煤矿三机配套智能选型参数计算方法探究

郑占彬

（开滦（集团）有限责任公司设备管理中心，河北 唐山 063000）

作为煤炭综采的重要工具，煤矿三机包括液压支架、采煤机和刮板输送机。面对各种各样的工作面条件，需要根据实际条件，选择不同型号的煤矿三机，传统上这项工作都是由煤科院人员或矿上领导、技术人员等开会研讨来选型，选型过程中通常要花费大量的人力、物力和时间，但选型结果很多时候却并不尽如人意。往往会出现设备之间不配套，设备生产能力过大造成浪费，甚至有因为设备尺寸过大而难以运至工作面的情况。

为解决如上问题，提出1 种煤矿三机配套的智能选型参数计算方法（MTMS）。

1 采煤机选型参数计算

1.1 煤层厚度和倾角

采煤机的最大截割高度应大于煤层最大厚度，机身高度应小于煤层最小厚度。具体，采煤机的最大采高可用下式计算:

式中Mmax——采煤机最大采高；

A——采煤机机面高度；

C——采煤机机体厚度；

L——摇臂长度；

D——滚筒直径；

αmax——摇臂向上的最大摆角。

采煤机滚筒调高方式主要有摇臂调高、截割部调高、机身调高3 种方式。在工作面出现底板起伏不平的情况时，采煤机应有一定的卧底量。双滚筒采煤机的最大卧底量Kmax可用下式计算：

式中，βmax为摇臂向下的最大摆角。

计算结果若为负值，表示割至中部槽底面以下的深度；若为正值，则表示采煤机不能卧底。一般而言，采煤机的最大卧底量应为150～300mm，以保证充分提高刮板输送机机头、机尾处三角煤的开采率。并且一般情况下，采煤机底托架应有不少于500mm 的过煤高度，以免大块煤夹在采煤机与输送机之间，造成停机事故。

1.2 生产能力

三机单独的生产能力须等于或大于工作面需要的生产能力。即保证：Q3>Q2>Q1

Q1——工作面需要的生产能力；

Q2——采煤机可实现的生产能力；

Q3——刮板输送机的生产能力。

2 液压支架选型参数计算

2.1 煤层厚度与倾角

一般按下式计算：

式中Hmin——支架的最小支护高度；

Mmin——煤层的最大、最小厚度；

S1——支架在最小采高处后支柱处的顶板下沉量；

a——支柱的卸载高度，一般取50。

支架最大支护高度通常比最大采高大200 mm 左右，即：

在煤层厚度大于2.5m 时，应选用带护板装置的支架。当煤层倾角处于15～18°之间时，支架应设防滑和调架装置；当倾角超过18°，应同时配备防滑和防倒装置。

2.2 顶板与底板强度

一般而言，坚硬顶板选用支撑式支架；稳定、中等稳定顶板选用支撑式或支撑掩护式支架；不稳定顶板选用掩护式支架，优先选用两柱掩护式支架。

支架底板的允许比压要大于接触比压。底板的岩层性质与允许比压P允有关，软岩底板和砂岩底板分别为0.98 MPa 和1.96 MPa 左右。在进行智能选型配套时，应计算接触比压值并与底板允许比压进行比较，选择接触比压小于底板允许比压的支架。即：

式中S——液压支架的底座面积；

G——工作面的顶板压力。

工作面的顶板压力即为工作面支柱所应提供的支撑阻力。

(1)液压支架的工作阻力

在综采工作面，液压支架合理的工作阻力应与顶板压力相适应。液压支架对顶板应提供的总工作阻力为：

式中λ 为支柱的有效支撑系数，支架的支撑面积为F。

(2)液压支架的初撑力

为保证支架的稳定和对顶板的保护，支架的初撑力设置为工作阻力的70～80%。

(3)液压支架的移架速度

根据顶板的稳定性，工作面可以采用多种移架方式，但总的要求是液压支架的移架速度必须大于采煤机的最大牵引速度。

3 刮板输送机选型参数计算

3.1 刮板输送机输送能力

按连续运行方式进行计算，其公式为：

式中F——货载最大横断面积，

ρ——动堆积角，原煤ρ ＝20～30°；

b——刮板输送机槽宽；

h——刮板输送机槽深；

Ψ——货载的装满系数；

γ——货载的散集容重；

ν——刮板输送机链速。

3.2 溜槽断面的校核

当给定输送机生产能力Q，验算溜槽最大载货断面时，按下式计算：

式中ν′——输送机对采煤机的相对速度；

νc——采煤机牵引速度。

设煤炭的动堆积角为30°，计算采煤机和刮板输送机同方向运动时的F’，若F’＞F，则认为该刮板输送机输送能力不足，不可选用。

4 三机参数配套智能计算模型

4.1 三机配套参数模型

将相互关联的尺寸进行量化，以标准设备体系中设备局部尺寸调整量最小为配套最佳目标，建立配套评价模型。

式中：

——第i 个方案的梁端距相对值权重；

——第i 个方案梁端距相对值；

——第i 个方案刮板输送机工作面侧槽帮与采煤机支腿滑靴之间的水平间隙相对值权重；

——第i 个方案刮板输送机工作面侧槽帮与采煤机支腿滑靴之间的水平间隙相对值；

——第i 个方案煤壁与铲煤板之间的空隙距离相对值权重；

X12i——第i 个方案煤壁与铲煤板之间的空隙距离相对值；

——第i 个方案铲煤板宽度相对值权重；

——第i 个方案铲煤板宽度相对值；

——第i 个方案无立柱空间宽度相对值权重；

——第i 个方案无立柱空间宽度相对值；

——第i 个方案支架的伸缩比相对值权重；

——第i 个方案过煤高度相对值权重；

——第i 个方案过煤高度相对值；

——第i 个方案过机高度相对值权重；

——第i 个方案过机高度相对值。

4.2 改进的粒子群算法优化三机配套选型

为使机头机尾等缝隙参数最小，在满足生产前提下使三机功率及尺寸达到最小，采用具有更好的搜索和加速性能的粒子群算法对三机配套参数计算模型进行优化，得到最优解，粒子群算法选取了以下2 种优化方式。

(1)惯性权重线性变化

为保证算法全局搜索能力和局部搜索能力之间的平衡，使用惯性权重线性递减粒子群算法，递减策略如下：

式中，m是最大迭代次数；

1e

ω1sω分别为ω的终值和初值。

(2)加速因子的线性变化

采用增加迭代次数的同时，递减 1c、递增 2c，提高粒子趋向全局最优解的速度。1c、c2计算按如下公式:

式中c1s、c1e分别为C1的初值、终值，c2s、c2e初值，分别为C2的终值、初值。

4.3 算法测试与使用

(1)按照具体地质条件在数据库中选择全部合适的采煤机、刮板输送机和液压支架。

(2)再以“三机”配套的功率评价指标、尺寸配套评价指标和的最小值为目标函数，运用改进的PSO 算法进行求解。目标函数如下：

——设备功率评价指标加权系数；

——设备尺寸配套评价指标加权系数；

——第i 套方案的三机功率之和；

——第i 套方案的三机关键尺寸之和。

本文选取山西某煤矿综采工作面3000 条监测数据作为实验数据测试该模型的性能，从检测数据中随机选取2个子集作为训练集和测试集，分别包含1500 个样本。从训练集中随机选取5 组数据集来训练IMPSO-MTMS 模型，分别包含100、200、300、400、500 个样本，如表1 所示。同样，从测试集中随机选取5 组数据集来测试IMPSOMESM 模型，每组测试数据集包含100 个样本。

表1 5 个数据集划分

在实验中，将IMPSO-MTMS 与PSO-MTMS、LAPO-MTMS进行对比，以三机配套功率评价指标和尺寸配套评价指标的加权值作为适应度值。所有优化算法的参数设置如下：种群规模：100，最大迭代：150，误差精度：0.0001。结果如图1 所示。

图1 适应度变化曲线

从图1 可以看出IMPSO-MTMS 优化在迭代51 次时达到最小误差0.172，LAPO-MTMS 和PSO-MTMS 分别迭代67 次达到最小误差0.281 和迭代27 次达到最小误差0.307，实验证明利用IMPSO-MTMS 模型的训练和参数的优化是可行的，且作用效果明显。将选型配套模型应用于吕家坨矿6175 工作面，配套结果如表2 所示。

表2 配套选型结果

针对通过CSPSO-MESM 综采设备选型配套系统选型出的新配套设备，相较于之前的配套设备，在购买设备的费用以及对设备进行维护修理的费用上，可节约大约240万元，每年可多回收0.019Mt 的原煤，每年可以给企业带来883 万元经济效益，提高了工作面的生产效率。与此同时，新的选型配套设备由于选型减少了人主观因素的影响，更加科学合理，可以减少安全事故的发生，具有良好的社会效益。

5 结语

本文提出了三机配套智能选型系统，并利用改进的粒子群算法进行选型评估。应用于吕家坨矿6175 工作面，取得理想效果，该系统可以迅速地提供科学可靠的三机配套方案，能够较好满足煤矿三机选型的要求。