机械采煤技术与电气自动化的应用

前言

煤炭作为我国能源结构的主体，其安全高效开采对保障能源供应与经济稳定至关重要。传统采煤模式依赖人工操作，存在效率低、风险高、资源回收率不足等弊端。随着工业4.0 与智能化技术发展，机械采煤技术与电气自动化的深度融合成为行业革新核心。通过集成化装备、自动化控制与智能决策系统，煤炭开采实现从“人力密集”向“技术驱动”的跨越，显著提升生产效率、降低安全风险并推动绿色转型。本文聚焦机械采煤与电气自动化技术的协同应用，剖析其技术体系、实践场景及未来趋势，为煤炭行业智能化升级提供理论与实践参考。

1 机械采煤技术

1.1 机械采煤技术体系

综合机械化采煤（综采）技术

核心装备：由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、带式输送机等组成，实现“割煤-装煤-运煤-支护”一体化作业；

技术特点：

采煤机：采用电牵引技术（如交流变频调速），功率达 2000kW 以上，截割滚筒直径 2.5-3.5m ，适应不同煤层硬度；

液压支架：配备电液控制系统，支护强度 10000kN/ /架以上，实现自动跟机移架、支护压力实时监测；

刮板输送机：双电机驱动，运输能力 4000t/h 以上，链条张力自动检测与保护。

连续化开采技术

刨煤机系统：适用于薄煤层（ （≤1.3m） ），通过低功率刨头（ ≤500kW ）与自动化控制，实现高效开采，采高控制精度 ；

螺旋钻采煤机：针对极薄煤层（ （≤0.8m ）无人开采，通过远程操控完成钻孔、落煤、装运一体化，减少人员暴露风险。

大采高与放顶煤技术

大采高综采：在厚煤层 （≥3.5m） ）中应用超大采高液压支架（支护高度 8.8m ），一次采全高，资源回收率提高 20% ；

放顶煤开采：在厚煤层下部开采、上部放顶煤，通过液压支架尾梁后插板控制放煤量，适用于煤层硬度f≤3 的松软煤层。

1.2 关键技术装备发展

高效截割与破岩技术

截割头优化：采用截齿排列优化与耐磨合金材料，提升截割效率（截割比能耗 ≤0.3kW⋅h/t） ）；

硬岩截割技术：针对煤层夹矸或顶底板岩层，应用高压水射流辅助截割或硬岩截割滚筒，减少设备磨损。

自动化与智能化装备

记忆截割技术：采煤机通过激光定位与惯性导航系统，自动记录地质剖面与截割轨迹，重复作业精度 ±100mm ；

液压支架自动跟机：基于电液控制系统与红外传感器，实现支架与采煤机的联动控制，移架速度≤8s/架；

刮板机智能调速：通过负荷传感器与变频器，实现刮板机速度与采煤机截割量的动态匹配，降低能耗。

安全与环保技术

瓦斯抽采一体化：在液压支架上集成瓦斯抽采钻孔装置，实现边采边抽，降低瓦斯浓度；

粉尘抑制系统：采用高压喷雾、泡沫除尘与负压通风技术，工作面粉尘浓度≤4mg/m³ ；

水资源保护：应用煤水分离与矿井水循环利用技术，减少水资源消耗。

1.3 智能化应用场景

工作面无人化开采

5G+ 远程操控：通过 5G 网络将采煤机、液压支架等设备数据传输至地面控制中心，操作员在安全区域远程操控，响应延迟≤50ms；

巡检机器人：应用轨道式或履带式巡检机器人，搭载红外热成像、气体传感器，实时监测设备温度、瓦斯浓度与火灾隐患。

数字孪生与仿真优化

虚拟工作面建模：基于三维地质模型与设备参数，构建数字孪生系统，模拟开采过程并优化工艺参数（如截割轨迹、支护强度）；

故障预测与健康管理（PHM）：通过传感器数据与机器学习算法，预测设备故障（如轴承磨损、液压系统泄漏），提前维护。

绿色开采技术

保水开采：在煤层上方设置防水层，减少对含水层的破坏，保障水资源安全；矸石充填开采：将井下矸石破碎后充填至采空区，控制地表沉陷，实现矸石零排放。

2 电气自动化在采煤中的应用

2.1 电气自动化系统架构

三级控制网络

地面集控层：基于工业以太网与5G 通信，构建“地面-井下”一体化监控平台，实现设备远程操控与数据可视化；

井下环网层：部署千兆光纤环网，连接采煤机、液压支架、运输系统等设备，传输延迟≤20ms；

现场设备层：采用PLC（可编程逻辑控制器）与分布式I/O 模块，实现设备本地控制与状态采集。

核心控制系统

集控中心：集成SCADA（监控与数据采集）系统，实时显示设备运行参数（如电流、温度、压力）、故障报警与历史趋势分析；

电液控制系统：液压支架通过电磁阀与比例阀实现自动跟机移架、支护压力调节，响应时间≤0.5s；

变频调速系统：刮板输送机、带式输送机采用变频器驱动，根据负荷自动调整电机转速，节能效率提升 20%30% 。

2.2 关键电气自动化技术应用采煤机自动化控制

记忆截割技术：采煤机通过激光陀螺仪与编码器定位，记录地质剖面与截割轨迹，重复作业精度 ±100mm ；

姿态自适应控制：基于惯性导航与三维地质模型，实时调整滚筒高度与截割角度，适应煤层倾角变化（ （±15^∘） ）；

故障诊断系统：通过振动传感器与电流分析，诊断截割电机、齿轮箱故障，预测维护周期。

运输系统智能化

带式输送机监控：部署张力传感器、速度编码器与纵撕保护装置，实现胶带跑偏、堆煤、撕裂等故障的自动检测与停机保护；

电机车无人驾驶：基于激光雷达与视觉SLAM（即时定位与地图构建）技术，实现物料运输车的自动路径规划、避障与装卸货；

智能仓储系统：应用AGV（自动导引车）与RFID（射频识别）技术，完成煤仓与选煤厂的物料自动分拣与库存管理。

供电与安全保障自动化

智能变电所：采用微机保护装置与远程监控终端，实现井下高压开关柜的故障自诊断、自动分合闸与供电质量优化；

瓦斯监测与联动控制：瓦斯传感器实时监测浓度，超限时自动切断工作面电源并启动通风系统，响应时间≤5s；

人员定位与紧急避险：通过UWB（超宽带）定位技术，实时追踪井下人员位置，灾害发生时自动规划逃生路线并启动避难硐室。

结束语

机械采煤技术与电气自动化的深度融合，标志着煤炭行业从传统粗放式开采迈向智能化、精细化、绿色化发展的新阶段。通过集成化装备、自动化控制与智能决策系统的协同应用，煤炭开采效率提升 50% 以上，安全风险降低 80% ，资源回收率突破 90% 。未来，随着5G、AI、数字孪生等技术的持续赋能，采煤作业将进一步实现全流程无人化、工艺参数自适应优化与灾害风险主动防控。煤炭行业需以技术创新为驱动，构建全产业链协同的智能采煤生态体系，为保障国家能源安全与实现“双碳”目标提供核心支撑，引领全球能源工业高质量发展。

参考文献：

［1］吴骏一，王冲，杨海江，等．国内智能开采领域研究热点和发展趋势的知识图谱分析［J］．华北科技学院学报，2021，18（03）：110－118

［2］林杰，魏利朋．电气自动化在煤矿电气工程中的运用［J］．百科论坛电子杂志，2018（11）：174