在一定的誤差和風(fēng)險(xiǎn)，而引入機(jī)電一體化技術(shù)后，可以通過(guò)傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制鉆機(jī)的鉆頭位置、轉(zhuǎn)速、下壓力等參數(shù)，并預(yù)先設(shè)置好控制程序，讓鉆機(jī)按照規(guī)定的路徑和參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)鉆孔，避免了人為操作中的偏差，提高了鉆孔的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在定位和定深過(guò)程中，可以利用機(jī)械臂、視覺(jué)識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的自動(dòng)搜索和定位；在取心和鉆孔過(guò)程中，可以利用自動(dòng)取心裝置和切削力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖層的實(shí)時(shí)采樣和鉆孔過(guò)程的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（6）在礦山通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。礦山通風(fēng)設(shè)備能夠有效地控制和排除礦井中的有害氣體，提供新鮮空氣，將有害氣體排出礦井，確保礦工能夠在相對(duì)安全和健康的環(huán)境中工作，防止礦井中積聚的爆炸性氣體引發(fā)事故。傳統(tǒng)的礦山通風(fēng)系統(tǒng)需要人工監(jiān)測(cè)和調(diào)整，工作量大且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，而采用機(jī)電一體化技術(shù)，可以通過(guò)傳感器和自動(dòng)控制裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井中的氣體濃度、溫度、濕度等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的閾值自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，能建立礦山通風(fēng)系統(tǒng)的信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（7）在排水系統(tǒng)中的應(yīng)用。采礦過(guò)程中，地下水會(huì)不斷涌入礦井或采礦工作面，如果未及時(shí)排除地下水，水位將逐漸上升，會(huì)導(dǎo)致礦井失穩(wěn)、坍塌甚至淹沒(méi)，通過(guò)采用傳感器、執(zhí)行器和自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)和操作，根據(jù)實(shí)時(shí)的水位、流量等信息進(jìn)行智能控制，使排水設(shè)備能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)啟停和調(diào)整，提高排水效率，減少能源消耗。其次，機(jī)電一體化技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)安裝傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以對(duì)排水設(shè)備、管道和水位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給控制中心進(jìn)行分析和處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決排水系統(tǒng)中的故障和異常情況，保障排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.采礦過(guò)程中機(jī)電一體化的發(fā)展方向

（1）人機(jī)協(xié)作改善采礦環(huán)境。機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用將各種機(jī)械設(shè)備、電子控制系統(tǒng)和人工智能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高效、智能化的采礦過(guò)程，通過(guò)機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用，可以減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低事故發(fā)生率，提高工作安全性。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)用能夠提高采礦過(guò)程的精確度和穩(wěn)定性，減少誤操作的可能性，人工智能技術(shù)的引入使得采礦設(shè)備能夠通過(guò)學(xué)習(xí)和優(yōu)化，提高自身的智能水平，更好地適應(yīng)不同的工作環(huán)境和變化條件。人機(jī)協(xié)作的模式可以使得人類和機(jī)器之間相互配合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高采礦效率。人類操作員通過(guò)監(jiān)控和調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)時(shí)獲取信息并做出決策，而機(jī)器則負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的操作任務(wù)，相互協(xié)作形成高效的采礦系統(tǒng)。

（2）采礦作業(yè)的無(wú)人化。采礦行業(yè)一直以來(lái)都是一個(gè)危險(xiǎn)、繁重和復(fù)雜的行業(yè)，傳統(tǒng)的采礦作業(yè)存在著人身安全風(fēng)險(xiǎn)和效率低下的問(wèn)題，而機(jī)電一體化技術(shù)的引入，通過(guò)將機(jī)械和電子技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化的采礦作業(yè)，有效解決了傳統(tǒng)采礦作業(yè)所面臨的種種挑戰(zhàn)。通過(guò)無(wú)人駕駛技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)礦車、礦機(jī)等設(shè)備的自主運(yùn)行，減少了人員操作的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)的安全性。其次，機(jī)電一體化系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器、監(jiān)控設(shè)備等實(shí)時(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等的監(jiān)測(cè)和控制，提高了作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。

5.機(jī)電一體化采礦案例分析

某礦井的井田呈現(xiàn)南北走向，長(zhǎng)約2.5～10.0km,平均7.0km，其東西面的傾斜寬度長(zhǎng)為2.0～5.0km，總面積大概在28.0km2，主要為侏羅系雞西群城子河組蘊(yùn)含14層左右的可采煤層，該礦井在建設(shè)初期是低瓦斯礦井，有一定的爆炸危險(xiǎn)。隨著科技發(fā)展，該礦井引用了機(jī)電一體化技術(shù)，并采用現(xiàn)代化的管理模式，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和革新，在礦井的各個(gè)區(qū)域加設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?、溫度和風(fēng)速等參數(shù)，并采用了自動(dòng)化采煤機(jī)和智能化輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化采煤和自動(dòng)化礦石運(yùn)輸。通過(guò)一系列科學(xué)措施，成功地克服了低瓦斯礦井的爆炸危險(xiǎn)，提高了安全性。同時(shí)，礦井的生產(chǎn)效率得到了顯著提升，采煤過(guò)程更加高效。

6.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，通過(guò)技術(shù)集成與兼容，礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能和可靠性得到提升；提升機(jī)、帶式傳送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和鉆機(jī)等設(shè)備在機(jī)電一體化技術(shù)的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率和安全性。同時(shí)，礦山通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的智能化應(yīng)用進(jìn)一步保障了礦工的安全和生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定。未來(lái)，機(jī)電一體化技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng)采礦行業(yè)的發(fā)展，人機(jī)協(xié)作和采礦作業(yè)的無(wú)人化將成為趨勢(shì)，為提高生產(chǎn)效率、降低人員風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化資源利用提供了廣闊的空間。