CN113503160B - 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法 - Google Patents

一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113503160B
CN113503160B CN202110717707.4A CN202110717707A CN113503160B CN 113503160 B CN113503160 B CN 113503160B CN 202110717707 A CN202110717707 A CN 202110717707A CN 113503160 B CN113503160 B CN 113503160B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coal
fully
scraper conveyor
mechanized
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110717707.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113503160A (zh
Inventor
郑征
陈迪蕾
黄涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN202110717707.4A priority Critical patent/CN113503160B/zh
Publication of CN113503160A publication Critical patent/CN113503160A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113503160B publication Critical patent/CN113503160B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C35/00—Details of, or accessories for, machines for slitting or completely freeing the mineral from the seam, not provided for in groups E21C25/00 - E21C33/00, E21C37/00 or E21C39/00
    • E21C35/24—Remote control specially adapted for machines for slitting or completely freeing the mineral
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F13/00—Transport specially adapted to underground conditions
    • E21F13/06—Transport of mined material at or adjacent to the working face
    • E21F13/066—Scraper chain conveyors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Conveyors (AREA)
  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)

Abstract

本发明公开了一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，所述综采工作面关键设备包括采煤机和刮板输送机，该协同优化控制方法是基于对所述采煤机和刮板输送机建立的能耗模型，分析所述采煤机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数之间的关系，以及分析所述刮板输送机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数及刮板输送机运行参数之间的关系，并对所述采煤机和刮板输送机的能耗进行优化；本发明在满足综采工作面采煤量及采煤时间等生产要求的同时，能实现综采工作面相同采煤任务内采煤机和刮板输送机双机能耗最小化。

Description

一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法
技术领域
本发明属于矿业节能控制技术领域，特别涉及一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法。
背景技术
能源是国家繁荣、经济发展和人类生存的基础，能源供应和安全事关国家现代化建设全局。在我国一次能源结构中，煤炭占化石能源资源的90％以上，其资源储量近2300亿吨，是稳定、经济、自主保障程度最高的能源，作为保障能源安全的基石，煤炭的主体能源地位在相当长的时期内不会改变。
煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业，战略地位至关重要。我国《煤炭工业发展“十三五”规划》中提到2020年煤炭消费占能源消费总量的58％左右，随着经济发展，能源需求不断增加，因此如何提高煤炭生产效率，降低煤炭生产成本成为当前的研究重点。目前，我国煤炭90％为井下综采，其生产环境恶劣多变，生产流程复杂，主要涉及的采掘系统、运输系统、提升系统、压风系统、排水系统和通风系统等六大子系统中，采掘系统能耗占比约为25％，是六大子系统中能耗占比最大的部分。而采掘系统中采煤机和刮板输送机是系统中使用最广泛、利用率最高且能耗占比最大的两大机械设备，因此综采工作面采煤机和刮板输送机的协同运行性能状况直接决定了整个综采过程的效率及系统的能耗。
随着煤炭工业节能减排的发展趋势，针对采煤机和刮板输送机双机系统协同的能耗优化成为煤矿节能减排的重要方向。但目前国内外大部分研究主要是综采工作面采煤方法、采煤机截割性能，刮板输送机运行阻力、煤流量负荷等方面，对采煤机和刮板输送机能耗建模以及针对双机协同的能耗优化的研究还特别少，因此有必要对此进行研究。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，以综采工作面中关键设备采煤机和刮板输送机的协同运行系统为研究对象，以目前综采工作面常用的双向割煤工艺流程为例，提出了一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，本发明在满足综采工作面采煤量及采煤时间等生产要求的同时，能实现综采工作面相同采煤任务内能耗最优化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，所述综采工作面关键设备包括采煤机和刮板输送机，该协同优化控制方法是基于对所述采煤机和刮板输送机建立的能耗模型，分析所述采煤机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数之间的关系，以及分析所述刮板输送机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数及刮板输送机运行参数之间的关系，并对所述采煤机和刮板输送机在综采工作面中的能耗进行优化，所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法具体包括以下步骤：
S1：分析采煤机采煤过程中对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>和/>对应的牵引阻力/>分别建立/>对应的采煤机截割阻力数学模型和/>对应的采煤机牵引阻力数学模型，所述/>为m综采工作面第k生产循环第i工艺阶段；
S2：基于S1中对应的采煤机截割阻力数学模型，建立/>对应的采煤机截割功耗/>数学模型；
S3：基于S1中对应的采煤机牵引阻力数学模型，建立/>对应的采煤机牵引功耗/>数学模型；
S4：基于S2中对应的采煤机截割功耗数学模型和S3中/>对应的采煤机牵引功耗数学模型，得到/>对应的采煤机总功耗/>数学模型，从而建立/>对应的采煤机能耗数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的采煤机能耗/>数学模型；
S5：分析刮板输送机运煤过程中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>建立对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型；
S6：基于S5中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型，得到/>对应的刮板输送机的运行总阻力/>数学模型，从而建立/>对应的刮板输送机功耗/>数学模型；
S7：基于S6中对应的刮板输送机功耗/>数学模型，建立/>对应的刮板输送机能耗/>数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的刮板输送机能耗/>数学模型；
S8：基于S4中m综采工作面对应的采煤机能耗数学模型和S7中m综采工作面对应的刮板输送机能耗/>数学模型，建立m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型，所述m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型包括m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数和m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件。
进一步的，所述对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>为：
式(1)中：
km为采煤机滚筒的截线数，/>为采煤机滚筒的第i条截线上的截齿数，Am为煤层平均截割阻抗，bm为采煤机滚筒上截齿的截刃宽度，Bm为m综采工作面煤的脆性程度系数，/>为/>对应的采煤机牵引速度，/>为/>对应的采煤机滚筒转速，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿截距的平均值，/>为外漏自由表面系数，/>为截角的影响系数，/>为截齿前刀面的形状影响系数，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿排列方式系数，/>为地压对综采工作面煤壁的影响系数，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿相对于采煤机牵引方向的偏转角，fm为m综采工作面煤岩坚固性系数，fm'为抗切削阻力系数，/>为截齿磨损面积，/>为矿体应力状态体积系数；
所述对应的牵引阻力/>为：
式(2)中：
为驱动采煤机单截割部电机的额定功率，kW，/>为截割部的传动效率，hm为采煤机设计采高，/>单位为米，/>为采煤机后滚筒工作条件系数，Gm为采煤机自重，单位为kg，/>为采煤机的滚筒直径，单位为米，αm为综采工作面煤层倾角。
进一步的，所述对应的采煤机截割功耗/>为：
式(3)中为采煤机滚筒截割部的传动效率；
所述对应的采煤机牵引功耗/>为：
式(4)中为采煤机牵引部的传动效率；
所述对应的采煤机总功耗/>为：
进一步的，所述m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗为：
式(6)中I为m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数，K为综采工作面生产循环集合，K＝{1,2,...k,k+1,...K}；
所述m综采工作面对应的采煤机能耗为：
进一步的，所述对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>为：
式(8)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量，/>为煤在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为刮板链在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为m综采工作面刮板输送机刮板链的单位长度质量，单位为kg/m，βm为刮板输送机的铺设倾角；
所述对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(9)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，单位为kg/m,为/>对应的采煤机到刮板输送机机头卸煤处的实时距离，单位为米；
当采煤机在刮板输送机上从机尾到机头运行时，
当采煤机在刮板输送机上从机头到机尾运行时，
式(10)和式(11)中为采煤机在/>运行单位长度时的采煤量，单位为kg， 为m综采工作面/>对应的割煤量系数，hm为m号综采工作面采煤机的一次采高，sm为m综采工作面采煤机的截深，/>为m综采工作面第k工作循环时的煤密度，cm为m号综采工作面回采率，/>为/>对应的刮板输送机刮板链速度。
进一步的，当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，所述m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数I为6，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在 和/>割第一刀煤，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在/> 和/>割第二刀煤，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(12)中： 为m综采工作面第k工作循环采煤机进入煤层后的运行时间，/>为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度/> 为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间；
为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度/>为：
式(13)中Lm为m综采工作面的长壁长度，为m综采工作面采煤机长度，/>为m综采工作面第k生产循环中端部斜切进刀割三角煤长度，Lm，/>单位均为米；
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(14)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(14)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，/>为：
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(17)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(17)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(19)中为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的在上端部端头清浮煤的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数；
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(20)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(22)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(22)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(25)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(25)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(25)和式(26)中为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的下端部端头清浮煤时的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数；
进一步的，所述对应的刮板输送机的运行总阻力/>为：
所述对应的刮板输送机功耗/>为：
式(29)中为刮板输送机电机功率备用系数，ηg为刮板输送机传送装置的总效率。
进一步的，所述对应的刮板输送机能耗/>为：
所述m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗为：
所述m综采工作面对应的刮板输送机能耗为：
进一步的，所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数为：
式(33)中M为综采工作面集合,M＝{1,2,...m,m+1,...M}；
所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件包括速度约束，时间约束和采煤量约束，所述速度约束包括：
式(34)中和/>分别为/>对应的采煤机牵引速度的最小值和最大值，式(35)中/>和/>分别为/>对应的采煤机滚筒转速的最小值和最大值，式(36)中/>和/>分别为/>对应的刮板输送机刮板链速度的最小值和最大值；
所述时间约束包括：
式(37)中为/>对应的采煤机采煤时间，/>为m综采工作面第k生产循环最长允许采煤时间，式(38)中/>为m综采工作面最长允许采煤时间；
所述采煤量约束包括：
式(39)中为m综采工作面第k生产循环的实际采煤量，/>为m综采工作面的实际采煤量，/>为对m综采工作面第k生产循环所要求的最小采煤量，/>为对m综采工作面所要求的最小采煤量，单位均为kg。
进一步的，当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，
与现有的技术相比，本发明有益的效果为：
本发明基于双向割煤及运煤工艺特点，建立了采煤机采煤能耗模型和刮板输送机运煤能耗模型，并通过优化各工艺阶段采煤机牵引速度、滚筒转速、刮板输送机链速及各工艺阶段时间，在满足采煤量及采煤时间等生产要求的同时，实现综采工作面相同采煤任务内能耗最优。
附图说明
图1为采煤机双向割煤工艺流程图；
图2为时刮板输送机运煤工艺示意图；
图3为对应的刮板输送机运煤工艺示意图；
图4为对应的刮板输送机运煤工艺示意图；
图5为一个生产循环中采煤机能耗、刮板输送机能耗及总能耗的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，所述综采工作面关键设备包括采煤机和刮板输送机，该协同优化控制方法是基于对所述采煤机和刮板输送机建立的能耗模型，分析所述采煤机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数之间的关系，以及分析所述刮板输送机在各工艺阶段中的能耗与采煤机运行参数及刮板输送机运行参数之间的关系，并对所述采煤机和刮板输送机在综采工作面中的能耗进行优化，所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法具体包括以下步骤：
S1：分析采煤机采煤过程中对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>和/>对应的牵引阻力/>分别建立/>对应的采煤机截割阻力数学模型和/>对应的采煤机牵引阻力数学模型，所述/>为m综采工作面第k生产循环第i工艺阶段；
S2：基于S1中对应的采煤机截割阻力数学模型，建立/>对应的采煤机截割功耗/>数学模型；
S3：基于S1中对应的采煤机牵引阻力数学模型，建立/>对应的采煤机牵引功耗/>数学模型；
S4：基于S2中对应的采煤机截割功耗数学模型和S3中/>对应的采煤机牵引功耗数学模型，得到/>对应的采煤机总功耗/>数学模型，从而建立/>对应的采煤机能耗数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的采煤机能耗/>数学模型；
S5：分析刮板输送机运煤过程中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>建立对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型；
S6：基于S5中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型，得到/>对应的刮板输送机的运行总阻力/>数学模型，从而建立/>对应的刮板输送机功耗/>数学模型；
S7：基于S6中对应的刮板输送机功耗/>数学模型，建立/>对应的刮板输送机能耗/>数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的刮板输送机能耗/>数学模型；
S8：基于S4中m综采工作面对应的采煤机能耗数学模型和S7中m综采工作面对应的刮板输送机能耗/>数学模型，建立m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型，所述m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型包括m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数和m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件。
所述对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>为：
式(1)中：
km为采煤机滚筒的截线数，/>为采煤机滚筒的第i条截线上的截齿数，Am为煤层平均截割阻抗，bm为采煤机滚筒上截齿的截刃宽度，Bm为m综采工作面煤的脆性程度系数，/>为/>对应的采煤机牵引速度，/>为/>对应的采煤机滚筒转速，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿截距的平均值，/>为外漏自由表面系数，/>为截角的影响系数，/>为截齿前刀面的形状影响系数，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿排列方式系数，/>为地压对综采工作面煤壁的影响系数，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿相对于采煤机牵引方向的偏转角，fm为m综采工作面煤岩坚固性系数，fm'为抗切削阻力系数，为截齿磨损面积，/>为矿体应力状态体积系数；
所述对应的牵引阻力/>为：
式(2)中：
为驱动采煤机单截割部电机的额定功率，kW，/>为截割部的传动效率，hm为采煤机设计采高，/>单位为米，/>为采煤机后滚筒工作条件系数，Gm为采煤机自重，单位为kg，/>为采煤机的滚筒直径，单位为米，αm为综采工作面煤层倾角。
所述对应的采煤机截割功耗/>为：
式(3)中为采煤机滚筒截割部的传动效率；
所述对应的采煤机牵引功耗/>为：
式(4)中为采煤机牵引部的传动效率；
所述对应的采煤机总功耗/>为：
所述m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗为：
式(6)中I为m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数，K为综采工作面生产循环集合，K＝{1,2,...k,k+1,...K}；
所述m综采工作面对应的采煤机能耗为：
所述对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>为：
式(8)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量，/>为煤在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为刮板链在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为m综采工作面刮板输送机刮板链的单位长度质量，单位为kg/m，βm为刮板输送机的铺设倾角；
所述对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(9)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，kg/m,/>为对应的采煤机到刮板输送机机头卸煤处的实时距离；
当采煤机在刮板输送机上从机尾到机头运行时，
当采煤机在刮板输送机上从机头到机尾运行时，
式(10)和式(11)中为采煤机在/>运行单位长度时的采煤量，单位为kg， 为m综采工作面/>对应的割煤量系数，hm为m号综采工作面采煤机的一次采高，sm为m综采工作面采煤机的截深，/>为m综采工作面第k工作循环时的煤密度，cm为m号综采工作面回采率，/>为/>对应的刮板输送机刮板链速度。
如图1所示为采煤机双向割煤工艺流程，当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，所述m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数I为6，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在 和/>割第一刀煤，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在/> 和/>割第二刀煤，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(12)中： 为m综采工作面第k工作循环采煤机进入煤层后的运行时间，/>为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度/> 为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间，图1中/>和/>分别为m综采工作面第k工作循环采煤机采煤的开始和结束时间；
如图2所示为时刮板输送机运煤工艺示意图；
为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度/>为：/>
式(13)中Lm为m综采工作面的长壁长度，为m综采工作面采煤机长度，/>为m综采工作面第k生产循环中端部斜切进刀割三角煤长度，Lm，/>单位均为米；
如图3所示为对应的刮板输送机运煤工艺示意图，/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(14)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(14)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，/>为：
如图4所示为对应的刮板输送机运煤工艺示意图，/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(17)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(17)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(19)中为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的在上端部端头清浮煤的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数；
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(20)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(22)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(22)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(25)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(25)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(25)和式(26)中为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的下端部端头清浮煤时的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数；
所述对应的刮板输送机的运行总阻力/>为：
所述对应的刮板输送机功耗/>为：/>
式(29)中为刮板输送机电机功率备用系数，ηg为刮板输送机传送装置的总效率。
所述对应的刮板输送机能耗/>为：
所述m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗为：
所述m综采工作面对应的刮板输送机能耗为：
所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数为：
式(33)中M为综采工作面集合,M＝{1,2,...m,m+1,...M}；
所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件包括速度约束，时间约束和采煤量约束，所述速度约束包括：
式(34)中和/>分别为/>对应的采煤机牵引速度的最小值和最大值，式(35)中/>和/>分别为/>对应的采煤机滚筒转速的最小值和最大值，式(36)中/>和/>分别为/>对应的刮板输送机刮板链速度的最小值和最大值；
所述时间约束包括：
式(37)中为/>对应的采煤机采煤时间，/>为m综采工作面第k生产循环最长允许采煤时间，式(38)中/>为m综采工作面最长允许采煤时间；/>
所述采煤量约束包括：
式(39)中为m综采工作面第k生产循环的实际采煤量，/>为m综采工作面的实际采煤量，/>为对m综采工作面第k生产循环所要求的最小采煤量，/>为对m综采工作面所要求的最小采煤量，单位均为kg。
当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，
本发明参考山西某煤矿某综采工作面中采煤机和刮板输送机实际运行情况，基于本发明建立的采煤机采煤能耗模型和刮板输送机运煤能耗模型，对采煤机和刮板输送机双向采煤时在不同速度配合下的能耗进行分析，优化各工艺阶段采煤机牵引速度、滚筒转速、刮板输送机链速及各工艺阶段时间。
如表1所示为综采工作面、采煤机和刮板输送机的相关参数，如表2所示为采煤机牵引速度、滚筒转速和刮板输送机刮板链速度在一个生产循环6个工艺阶段中的参考值。
表1综采工作面、采煤机、刮板输送机相关技术参数
表2采煤机牵引速度、滚筒转速和刮板输送机刮板链速度参考值
阶段 1 2 3 4 5 6
牵引速度(m/s) 0.025 0.0333 0.0367 0.025 0.0333 0.0467
滚筒转速(r/min) 25 25 30 25 25 30
刮板链速度(m/s) 1 1.1 1.2 1 1.1 1.2
在相同的生产循环中，根据本发明建立的采煤机能耗数学模型、刮板输送机能耗数学模型以及能耗优化模型，在Matlab R2017b仿真平台上进行编程仿真，分别对双向采煤时采煤机和刮板输送机各个生产循环中各工艺阶段的牵引速度、滚筒转速和刮板链速度以及各阶段运行时间进行优化，如表3所示为采煤机牵引速度、滚筒转速和刮板输送机刮板链速度在6个工艺阶段中的优化值分别与表2中对应参考值相比的比率。
表3采煤机牵引速度、滚筒转速和刮板输送机刮板链速度优化值比率
阶段 1 2 3 4 5 6
牵引速度比率 1.068 1.093 0.956 0.844 1.093 1.034
滚筒转速比率 0.88 0.88 0.867 0.88 0.88 0.867
刮板链速度比率 0.8 0.818 0.85 0.8 0.818 0.875
在一个生产循环中采煤机能耗、刮板输送机能耗及总能耗的仿真结果如图5所示，图5中横坐标速度比率组合中参考值比率(1,1)表示采煤机牵引速度比率1，滚筒转速比率1，刮板链速度比率1，速度比率组合(0.844,0.8)表示采煤机牵引速度比率0.844，滚筒转速比率0.8，刮板链速度比率0.8，以上比率均是与表2中所示参考值进行比较后的值。
由图5可以看出，按优化比率组合中对应的速度值对采煤机牵引速度、滚筒转速、刮板输送机刮板链速度等相关运行参数进行协同控制，能使采煤机和刮板输送机的能耗均实现最优化，从以上分析结果看，在满足生产要求以及保证生产任务按时完成的情况下，采煤机和刮板输送机的能耗均降低明显，能耗优化效果较好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员应当理解，可参考综采工作面采煤机和刮板输送机等相关设备实际运行情况在形式上和细节上做改变，而不偏离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述综采工作面关键设备包括采煤机和刮板输送机，该协同优化控制方法是基于对所述采煤机和刮板输送机建立的能耗模型，对所述采煤机和刮板输送机在综采工作面中的能耗进行优化，所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法具体包括以下步骤：
S1：分析采煤机采煤过程中对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>和/>对应的牵引阻力/>分别建立/>对应的采煤机截割阻力数学模型和/>对应的采煤机牵引阻力数学模型，所述/>为m综采工作面第k生产循环第i工艺阶段；
S2：基于S1中对应的采煤机截割阻力数学模型，建立/>对应的采煤机截割功耗/>数学模型；
S3：基于S1中对应的采煤机牵引阻力数学模型，建立/>对应的采煤机牵引功耗/>数学模型；
S4：基于S2中对应的采煤机截割功耗数学模型和S3中/>对应的采煤机牵引功耗数学模型，得到/>对应的采煤机总功耗/>数学模型，从而建立/>对应的采煤机能耗/>数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的采煤机能耗Wc m数学模型；
S5：分析刮板输送机运煤过程中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>建立/>对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型；
S6：基于S5中对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>数学模型，得到/>对应的刮板输送机的运行总阻力/>数学模型，从而建立/>对应的刮板输送机功耗/>数学模型；
S7：基于S6中对应的刮板输送机功耗/>数学模型，建立/>对应的刮板输送机能耗数学模型，进一步建立m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗/>数学模型以及m综采工作面对应的刮板输送机能耗/>数学模型；
S8：基于S4中m综采工作面对应的采煤机能耗Wc m数学模型和S7中m综采工作面对应的刮板输送机能耗数学模型，建立m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型，所述m综采工作面对应的采煤机和刮板输送机双机系统能耗优化模型包括m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数和m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件。
2.根据权利要求1所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述对应的滚筒瞬时平均截割阻力/>为：
式(1)中：km为采煤机滚筒的截线数，/>为采煤机滚筒的第i条截线上的截齿数，Am为煤层平均截割阻抗，bm为采煤机滚筒上截齿的截刃宽度，Bm为m综采工作面煤的脆性程度系数，/>为/>对应的采煤机牵引速度，/>为/>对应的采煤机滚筒转速，为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿截距的平均值，/>为外漏自由表面系数，/>为截角的影响系数，/>为截齿前刀面的形状影响系数，/>为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿排列方式系数，/>为地压对综采工作面煤壁的影响系数，βi m为采煤机滚筒上第i条截线上的截齿相对于采煤机牵引方向的偏转角，fm为m综采工作面煤岩坚固性系数，fm'为抗切削阻力系数，/>为截齿磨损面积，/>为矿体应力状态体积系数；
所述对应的牵引阻力/>为：
式(2)中：
为驱动采煤机单截割部电机的额定功率，kW，/>为截割部的传动效率，hm为采煤机设计采高，/> 为采煤机后滚筒工作条件系数，Gm为采煤机自重，/>为采煤机的滚筒直径，αm为综采工作面煤层倾角。
3.根据权利要求2所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述对应的采煤机截割功耗/>为：
式(3)中为采煤机滚筒截割部的传动效率；
所述对应的采煤机牵引功耗/>为：
式(4)中为采煤机牵引部的传动效率；
所述对应的采煤机总功耗/>为：
4.根据权利要求3所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述m综采工作面第k生产循环对应的采煤机能耗为：
式(6)中I为m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数，K为综采工作面生产循环集合，K＝{1,2,...k,k+1,...K}；
所述m综采工作面对应的采煤机能耗Wc m为：
5.根据权利要求4所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述对应的刮板输送机承载侧瞬时阻力/>为：
式(8)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量，/>为煤在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为刮板链在刮板输送机溜槽中的运行阻力系数，/>为m综采工作面刮板输送机刮板链的单位长度质量，βm为刮板输送机的铺设倾角；
所述对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(9)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，/>为/>对应的采煤机到刮板输送机机头卸煤处的实时距离；
当采煤机在刮板输送机上从机尾到机头运行时，
当采煤机在刮板输送机上从机头到机尾运行时，
式(10)和式(11)中为采煤机在/>运行单位长度时的采煤量，/> 为m综采工作面/>对应的割煤量系数，hm为m号综采工作面采煤机的一次采高，sm为m综采工作面采煤机的截深，/>为m综采工作面第k工作循环时的煤密度，cm为m号综采工作面回采率，/>为/>对应的刮板输送机刮板链速度。
6.根据权利要求5所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，所述m综采工作面第k生产循环对应的工艺阶段数I为6，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在 和/>割第一刀煤，所述m综采工作面第k生产循环中采煤机在/> 和/>割第二刀煤，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(12)中：设/>为m综采工作面第k工作循环采煤机进入煤层后的运行时间，/>为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，/>为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间；
为/>对应的刮板输送机开始卸煤的时间，/>和/>分别为/>对应的采煤机采煤的开始和结束时间，所述/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度/>为：
式(13)中：
Lm为m综采工作面的长壁长度，为m综采工作面采煤机长度，/>为m综采工作面第k生产循环中端部斜切进刀割三角煤长度；
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(14)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(14)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，/>为：
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(17)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(17)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(19)中为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的下端部端头清浮煤时的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第一刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数；
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(20)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(22)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(22)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
对应的刮板输送机刮板链上的实时煤流量/>为：
式(25)中为/>对应的刮板输送机刮板链上的煤量线密度，
式(25)中为/>时刮板输送机刮板链上的煤量，
式(25)和式(26)中为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的下端部端头清浮煤时的煤量系数，/>为m综采工作面采煤机割第二刀煤时在/>对应的正常割煤时的煤量系数。
7.根据权利要求6所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述对应的刮板输送机的运行总阻力/>为：
所述对应的刮板输送机功耗/>为：
式(29)中为刮板输送机电机功率备用系数，ηg为刮板输送机传送装置的总效率。
8.根据权利要求7所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述对应的刮板输送机能耗/>为：
所述m综采工作面第k生产循环对应的刮板输送机能耗为：
所述m综采工作面对应的刮板输送机能耗为：
9.根据权利要求8所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化目标函数为：
式(33)中M为综采工作面集合,M＝{1,2,...m,m+1,...M}；
所述m综采工作面对应的双机系统能耗优化约束条件包括速度约束，时间约束和采煤量约束，所述速度约束包括：
式(34)中和/>分别为/>对应的采煤机牵引速度的最小值和最大值，式(35)中和/>分别为/>对应的采煤机滚筒转速的最小值和最大值，式(36)中/>和/>分别为/>对应的刮板输送机刮板链速度的最小值和最大值；
所述时间约束包括：
式(37)中为/>对应的采煤机采煤时间，/>为m综采工作面第k生产循环最长允许采煤时间，式(38)中/>为m综采工作面最长允许采煤时间；
所述采煤量约束包括：
式(39)中为m综采工作面第k生产循环的实际采煤量，/>为m综采工作面的实际采煤量，/>为对m综采工作面第k生产循环所要求的最小采煤量，/>为对m综采工作面所要求的最小采煤量。
10.根据权利要求9所述综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法，其特征在于，当所述m综采工作面第k生产循环中采煤机双向割煤时，
CN202110717707.4A 2021-06-28 2021-06-28 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法 Active CN113503160B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110717707.4A CN113503160B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110717707.4A CN113503160B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113503160A CN113503160A (zh) 2021-10-15
CN113503160B true CN113503160B (zh) 2024-01-23

Family

ID=78011167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110717707.4A Active CN113503160B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113503160B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114215520B (zh) * 2021-10-25 2023-10-24 北京天玛智控科技股份有限公司 煤矿工作面中的设备协同控制方法和装置
CN114033368B (zh) * 2021-11-10 2023-12-22 中煤科工开采研究院有限公司 一种基于液压支架初撑力的割煤循环分析方法
CN114033369B (zh) * 2021-11-10 2023-11-28 中煤科工开采研究院有限公司 一种基于采煤机位置架号的双向割煤循环分析方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES485637A1 (es) * 1978-12-02 1980-05-16 Bochumer Eisen Heintzmann Dispositivo para la aplicacion controlada de los utiles de una maquina de extraccion
WO2017032121A1 (zh) * 2015-08-25 2017-03-02 太原理工大学 一种煤矿综采工作面大型装备集中控制平台的实现方法
CN106761734A (zh) * 2016-11-15 2017-05-31 江苏中机矿山设备有限公司 一种截槽开采提高块煤率的采煤方法
CN111049201A (zh) * 2019-11-22 2020-04-21 河南理工大学 一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法
CN112193727A (zh) * 2020-09-11 2021-01-08 徐州工程学院 基于多传感融合的刮板输送机健康管理系统及运行方法
CN112879092A (zh) * 2021-01-20 2021-06-01 河南理工大学 软弱岩层矸石掘-碎-运智慧决策综合装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES485637A1 (es) * 1978-12-02 1980-05-16 Bochumer Eisen Heintzmann Dispositivo para la aplicacion controlada de los utiles de una maquina de extraccion
WO2017032121A1 (zh) * 2015-08-25 2017-03-02 太原理工大学 一种煤矿综采工作面大型装备集中控制平台的实现方法
CN106761734A (zh) * 2016-11-15 2017-05-31 江苏中机矿山设备有限公司 一种截槽开采提高块煤率的采煤方法
CN111049201A (zh) * 2019-11-22 2020-04-21 河南理工大学 一种交直流电网混合式大功率接口变流器协调控制方法
CN112193727A (zh) * 2020-09-11 2021-01-08 徐州工程学院 基于多传感融合的刮板输送机健康管理系统及运行方法
CN112879092A (zh) * 2021-01-20 2021-06-01 河南理工大学 软弱岩层矸石掘-碎-运智慧决策综合装置

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Coordinated Speed Control Strategy for Minimizing Energy Consumption of a Shearer in Fully Mechanized Mining;Zheng, Zheng;ENERGIES;第14卷(第5期);全文 *
Coordinated Speed Planning Strategy of Scraper Conveyor and Shearer Based on Scraper Conveyor Loads Analysis;Wang, Yanping;2019 3RD INTERNATIONAL WORKSHOP ON RENEWABLE ENERGY AND DEVELOPMENT (IWRED 2019);第267卷;全文 *
倾斜综采工作面刮板输送机上窜下滑的原因分析及控制;荆立新;黄战峰;田好敏;;河南城建学院学报(第02期);全文 *
基于时间负载均衡蚁群算法的云任务调度优化;侯守明;张玉珍;;测控技术(第07期);全文 *
薄煤层滚筒采煤机综采设备三机优化配套研究;许德敏;官凯;董涛;;山东煤炭科技(第06期);全文 *
采煤机与刮板输送机协同调速系统设计研究;刘云庭;;自动化应用(第12期);全文 *
采煤机概念设计生态学模型构建与实现;丁华;邓金涛;王义亮;杨兆建;;煤炭学报(第07期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113503160A (zh) 2021-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113503160B (zh) 一种综采工作面关键设备能耗建模和协同优化控制方法
CN106050228B (zh) 特厚煤层三滚筒采煤机及其截割方法
CN101881168A (zh) 极薄煤层爬底式综合机械化开采方法
CN201362508Y (zh) 石子煤负压气力输送系统
CN206280068U (zh) 一种带有自动喷雾降尘的分体式多滚筒采煤机
CN215165917U (zh) 一种井下水仓清理机器人
CN104138783B (zh) 自行喂料式树枝粉碎机
CN103615731A (zh) 一种煤粉炉除渣系统
CN110578518B (zh) 一种适用于薄煤层综采工作面的垂直进刀式开采工艺
CN207093081U (zh) 一种用于极薄煤层的滚筒采煤机
CN217582189U (zh) 一种支护转载除尘钻车及快速掘进装备系统
CN203375888U (zh) 炮泥机
CN106014404B (zh) 一种高速硬岩掘进采矿一体机
CN2911180Y (zh) 滚筒式露天煤矿采煤、装载联合机
CN212581808U (zh) 一种炼焦备煤系统用防棚料配煤槽
CN201407040Y (zh) 自动攉煤机
CN203935884U (zh) 自行喂料式树枝粉碎机
CN208455701U (zh) 一种机动船牵引刮斗吸盘式泥浆泵清淤机
CN210659923U (zh) 一种在刮板机行走的双臂回撤锚杆钻机
CN202021369U (zh) 预焙阳极在线自动底部清理机
CN206280069U (zh) 一种带有气动支撑杆的分体式多滚筒采煤机
CN203796260U (zh) 一种块煤开采用采煤机
CN205823277U (zh) 一种高速硬岩掘进采矿一体机
CN202245216U (zh) 板式给料机下部积矿清理装置
CN201148292Y (zh) 水仓煤泥装车机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zheng Zheng

Inventor after: Chen Dilei

Inventor after: Huang Tao

Inventor before: Chen Dilei

Inventor before: Zheng Zheng

Inventor before: Huang Tao

CB03 Change of inventor or designer information
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20231221

Address after: 454003 No. 2001 Century Avenue, hi tech Zone, Henan, Jiaozuo

Applicant after: HENAN POLYTECHNIC University

Address before: 454000 No. 2001 Century Avenue, hi tech Zone, Henan, Jiaozuo

Applicant before: Chen Dilei

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant