智能控制在矿山机电一体化系统中的应用

引言

在全球矿产资源需求持续增长与绿色矿山建设双重驱动下，矿山开采正面临深部化、复杂化的严峻挑战。传统矿山机电系统因自动化程度低、安全冗余不足、能耗高等问题，已难以适应 “安全、高效、绿色” 的现代化开采要求。

一、智能控制技术概述

1.1 智能控制的定义与特点

智能控制是一种模拟人类智能活动的控制技术，通过融合计算机科学、自动控制理论与人工智能算法，实现对复杂系统的自主决策与优化控制。其核心在于突破传统控制依赖精确数学模型的局限，能够在信息不完整、环境不确定的条件下，依据实时数据动态调整控制策略。智能控制具备显著特点：自学习能力使其能从运行数据中获取经验，优化控制参数。自适应特性可根据环境变化自动调整控制规则，确保系统稳定运行。

1.2 智能控制的主要技术

人工智能技术是智能控制的核心，机器学习与深度学习通过海量数据训练模型，实现设备故障诊断与预测性维护；专家系统整合行业知识与经验，辅助生产决策。模糊控制技术基于模糊数学理论，将复杂非线性关系转化为模糊规则，适用于带式输送机的速度调节、通风系统风量控制等场景。神经网络控制技术模拟生物神经元结构，在采掘设备参数优化、提升机智能调速中展现强大的非线性映射能力。遗传算法借鉴生物进化机制，通过选择、交叉、变异操作优化控制参数，可用于矿山运输路径规划与能源消耗管理，提升系统整体效能。

二、矿山机电一体化系统现状分析

2.1 提升系统

提升系统作为矿山的 “咽喉要道”，承担着矿石、人员和设备的垂直运输任务，在矿山生产中占据核心地位。其核心设备提升机，主要分为缠绕式和摩擦式两大类。缠绕式提升机通过钢丝绳在卷筒上的缠绕与放出实现升降，适用于浅部或小型矿山。摩擦式提升机则依靠钢丝绳与摩擦轮之间的摩擦力传动，常用于深部、大载荷的矿山提升作业。人工操作环节多，容易出现操作失误，且运行过程中的速度调节不够精准，导致能耗浪费和设备磨损加剧。部分矿山的提升机安全保护装置存在老化、灵敏度不足的问题，难以有效应对突发故障，威胁井下人员和设备安全。

2.2 运输系统

运输系统是矿山生产的血脉，负责将采掘出的矿石、废石等物料输送至指定地点。该系统主要由带式输送机、矿用卡车、刮板输送机等设备组成。带式输送机凭借运输量大、连续性好等优势，成为井下和露天矿山水平运输的主要设备，其运行状况直接影响矿山的生产效率。传统带式输送机普遍存在能耗高、故障监测能力弱的问题，矿用卡车在露天矿山运输中应用广泛，但多数依赖人工驾驶，存在驾驶员疲劳作业、运输路线规划不合理等情况，不仅降低了运输效率，还增加了安全风险和燃油消耗。在一些大型矿山，不同运输设备之间缺乏有效的协同调度，导致物料运输过程中出现堵塞、等待等现象，进一步制约了生产效率的提升。

2.3 采掘系统

采掘系统是矿山生产的主力军，直接决定了矿石的开采效率和质量。该系统涵盖挖掘机、凿岩机、采煤机等多种设备。在露天矿山，挖掘机承担着矿石和废石的挖掘装载工作，其工作效率与操作手的经验和技能密切相关，人工操作难以保证挖掘作业的精准度和稳定性，容易造成矿石贫化和资源浪费。在地下矿山，凿岩机负责钻孔作业，传统凿岩设备自动化程度低，钻孔深度、角度控制不精确，影响爆破效果和开采进度。采煤机在煤矿开采中发挥关键作用，但部分老旧设备智能化水平不足，无法根据煤层厚度、硬度等变化自动调整工作参数，导致开采效率低下，且设备故障率较高，维修成本增加。

2.4 通风系统

通风系统是矿山安全生产的“生命线”，它通过为井下提供新鲜风流，排除有害气体和粉尘，并对井下温度、湿度加以调节来为井下工作人员营造安全舒适的工作环境。通风系统主要包括通风机、通风管道、风门等部分组成。很多矿山采取通风机固定频率恒转速运转的通风方式，无论井下实际需风量如何改变，通风机也保持恒定转速运行，电能浪费严重。通风设备监测及维护措施较为落后，通风机故障、管道漏风等问题无法及时发现，给通风系统运行带来不稳定因素。

三、智能控制在提升系统中的应用

3.1 智能控制在运输系统中的应用

无人驾驶、智能控制是对以往矿山交通运输系统技术的重新诠释。带式输送机的在线监测，利用机器视觉技术与激光测距仪或声敏传感器，可以对皮带跑偏、撕裂、落料阻塞等故障进行监测，在智能系统的决策下自主自动调整皮带张紧力或是自动停车，防止事故的进一步扩大。例如，在某大型露天矿区应用智能带式输送机后，带式输送机故障下降、维护成本降低。运输系统的智能化表现之一是无人驾驶的矿用卡车，矿用卡车可以通过卫星定位、惯性导航等技术配合环境感知系统，实时计算自主最优的行驶路线，规划避障线路，及时与调度控制中心通信，智能协同运输。

3.2 智能控制在采掘系统中的应用

在采掘系统运用智能化控制技术提高采掘精度和减少人身安全影响。采掘设备的智能操控系统可以进行远程操控和实现智能化挖掘作业，在控制中心就可以实现对凿岩、爆破、挖掘这些比较繁复的工序进行远程操控，减少工人下井高风险作业面的停留时间。智能挖掘机配备三维激光扫描系统可以实时对工作面的地形信息进行扫描，和地质模型一起对挖掘机实现挖掘角度和深度自动控制，通过大数据的应用和机器的学习控制程序，对不同的地质形态进行优化，例如针对凿岩机的冲击频次、冲击压力的大小的调整，实现在提高采掘效率的同时减少设备损耗。

3.3 智能控制在通风系统中的应用

传感自动化不仅能够对矿井下局部通风机实现风机变频控制，达到节省能源降低造价的目的，还可对环境进行实时地数据采集，如环境中的氧气含量、CO 含量、粉尘含量等，结合人员定位系统中的信息以及各风机的工作情况，通过模糊控制使风机变速运转，更好地适应通风负荷，提高局部通风效率。

结语

智能控制技术显著提升了矿山机电一体化系统的、安全性与经济性，在提升、运输、采掘、通风等关键环节成效斐然。传感器精度、通信稳定性等技术瓶颈仍待突破。随着智能化与自动化深度融合、物联网技术普及，智能控制将推动矿山向无人化、绿色化迈进，为行业高质量发展注入强劲动力。

参考文献

[1] 汪涛 . 智能控制在矿山机电一体化系统中的应用 [J]. 中国高新科技,2024,(05):71-73.