綜采工作面刮板輸送機煤流時空分布研究

摘要：基于傳感器的煤流特征研究受傳感器監(jiān)測范圍有限的影響，無法對刮板輸送機整機煤流特征進行研究；基于模型仿真的煤流特征研究缺乏對開采工藝的考慮，不能預(yù)測刮板輸送機整機的煤流時空分布。針對綜采工作面刮板輸送機整機運載煤流特征難以監(jiān)測的問題，結(jié)合綜采工作面開采工藝，通過分析采煤機截割裝載和刮板輸送機運載煤流過程，建立了各工藝段下不同裝載方式的刮板輸送機瞬時裝載體積、截面積的數(shù)學(xué)模型；將刮板輸送機運載煤流過程劃分為煤流平移和裝載煤流疊加，基于有限元方法構(gòu)建了綜采工作面刮板輸送機煤流時空分布預(yù)測模型。利用該模型仿真分析了開采工藝周期內(nèi)刮板輸送機的煤流時空分布特征：相比于中部正常截割階段，端頭截割階段的煤流時空分布較為復(fù)雜；中部槽裝載煤流的最大截面積出現(xiàn)在調(diào)換滾筒位置階段；刮板輸送機運載煤流體積在采煤機上行和下行過程中變化趨勢相反，變化趨勢由采煤機牽引方向決定。利用某礦工作面采煤機和刮板輸送機實際運行數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，根據(jù)預(yù)測的煤流時空分布計算過煤量，結(jié)果表明：過煤量預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實測的變化趨勢一致，累計過煤量預(yù)測誤差為9.24%，在采煤機進刀過程和上行階段的固定時間段內(nèi)過煤量預(yù)測誤差分別為13.19% 和13.78%，證明了煤流時空分布預(yù)測模型的正確性。

關(guān)鍵詞：綜采工作面；刮板輸送機；煤流時空分布；煤流預(yù)測；裝載體積；裝載截面積

中圖分類號：TD634.2 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

刮板輸送機是綜采工作面的重要設(shè)備之一，其主要任務(wù)是運載采煤機截割的落煤[1]。采煤機截割工藝及滾筒截割高度變化導(dǎo)致割煤量實時變化，進而影響刮板輸送機裝煤量，使得裝載的煤流分布不均[2]。而目前轉(zhuǎn)載機基本是定速運行，煤流分布不均可能導(dǎo)致煤炭轉(zhuǎn)載不及時，在刮板輸送機機頭出現(xiàn)堵塞、堆煤等故障。刮板輸送機的自適應(yīng)調(diào)速控制是解決以上問題的關(guān)鍵，而獲得能夠反映中部槽煤流截面積隨時間和空間變化的煤流特征是實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)速控制的基礎(chǔ)[3-4]。

目前，廣大學(xué)者基于傳感器和模型仿真對刮板輸送機煤流特征開展了相關(guān)研究。在基于傳感器的煤流特征研究中，機器視覺技術(shù)[5-7]、超聲波技術(shù)[8-9]、激光掃描技術(shù)[10-11]等被廣泛應(yīng)用于煤流監(jiān)測，但受傳感器監(jiān)測范圍有限的影響，只能獲得小范圍的煤流特征，無法對刮板輸送機整機煤流特征進行研究。在基于模型仿真的煤流特征研究中， R. E.Betz 等[12]分析了工作面中部直線段采煤機滾筒截割頂煤和底煤時，刮板輸送機煤流的瞬時裝載體積和截面積，通過仿真獲得了工作面開采過程中刮板輸送機運輸?shù)淖畲竺毫髻|(zhì)量；劉建偉等[13-14]根據(jù)采煤機采煤量及其與刮板輸送機的相對運動關(guān)系，建立了刮板輸送機的總煤流質(zhì)量模型，定性分析了刮板輸送機運輸煤流質(zhì)量隨時間的變化特點； WangYanping 等[15]根據(jù)采煤機生產(chǎn)率，分析了工作面中部直線段和端頭彎曲段采煤機與刮板輸送機的相對運動關(guān)系，建立了刮板輸送機運載煤流質(zhì)量模型，獲得了刮板輸送機運輸煤流質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律；O.Stoicuta 等[1，16]建立了采煤機的采煤量模型和刮板輸送機的煤流質(zhì)量模型，進一步建立了煤流控制系統(tǒng)。模型仿真的方法可從理論上計算采煤機截割煤量，模擬刮板輸送機運載煤流過程，預(yù)測中部槽各位置的煤流特征。但目前模型仿真缺乏對開采工藝的考慮，雖然部分學(xué)者提出了總運載煤流質(zhì)量的預(yù)測方法，卻忽略了運載過程煤流的裝卸對總運載煤流質(zhì)量的影響，未能預(yù)測刮板輸送機整機的煤流時空分布。

為解決刮板輸送機整機煤流時空分布的預(yù)測問題，本文結(jié)合綜采工作面開采工藝，給出了不同裝載方式在各工藝段的刮板輸送機瞬時裝載體積、截面積的數(shù)學(xué)模型，基于裝載位置、裝載長度和瞬時裝載截面積建立了刮板輸送機煤流時空分布預(yù)測模型，可實現(xiàn)對整機煤流時空分布的預(yù)測。

1 瞬時裝載體積

刮板輸送機瞬時裝載體積指單位時間裝載煤流體積。在不同的裝載方式和工藝段下，瞬時裝載體積計算方法不同。根據(jù)煤流裝載位置，將刮板輸送機煤流裝載方式分為前滾筒截割裝載、后滾筒截割裝載和刮板輸送機推移浮煤裝載。綜采工作面主要采用端部斜切進刀的開采工藝[17-19]，如圖1 所示，該工藝劃分為工作面中部正常截割和端頭截割，其中端頭截割為采煤機進刀過程。