楊文明，劉 程，楊元?jiǎng)P，張立超

鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450010

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，工作面“三機(jī)”設(shè)備 (液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)) 的選型配套是工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。設(shè)備選型是依據(jù)煤層賦存條件及礦方的產(chǎn)能預(yù)期，選擇綜采設(shè)備并保證設(shè)備間的機(jī)械尺寸適配，產(chǎn)能滿足生產(chǎn)需求，其整體性能需滿足采煤工藝要求[1-2]。

“三機(jī)”設(shè)備的選型理論研究已得到廣泛重視，目前已建立了完善的理論體系。王國(guó)法等人[3]闡述了薄煤層及放頂煤開(kāi)采的配套模式及關(guān)鍵技術(shù)；白如鴻等人[4]研究了淺埋煤層“三機(jī)”設(shè)備的選型及理論計(jì)算；王玉浚[5]研究了工作面的合理長(zhǎng)度判別。許多學(xué)者也依據(jù)理論計(jì)算，結(jié)合礦井條件，探索了設(shè)備的配套選型。張鵬[6]結(jié)合理論，研究了西銘礦 48702 工作面的選型問(wèn)題；胡添瑞[7]采用統(tǒng)計(jì)方式，研究了晉南地區(qū)幾十個(gè)礦井的配套，為晉南地區(qū)配套提供技術(shù)參考；于雷[8]依據(jù)礦井安全高效生產(chǎn)原則，對(duì)綜采工作面“三機(jī)”空間總體布置進(jìn)行了研究。

目前工作面“三機(jī)”設(shè)備主要依靠經(jīng)驗(yàn)及使用習(xí)慣進(jìn)行選型，再根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，存在用時(shí)較長(zhǎng)，而且選型與設(shè)計(jì)主要依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，難以復(fù)制和推廣等問(wèn)題，因此出現(xiàn)所選設(shè)備與目標(biāo)工作面不匹配，導(dǎo)致使用效果差等風(fēng)險(xiǎn)。為此開(kāi)發(fā)了智能選型及智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用編程思想，基于 W indows 平臺(tái)、Visual Studio 開(kāi)發(fā)環(huán)境和 C# 語(yǔ)言，將理論計(jì)算與成功的應(yīng)用案例內(nèi)置于程序。在 GIS地圖上，將全國(guó)主要工作面的地質(zhì)條件、煤層厚度、工作面長(zhǎng)度及“三機(jī)”設(shè)備錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，并依據(jù)礦井評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)工作面設(shè)備的使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。得分超過(guò)設(shè)定數(shù)據(jù)的產(chǎn)能良好的工作面數(shù)據(jù)會(huì)被采用。

通過(guò)該系統(tǒng)，可以智能化地選擇目標(biāo)礦井所需的“三機(jī)”成套設(shè)備，并進(jìn)行工作面 3D 展示及中部三維斷面展示，利用智能設(shè)計(jì)模塊，可對(duì)“三機(jī)”設(shè)備的細(xì)節(jié)及配套進(jìn)行選擇，為后續(xù)的生產(chǎn)作準(zhǔn)備。

1 工作面“三機(jī)”設(shè)備選型依據(jù)

1.1 液壓支架的選型

1.1.1 選型的影響因素

液壓支架的選型為“三機(jī)”選型的第一步，主要考慮以下因素：①支架高度，最小及最大采高能滿足煤層的賦存條件；② 工作阻力，要滿足礦壓需求，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致安全閥頻繁開(kāi)啟；③中心距，目前常用的支架中心距為 1.50、1.75、2.05 m；④ 工作面傾角，傾角大于 15°時(shí)，應(yīng)配置防倒防滑裝置；⑤煤的硬度；⑥ 頂、底板的穩(wěn)定性，依據(jù)煤的硬度及頂、底板穩(wěn)定性考慮是否配置伸縮梁及護(hù)幫板。

兩柱掩護(hù)式支架相對(duì)于四柱支撐式支架具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易實(shí)現(xiàn)智能控制等特點(diǎn)，智能選型目前只考慮常用的兩柱掩護(hù)式支架及放頂煤方案。

1.1.2 關(guān)鍵性能參數(shù)確定

(1) 支架高度的確定

式中：Hmax、Hmin分別為支架最大與最小高度；Mmax、Mmin分別為煤層可采的最大與最小厚度；S1為最大采高時(shí)的富裕量；S2為最小采高時(shí)頂板下沉量；a為最小降架量；b為浮煤厚度。

(2) 支架工作阻力的確定

支架工作阻力采用理論計(jì)算與周邊礦井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合的方法確定。

支架的支護(hù)強(qiáng)度p及理論工作阻力F1的計(jì)算公式如下[9]：

式中：M為開(kāi)采高度；γ為頂板巖體平均容重；λ為頂板動(dòng)載荷系數(shù)；β為附加阻力系數(shù)；α為煤層傾角；K為頂板巖石碎脹系數(shù)；B為支架中心距；Lk為控頂距；η為支撐效率。

周邊礦井的工作阻力參考值F2取周邊礦井已用液壓支架高度差在 0.5 m范圍內(nèi)，距離目標(biāo)礦井最近的 10 個(gè)礦井的平均值。例如所用液壓支架高度為 3.0 m，則可供參考的液壓支架高度范圍為 2.5～ 3.5 m。

最終選型所得到的支架工作阻力

1.2 采煤機(jī)的選型

1.2.1 主要影響因素

采煤機(jī)選型的主要依據(jù)是礦井產(chǎn)能，考慮的因素有煤層厚度、工作面長(zhǎng)度、工作面傾角、煤層與夾矸的硬度。

1.2.2 主要參數(shù)確定

(1) 平均割煤速度[10]

式中：Qd為工作面日產(chǎn)量；L為工作面長(zhǎng)度；I為采煤機(jī)三角煤行程；T為每班工作時(shí)間；Kk為采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率；Bg為截割深度；γm為煤層容重；Kc為采煤機(jī)割煤不均衡系數(shù)。

(2) 最大采高時(shí)的采煤機(jī)生產(chǎn)能力

式中：A為循環(huán)進(jìn)尺；H為采煤機(jī)最大割煤高度。

(3) 采煤機(jī)的裝機(jī)功率計(jì)算

式中：P為采煤機(jī)的截割功率；Hw為比能耗。

根據(jù)配套經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際截割功率再乘以 1.2 的系數(shù)，最終可得到采煤機(jī)的總體功率。

1.3 刮板輸送機(jī)選型

刮板輸送機(jī)的選型原則為其運(yùn)輸能力要大于采煤機(jī)的最大割煤能力[11]，即

式中：Qq為輸送機(jī)運(yùn)輸能力；Ka為割煤不均衡系數(shù)；Kb為割煤高度不均衡系數(shù)；Kv為修正系數(shù)；Ky為運(yùn)輸傾角系數(shù)；Q為采煤機(jī)的割煤能力。

2 智能選型與智能設(shè)計(jì)軟件介紹

工作面“三機(jī)”設(shè)備智能選型與設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程如圖 1 所示，其核心是基于礦井設(shè)備大數(shù)據(jù)系統(tǒng)及理論計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)了成熟理論計(jì)算與全國(guó)數(shù)千礦井成熟經(jīng)驗(yàn)的整合。該系統(tǒng)對(duì)所選設(shè)備進(jìn)行 3D 配套展示及斷面配套參數(shù)展示，并通過(guò)智能設(shè)計(jì)模塊對(duì)“三機(jī)”設(shè)備進(jìn)行智能變型，輸出 B OM 清單及材料表等，進(jìn)而傳遞至生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。

圖1 智能選型與設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程Fig.1 Process flow of intelligent selection and design system

2.1 “三機(jī)”設(shè)備智能選型與展示

“三機(jī)”設(shè)備智能選型系統(tǒng)界面如圖 2 所示。在一次采全高方案中，液壓支架可調(diào)高度為 1.1～ 10.0 m；在放頂煤方案中，依據(jù)鄭煤機(jī)、北京煤機(jī)、平頂山煤機(jī)等主流廠商的使用情況，將液壓支架的采高優(yōu)化為 3.2、3.5、4.5 及 6.3 m等 4 種系列。

圖2 智能選型系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of intelligent selection system

如圖 3 所示，智能選型結(jié)果分為 2 種，分別為智選方案和高產(chǎn)高效方案。智選方案為系統(tǒng)智能推薦的最佳方案；高產(chǎn)高效方案為在當(dāng)前的地質(zhì)條件下，以礦井可行的最大產(chǎn)能為原則，推薦的工作面“三機(jī)”設(shè)備型號(hào)。如詳細(xì)特點(diǎn)描述界面可展示與所選方案相匹配的過(guò)渡支架、端頭支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)及供電供液的設(shè)備智能推薦型號(hào)，還可進(jìn)行“三機(jī)”設(shè)備的3D 配套展示，可實(shí)現(xiàn)固定視角查看及任意角度手動(dòng)觸屏查看。一鍵打印模塊包含設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)，可展示設(shè)備的細(xì)節(jié)參數(shù)。

圖3 智能選型結(jié)果展示Fig.3 Display of intelligent selection results

目前常規(guī)的“三機(jī)”配套斷面圖采用二維圖繪制，而該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了斷面圖的三維可視化配套展示，如圖 4 所示，直觀呈現(xiàn)了空頂距、過(guò)煤空間、機(jī)面高度及過(guò)人間隙等關(guān)鍵配套尺寸，便于設(shè)備開(kāi)發(fā)人員與用戶直接溝通，所見(jiàn)即所得，極大提高了溝通效率。

圖4 “三機(jī)”配套中部斷面展示Fig.4 Display of middle section of "the three machines"

2.2 智能設(shè)計(jì)

“三機(jī)”設(shè)備的規(guī)格型號(hào)確定之后，基于龐大的3D 模型數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化整合設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可進(jìn)行“三機(jī)”設(shè)備主要結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)配置的智能選擇與 3D 模型的即時(shí)變化及展示，進(jìn)而自動(dòng)生成設(shè)備的技術(shù)配置表、BOM 清單及材料清單，為后續(xù)的生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

2.2.1 液壓支架的智能設(shè)計(jì)

通過(guò)液壓支架的智能設(shè)計(jì)，可最終確定設(shè)備的細(xì)節(jié)，如圖 5 所示。液壓支架頂梁的主要變化為伸縮梁的有無(wú)，底座主要的變化為推桿的豎銷、橫銷結(jié)構(gòu)及單、雙底調(diào)千斤頂結(jié)構(gòu)等。可選配置項(xiàng)為支架的防護(hù)網(wǎng)、閥類、膠管及進(jìn)液過(guò)濾器等附件，可根據(jù)材質(zhì)及智能化程度等進(jìn)行選擇。

圖5 液壓支架智能設(shè)計(jì)Fig.5 Intelligent design of hydraulic support

2.2.2 采煤機(jī)的智能設(shè)計(jì)

采煤機(jī)主要考慮主要廠商產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用6 大模塊覆蓋 64 種主流型號(hào)，如圖 6 所示。細(xì)節(jié)變形在于通過(guò)惰輪大小及數(shù)量調(diào)整機(jī)身高度、頂護(hù)板的有無(wú)、破碎機(jī)構(gòu)的有無(wú)等?？蛇M(jìn)行個(gè)性化選擇的有滾筒尺寸、變頻器及自動(dòng)化配置等。

圖6 采煤機(jī)智能設(shè)計(jì)Fig.6 Intelligent design of shearer

2.2.3 刮板機(jī)的智能設(shè)計(jì)

刮板機(jī)主要結(jié)構(gòu)變形為機(jī)頭形式、中部段形式及機(jī)尾形式，如圖 7 所示。機(jī)頭主要分為交叉?zhèn)刃杜c端卸 2 種。中部段形式分為薄煤層專用、C 形槽及鑄焊結(jié)構(gòu)。機(jī)尾形式分為普通機(jī)尾及伸縮機(jī)尾。中底板的材質(zhì)、電動(dòng)機(jī)型號(hào)及減速器型式等可選配。

圖7 刮板機(jī)智能設(shè)計(jì)Fig.7 Intelligent design of scraper conveyor

3 運(yùn)用實(shí)例

使用該智能選型與設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為平煤二礦己17-23010 工作面選擇成套設(shè)備。該工作面采高為 1.3～1.4 m，支架中心距為 1.5 m，工作面長(zhǎng)度為 180 m，埋深為 184～235 m，煤層傾角平均為 6.5°，煤層硬度為 0.8～ 1.5。智能生成的方案如表 1 所列。

表1 智能選型方案Tab.1 Schemes of intelligent selection

目前該工作面液壓支架工作阻力正常，“三機(jī)”設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，單日最大割煤 16 刀，常規(guī)運(yùn)行 12刀，滿足 100 萬(wàn) t/a 的工作面設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

工作面“三機(jī)”設(shè)備智能選型與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，解決了選型不確定性導(dǎo)致的選型不合理及經(jīng)驗(yàn)公式的繁瑣計(jì)算。該系統(tǒng)采用程序思維，利用全國(guó)礦井“三機(jī)”設(shè)備大數(shù)據(jù)庫(kù)，將全國(guó)礦井工作面選型的成功案例及理論算法融為一體，智能選擇“三機(jī)”成套設(shè)備，并將“三機(jī)”斷面圖 3D 呈現(xiàn)，解決了 2D 配套圖交互不直觀的缺點(diǎn)。其智能設(shè)計(jì)模塊利用豐富的3D 模型資源庫(kù)，基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化思維，實(shí)現(xiàn)了可視化的智能設(shè)計(jì)，從而快速實(shí)現(xiàn) B OM 結(jié)構(gòu)及材料表的生成，為下一步成套設(shè)備的智能制造及智能維護(hù)打下基礎(chǔ)。

利用該智能選型及設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行工作面的“三機(jī)”設(shè)備選型，可作為初步的選型依據(jù)。但由于工作面的復(fù)雜性與差異性，選型的結(jié)果還需要在大量的工程實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和修定，以使該系統(tǒng)更具應(yīng)用價(jià)值，更加科學(xué)合理。