综采工作面刮板输送机煤流时空分布研究

摘要：基于传感器的煤流特征研究受传感器监测范围有限的影响，无法对刮板输送机整机煤流特征进行研究；基于模型仿真的煤流特征研究缺乏对开采工艺的考虑，不能预测刮板输送机整机的煤流时空分布。针对综采工作面刮板输送机整机运载煤流特征难以监测的问题，结合综采工作面开采工艺，通过分析采煤机截割装载和刮板输送机运载煤流过程，建立了各工艺段下不同装载方式的刮板输送机瞬时装载体积、截面积的数学模型；将刮板输送机运载煤流过程划分为煤流平移和装载煤流叠加，基于有限元方法构建了综采工作面刮板输送机煤流时空分布预测模型。利用该模型仿真分析了开采工艺周期内刮板输送机的煤流时空分布特征：相比于中部正常截割阶段，端头截割阶段的煤流时空分布较为复杂；中部槽装载煤流的最大截面积出现在调换滚筒位置阶段；刮板输送机运载煤流体积在采煤机上行和下行过程中变化趋势相反，变化趋势由采煤机牵引方向决定。利用某矿工作面采煤机和刮板输送机实际运行数据作为模型的输入参数，根据预测的煤流时空分布计算过煤量，结果表明：过煤量预测结果与现场实测的变化趋势一致，累计过煤量预测误差为9.24%，在采煤机进刀过程和上行阶段的固定时间段内过煤量预测误差分别为13.19% 和13.78%，证明了煤流时空分布预测模型的正确性。

关键词：综采工作面；刮板输送机；煤流时空分布；煤流预测；装载体积；装载截面积

中图分类号：TD634.2 文献标志码：A

0 引言

刮板输送机是综采工作面的重要设备之一，其主要任务是运载采煤机截割的落煤[1]。采煤机截割工艺及滚筒截割高度变化导致割煤量实时变化，进而影响刮板输送机装煤量，使得装载的煤流分布不均[2]。而目前转载机基本是定速运行，煤流分布不均可能导致煤炭转载不及时，在刮板输送机机头出现堵塞、堆煤等故障。刮板输送机的自适应调速控制是解决以上问题的关键，而获得能够反映中部槽煤流截面积随时间和空间变化的煤流特征是实现自适应调速控制的基础[3-4]。

目前，广大学者基于传感器和模型仿真对刮板输送机煤流特征开展了相关研究。在基于传感器的煤流特征研究中，机器视觉技术[5-7]、超声波技术[8-9]、激光扫描技术[10-11]等被广泛应用于煤流监测，但受传感器监测范围有限的影响，只能获得小范围的煤流特征，无法对刮板输送机整机煤流特征进行研究。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线段采煤机滚筒截割顶煤和底煤时，刮板输送机煤流的瞬时装载体积和截面积，通过仿真获得了工作面开采过程中刮板输送机运输的最大煤流质量；刘建伟等[13-14]根据采煤机采煤量及其与刮板输送机的相对运动关系，建立了刮板输送机的总煤流质量模型，定性分析了刮板输送机运输煤流质量随时间的变化特点； WangYanping 等[15]根据采煤机生产率，分析了工作面中部直线段和端头弯曲段采煤机与刮板输送机的相对运动关系，建立了刮板输送机运载煤流质量模型，获得了刮板输送机运输煤流质量随时间的变化规律；O.Stoicuta 等[1，16]建立了采煤机的采煤量模型和刮板输送机的煤流质量模型，进一步建立了煤流控制系统。模型仿真的方法可从理论上计算采煤机截割煤量，模拟刮板输送机运载煤流过程，预测中部槽各位置的煤流特征。但目前模型仿真缺乏对开采工艺的考虑，虽然部分学者提出了总运载煤流质量的预测方法，却忽略了运载过程煤流的装卸对总运载煤流质量的影响，未能预测刮板输送机整机的煤流时空分布。

为解决刮板输送机整机煤流时空分布的预测问题，本文结合综采工作面开采工艺，给出了不同装载方式在各工艺段的刮板输送机瞬时装载体积、截面积的数学模型，基于装载位置、装载长度和瞬时装载截面积建立了刮板输送机煤流时空分布预测模型，可实现对整机煤流时空分布的预测。

1 瞬时装载体积

刮板输送机瞬时装载体积指单位时间装载煤流体积。在不同的装载方式和工艺段下，瞬时装载体积计算方法不同。根据煤流装载位置，将刮板输送机煤流装载方式分为前滚筒截割装载、后滚筒截割装载和刮板输送机推移浮煤装载。综采工作面主要采用端部斜切进刀的开采工艺[17-19]，如图1 所示，该工艺划分为工作面中部正常截割和端头截割，其中端头截割为采煤机进刀过程。