煤礦井下輸送機設備的節(jié)能控制技術分析

摘 要：為了降低煤炭開采過程中的能源消耗，達到節(jié)能減排的目的，本文針對煤礦井下輸送機進行節(jié)能控制研究。在輸送機分類和特點分析的基礎上，確定了阻力、輸送帶運行速度2個關鍵點，構建二者對輸送機功率消耗影響的數(shù)學模型。以長短記憶循環(huán)網絡為深度學習框架，以阻力、輸送帶速度為網絡輸入，以輸送機功率消耗為輸出，進行參數(shù)優(yōu)化，并以此為依據(jù)展開測試試驗。結果顯示，帶寬、物料覆蓋層厚度對阻力的增加有線性正向影響；輸送帶運行速度對輸送機功率消耗呈現(xiàn)先降后升的分段影響。

關鍵詞：煤炭開采；煤礦井下；輸送機；機電設備；節(jié)能控制

中圖分類號：TD 528 文獻標志碼：A

自工業(yè)技術革命以來，煤炭一直作為最重要的能源被世界各國廣泛使用，在推動人類社會技術進步、經濟發(fā)展、生活質量提升等方面發(fā)揮了重要作用[1]。煤炭能源面臨日益嚴重的危機。一方面，煤炭作為不可再生資源，在持續(xù)多年使用后儲備量大減，如果不能及時找到替代能源，就將引發(fā)一系列的能源危機問題[2]。另一方面，煤炭的開采和使用都會帶來能量消耗和環(huán)境污染，與低碳綠色經濟發(fā)展、節(jié)能減排戰(zhàn)略相矛盾。本文關注的是煤炭開采過程中如何有效節(jié)能的問題[3]。煤炭開采過程中，作業(yè)任務主要在煤礦井下完成，主要的耗能發(fā)生在用于作業(yè)的機電設備上。煤礦井下的機電設備主要包括掘進設備、輸送設備等，變壓器和電動機也屬于此范疇。這些設備的正常作業(yè)和持續(xù)使用需要依靠大量的電能，從而造成了更多的能量消耗。本文的研究目標定位在輸送機設備上，致力于分析影響其能量消耗的各種因素并加以調整和控制，達到有效節(jié)能的目的。

1 煤礦井下輸送機設備能量消耗的影響因素分析

煤礦井下的輸送機機電設備有多種形式，但無論輸送機是何種類型，都無法避免能量消耗甚至是浪費的問題。這里，造成煤礦井下輸送機能耗的因素是多方面的。第一，輸送機每一次啟停都會造成額外的能源消耗。第二，輸送功率的大小與輸送帶上運載的煤炭量成正比，運載量越大，輸送機的能源消耗越大。第三，輸送機工作過程中，煤炭物料與輸送帶之間、輸送帶與托輥之間、輸送帶銜接部位都會存在摩擦，這些摩擦會演變?yōu)檩斔瓦^程中的阻力，為了克服這些阻力也會造成較大的能源消耗。第四，還有一些隨機因素也會影響輸送機的能耗問題，例如天氣原因、氣候原因，風力、濕度等也都會成為輸送機功率的影響。本文主要從阻力因素和輸送速度因素等方面入手，分析這些因素對煤礦井下輸送機設備能耗的影響。

基本阻力一般是指出現(xiàn)在水平的傳送帶上物料和傳送帶以及托輥之間相互摩擦所產生的阻力。對一般場地較為平整的傳送機來說，這種阻力對整個系統(tǒng)的能耗是最大的，基本阻力又可以細分為以下4個方面。第一，壓陷阻力，由于輸送帶一般彈性不好，其縱向和橫向的彈性和剛性都是有限的，在重力的作用下會壓在托輥上，在運送物料的過程中，隨著壓線區(qū)的不斷移動，輸送帶和托輥之間就產生了運行阻力，這種阻力是不可避免的。第二，擠壓阻力，物料在傳送帶上由于重力原因會在接觸面之間產生摩擦力，這種摩擦力與物料的材質有關，也與傳送帶的速度和物料的質量有關。質量越大，摩擦力越大，擠壓阻力越大。第三，運行阻力，主要是指在傳送物料的過程中傳送帶與托輥之間的摩擦阻力和因托輥等裝置密封在一個裝置內而產生的阻力，這種阻力與托輥的轉速以及傳送帶的運行速度有關，是基本阻力的重要組成部分。第四，彎曲擺動阻力，由于輸送帶不一定是線性的，相當一部分的傳送帶是曲線的，因此在通過托輥時，被不斷的彎曲，從而產生阻力。

當計算上述四種基本阻力時，可以將托輥轉動所產生的阻力經過相關公式進行變換，轉換到托輥的表面進行計算，也可以計算托輥表面與傳送帶之間相對運動所產生的阻力，例如某場合中有n段帶式輸送機，并且假設輸送機各段的負荷分布均勻，那么傳送帶的基本阻力如公式（1）所示。

（1）

式中：Wz為煤礦井下輸送機作業(yè)時各種阻力所消耗的功率；i為煤礦井下輸送機作業(yè)時所承受阻力的序號；fi為煤礦井下輸送機作業(yè)時第i種阻力所具有的阻力系數(shù)；li為煤礦井下輸送機作業(yè)時第i種阻力作用下的輸送帶長度；qi為示煤礦井下輸送機作業(yè)時第i種阻力作用下的輸送帶配置在托輥上的分布密度；q為煤炭在輸送帶上配置的分布密度；qd為輸送帶上配置的線密度；βi為煤礦井下輸送機作業(yè)時第i種阻力作用下的輸送帶的傾角。

相同運量的限定下，輸送機的運送速度越高，所需的功率越大，消耗的能耗越多。相同功率限定下，運輸機運量越大，運送速度越慢。因此運輸機的運量、運速和消耗的功率之間是相互制約的關系。輸送速度和煤炭運送量之間的合理關系，如公式（2）所示。

（2）

式中：qm為煤礦井下輸送機作業(yè)時輸送帶上最大的物料分布密度；v為煤礦井下輸送機作業(yè)時輸送帶的合理速度；vmin為煤礦井下輸送機作業(yè)時輸送帶允許的最小速度；Q為煤礦井下輸送機作業(yè)時輸送帶上的物料運量；QT為設定的閾值運量。

2 煤礦井下輸送機設備節(jié)能控制方法

為了實現(xiàn)對煤礦井下輸送機設備的節(jié)能控制，構建一種基于長短記憶循環(huán)網絡的深度學習方法進行節(jié)能控制。長短記憶循環(huán)網絡采用模型經典結構，它在RNN網絡的基礎上引入了門控機制。RNN網絡的核心結構是“記憶細胞”，而長短記憶循環(huán)網絡的核心結構可以分為輸入門、遺忘門和輸出門，如圖1所示。

兩者的網絡差異在于中間部分的結構優(yōu)化，網絡上方是少量的線性操作，保留了長期狀態(tài)下的信息記憶。其中的核心結構是門結構，通過一個Sigmoid層來控制下方信息的流通，其對應權值在0～1，用來表示對應信息通過的權重值。從左到右就依次是遺忘門、輸入門和輸出門。其中的乘號表示矩陣對應相乘，加號表示矩陣加法，Ct-1為當前神經元的輸出，ht-1為隱藏層的參數(shù)。其中，乘號單元中的計算滿足公式（3）。

ft=σ（Wf?[ht-1，xt]+bf） （3）

式中：Wf為當前網絡的對應神經元參數(shù)。

經過Sigmoid函數(shù)后輸出值就會在0～1，而輸入門的對應公式是公式（4）。

it=σ（Wi?[ht-1，xt]+bi）

=tanh（WC?[ht-1，xt]+bc） （4）

it的函數(shù)控制新狀態(tài)信息的更新程度，而Ct控制輸入的數(shù)據(jù)，將公式（3）和公式（4）組合就能得出對應的輸出公式（5）。

Ct=ft×Ct-1+it× （5）

式中：Ct為當前時刻的輸出；Ct-1為上個時刻的輸出；it為輸入門的更新程度；為控制輸入的數(shù)據(jù)。

Sigmoid層決定了哪些數(shù)據(jù)可以輸出，接著神經元狀態(tài)通過tanh函數(shù)后，將結果與Sigmoid門的輸出相乘，輸出門就能夠實現(xiàn)對前記憶的積累。

在實際使用的過程中，煤礦井下輸送機輸送帶上的阻力參數(shù)、運輸速度參數(shù)作為長短記憶循環(huán)網絡的輸入，輸送機所消耗的功率作為長短記憶循環(huán)網絡的輸出，對長短記憶循環(huán)網絡進行訓練，通過深度學習實現(xiàn)最佳的參數(shù)調整，從而達到節(jié)能控制的目的。

3 煤礦井下輸送機設備節(jié)能控制的試驗研究

在前面的工作中，對煤礦井下輸送機的分類及其對應特點進行了分析，并從阻力、運行速度等方面分析了關鍵因素對輸送機能量消耗的影響。接下來，將從幾個方面進行試驗研究，以便于對輸送機機電設備的能量控制進行分析。第一組試驗分析輸送帶寬度對輸送過程中阻力的影響，試驗結果顯示，輸送帶寬度和煤炭物料運輸過程中的阻力呈現(xiàn)分段線性函數(shù)的特征。在某個臨界寬度以前，輸送帶寬度增加對阻力增加的影響幅度較小，但一旦突破了這個臨界寬度，輸送帶寬度增加就會導致阻力迅速增大，結果如圖2所示。

第二組試驗分析輸送帶寬度對輸送過程中功率消耗的影響，假設運輸煤炭物料的總量一定，那么隨著輸送帶寬度增加，單位面積上分攤的煤炭物料量就減少，從而需要消耗的驅動功率也隨之減小，二者之間呈現(xiàn)漸進向下的影響關系，如圖3所示。

第三組試驗分析輸送帶上煤炭物料覆蓋層厚度對輸送過程阻力的影響，煤炭物料覆蓋層的厚度越大，煤炭物料的質量對輸送帶的壓力和壓強都越大，從而導致輸送過程中的阻力也持續(xù)增大。二者之間呈現(xiàn)近似的線性影響，如圖4所示。

第四組試驗分析輸送帶上煤炭物料覆蓋層厚度對輸送過程消耗功率的影響，煤炭物料覆蓋層的厚度越大，煤炭物料運載量越大，也就需要更大的驅動功率。二者之間呈現(xiàn)近似的線性影響，如圖5所示。

第五組試驗分析輸送帶運行速度對輸送過程消耗功率的影響，運行速度過小，驅動系統(tǒng)的能量消耗不能有效利用，從而會造成驅動功率浪費。運行速度過大，需要驅動系統(tǒng)提供更大的功率，也會造成能量消耗。因此，隨著輸送帶運行速度的不斷增加，驅動功率呈先降低再升高的態(tài)勢，結果如圖6所示。

4 結語

煤炭是關系國計民生的重要能源形式，煤炭開采也是非常重要的行業(yè)。為了降低煤炭開采過程中的能源消耗，必須對煤礦井下的機電設備進行節(jié)能控制。本文分析了多種因素對煤礦井下輸送機的影響，并重點建立了阻力、輸送帶運行速度對輸送機運行功率的影響模型。結合長短記憶循環(huán)網絡的深度學習方法，對輸送機節(jié)能控制參數(shù)進行優(yōu)化調整。試驗過程中，根據(jù)5組試驗對煤礦井下輸送機的功率消耗問題進行分析，從而找到了節(jié)能控制的關鍵所在。

參考文獻

[1]崔文，陳大偉，楊彥飛，等.露天煤礦機電設備通信接口和協(xié)議標準化研究[J].中國煤炭，2023，49（12）：6-13.

[2]趙亮.煤礦機電設備智能化維護研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探析[J].中國科技投資，2023（10）：116-118.

[3]楊蘇龍.小紀汗煤礦一種煤礦機電維修用機電定位工裝置設計[J].現(xiàn)代工業(yè)經濟和信息化，2022，12（11）：102-103.