0.   引言

近年来，煤矿智能化、信息化与绿色化技术深度融合，显著提升了煤矿生产的安全性、经济性与环保性，为我国煤炭工业高质量发展提供了技术支撑^[1]。当前，煤矿智能化建设已步入快速发展阶段。以人工智能、5G通信、物联网、大数据分析为代表的新一代信息技术在矿山生产场景中实现了多维度渗透^[2-3]。煤矿智能装备通过集成感知、决策与控制功能，逐步替代传统人工操作，形成了覆盖采掘、运输、通风等环节的智能系统，如：智能采煤机与掘进机采用多传感器融合与远程控制技术，实现了工作面无人化作业^[4-5]；无人驾驶矿车与智能带式输送机系统依托自主导航与实时监控技术，显著提升了运输效率与安全性^[6-7]；智能安全监测系统与通风控制技术的应用进一步降低了井下作业风险，优化了生产环境^[8]。此外，5G与边缘计算技术的高效协同，为智能设备远程操控与实时数据处理提供了低延时、高可靠性的通信保障。

随着全球能源结构调整与可持续发展战略的深化，煤炭行业正面临资源高效开发、安全生产强化及环境友好发展的多重挑战^[9]。在该背景下，煤矿大型智能装备高效节能技术创新成为推动产业转型升级的核心驱动力。煤矿智能装备正朝着低能耗、高可靠方向持续创新，主要涉及综采、运输、供电等系统，如：工作面10 kV电压升级技术通过优化供电系统结构，降低长距离输电损耗；智能高效变频调速一体机实现电动机驱动的精准控制与能效提升；井下充换电技术为新能源矿用设备提供可持续动力解决方案；无转轴式磁耦合驱动立井提升机通过非接触传动方式，减少机械磨损与能量损耗。这些技术突破不仅契合“双碳”战略目标，还推动了煤炭开采向清洁化、集约化模式转型。

然而，煤矿智能化与节能化发展仍面临诸多挑战，包括复杂地质条件下智能装备适应性不足、多系统协同优化水平有限、核心部件国产化率有待提升等问题^[10-11]。本文聚焦综采、运输、提升、供电等系统高效节能技术，围绕综采工作面10 kV电压升级、智能高效变频调速一体机、井下充换电及无转轴式磁耦合驱动立井提升机这4大技术，剖析最新研究进展及工程实践价值，为煤矿智能装备研发与产业化应用指明技术路径。

1.   综采工作面10 kV电压升级技术

随着大型及特大型矿井的持续发展，综采工作面设备的总装机容量已超过1.7 MW，其中采煤机装机容量达3 430 kW^[12]。综采工作面“三机”设备、乳化液泵站等主要设备均采用3.3 kV供电，供电设备（如移动变电站）集中布置在工作面巷道设备列车上，整体长度超过150 m。电气设备数量众多，且供电电缆粗长，使得工作面搬迁愈加复杂和耗时。此外，从地面变电站至工作面的高压侧电缆长度已超出10 kV电压等级的供电能力极限，导致线路末端的电压质量显著下降，严重影响采煤机截割电动机的输出转矩及生产效率。

随着综采工作面装机功率提升，主要设备电压从380 V逐步升级到1.14，3.3 kV ^[13]，如图1所示。理论与实践研究表明，提升综采工作面主要设备的供电电压等级至10 kV，可减少设备列车上的供电设备数量，缩小电缆截面积，降低线路电压损失和线路损耗，增强综采工作面设备的供电能力，提高生产效率。这一举措还将推动智能化坚强型高压供电系统技术的发展，促进固体密封绝缘、永磁材料、超微晶等新型电工材料的应用，提升高压电气设备的轻量化与矿井电气安全水平。

图  1  综采工作面电压升级发展历程

Figure  1.  Development history of voltage upgrade at fully mechanized mining faces

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综采工作面10 kV供电系统网络拓扑由地面供电系统、采区变电所、综采工作面三级结构组成，如图2所示。该拓扑结构应具备先进性、经济性、安全性与灵活性。应合理配置及安装隔离变电站，以减少综采工作面10 kV供电系统的对地分布电容。同时，应统筹考虑供电距离、输送能力、电压质量、电气安全、电磁兼容性、初期投资及运行成本等问题。深入研究综采工作面的负荷变化规律，利用现代非线性控制理论优化负荷计算，提出几种典型拓扑结构方案，为不同生产工艺的综采工作面10 kV供电系统设计提供选择依据。此外，需对各种拓扑结构的供电系统进行电气故障分析，制定完善的故障应急响应预案和维护管理计划，将电气安全作为拓扑结构选择的前提条件。参考地面电力行业智能电网建设标准，将基于光纤高速网络的广域同步测量技术、智能继电保护技术及柔性输配电技术有机结合，构建智能化坚强型供电系统。

图  2  综采工作面10 kV供电系统网络拓扑

Figure  2.  Network topology of 10 kV power supply system at fully mechanized mining faces

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综采工作面10 kV供电系统升级关键技术主要涵盖以下3个方面。

1） 电气安全。综采工作面10 kV电压升级技术的安全问题主要围绕人身安全、设备安全、防爆安全、电磁干扰、保护整定、安全运维等方面，如图3所示。综采工作面10 kV供电系统与矿井10 kV供（配）电系统存在显著差异，必须加强作业人员的安全保障。应提高电气设备的绝缘要求，增强其耐受过电压和动热稳定的能力，并评估隔爆型电气设备在高压电弧侵蚀下的防爆性能。需深入研究变压器中性点接地方式及单相接地故障的危害机理，同时进行短路故障分析，充分评估最大短路电流的暂态冲击对电气设备的危害，并探讨最小短路电流特征与短路保护灵敏度之间的关系。应深入研究弧光接地过电压和操作谐振过电压的产生机理及其危害，并提出相应的抑制措施。需研究隔爆外壳带电情况下的接触电压、单相接地电流在工作面底板的跨步电压形成机理，并提出防止间接触电的安全防护措施。此外，针对高压变频器产生的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波对保护可靠性的严重干扰，开发新型漏电保护装置及局部接地极在线监测装置。

图  3  综采工作面10 kV电压升级技术安全问题

Figure  3.  Safety issues in 10 kV voltage upgrade technology at fully mechanized mining faces

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2） 高压电气设备。综采工作面装备群包括刮板输送机、转载机、破碎机、采煤机、液压支架、乳化液泵站等。这些设备的外壳均为金属材料，且相互连接，一旦某处发生漏电故障，几乎所有金属构件都会带电，因此需加强保护接地和遮挡等防护措施。由于采煤机拖曳电缆工作环境恶劣，易受外部机械损伤，需研发具有铠装、屏蔽、柔性及多芯的专用电缆，其主导体护套的绝缘水平应设计为能承受3倍额定电压。同时，应在专用电缆外护套内敷设光缆，为采煤机、液压支架、刮板输送机等设备的传感器提供海量数据传输的网络支持，为无人开采奠定基础。在积极发展和应用高压变频器及变频一体机等电力电子设备的同时，须高度重视谐波污染问题，尽量减少高次谐波对控制电路、继电保护装置、瓦斯监控系统及传感器等电子设备的干扰。

3） 安全性能检验检测。该技术是供电设备及其系统成功运行的重要保障。应进行等价性论证，确保模拟测试能真实反映实际工况。应检验供电系统的保护动作策略和联动响应，确保其安全性与可靠性。针对隔离变电站、高压变频器、高压配（馈）电装置、采煤机电控箱等主要设备进行安全性能测试，采用故障模拟方式验证设备和系统的耐受性、继电保护可靠性、通信稳定性及智能化水平，确保工业试验一次成功。典型的10 kV设备安全性检验系统由变频传动检测系统、冲击发电机系统、高压短路开断模拟阻抗、10 m法暗室组成，如图4所示。

图  4  10 kV设备安全性检验系统

Figure  4.  Safety inspection system for 10 kV equipment

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综采工作面10 kV电压升级技术对我国甚至世界煤炭生产的影响重大，涉及面广，必须精心组织技术攻关、产品制造、检测认证、安全评估、工业试运行等工作，从源头设计到实际采煤生产形成连贯的闭环控制，防止出现各专业、各单位研发工作相互脱节的现象，确保高压电气设备形成有机的整体，使综采工作面10 kV高压供电系统的可靠性、坚强性、智能化程度达到国际领先水平，树立标杆，以利推广。

2.   智能高效变频调速一体机

在煤矿生产领域，刮板输送机、带式输送机等设备运行负载量大，运距长，启动频繁且多为带载启动，需调速且常为多电动机驱动。在该类应用中，电动机驱动方式经历了“电动机+液力偶合器驱动”—“双速电动机驱动”—“电动机+可控启动传输装置（Controlled Start Transmission，CST）驱动”—“变频器+电动机驱动”的演进过程。各类驱动方式在不同程度上存在体积大、故障率高、维护成本高、传动效率低、电磁谐波干扰等问题。永磁变频调速一体机通过将变频控制技术与永磁直驱同步电动机技术有机结合，简化或省却驱动系统的减速机单元，增强了驱动系统的可靠性，大幅提高了传动效率，解决了安装和调试复杂、故障率高等问题，近年来成为传动方式的重点发展方向。

智能高效变频调速一体机是以永磁变频调速一体机为动力源，针对煤矿特殊环境研发的集变频调速、通信控制、状态感知、智能决策等功能于一体的新型驱动设备^[14]。相对于传统驱动设备，变频调速一体机在煤矿工作面潮湿、粉尘、强振动、强电磁干扰等恶劣工况环境下具有更高的可靠性，综合节能效果可达25%。因其高可靠性、高功率密度、高效率和高集成度等特性，近年来在煤炭开采、运输、液压支护等系统中得到了广泛应用。

变频调速一体机技术发展及应用的主要趋势如下。

1） 不断向高电压、大功率方向发展。建设大型煤矿，提高煤炭产量，降低生产成本，对高电压大功率综采成套设备需求强烈。作为矿山设备核心动力源的变频调速一体机，近年来工作电压不断提升，从初始的1 140，3 300 V提升至6，10 kV，功率从最初的数百千瓦提升至3 000 kW，满足大采高工作面、500 m超长工作面等重大项目的设备驱动要求。

2） 产品类型从异步一体机拓展至永磁同步、永磁同步低速直驱、永磁同步半直驱等。各类新型变频调速一体机可提供更好的调速和转矩特性，实现无减速机的高效直驱系统，或提供成本、质量、体积和驱动性能相对均衡的驱动解决方案。

3） 在煤矿的应用方式不断扩展，显著改变了煤矿井下传统的设备配套方式。

案例1：具有代表性的10 kV永磁直驱一体机^[15]。该产品可用于主运带式输送机驱动，1台一体机即可替代原有的变压器、变频器、电动机和减速机4台设备，在集成变频器和电动机的同时，省去变压器变电环节和减速机单元，显著提升了设备传动效率，结合其智能运行调控系统，综合节能效果达25%。该驱动方式较传统驱动方式可降低设备故障率70%，减少了设备维护工作量，从而减少维护人员数量，契合智慧矿山无人则安、少人则安的建设理念。

案例2：永磁同步半直驱一体机^[16]。该产品近年来开始在刮板输送机系统中使用，替代了原有的变频器+电动机+减速机的设备配套方式，沿工作面平行方向驱动部占用空间大幅缩小，极大改善了人员和配件通畅性、端头顶板支护性、端头矿压稳定性，同时改变了原有的液压支架配套方式，减少了过渡支架使用数量，有利于简化液压支架生产、运输及安装过程。

4） 控制性能、智能化程度不断提升^[17]。主要表现在3个方面：① 核心控制算法从标量控制、矢量控制、直接转矩控制等演进至复频域矢量控制，频率控制精度、转矩响应时间等关键指标持续提升，可较好地解决刮板输送机堆煤时重载启动难、重载启动过程中重载反拖导致功率逆变单元击穿损坏等影响设备正常运行的传统难点技术问题。② 变频调速一体机自身具有完善的通信、控制、数据感知和处理能力，结合刮板输送机、带式输送机和泵站控制系统，可实现多机联动、功率平衡、自动调速、无传感器恒压供液等功能，从而实现全系统的高效绿色运行。③ 预测性维护技术持续提升。变频调速一体机具备边缘计算能力，结合电压、电流、振动、声音、温湿度等传感器，可对设备自身的健康状态进行监测和预测，在故障发生前发出预警信息，从而减少非计划停机，相对于传统的周期性检修和事后维修，可显著提高生产效率，降低维护成本，提高设备可靠性并减少停机时间。

3.   煤矿机动设备电动化与井下充换电技术

传统的煤矿机动设备主要依赖防爆柴油发动机提供动力，该方式伴随着排放污染、噪声大、维护成本高等问题。随着环保意识的提升和智能化技术的快速发展，电动化升级已成为煤炭行业的重要发展趋势。通过应用高性能锂离子蓄电池电源，电动化机动设备不仅实现了零排放和低噪声，还具备运行平稳的优点。与此同时，随着井下充换电技术的发展，越来越多的矿井开始推行全电动运输体系，电动化机动设备的渗透率不断提高，显著改善了井下工作环境，提升了矿井生产效率。

3.1   电动化新技术

煤矿机动设备电动化新技术主要包括数字化线控、自动驾驶、智能调度、远程监测预警等。

1） 数字化线控技术。通过数字化有线通信方式，利用高效的专用通信协议，将传统控制动作转换为控制指令，进而实现驱动控制、转向控制、制动控制等功能。该技术能够实现车辆底层零部件与驾驶控制输入之间的高效数据交互，从而提高车辆性能。此外，还支持信号处理与数据采集分析，为智能算法介入、高级辅助驾驶系统（Advanced Driving Assistance System，ADAS）乃至无人驾驶技术的实现提供基础。在数字化线控技术升级过程中，不仅需要对相关的线控执行机构进行防爆设计或改造，还需结合矿用机动设备的工况特点优化控制逻辑，以实现更优的控制效果。

2） 自动驾驶技术^[18]。基于电池能量管理、数字化线控、高精度地图定位和多模态环境感知技术，煤矿机动设备自动驾驶技术水平正在迅速提升。低等级的自动驾驶车辆可实现自动泊车、自主巡航和紧急制动等ADAS功能，大幅提升井下运输车辆的安全性和运输效率；而高级别的自动驾驶车辆则能根据预定任务自主进行全局路径规划，在行驶过程中实现自主定位导航，遇到障碍物时实现有效避障。

3） 智能调度技术^[19]。通过整合车联网系统、地理信息及定位系统、视频通信技术，矿山企业可对电动机动车辆进行智能调度，涵盖申请、审批、分派及统计分析的全流程管理。借助人工智能技术，对运输系统大数据进行分析，可全面优化生产调度，灵活调整车辆运输任务，显著提高矿井生产效率。

4） 远程监测预警技术。针对大容量锂离子蓄电池的安全应用需求，相关设备生产企业借鉴道路交通领域的先进经验，研发了专门针对锂电池车辆的远程监测预警平台。该平台通过收集防爆锂电池电源的电压、电流、温度、充放电参数及车辆行驶状态等信息，构建大数据分析预警模型，实现井下车辆安全状态和潜在风险的集中可视化监测预警。该技术不仅保障了设备在井下的安全应用，还有效降低了故障率，提升了综合生产效率。

3.2   井下充换电技术

随着各种锂电池驱动移动设备的推广应用，井下电能补充的需求日益迫切。在地面道路交通领域，充换电基础设施的配套发展是解决里程焦虑、推动电动车辆替代燃油车辆的关键因素，这一需求在煤矿井下同样显著。井下充换电关键技术主要涉及以下4个方面。

1） 防爆锂电池电源标准化技术^[20-21]。为了保障防爆锂电池电源的井下充电安全，充电机必须能够与电源进行实时安全信息交互，并遵循规范化的充电流程。为实现这一目标，标准化的充电接口与握手通信协议应运而生，不仅实现了充电机与电动机动设备的解耦，还解决了充电基础设施规划中面临的设备兼容性和管理问题。通过采用标准化外观结构的可更换防爆锂电池电源，可以进一步提高电能补充的效率，将设备电能补充时间压缩至更换电源的操作时间，从而实现更高的生产效率。

2） 快速换电技术。快速换电装置配备快换托架和充电机，能够实现防爆锂电池电源的井下快速更换，换电时间可压缩至10 min以内，有效缓解里程焦虑，大幅提高车辆运行效率。在换电过程中，电源、换电装置和快换托架之间进行互锁检测，以确保转运过程的连接稳固，并避免带电插拔现象的发生。

3） 车桩电协同全时管理技术。该技术实现了对防爆锂电池电源在煤矿井下全应用过程的无缝监测与管理，覆盖防爆锂电池电源的工作、闲置、周转、充换电等全过程，支持全场景、全范围的智能化管理。同时，能收集车辆、充电桩和电源的安全信息数据，丰富远程监测预警数据，提高安全预警模型精度，为智能调度及矿山能耗管理提供关键信息。

4） 充换电站应急处置技术。充换电站是防范锂电池故障风险的关键区域。针对大容量防爆锂电池极端情况可能引发的热失控故障所带来的高温、高热量、可燃混合气体和有毒气体等风险，充换电站在选址和建设时应充分考虑应急通风问题，将潜在风险气体引导至回风巷等受控区域。此外，井下充换电站配备分布式温度传感器和危险气体传感器，对相关设备进行点对点监控，一旦发现危险情况，立即采取喷淋水、喷洒灭火剂等降温和灭火措施，从而避免危害扩散，保障井下安全。

4.   无转轴式磁耦合驱动提升机

提升系统是井工开采矿井的“咽喉”，用于运输矿山物料、设备和人员。提升机是提升系统最关键的装备。传统提升机采用“电动机＋高速联轴器＋减速器＋低速联轴器＋卷筒”的驱动方式，其固有的多传动环节特征导致能效低、低频启动难、故障点多，严重制约了矿井运输能力和效率，无法满足智能化矿山发展需求。

无转轴式磁耦合驱动提升机颠覆了传动环节多的提升机技术，突破了径向时变大载荷下的磁耦合驱动、多通道防冲击安全制动、关键部件健康管理等关键技术。其由高压柜、变频柜、双PLC控制系统、多通道恒减速液压站、液压站控制系统、操作台、上位机等组成，如图5所示^[22]。

图  5  无转轴磁耦合驱动提升机成套装备

Figure  5.  Complete shaftless magnetic coupling drive hoist system

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1） 永磁外转子与卷筒、定子绕组与主轴一体化的提升机磁耦合驱动系统。采用内装式一体化磁耦合传动结构，解决了径向时变大载荷对气隙稳定性的影响，最大功率达1 600 kW，传动效率为94%。采用轴向分段布置规则、楔形固定工艺和非对称矩形槽楔等关键工艺，显著降低了转矩脉动，优化了驱动部件的制造精度。通过智能控制方法，如基于高精度编码器反馈的细分算法和基于滑模控制的自适应转矩控制算法，增强了提升机控制系统的抗干扰能力，实现了提升机精确闭环控制，最小稳定运行频率为0.3 Hz，确保了提升机在动态负载下的稳定性和效率。

2） 适应磁耦合驱动的提升机多通道防冲击安全制动系统。具有自动补偿闸瓦磨损和自动对正制动盘功能的浮动式制动器，通过独立多通道电液闭环控制系统，有效避免误制动和拒制动，确保制动的可靠性。采用多制动器协同防冲击制动方法，通过实时监测制动器的磨损和温度等参数，优化制动器的运动轨迹和制动压力，从而降低高速重载制动对驱动系统的冲击，提升制动的平稳性和安全性。针对高速重载紧急制动后的磁极错位问题，制动系统通过基于编码器反馈的磁极位置识别和电流波形细分识别算法，实现磁极对位再启动控制，消除因磁极错位导致的转矩脉动，确保提升机在安全制动和再启动过程中平稳运行。

3） 无转轴式磁耦合驱动提升机关键部件健康管理技术^[23-24]。该技术通过智能监测技术和数字孪生平台，解决了提升机关键部件状态监测和系统健康评估问题，保障提升机可靠服役。针对外转子（卷筒）腹板应力监测问题，通过基于周期性磁力激励的非接触压电式能量收集方法，实现了旋转状态下数据实时采集和可靠传输；针对定子绕组（主轴）装置故障监测问题，采用基于超声波连续变角入射的主轴裂纹在线监测装置，通过基于卷积注意力机制的轴承深度迁移故障诊断方法，实现了小样本和变工况下的轴承故障诊断；针对制动装置状态监测问题，采用基于激光网格的制动盘表面变形量监测技术，构建制动器性能劣化过程模型，通过基于多失效模式的制动器状态评估方法，实现制动器可靠性评价。

5.   结论

1） 随着大型矿井的发展，综采工作面供电电压提升至10 kV能够提高设备供电能力，减少电缆损耗，提高生产效率，并推动智能化供电技术发展。在该过程中，需优化供电系统设计，强化电气安全与高压电气设备保护，同时应用安全性能检验技术确保10 kV供电系统可靠运行。

2） 变频调速一体机通过集成变频控制与永磁直驱电动机技术，提高了煤矿设备运行效率、可靠性和节能效果，广泛应用于大功率运输系统，并具备智能控制和预测性维护功能，显著降低了设备故障率和维护成本。

3） 煤矿井下设备通过电动化升级，采用高性能锂电池、数字化线控、自动驾驶和智能调度技术，实现零排放、低噪声和高效运行。同时，井下充换电技术的快速发展提升了设备运行效率和安全性，推动矿井智能化与高效绿色生产。

4） 无转轴式磁耦合驱动提升机通过一体化磁耦合驱动系统、多通道防冲击安全制动系统及关键部件健康管理技术，大幅提升了矿井运输效率和设备稳定性，解决了传统提升机能效低、故障率高等问题。