刮板輸送機煤流動態(tài)分布模型

劉建偉，韓存地，劉安強，魏訓濤，陳 林

1寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 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兗礦能源集團股份有限公司設備管理中心 山東濟寧 273599

工 作面刮板輸送機是整個井下采煤工作面重要 的煤炭輸送設備。由于采煤量不均勻，經(jīng)常會出現(xiàn)某一段煤量多，某一段煤量很少的情況，因此，要建立刮板輸送機上的瞬時煤量和煤量分布模型就必須從采煤機的采煤量入手。在割高一定的情況下，決定采煤量的主要因素是采煤機的牽引速度。由于采煤機在工作面往復運行，刮板輸送機循環(huán)運轉(zhuǎn)并在機頭端卸載煤料，因此采煤機的運行方向、位置和刮板輸送機運行速度，對刮板輸送機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為采煤機的行進速度，v2為刮板輸送機的運行速度 (鏈速)，X為在 1 個采樣周期T內(nèi)采煤機刀頭的割深，H為在 1 個采樣周期T內(nèi)采煤機的割高。

圖1 理想采煤工況Fig.1 Ideal coal mining mode

假定在 1 個采樣周期T內(nèi)，采煤機以速度v1勻速運行，割深X、割高H均保持穩(wěn)定不變，則采煤機在這段時間內(nèi)的采煤量

式中：ρ為煤的平均密度。

采煤機與刮板輸送機同向而行時，相對速度

采煤機與刮板輸送機反向而行時，相對速度

在這一時間段T內(nèi)，刮板鏈相對于采煤機行走的鏈長

由以上各式可得，在一個采樣周期T內(nèi)，刮板輸送機的煤量分布

2 理想模型修正

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

(1) 采煤機在采煤過程中，當遇到堅硬或者松軟的煤層時，其切割電流發(fā)生變化，進而影響采煤量。需要考慮采煤機遇到硬石是直接切割過去，還是采煤機的刀頭會在液壓的作用下，上下移動避開硬石。

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

(3) 采煤機在采煤過程中，液壓缸推進的水平距離存在波動。理想情況下，液壓缸推進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，會影響其推進的實際距離。因此需要結(jié)合實際的工況進行進一步分析該影響因子，并且進行修正。

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距離，假設其誤差為ΔX。對割高H，采煤過程中如遇到較硬的煤層或其他硬物時，會造成刀頭的上下波動，引起的誤差為ΔH。

在采煤過程中，采煤機行進速度如果發(fā)生波動，為使模型接近實際工況，采用濾波方式處理采煤機行進速度的影響。在實際應用中，濾波一般取多個時刻的平均值。現(xiàn)取采煤機 3 個采樣周期的速度vT1、vT2、vT3，取平均值

則同向而行時，采煤機和刮板輸送機的相對速度

反向而行時，采煤機和刮板輸送機的相對速度

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

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

若采煤機速度變化較小或不變，考慮電流變化的影響，在一個時間段 3T內(nèi)，采煤機的采煤量

若采煤機速度變化較大，由于采煤機速度變化也會影響采煤機電流的變化，因此在采煤機速度變化較大時，不再考慮Q2對煤量的影響，只考慮速度對煤量的影響，從而計算的煤量更準確。在一個時間段 3T內(nèi)，采煤機的采煤量

因此，修正后的煤量分布模型為

3 模型動態(tài)分析

建立某一時間段內(nèi)的煤量分布模型，運用該模型動態(tài)分析刮板輸送機整體煤量的分布情況。

通過已建立的模型可知，煤量分布的時間段為 3 個采樣周期的時長，在刮板輸送機運行過程中，以 3T時長刮板輸送機走過的長度為一個小段，可以將刮板輸送機上的煤量分成n個小段進行分析。

采煤機與刮板輸送機同向而行時采煤量分布如圖 3 所示。當采煤機開始工作，第 1 個 3T時間段內(nèi)的采煤量分布如圖 3 中節(jié)點 1 所示，下一個 3T時間段內(nèi)的采煤量分布如圖 3 中節(jié)點 2 所示，依次類推。在第 1 個 3T時間段內(nèi)采煤機未到達機頭卸煤時，刮板輸送機上的總煤量持續(xù)增加，直到開始卸煤時，刮板輸送機上的總煤量達到最大值，卸煤之后刮板輸送機上的總煤量開始減少，直到采煤機到達機頭。

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

由于采煤機速度v1是實時變化的，刮板輸送機的速度v2只在一個調(diào)速周期內(nèi)是恒定的，這使得采煤機和刮板輸送機的相對速度v12實時變化，因此模型中每一小段的段長是不一致的，隨著采煤、運煤工作的進行，前面段上的煤必然被先運走。為便于程序的編制，刮板輸送機上的總煤量只在整段節(jié)點處計算，

式中：T總為采煤機工作的總時間；N為采煤的總段數(shù)；n1為被運出刮板輸送機的段數(shù)。

n1的計算方法如下：

對于刮板輸送機需要運走 1 段煤的時間

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

以上分析是假定采煤機起始工作位置在機頭處進行的，若起始位置不在機頭處，則對于第 1 段時間t1計算公式如下：

式中：L0為刮板輸送機總長；x為采煤機到機尾處的距離。

在分段理論計算時 (單位時間內(nèi)設定刮板輸送機和采煤機速度固定，且全部采煤量落到刮板輸送機內(nèi))，刮板輸送機上煤量分布為階段定量模式?？紤]到實際運行時煤量是連續(xù)曲線，曲線處理按過程曲線“三點法”均修公式法進行曲線繪制[2]，后文出現(xiàn)曲線均按此方法繪制。

采煤機與刮板輸送機反向而行時采煤量分布如圖 4 所示。采煤機和刮板輸送機相對速度大于同向而行的相對速度，若采煤機在 3T時間段內(nèi)的采煤量不變，則煤量在刮板輸送機上的分布較同向而行時的分布平滑一些。此外，同向而行時，采煤機到達機頭處，刮板輸送機上分布的總煤量最??；反向而行時，采煤機到達機尾處，刮板輸送機上分布的總煤量最大。對于反向而行，刮板輸送機上的總煤量計算與同向而行相同。

圖4 反向而行時采煤量分布示意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。微觀分布是以機頭作為起始點，采煤機離機頭的距離L為橫軸，煤量q作為縱軸。當首次開機，且采煤機與刮板輸送機同向而行時，采煤機的起始位置在機尾處，忽略刮板輸送機上已有的煤量，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 某時刻刮板輸送機上的煤量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間為橫軸的同向而行時刮板輸送機宏觀煤量分布曲線，如圖 6 所示。同理可以得到反向而行時的宏觀煤量分布曲線，如圖 7 所示。

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

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

上述只是針對整個綜采面剛開機運行時的情況，并沒有分析采煤機從機頭運行至機尾處，又轉(zhuǎn)向從機尾運行至機頭處的情況，結(jié)合前文，進行如下分析。

首次開機，采煤機起始位置在機尾處，忽略刮板輸送機上的煤量，采煤機剛開始運行時，刮板輸送機上煤量最少。在刮板輸送機開始卸載煤之前，刮板輸送機上煤量呈上升趨勢，直到tx時刻，刮板輸送機開始卸煤，刮板輸送機煤量呈下降趨勢。采煤機到達機頭處，刮板輸送機上煤量為最少，此時采煤機轉(zhuǎn)向運行，從機頭至機尾處，刮板輸送機上煤量呈現(xiàn)上升趨勢。當運行一段時間后，刮板輸送機提高速度，刮板輸送機上煤量增加的速率開始減小，總體煤量上升沒有前一段時間上升得快。當采煤機到達機尾處，此時刮板輸送機上的煤量最大。在采煤機從機尾處往機頭處運行時，煤量又開始減少，如此周而復始，如圖 8 所示。

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

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

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

以 SGZ800/800 型刮板輸送機輸送機為例，刮板輸送機長度為 200 m，配合 MG400/930-AWD 型采煤機使用。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，采煤機截深為 0.8 m。采煤過程中刮板輸送機鏈速為 1.25 m/s，采煤機割煤速度為 3～ 6 m/min (0.05～ 0.10 m/s)。

根據(jù)理想模型，當采煤機和刮板輸送機同向運行 (即采煤機從機頭往機尾割煤)，將參數(shù)截深X=0.8 m，采高H=2.4 m，采煤機速度v1=0.1 m/s，采樣時間T=1 s，煤密度ρ=1 200 kg/m3代入式 (1)、(2)、(5)，計算得Q1=24.4 kg，采煤機相對于刮板輸送機的速度v12=1.24 m/s，刮板輸送機上的煤量分布q1=18.6 kg/m。

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

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

對于其他情況，可按照實際應用的刮板輸送機、采煤機、地質(zhì)條件等，作為參數(shù)實時輸入，根據(jù)公式計算刮板輸送機煤量分布情況。

4 模擬結(jié)果

采用給定的參數(shù)模擬實際工況，上位機顯示實現(xiàn)動態(tài)參數(shù)進行理論驗證。使用 VB 軟件假定地址條件和采煤機、刮板輸送機的參數(shù)、模擬分段等，采用組態(tài)王軟件作為動態(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 個軟件之間進行數(shù)據(jù)共享與交換，實現(xiàn)了在 VB 中進行煤量的計算，以及煤量和段長的平移存儲，在組態(tài)王中顯示煤量分布[4]，如圖 11 所示。通過軟件仿真計算，對研究結(jié)論進行了驗證。

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

5 井下試驗驗證

將研究程序搭載在寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司刮板輸送機智能控制系統(tǒng)硬件平臺運行，在新能礦業(yè)王家塔煤礦 12304 工作面應用 1 年零 3 個月。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 個月的跟蹤驗證，刮板輸送機煤量分布模型計算結(jié)果與實際采煤量和分布趨勢一致。期間模型經(jīng)過 3 次調(diào)整，工作面采完后累計計算總煤量與實際采煤量 (用戶統(tǒng)計) 誤差約為+10%。經(jīng)過實際試驗對比，本研究的煤量分布及煤量計算模型輸入?yún)?shù)合理，計算方法相對準確，能為后期智能調(diào)速控制提供數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)語

刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設備，運行過程中受負載變化大及惡劣工況的影響，存在故障頻發(fā)、運行能耗高等問題。基于刮板輸送機與采煤機的運行參數(shù)，研究了刮板輸送機實時煤量的分布，從抽象復雜的環(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，同時在應用中較真實地反映了實際工況。

由于工作環(huán)境復雜，實際生產(chǎn)中刮板輸送機軌道必然存在起伏、傾角等現(xiàn)象，而且不可避免會有片幫煤加載，因此刮板輸送機在運煤過程中，諸如此類無法預知的狀況會對刮板輸送機的負載帶來一定影響。刮板輸送機和采煤機本身結(jié)構(gòu)龐大復雜，對其速度的控制具有滯后性，這些因素對模型建立也必然存在影響。