煤礦三機(jī)配套智能選型參數(shù)計(jì)算方法探究

鄭占彬

（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備管理中心，河北 唐山 063000）

作為煤炭綜采的重要工具，煤礦三機(jī)包括液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)。面對(duì)各種各樣的工作面條件，需要根據(jù)實(shí)際條件，選擇不同型號(hào)的煤礦三機(jī)，傳統(tǒng)上這項(xiàng)工作都是由煤科院人員或礦上領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員等開會(huì)研討來選型，選型過程中通常要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，但選型結(jié)果很多時(shí)候卻并不盡如人意。往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)備之間不配套，設(shè)備生產(chǎn)能力過大造成浪費(fèi)，甚至有因?yàn)樵O(shè)備尺寸過大而難以運(yùn)至工作面的情況。

為解決如上問題，提出1 種煤礦三機(jī)配套的智能選型參數(shù)計(jì)算方法（MTMS）。

1 采煤機(jī)選型參數(shù)計(jì)算

1.1 煤層厚度和傾角

采煤機(jī)的最大截割高度應(yīng)大于煤層最大厚度，機(jī)身高度應(yīng)小于煤層最小厚度。具體，采煤機(jī)的最大采高可用下式計(jì)算:

式中Mmax——采煤機(jī)最大采高；

A——采煤機(jī)機(jī)面高度；

C——采煤機(jī)機(jī)體厚度；

L——搖臂長(zhǎng)度；

D——滾筒直徑；

αmax——搖臂向上的最大擺角。

采煤機(jī)滾筒調(diào)高方式主要有搖臂調(diào)高、截割部調(diào)高、機(jī)身調(diào)高3 種方式。在工作面出現(xiàn)底板起伏不平的情況時(shí)，采煤機(jī)應(yīng)有一定的臥底量。雙滾筒采煤機(jī)的最大臥底量Kmax可用下式計(jì)算：

式中，βmax為搖臂向下的最大擺角。

計(jì)算結(jié)果若為負(fù)值，表示割至中部槽底面以下的深度；若為正值，則表示采煤機(jī)不能臥底。一般而言，采煤機(jī)的最大臥底量應(yīng)為150～300mm，以保證充分提高刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾處三角煤的開采率。并且一般情況下，采煤機(jī)底托架應(yīng)有不少于500mm 的過煤高度，以免大塊煤夾在采煤機(jī)與輸送機(jī)之間，造成停機(jī)事故。

1.2 生產(chǎn)能力

三機(jī)單獨(dú)的生產(chǎn)能力須等于或大于工作面需要的生產(chǎn)能力。即保證：Q3>Q2>Q1

Q1——工作面需要的生產(chǎn)能力；

Q2——采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)能力；

Q3——刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)能力。

2 液壓支架選型參數(shù)計(jì)算

2.1 煤層厚度與傾角

一般按下式計(jì)算：

式中Hmin——支架的最小支護(hù)高度；

Mmin——煤層的最大、最小厚度；

S1——支架在最小采高處后支柱處的頂板下沉量；

a——支柱的卸載高度，一般取50。

支架最大支護(hù)高度通常比最大采高大200 mm 左右，即：

在煤層厚度大于2.5m 時(shí)，應(yīng)選用帶護(hù)板裝置的支架。當(dāng)煤層傾角處于15～18°之間時(shí)，支架應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置；當(dāng)傾角超過18°，應(yīng)同時(shí)配備防滑和防倒裝置。

2.2 頂板與底板強(qiáng)度

一般而言，堅(jiān)硬頂板選用支撐式支架；穩(wěn)定、中等穩(wěn)定頂板選用支撐式或支撐掩護(hù)式支架；不穩(wěn)定頂板選用掩護(hù)式支架，優(yōu)先選用兩柱掩護(hù)式支架。

支架底板的允許比壓要大于接觸比壓。底板的巖層性質(zhì)與允許比壓P允有關(guān)，軟巖底板和砂巖底板分別為0.98 MPa 和1.96 MPa 左右。在進(jìn)行智能選型配套時(shí)，應(yīng)計(jì)算接觸比壓值并與底板允許比壓進(jìn)行比較，選擇接觸比壓小于底板允許比壓的支架。即：

式中S——液壓支架的底座面積；

G——工作面的頂板壓力。

工作面的頂板壓力即為工作面支柱所應(yīng)提供的支撐阻力。

(1)液壓支架的工作阻力

在綜采工作面，液壓支架合理的工作阻力應(yīng)與頂板壓力相適應(yīng)。液壓支架對(duì)頂板應(yīng)提供的總工作阻力為：

式中λ 為支柱的有效支撐系數(shù)，支架的支撐面積為F。

(2)液壓支架的初撐力

為保證支架的穩(wěn)定和對(duì)頂板的保護(hù)，支架的初撐力設(shè)置為工作阻力的70～80%。

(3)液壓支架的移架速度

根據(jù)頂板的穩(wěn)定性，工作面可以采用多種移架方式，但總的要求是液壓支架的移架速度必須大于采煤機(jī)的最大牽引速度。

3 刮板輸送機(jī)選型參數(shù)計(jì)算

3.1 刮板輸送機(jī)輸送能力

按連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

式中F——貨載最大橫斷面積，

ρ——?jiǎng)佣逊e角，原煤ρ ＝20～30°；

b——刮板輸送機(jī)槽寬；

h——刮板輸送機(jī)槽深；

Ψ——貨載的裝滿系數(shù)；

γ——貨載的散集容重；

ν——刮板輸送機(jī)鏈速。

3.2 溜槽斷面的校核

當(dāng)給定輸送機(jī)生產(chǎn)能力Q，驗(yàn)算溜槽最大載貨斷面時(shí)，按下式計(jì)算：

式中ν′——輸送機(jī)對(duì)采煤機(jī)的相對(duì)速度；

νc——采煤機(jī)牽引速度。

設(shè)煤炭的動(dòng)堆積角為30°，計(jì)算采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的F’，若F’＞F，則認(rèn)為該刮板輸送機(jī)輸送能力不足，不可選用。

4 三機(jī)參數(shù)配套智能計(jì)算模型

4.1 三機(jī)配套參數(shù)模型

將相互關(guān)聯(lián)的尺寸進(jìn)行量化，以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備體系中設(shè)備局部尺寸調(diào)整量最小為配套最佳目標(biāo)，建立配套評(píng)價(jià)模型。

式中：

——第i 個(gè)方案的梁端距相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案梁端距相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案刮板輸送機(jī)工作面?zhèn)炔蹘团c采煤機(jī)支腿滑靴之間的水平間隙相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案刮板輸送機(jī)工作面?zhèn)炔蹘团c采煤機(jī)支腿滑靴之間的水平間隙相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案煤壁與鏟煤板之間的空隙距離相對(duì)值權(quán)重；

X12i——第i 個(gè)方案煤壁與鏟煤板之間的空隙距離相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案鏟煤板寬度相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案鏟煤板寬度相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案無立柱空間寬度相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案無立柱空間寬度相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案支架的伸縮比相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案過煤高度相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案過煤高度相對(duì)值；

——第i 個(gè)方案過機(jī)高度相對(duì)值權(quán)重；

——第i 個(gè)方案過機(jī)高度相對(duì)值。

4.2 改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化三機(jī)配套選型

為使機(jī)頭機(jī)尾等縫隙參數(shù)最小，在滿足生產(chǎn)前提下使三機(jī)功率及尺寸達(dá)到最小，采用具有更好的搜索和加速性能的粒子群算法對(duì)三機(jī)配套參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)解，粒子群算法選取了以下2 種優(yōu)化方式。

(1)慣性權(quán)重線性變化

為保證算法全局搜索能力和局部搜索能力之間的平衡，使用慣性權(quán)重線性遞減粒子群算法，遞減策略如下：

式中，m是最大迭代次數(shù)；

1e

ω1sω分別為ω的終值和初值。

(2)加速因子的線性變化

采用增加迭代次數(shù)的同時(shí)，遞減 1c、遞增 2c，提高粒子趨向全局最優(yōu)解的速度。1c、c2計(jì)算按如下公式:

式中c1s、c1e分別為C1的初值、終值，c2s、c2e初值，分別為C2的終值、初值。

4.3 算法測(cè)試與使用

(1)按照具體地質(zhì)條件在數(shù)據(jù)庫中選擇全部合適的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架。

(2)再以“三機(jī)”配套的功率評(píng)價(jià)指標(biāo)、尺寸配套評(píng)價(jià)指標(biāo)和的最小值為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用改進(jìn)的PSO 算法進(jìn)行求解。目標(biāo)函數(shù)如下：

——設(shè)備功率評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)系數(shù)；

——設(shè)備尺寸配套評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)系數(shù)；

——第i 套方案的三機(jī)功率之和；

——第i 套方案的三機(jī)關(guān)鍵尺寸之和。

本文選取山西某煤礦綜采工作面3000 條監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試該模型的性能，從檢測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取2個(gè)子集作為訓(xùn)練集和測(cè)試集，分別包含1500 個(gè)樣本。從訓(xùn)練集中隨機(jī)選取5 組數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練IMPSO-MTMS 模型，分別包含100、200、300、400、500 個(gè)樣本，如表1 所示。同樣，從測(cè)試集中隨機(jī)選取5 組數(shù)據(jù)集來測(cè)試IMPSOMESM 模型，每組測(cè)試數(shù)據(jù)集包含100 個(gè)樣本。

表1 5 個(gè)數(shù)據(jù)集劃分

在實(shí)驗(yàn)中，將IMPSO-MTMS 與PSO-MTMS、LAPO-MTMS進(jìn)行對(duì)比，以三機(jī)配套功率評(píng)價(jià)指標(biāo)和尺寸配套評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)值作為適應(yīng)度值。所有優(yōu)化算法的參數(shù)設(shè)置如下：種群規(guī)模：100，最大迭代：150，誤差精度：0.0001。結(jié)果如圖1 所示。

圖1 適應(yīng)度變化曲線

從圖1 可以看出IMPSO-MTMS 優(yōu)化在迭代51 次時(shí)達(dá)到最小誤差0.172，LAPO-MTMS 和PSO-MTMS 分別迭代67 次達(dá)到最小誤差0.281 和迭代27 次達(dá)到最小誤差0.307，實(shí)驗(yàn)證明利用IMPSO-MTMS 模型的訓(xùn)練和參數(shù)的優(yōu)化是可行的，且作用效果明顯。將選型配套模型應(yīng)用于呂家坨礦6175 工作面，配套結(jié)果如表2 所示。

表2 配套選型結(jié)果

針對(duì)通過CSPSO-MESM 綜采設(shè)備選型配套系統(tǒng)選型出的新配套設(shè)備，相較于之前的配套設(shè)備，在購(gòu)買設(shè)備的費(fèi)用以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)修理的費(fèi)用上，可節(jié)約大約240萬元，每年可多回收0.019Mt 的原煤，每年可以給企業(yè)帶來883 萬元經(jīng)濟(jì)效益，提高了工作面的生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，新的選型配套設(shè)備由于選型減少了人主觀因素的影響，更加科學(xué)合理，可以減少安全事故的發(fā)生，具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語

本文提出了三機(jī)配套智能選型系統(tǒng)，并利用改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行選型評(píng)估。應(yīng)用于呂家坨礦6175 工作面，取得理想效果，該系統(tǒng)可以迅速地提供科學(xué)可靠的三機(jī)配套方案，能夠較好滿足煤礦三機(jī)選型的要求。