綜采工作面采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)負(fù)荷平衡問題探討

李 剛

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

引言

近年來，隨著綜采工作面自動(dòng)化水平的提升，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備自動(dòng)化控制能力不斷增強(qiáng)和優(yōu)化，但是綜采工作面的生產(chǎn)過程必須由采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)配合完成；采煤機(jī)的啟動(dòng)及速度設(shè)定以及刮板輸送機(jī)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)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(shè)計(jì)，提升工作面設(shè)備生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)負(fù)荷平衡。

1 綜采工作面概況

某工作面屬北三8 號(hào)下組煤盤區(qū)，工作面回采8 號(hào)煤層，由機(jī)軌巷、回風(fēng)巷、底抽巷、切眼及瓦斯治理巷組成。工作面機(jī)軌巷、回風(fēng)巷均采用全錨支護(hù)，機(jī)軌巷凈寬5.5 m，凈高3.5 m，回風(fēng)巷凈寬4.5 m，凈高3.5 m，工作面切眼采用全錨支護(hù)（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(yùn)輸機(jī)，機(jī)頭架3.07 m，過渡槽3.93 m，機(jī)尾架4.952 m，標(biāo)準(zhǔn)槽每節(jié)1.75 m，啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，額定電壓3 300 V，運(yùn)輸能力3 000 t/h，電機(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)和刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

2.1 采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

采煤機(jī)是重要的井下施工機(jī)械，其行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需功率儲(chǔ)備較大，對(duì)器件功效和使用壽命也有較高要求，采煤機(jī)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式主要有以下三種：

1）液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要由2 臺(tái)液壓馬達(dá)、行走履帶和減速器等組成，該驅(qū)動(dòng)方式體積小，并具有自動(dòng)過載保護(hù)功能，但與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比，過載能力不足且相應(yīng)速度較慢，不利于整機(jī)精準(zhǔn)控制；

2）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要由2 臺(tái)直流電機(jī)、行走履帶、可控硅整流器和減速器等組成，自動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，控制響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)，但體積大，維護(hù)量大，控制復(fù)雜，可靠性不高；

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

2.2 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

早期的刮板輸送機(jī)主要采用單速驅(qū)動(dòng)和雙速驅(qū)動(dòng)等方式，前者作為較傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，存在滑差，會(huì)造成能源損失；后者電動(dòng)機(jī)上同時(shí)安裝了低速繞組和高速繞組，能保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)低能耗運(yùn)行。近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)在刮板輸送機(jī)中開始普及應(yīng)用，其調(diào)速性能能實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)軟啟動(dòng)[1]，并在運(yùn)行過程中通過輸出頻率達(dá)到調(diào)節(jié)運(yùn)行速度的目的。

3 采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)負(fù)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(duì)采煤機(jī)和輸送機(jī)之間配合及負(fù)荷平衡問題進(jìn)行探討，以保證工作面連續(xù)生產(chǎn)?？紤]到采煤機(jī)和輸送機(jī)均采用變頻器驅(qū)動(dòng)方式牽引，故可通過變頻器調(diào)速控制。

3.1 刮板輸送機(jī)調(diào)速

電動(dòng)機(jī)主要依靠輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)，變頻器輸出轉(zhuǎn)矩T1和負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0之間存在以下關(guān)系：T1-T0＞0 時(shí)設(shè)備加速，反之則設(shè)備減速，當(dāng)T1-T0=0 時(shí)設(shè)備勻速運(yùn)行。采煤過程中應(yīng)通過變頻器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變量控制，即設(shè)備啟動(dòng)且負(fù)荷變化時(shí)主要采用轉(zhuǎn)矩控制，設(shè)備正常運(yùn)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(jī)運(yùn)行速度，節(jié)能降耗。當(dāng)帶式輸送機(jī)、破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)等均開啟并具備工作面采煤條件時(shí)，啟動(dòng)輸送機(jī)，此時(shí)刮板輸送機(jī)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(dòng)刮板輸送機(jī)。

3.2 負(fù)荷平衡

3.2.1 采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程分析

采煤過程中必須加強(qiáng)落煤速度控制，在采煤機(jī)前后滾筒割煤時(shí)煤塊落至刮板輸送機(jī)上，導(dǎo)致其負(fù)荷增大，當(dāng)其負(fù)荷值達(dá)到警戒值時(shí)會(huì)向采煤機(jī)發(fā)出減速指令。出于采煤機(jī)和輸送機(jī)負(fù)荷平衡的考慮，應(yīng)以煤炭質(zhì)量為主要控制變量，并存在以下變量關(guān)系[2]：

式中：Qs為采煤過程中落煤量；Qa為輸送機(jī)輸煤量；Pt為采煤機(jī)勻速前進(jìn)過程中工作面存煤量；Vs為采煤機(jī)前進(jìn)速度；Va為刮板輸送機(jī)前進(jìn)速度；Xt為輸送機(jī)存煤量；t 為輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

如果采煤機(jī)和輸送機(jī)均采用轉(zhuǎn)速控制模式，且當(dāng)兩者運(yùn)行方向相反（圖1-1）時(shí)，隨著輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增大，刮板輸送機(jī)上的落煤量會(huì)不斷增加，使其負(fù)荷越來越重，導(dǎo)致（3）式中Qs-Qa＞0，進(jìn)而導(dǎo)致輸送機(jī)所需電流增大，當(dāng)其電流需要量達(dá)到設(shè)計(jì)值的85%時(shí)，便會(huì)通知采煤機(jī)降低運(yùn)行速度，輸送機(jī)上的落煤量會(huì)逐漸減小，而當(dāng)輸送機(jī)負(fù)荷降至設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%時(shí)，應(yīng)將采煤機(jī)采煤速度提升值原來水平。

而當(dāng)采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行方向一致（圖1-2）時(shí)，輸送機(jī)上存煤空間會(huì)不斷減小，如采煤機(jī)仍按照原較快速度運(yùn)行，則會(huì)影響采煤機(jī)運(yùn)行，為此必須提高輸送機(jī)運(yùn)行速度，并適當(dāng)降低采煤機(jī)采煤速度。

圖1 采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行方向

3.2.2 采煤機(jī)恒速控制

采煤機(jī)恒速控制即其以固定速度運(yùn)行，而隨著采煤機(jī)采煤量的增加，輸送機(jī)運(yùn)行負(fù)荷和速度均不斷增大，待輸送機(jī)負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷的80%時(shí)，其負(fù)荷、運(yùn)行速度便與采煤機(jī)達(dá)到平衡；當(dāng)輸送機(jī)負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷的85%時(shí)，若采煤機(jī)速度恒定，則需提高輸送機(jī)速度，以降低其上煤量和負(fù)荷；當(dāng)輸送機(jī)負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷的50%時(shí)，再將輸送機(jī)速度調(diào)整至設(shè)計(jì)速度。

3.2.3 刮板輸送機(jī)恒速控制

無論采煤機(jī)和輸送機(jī)兩者運(yùn)行方向是否一致，一旦發(fā)生輸送機(jī)負(fù)荷快速上升的情況，且經(jīng)濾波處理后仍無改變，則應(yīng)降低采煤機(jī)速度，同時(shí)將輸送機(jī)負(fù)荷降至警戒線以下。以輸送機(jī)為基準(zhǔn)進(jìn)行其變頻器速度控制，以確保其速度恒定：隨著采煤機(jī)運(yùn)行速度加快，輸送機(jī)落煤量和荷載增大，當(dāng)其負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷值的80%時(shí)，其負(fù)荷與采煤機(jī)運(yùn)行速度便達(dá)到平衡狀態(tài)，綜采工作面若以該狀態(tài)采煤，則可達(dá)到最大生產(chǎn)效率；此后，輸送機(jī)負(fù)荷繼續(xù)增大值額定值的85%，便達(dá)到警戒值，此時(shí)應(yīng)干預(yù)采煤機(jī)運(yùn)行速度，使其降至設(shè)計(jì)值的50%后再加速。

實(shí)際采煤過程中，采煤機(jī)恒速控制及刮板輸送機(jī)恒速控制情況均有可能發(fā)生，為此應(yīng)綜合考慮以上兩種模式，通常采用采煤機(jī)恒速模式，當(dāng)輸送機(jī)負(fù)荷超過警戒值時(shí)，應(yīng)提高輸送機(jī)運(yùn)行速度，若此時(shí)其負(fù)荷仍無降低跡象，則應(yīng)降低采煤機(jī)運(yùn)行速度，并改用輸送機(jī)恒速模式，直至其負(fù)荷降至額定值50%后，再恢復(fù)至采煤機(jī)恒速模式。

4 結(jié)語

為進(jìn)行采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度的協(xié)同控制，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行速度、荷載等的監(jiān)測(cè)，并據(jù)此調(diào)整采煤機(jī)割煤速度，通過采煤機(jī)牽引控制及輸送機(jī)變頻控制的結(jié)合，能有效保證兩者負(fù)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(shí)踐證明，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)兩者負(fù)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(dòng)能耗，使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著提升。