綜采工作面采煤機和刮板輸送機負荷平衡問題探討

李 剛

（晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046605）

引言

近年來，隨著綜采工作面自動化水平的提升，采煤機、刮板輸送機、液壓支架等設備自動化控制能力不斷增強和優(yōu)化，但是綜采工作面的生產(chǎn)過程必須由采煤機和刮板輸送機配合完成；采煤機的啟動及速度設定以及刮板輸送機的啟停和速度控制均由操作人員完成，兩者之間的平衡協(xié)調(diào)便成為影響綜采效率的主要方面。如何通過智能化設計實現(xiàn)采煤機和刮板輸送機之間的協(xié)調(diào)運行便成為擺在煤礦工作人員面前的一大難題，可通過智能化設計，提升工作面設備生產(chǎn)效率，實現(xiàn)采煤機和刮板輸送機負荷平衡。

1 綜采工作面概況

某工作面屬北三8 號下組煤盤區(qū)，工作面回采8 號煤層，由機軌巷、回風巷、底抽巷、切眼及瓦斯治理巷組成。工作面機軌巷、回風巷均采用全錨支護，機軌巷凈寬5.5 m，凈高3.5 m，回風巷凈寬4.5 m，凈高3.5 m，工作面切眼采用全錨支護（矩形斷面），切眼凈寬7.5 m，凈高3.5 m。該工作面使用SGZ-900/1050 運輸機，機頭架3.07 m，過渡槽3.93 m，機尾架4.952 m，標準槽每節(jié)1.75 m，啟動方式為變頻啟動，額定電壓3 300 V，運輸能力3 000 t/h，電機功率3×1 000 kW；外形尺寸14 466×2 325×2 240 mm 的MG-500/1140-WD 采煤機，其滾筒截深0.865 m，滾筒直徑2.25 m，截割功率2×900 kW，總裝機功率2 240 kW，牽引功率400 kW，過煤高度0.844 m，牽引速度0～17.5 m/min。

2 采煤機和刮板輸送機驅(qū)動方式

2.1 采煤機驅(qū)動方式

采煤機是重要的井下施工機械，其行走驅(qū)動系統(tǒng)所需功率儲備較大，對器件功效和使用壽命也有較高要求，采煤機行走系統(tǒng)驅(qū)動方式主要有以下三種：

1）液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，主要由2 臺液壓馬達、行走履帶和減速器等組成，該驅(qū)動方式體積小，并具有自動過載保護功能，但與電機驅(qū)動方式相比，過載能力不足且相應速度較慢，不利于整機精準控制；

2）直流電機驅(qū)動，主要由2 臺直流電機、行走履帶、可控硅整流器和減速器等組成，自動轉(zhuǎn)矩大，控制響應快，過載能力強，但體積大，維護量大，控制復雜，可靠性不高；

3）交流變頻驅(qū)動，主要由2 套交流變頻電機、減速器、行走履帶和控制系統(tǒng)組成，維護簡便，工效高，且體積小，可靠性強。本工作面MG-500/1140-WD采煤機主要采用交流變頻驅(qū)動方式。

2.2 刮板輸送機驅(qū)動方式

早期的刮板輸送機主要采用單速驅(qū)動和雙速驅(qū)動等方式，前者作為較傳統(tǒng)的驅(qū)動方式，存在滑差，會造成能源損失；后者電動機上同時安裝了低速繞組和高速繞組，能保證電動機平穩(wěn)低能耗運行。近年來，隨著變頻調(diào)速技術的發(fā)展，變頻技術在刮板輸送機中開始普及應用，其調(diào)速性能能實現(xiàn)輸送機軟啟動[1]，并在運行過程中通過輸出頻率達到調(diào)節(jié)運行速度的目的。

3 采煤機和刮板輸送機負荷平衡

煤礦出煤生產(chǎn)直接受綜采工作面生產(chǎn)連續(xù)性的影響，為此必須對采煤機和輸送機之間配合及負荷平衡問題進行探討，以保證工作面連續(xù)生產(chǎn)。考慮到采煤機和輸送機均采用變頻器驅(qū)動方式牽引，故可通過變頻器調(diào)速控制。

3.1 刮板輸送機調(diào)速

電動機主要依靠輸出轉(zhuǎn)矩進行設備驅(qū)動，變頻器輸出轉(zhuǎn)矩T1和負載轉(zhuǎn)矩T0之間存在以下關系：T1-T0＞0 時設備加速，反之則設備減速，當T1-T0=0 時設備勻速運行。采煤過程中應通過變頻器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變量控制，即設備啟動且負荷變化時主要采用轉(zhuǎn)矩控制，設備正常運行情況下采用轉(zhuǎn)速控制，以保證采煤過程的連續(xù)性，并在空載情況下降低輸送機運行速度，節(jié)能降耗。當帶式輸送機、破碎機和轉(zhuǎn)載機等均開啟并具備工作面采煤條件時，啟動輸送機，此時刮板輸送機是否有煤及煤量多少并不明確，必須通過恒轉(zhuǎn)矩控制，確保變頻器所輸出的轉(zhuǎn)矩能順利啟動刮板輸送機。

3.2 負荷平衡

3.2.1 采煤機和刮板輸送機運行過程分析

采煤過程中必須加強落煤速度控制，在采煤機前后滾筒割煤時煤塊落至刮板輸送機上，導致其負荷增大，當其負荷值達到警戒值時會向采煤機發(fā)出減速指令。出于采煤機和輸送機負荷平衡的考慮，應以煤炭質(zhì)量為主要控制變量，并存在以下變量關系[2]：

式中：Qs為采煤過程中落煤量；Qa為輸送機輸煤量；Pt為采煤機勻速前進過程中工作面存煤量；Vs為采煤機前進速度；Va為刮板輸送機前進速度；Xt為輸送機存煤量；t 為輸送機運行時間。

如果采煤機和輸送機均采用轉(zhuǎn)速控制模式，且當兩者運行方向相反（圖1-1）時，隨著輸送機運行時間的增大，刮板輸送機上的落煤量會不斷增加，使其負荷越來越重，導致（3）式中Qs-Qa＞0，進而導致輸送機所需電流增大，當其電流需要量達到設計值的85%時，便會通知采煤機降低運行速度，輸送機上的落煤量會逐漸減小，而當輸送機負荷降至設計負荷的50%時，應將采煤機采煤速度提升值原來水平。

而當采煤機和運輸機運行方向一致（圖1-2）時，輸送機上存煤空間會不斷減小，如采煤機仍按照原較快速度運行，則會影響采煤機運行，為此必須提高輸送機運行速度，并適當降低采煤機采煤速度。

圖1 采煤機和刮板運輸機運行方向

3.2.2 采煤機恒速控制

采煤機恒速控制即其以固定速度運行，而隨著采煤機采煤量的增加，輸送機運行負荷和速度均不斷增大，待輸送機負荷達到額定負荷的80%時，其負荷、運行速度便與采煤機達到平衡；當輸送機負荷達到額定負荷的85%時，若采煤機速度恒定，則需提高輸送機速度，以降低其上煤量和負荷；當輸送機負荷達到額定負荷的50%時，再將輸送機速度調(diào)整至設計速度。

3.2.3 刮板輸送機恒速控制

無論采煤機和輸送機兩者運行方向是否一致，一旦發(fā)生輸送機負荷快速上升的情況，且經(jīng)濾波處理后仍無改變，則應降低采煤機速度，同時將輸送機負荷降至警戒線以下。以輸送機為基準進行其變頻器速度控制，以確保其速度恒定：隨著采煤機運行速度加快，輸送機落煤量和荷載增大，當其負荷達到額定負荷值的80%時，其負荷與采煤機運行速度便達到平衡狀態(tài)，綜采工作面若以該狀態(tài)采煤，則可達到最大生產(chǎn)效率；此后，輸送機負荷繼續(xù)增大值額定值的85%，便達到警戒值，此時應干預采煤機運行速度，使其降至設計值的50%后再加速。

實際采煤過程中，采煤機恒速控制及刮板輸送機恒速控制情況均有可能發(fā)生，為此應綜合考慮以上兩種模式，通常采用采煤機恒速模式，當輸送機負荷超過警戒值時，應提高輸送機運行速度，若此時其負荷仍無降低跡象，則應降低采煤機運行速度，并改用輸送機恒速模式，直至其負荷降至額定值50%后，再恢復至采煤機恒速模式。

4 結(jié)語

為進行采煤機和刮板輸送機運行速度的協(xié)同控制，應加強對輸送機運行速度、荷載等的監(jiān)測，并據(jù)此調(diào)整采煤機割煤速度，通過采煤機牽引控制及輸送機變頻控制的結(jié)合，能有效保證兩者負荷平衡，提高綜采工作面生產(chǎn)效率。本綜采工作面生產(chǎn)實踐證明，采煤機和刮板輸送機兩者負荷平衡控制能保證采煤生產(chǎn)過程的連續(xù)性，降低工作面啟動能耗，使經(jīng)濟效益和社會效益顯著提升。