2024-06-05
(1) 构建了固体充填刮板输送机运载位姿形态表征方法。(2) 揭示了固体充填刮板输送机复杂工况运载调控机制。(3) 提出了固体充填刮板输送机异常工况自主调控方法。
超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法
作者：张强1, 2，张吉雄1, 2，宗庭成1, 2，金子山1, 3，韩雨1, 2，杨康1, 2，张斌4，傅瑞华5单位：1.中国矿业大学 矿业工程学院；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室；3.中国矿业大学 孙越崎学院；4.山东新巨龙能源有限责任公司；5.宁夏天地奔牛实业集团有限公司煤炭目前在我国一次能源中占据主体地位，仍将是新时代构建清洁低碳安全高效能源体系的“稳定器”与“压舱石”，但煤炭资源开采导致的地表沉陷、固废排放等问题依然严峻，国家在《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中明确指出“大力发展绿色矿业，推广应用矸石不出井模式，鼓励采矿企业利用尾矿、共伴生矿填充采空区，推动实现尾矿就地消纳”。充填开采作为绿色开采技术的典型代表，能够有效控制岩层移动、处理固废排放等，其应用需求还将与日俱增。同时，“十三五”规划纲要明确提出“加快推进煤矿无人开采技术研发和应用”，“十四五”期间国家将积极推进煤矿的智能化建设与智慧矿山发展，《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》提出“十四五”建成智能化煤矿1 000处以上。2022年，在冀中能源公司邢东矿进行了全国首个固体智能充填采煤工程试验，与非智能充填开采相比，智能化充填开采每班可减少用工4～5人，充填工效提升约54%。由此可见，高效智能化必然是固体充填技术未来发展的主流趋势。固体充填刮板输送机(在相关论文及工程现场也称为多孔底卸式刮板输送机、矸石充填刮板输送机、悬挂式刮板输送机、吊挂式固体充填刮板输送机、充填刮板输送机等，本文统称为固体充填刮板输送机)作为固体充填技术的核心设备，其性能的发挥与可靠性保障制约着固体充填技术的整体效能。传统落地式运煤刮板输送机在智能调速、实时监测、远程集中控制等研究方面已取得较大进展，基本实现了刮板输送机智能运煤；但对于柔性悬挂的固体充填刮板输送机而言，其工作条件复杂，工况状态受到地质条件、充填工艺等因素影响较大，易产生多种复杂工况甚至异常工况，影响其运行状态的可靠程度，进而直接影响固体充填技术的效率与产能。因此，固体充填刮板输送机结构特征、空间位姿实时表征、异常工况状态自动判别、高可靠性运料及智能运载调控等问题亟待研究解决。目前，在空间位姿表征及判别方面，笔者建立了充填支架MDH运动学模型，实现各充填关键装备工况位态精准表征，提出了充填支架的工况判别及解调方法；方新秋等利用光纤光栅三维曲率传感器实现了刮板输送机空间位姿的实时感知等。在运载智能调控方面，毛君等基于链条张力自动控制原理构建了电液力伺服液压系统数学模型，实现了对刮板输送机链条张力的自动调节控制；杨刚等分析了将高效节能永磁同步电机及其变频系统应用于刮板输送机的可行性及优势。上述研究主要集中在前部运煤刮板输送机位姿感知与智能调控方面，而针对固体充填刮板输送机，尤其是耦合超大采长(针对固体充填开采而言，也即200 m以上的超长运距)、柔性悬挂、非均载等特征而导致异常姿态与复杂运载工况的调控方法研究还比较少，本文在以下方面进行了研究：(1)总结了固体充填刮板输送机特征，建立了针对刮板输送机位姿形态与牵引输送工况状态精确的表征方法，有效量化了刮板输送机的实际工况，并进一步得到了固体充填刮板输送机牵引力与长度或运距的关系。(2)分析异常工况形成机理，提出了异常工况的判别指标及准则，为固体充填刮板输送机空间位姿与牵引状态的自主识别提供了可靠的准则。(3)针对260 m超大采长柔性悬挂固体充填刮板输送机应用场景，构建了高可靠性输送的智能运载调控方法，并结合实际工程案例进行验证分析。固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备，其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步，暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈，运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著，异常工况自主调控问题亟待解决。
总结了固体充填刮板输送机特征；构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法；通过分析异常工况的形成机理，选取异常工况判别指标，结合位姿与运输状态表征方法，给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径，揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制，提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。
全国首个260m工作面长固体充填工程案例表明：通过异常工况自主调控，平均最大水平偏移距每减少100mm，刮板链牵引力可减少85kN，输送功率损耗可减少55kW；平均最大垂直偏移距每减小100mm时，输送功率损耗可减少7.2kW；单位长度货载运量每减少100kN/m，刮板链牵引力可减少31.9kN，输送功率损耗可减少38.2kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能，可助力实现固体智能充填开采。
图1 固体充填刮板输送机起源及发展演化
图2 固体充填刮板输送机基本结构
图3 位姿形态表征示意
图4 固体充填刮板输送机不同工况示意
图5 S形弯曲段计算模型
图6 刮板输送机S型弯曲段刮板链牵引力示意
图7 固体充填刮板输送机牵引力随长度变化曲线
图8 固体充填刮板输送机智能运载调控逻辑
图9 SGZ800/1400型固体充填刮板输送机实景工况
图10 刘海向斜示意
图11 固体充填刮板输送机位姿参数现场实测
图12 垂直弯曲牵引力与平均最大垂直偏移距的关系
张强，男，工学博士，中国矿业大学副教授、博士生导师，智能采矿工程系副主任。江苏省百篇优秀博士论文获得者、江苏省优秀学术学位论文指导教师、江苏青蓝工程优秀青年骨干教师。近5年主持国家级项目2项，企业科技创新项目18项，获科技进步奖8项(3项R1)，发表论文29篇，授权发明专利21件，出版学术专著1部。研究方向
固体智能充填方法及充填支护机器人开发、充填开采岩层精准控制理论、充填系统设计与材料研发等
来源：
张强，张吉雄，宗庭成，等. 超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法[J]. 煤炭学报， 2024，49(4)：2141−2151.
责任编辑：宫在芹
