劉建偉，韓存地，劉安強(qiáng)，魏訓(xùn)濤，陳 林

1寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

2陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西榆林 719000

3兗礦能源集團(tuán)股份有限公司設(shè)備管理中心 山東濟(jì)寧 273599

工 作面刮板輸送機(jī)是整個(gè)井下采煤工作面重要 的煤炭輸送設(shè)備。由于采煤量不均勻，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某一段煤量多，某一段煤量很少的情況，因此，要建立刮板輸送機(jī)上的瞬時(shí)煤量和煤量分布模型就必須從采煤機(jī)的采煤量入手。在割高一定的情況下，決定采煤量的主要因素是采煤機(jī)的牽引速度。由于采煤機(jī)在工作面往復(fù)運(yùn)行，刮板輸送機(jī)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)并在機(jī)頭端卸載煤料，因此采煤機(jī)的運(yùn)行方向、位置和刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度，對(duì)刮板輸送機(jī)的載煤量也有重要影響[1]。

1 煤量分布理想模型建模

理想情況下，根據(jù)采煤機(jī)在綜采工作面的工況，繪制出采煤工況示意圖，如圖 1 所示。其中，v1為采煤機(jī)的行進(jìn)速度，v2為刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度 (鏈速)，X為在 1 個(gè)采樣周期T內(nèi)采煤機(jī)刀頭的割深，H為在 1 個(gè)采樣周期T內(nèi)采煤機(jī)的割高。

圖1 理想采煤工況Fig.1 Ideal coal mining mode

假定在 1 個(gè)采樣周期T內(nèi)，采煤機(jī)以速度v1勻速運(yùn)行，割深X、割高H均保持穩(wěn)定不變，則采煤機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)的采煤量

式中：ρ為煤的平均密度。

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同向而行時(shí)，相對(duì)速度

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)反向而行時(shí)，相對(duì)速度

在這一時(shí)間段T內(nèi)，刮板鏈相對(duì)于采煤機(jī)行走的鏈長

由以上各式可得，在一個(gè)采樣周期T內(nèi)，刮板輸送機(jī)的煤量分布

2 理想模型修正

由于實(shí)際工況與理想建模相差甚大，存在多種因素影響采煤機(jī)的采煤量和刮板輸送機(jī)上的煤量分布。因此，在理想模型的基礎(chǔ)上，考慮影響煤量分布的主要因子并對(duì)模型進(jìn)行修正。主要影響因素如下：

(1) 采煤機(jī)在采煤過程中，當(dāng)遇到堅(jiān)硬或者松軟的煤層時(shí)，其切割電流發(fā)生變化，進(jìn)而影響采煤量。需要考慮采煤機(jī)遇到硬石是直接切割過去，還是采煤機(jī)的刀頭會(huì)在液壓的作用下，上下移動(dòng)避開硬石。

(2) 采煤機(jī)在采煤過程中，當(dāng)遇到凹凸不平的煤層時(shí)，就要結(jié)合實(shí)際工況，判斷該因子的影響程度及是否需要考慮。

(3) 采煤機(jī)在采煤過程中，液壓缸推進(jìn)的水平距離存在波動(dòng)。理想情況下，液壓缸推進(jìn)的水平距離是固定的，但由于切割的煤層底部散落有煤塊或者其他雜物，會(huì)影響其推進(jìn)的實(shí)際距離。因此需要結(jié)合實(shí)際的工況進(jìn)行進(jìn)一步分析該影響因子，并且進(jìn)行修正。

按照上述分析，得到修正之后的模型，建立修正后的采煤工況示意圖，如圖 2 所示。

圖2 修正后的采煤工況Fig.2 Modified coal mining mode

分析各影響因素，割深X取決于液壓缸的推進(jìn)距離，假設(shè)其誤差為ΔX。對(duì)割高H，采煤過程中如遇到較硬的煤層或其他硬物時(shí)，會(huì)造成刀頭的上下波動(dòng)，引起的誤差為ΔH。

在采煤過程中，采煤機(jī)行進(jìn)速度如果發(fā)生波動(dòng)，為使模型接近實(shí)際工況，采用濾波方式處理采煤機(jī)行進(jìn)速度的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，濾波一般取多個(gè)時(shí)刻的平均值?，F(xiàn)取采煤機(jī) 3 個(gè)采樣周期的速度vT1、vT2、vT3，取平均值

則同向而行時(shí)，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的相對(duì)速度

反向而行時(shí)，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的相對(duì)速度

若采煤機(jī)速度保持不變，在采煤過程中由于煤質(zhì)等因素造成采煤機(jī)電流變化 ΔI導(dǎo)致的煤量誤差

式中：k2為其他影響因子造成的煤量損失，其大小需通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以確定。

若采煤機(jī)速度變化較小或不變，考慮電流變化的影響，在一個(gè)時(shí)間段 3T內(nèi)，采煤機(jī)的采煤量

若采煤機(jī)速度變化較大，由于采煤機(jī)速度變化也會(huì)影響采煤機(jī)電流的變化，因此在采煤機(jī)速度變化較大時(shí)，不再考慮Q2對(duì)煤量的影響，只考慮速度對(duì)煤量的影響，從而計(jì)算的煤量更準(zhǔn)確。在一個(gè)時(shí)間段 3T內(nèi)，采煤機(jī)的采煤量

因此，修正后的煤量分布模型為

3 模型動(dòng)態(tài)分析

建立某一時(shí)間段內(nèi)的煤量分布模型，運(yùn)用該模型動(dòng)態(tài)分析刮板輸送機(jī)整體煤量的分布情況。

通過已建立的模型可知，煤量分布的時(shí)間段為 3 個(gè)采樣周期的時(shí)長，在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中，以 3T時(shí)長刮板輸送機(jī)走過的長度為一個(gè)小段，可以將刮板輸送機(jī)上的煤量分成n個(gè)小段進(jìn)行分析。

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同向而行時(shí)采煤量分布如圖 3 所示。當(dāng)采煤機(jī)開始工作，第 1 個(gè) 3T時(shí)間段內(nèi)的采煤量分布如圖 3 中節(jié)點(diǎn) 1 所示，下一個(gè) 3T時(shí)間段內(nèi)的采煤量分布如圖 3 中節(jié)點(diǎn) 2 所示，依次類推。在第 1 個(gè) 3T時(shí)間段內(nèi)采煤機(jī)未到達(dá)機(jī)頭卸煤時(shí)，刮板輸送機(jī)上的總煤量持續(xù)增加，直到開始卸煤時(shí)，刮板輸送機(jī)上的總煤量達(dá)到最大值，卸煤之后刮板輸送機(jī)上的總煤量開始減少，直到采煤機(jī)到達(dá)機(jī)頭。

圖3 同向而行時(shí)采煤量分布示意Fig.3 Sketch of coal mining amount distribution while heading in same direction

由于采煤機(jī)速度v1是實(shí)時(shí)變化的，刮板輸送機(jī)的速度v2只在一個(gè)調(diào)速周期內(nèi)是恒定的，這使得采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的相對(duì)速度v12實(shí)時(shí)變化，因此模型中每一小段的段長是不一致的，隨著采煤、運(yùn)煤工作的進(jìn)行，前面段上的煤必然被先運(yùn)走。為便于程序的編制，刮板輸送機(jī)上的總煤量只在整段節(jié)點(diǎn)處計(jì)算，

式中：T總為采煤機(jī)工作的總時(shí)間；N為采煤的總段數(shù)；n1為被運(yùn)出刮板輸送機(jī)的段數(shù)。

n1的計(jì)算方法如下：

對(duì)于刮板輸送機(jī)需要運(yùn)走 1 段煤的時(shí)間

經(jīng)過分析，每段需要的時(shí)間t都不一樣，需每隔 3T計(jì)算一次。在計(jì)算出第 1 段的時(shí)間t1之后，使用定時(shí)器，到達(dá)t1后，采用上升沿觸發(fā)累加器，讓累加器的數(shù)值加 1，復(fù)位定時(shí)器；下個(gè) 3T時(shí)間以后計(jì)算第 2 段的t2，到達(dá)t2后，讓累加器的數(shù)值再加 1，復(fù)位定時(shí)器；以此類推，累加器的值就是已被運(yùn)出刮板輸送機(jī)的段數(shù)n1。在計(jì)算總煤量Q總時(shí)，采煤機(jī)正在采的那段煤和刮板輸送機(jī)正在運(yùn)走的那段煤在公式中沒有體現(xiàn)，這部分造成的誤差較小，對(duì)刮板輸送機(jī)調(diào)速影響微乎其微，且在計(jì)算上不可實(shí)現(xiàn)，必須忽略。

以上分析是假定采煤機(jī)起始工作位置在機(jī)頭處進(jìn)行的，若起始位置不在機(jī)頭處，則對(duì)于第 1 段時(shí)間t1計(jì)算公式如下：

式中：L0為刮板輸送機(jī)總長；x為采煤機(jī)到機(jī)尾處的距離。

在分段理論計(jì)算時(shí) (單位時(shí)間內(nèi)設(shè)定刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)速度固定，且全部采煤量落到刮板輸送機(jī)內(nèi))，刮板輸送機(jī)上煤量分布為階段定量模式?？紤]到實(shí)際運(yùn)行時(shí)煤量是連續(xù)曲線，曲線處理按過程曲線“三點(diǎn)法”均修公式法進(jìn)行曲線繪制[2]，后文出現(xiàn)曲線均按此方法繪制。

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)反向而行時(shí)采煤量分布如圖 4 所示。采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)相對(duì)速度大于同向而行的相對(duì)速度，若采煤機(jī)在 3T時(shí)間段內(nèi)的采煤量不變，則煤量在刮板輸送機(jī)上的分布較同向而行時(shí)的分布平滑一些。此外，同向而行時(shí)，采煤機(jī)到達(dá)機(jī)頭處，刮板輸送機(jī)上分布的總煤量最小；反向而行時(shí)，采煤機(jī)到達(dá)機(jī)尾處，刮板輸送機(jī)上分布的總煤量最大。對(duì)于反向而行，刮板輸送機(jī)上的總煤量計(jì)算與同向而行相同。

圖4 反向而行時(shí)采煤量分布示意Fig.4 Sketch of coal mining amount distribution while heading in opposite direction

煤量的分布以微觀和宏觀 2 種方式表示。微觀分布是以機(jī)頭作為起始點(diǎn)，采煤機(jī)離機(jī)頭的距離L為橫軸，煤量q作為縱軸。當(dāng)首次開機(jī)，且采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同向而行時(shí)，采煤機(jī)的起始位置在機(jī)尾處，忽略刮板輸送機(jī)上已有的煤量，在每 3T的位移段內(nèi)，煤量分別為q1、q2、q3、…、qn，如圖 5 所示。

圖5 某時(shí)刻刮板輸送機(jī)上的煤量Fig.5 Coal amount on scraper conveyor at a certain moment

根據(jù)以位移為橫軸的微觀煤量分布可以得到以時(shí)間為橫軸的同向而行時(shí)刮板輸送機(jī)宏觀煤量分布曲線，如圖 6 所示。同理可以得到反向而行時(shí)的宏觀煤量分布曲線，如圖 7 所示。

圖6 同向而行時(shí)刮板輸送機(jī)宏觀煤量分布Fig.6 Macroscopic coal amount distribution on scraper conveyor while heading in same direction

圖7 反向而行時(shí)刮板輸送機(jī)宏觀煤量分布Fig.7 Macroscopic coal amount distribution on scraper conveyor while heading in opposite direction

上述只是針對(duì)整個(gè)綜采面剛開機(jī)運(yùn)行時(shí)的情況，并沒有分析采煤機(jī)從機(jī)頭運(yùn)行至機(jī)尾處，又轉(zhuǎn)向從機(jī)尾運(yùn)行至機(jī)頭處的情況，結(jié)合前文，進(jìn)行如下分析。

首次開機(jī)，采煤機(jī)起始位置在機(jī)尾處，忽略刮板輸送機(jī)上的煤量，采煤機(jī)剛開始運(yùn)行時(shí)，刮板輸送機(jī)上煤量最少。在刮板輸送機(jī)開始卸載煤之前，刮板輸送機(jī)上煤量呈上升趨勢，直到tx時(shí)刻，刮板輸送機(jī)開始卸煤，刮板輸送機(jī)煤量呈下降趨勢。采煤機(jī)到達(dá)機(jī)頭處，刮板輸送機(jī)上煤量為最少，此時(shí)采煤機(jī)轉(zhuǎn)向運(yùn)行，從機(jī)頭至機(jī)尾處，刮板輸送機(jī)上煤量呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，刮板輸送機(jī)提高速度，刮板輸送機(jī)上煤量增加的速率開始減小，總體煤量上升沒有前一段時(shí)間上升得快。當(dāng)采煤機(jī)到達(dá)機(jī)尾處，此時(shí)刮板輸送機(jī)上的煤量最大。在采煤機(jī)從機(jī)尾處往機(jī)頭處運(yùn)行時(shí)，煤量又開始減少，如此周而復(fù)始，如圖 8 所示。

圖8 采煤機(jī)起始位置在機(jī)尾處刮板輸送機(jī)上的煤量Fig.8 Coal amount on scraper conveyor while staring position of shearer at scraper tail

首次開機(jī)，采煤機(jī)起始位置在機(jī)頭處，忽略刮板輸送機(jī)上已有煤量，隨著采煤機(jī)的運(yùn)行，煤量呈上升趨勢。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，同上面分析一樣，刮板輸送機(jī)總體煤量的上升沒有前一段時(shí)間上升得快。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至機(jī)尾處，刮板輸送機(jī)上的煤量最大。此時(shí)，采煤機(jī)開始轉(zhuǎn)向，從機(jī)尾往機(jī)頭運(yùn)行過程中，煤量一直呈現(xiàn)減少的趨勢，如此周而復(fù)始，如圖 9 所示。

圖9 采煤機(jī)起始位置在機(jī)頭處刮板輸送機(jī)上的煤量Fig.9 Coal amount on scraper conveyor while staring position of shearer at scraper head

以 SGZ800/800 型刮板輸送機(jī)輸送機(jī)為例，刮板輸送機(jī)長度為 200 m，配合 MG400/930-AWD 型采煤機(jī)使用。工作面地質(zhì)條件為：煤層厚度為 1.60～ 3.45 m，平均厚 2.36 m，f=1～ 3，夾矸 0～ 1 層，厚約 0.1 m，煤密度取ρ=1 200 kg/m3，采煤機(jī)截深為 0.8 m。采煤過程中刮板輸送機(jī)鏈速為 1.25 m/s，采煤機(jī)割煤速度為 3～ 6 m/min (0.05～ 0.10 m/s)。

根據(jù)理想模型，當(dāng)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)同向運(yùn)行 (即采煤機(jī)從機(jī)頭往機(jī)尾割煤)，將參數(shù)截深X=0.8 m，采高H=2.4 m，采煤機(jī)速度v1=0.1 m/s，采樣時(shí)間T=1 s，煤密度ρ=1 200 kg/m3代入式 (1)、(2)、(5)，計(jì)算得Q1=24.4 kg，采煤機(jī)相對(duì)于刮板輸送機(jī)的速度v12=1.24 m/s，刮板輸送機(jī)上的煤量分布q1=18.6 kg/m。

假設(shè)煤開采前和開采后密度不變，按刮板輸送機(jī)槽寬 800 mm，理論上刮板輸送機(jī)煤分布高度h=0.019 m。

即T1時(shí)段 (1 s 內(nèi)) 理論計(jì)算采煤機(jī)采煤量為 23.4 kg，分布在相應(yīng)刮板輸送機(jī)鏈上平均高度為 19 mm。T2、T3、…、Tn依次計(jì)算，可以計(jì)算出刮板輸送機(jī)煤量分布趨勢。煤量修正系數(shù)是假定條件，在此不再論述。

對(duì)于其他情況，可按照實(shí)際應(yīng)用的刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、地質(zhì)條件等，作為參數(shù)實(shí)時(shí)輸入，根據(jù)公式計(jì)算刮板輸送機(jī)煤量分布情況。

4 模擬結(jié)果

采用給定的參數(shù)模擬實(shí)際工況，上位機(jī)顯示實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行理論驗(yàn)證。使用 VB 軟件假定地址條件和采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的參數(shù)、模擬分段等，采用組態(tài)王軟件作為動(dòng)態(tài)顯示界面。VB 軟件控制[3]與組態(tài)王整體流程如圖 10 所示。

圖10 仿真流程 Fig.10 Simulation process flow

組態(tài)王與 VB 軟件之間通過 DDE 連接，使 2 個(gè)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交換，實(shí)現(xiàn)了在 VB 中進(jìn)行煤量的計(jì)算，以及煤量和段長的平移存儲(chǔ)，在組態(tài)王中顯示煤量分布[4]，如圖 11 所示。通過軟件仿真計(jì)算，對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖11 刮板輸送機(jī)煤量分布仿真結(jié)果顯示Fig.11 Display of simulation results of coal amount distribution on scraper conveyor

5 井下試驗(yàn)驗(yàn)證

將研究程序搭載在寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)運(yùn)行，在新能礦業(yè)王家塔煤礦 12304 工作面應(yīng)用 1 年零 3 個(gè)月。該工作面基本情況：煤層硬度f≤3，采高為 3～ 5 m，工作面長度為 200 m。經(jīng)過 3 個(gè)月的跟蹤驗(yàn)證，刮板輸送機(jī)煤量分布模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際采煤量和分布趨勢一致。期間模型經(jīng)過 3 次調(diào)整，工作面采完后累計(jì)計(jì)算總煤量與實(shí)際采煤量 (用戶統(tǒng)計(jì)) 誤差約為+10%。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比，本研究的煤量分布及煤量計(jì)算模型輸入?yún)?shù)合理，計(jì)算方法相對(duì)準(zhǔn)確，能為后期智能調(diào)速控制提供數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)語

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)行過程中受負(fù)載變化大及惡劣工況的影響，存在故障頻發(fā)、運(yùn)行能耗高等問題?；诠伟遢斔蜋C(jī)與采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，研究了刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)煤量的分布，從抽象復(fù)雜的環(huán)境中提取重要的影響因素，建立模型。該模型具有可操作性和參考性，同時(shí)在應(yīng)用中較真實(shí)地反映了實(shí)際工況。

由于工作環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中刮板輸送機(jī)軌道必然存在起伏、傾角等現(xiàn)象，而且不可避免會(huì)有片幫煤加載，因此刮板輸送機(jī)在運(yùn)煤過程中，諸如此類無法預(yù)知的狀況會(huì)對(duì)刮板輸送機(jī)的負(fù)載帶來一定影響。刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)本身結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，對(duì)其速度的控制具有滯后性，這些因素對(duì)模型建立也必然存在影響。