工作面“三机”设备智能选型与设计系统开发

摘要：为提高煤矿工作面液压支架、采煤机和刮板输送机“三机”成套设备的选型效率及合理性，降低因设备与工作面煤层赋存匹配性差带来的选型风险，采用编程思维，设计研发了工作面“三机”设备智能选型与智能设计系统。该系统基于各设备主要供应商的设备型号及参数特点，结合全国数千个工作面的“三机”设备型号及应用情况数据库，并结合设备选型的理论计算，快速智能选出适合目标工作面成套设备。对所选成套设备可进行3D可视化配套参数展示，并进行主要结构及配置的智能设计，进一步推进至制造环节。

关键词：工作面；“三机”设备；智能选型；智能设计

作者：杨文明，刘程，杨元凯，张立超；郑州煤矿机械集团股份有限公司 河南郑州 450010

中图分类号：TD42 文献标志码：B 文章编号：1001-3954(2022)03-0001-06

煤矿开采过程中，工作面“三机”设备(液压支架、采煤机、刮板输送机)的选型配套是工作面实现高产量高效率的关键。设备选型是依据煤层赋存条件及矿方的产能预期，选择综采设备并保证设备间的机械尺寸适配，产能满足生产需求，其整体性能需满足采煤工艺要求。

“三机”设备的选型理论研究已得到广泛重视，目前已建立了完善的理论体系。王国法等人阐述了薄煤层及放顶煤开采的配套模式及关键技术；白如鸿等人研究了浅埋煤层“三机”设备的选型及理论计算；王玉浚研究了工作面的合理长度判别。许多学者也依据理论计算，结合矿井条件，探索了设备的配套选型。张鹏结合理论，研究了西铭矿48702工作面的选型问题；胡添瑞采用统计方式，研究了晋南地区几十个矿井的配套，为晋南地区配套提供技术参考；于雷依据矿井安全高效生产原则，对综采工作面“三机”空间总体布置进行了研究。

目前工作面“三机”设备主要依靠经验及使用习惯进行选型，再根据理论计算进行验证，存在用时较长，而且选型与设计主要依赖个人经验，难以复制和推广等问题，因此出现所选设备与目标工作面不匹配，导致使用效果差等风险。为此开发了智能选型及智能设计系统。

该系统采用编程思想，基于Windows平台、Visual Studio开发环境和C#语言，将理论计算与成功的应用案例内置于程序。在GIS地图上，将全国主要工作面的地质条件、煤层厚度、工作面长度及“三机”设备录入数据库，并依据矿井评价系统，对工作面设备的使用情况进行评价打分。得分超过设定数据的产能良好的工作面数据会被采用。

通过该系统，可以智能化地选择目标矿井所需的“三机”成套设备，并进行工作面3D展示及中部三维断面展示，利用智能设计模块，可对“三机”设备的细节及配套进行选择，为后续的生产作准备。

1 工作面“三机”设备选型依据

1.1 液压支架的选型

1.1.1选型的影响因素

液压支架的选型为“三机”选型的第一步，主要考虑以下因素：① 支架高度，最小及最大采高能满足煤层的赋存条件；②工作阻力，要满足矿压需求，过小会导致安全阀频繁开启；③中心距，目前常用的支架中心距为 1.50、1.75、2.05 m；④ 工作面倾角，倾角大于15°时，应配置防倒防滑装置；⑤煤的硬度；⑥顶、底板的稳定性，依据煤的硬度及顶、底板稳定性考虑是否配置伸缩梁及护帮板。

两柱掩护式支架相对于四柱支撑式支架具有质量轻、结构简单及易实现智能控制等特点，智能选型目前只考虑常用的两柱掩护式支架及放顶煤方案。

1.1.2关键性能参数确定

(1)支架高度的确定

H_max =M_max+S₁，     (1)

H_min=M_min-S₂-a-b,      (2)

式中：H_max、H_min分别为支架最大与最小高度；M_max、M_min分别为煤层可采的最大与最小厚度；S₁为最大采高时的富裕量；S₂为最小采高时顶板下沉量；a为最小降架量；b为浮煤厚度。

(2)支架工作阻力的确定

支架工作阻力采用理论计算与周边矿井数据相结合的方法确定。

支架的支护强度P及理论工作阻力F1的计算公式如下：

p=Mγλβcosa/(K-1) ,   (3)

F₁=pBL_k/η ，            (4)

式中：M为开采高度；γ为顶板岩体平均容重；入为顶板动载荷系数；β为附加阻力系数；a为煤层倾角；K 为顶板岩石碎胀系数；B为支架中心距；L为控顶距；η为支撑效率。

周边矿井的工作阻力参考值F2取周边矿井已用液压支架高度差在0.5 m范围内，距离目标矿井最近的10个矿井的平均值。例如所用液压支架高度为3.0m，则可供参考的液压支架高度范围为2.5～3.5m。

最终选型所得到的支架工作阻力

F=1.05(F₁+F₂)/2。 (5)

1.2 采煤机的选型

1.2.1 主要影响因素

采煤机选型的主要依据是矿井产能，考虑的因素有煤层厚度、工作面长度、工作面倾角、煤层与夹研的硬度。

1.2.2主要参数确定

(1)平均割煤速度

ν=Q_d(L+I) / 2×60TK_kLMB_gγ_mK_c ,  (6)

式中：Q_d为工作面日产量；L为工作面长度；I为采煤机三角煤行程；T为每班工作时间；K_k为采煤机开机率；B_g为截割深度；γ_m为煤层容重；K_c为采煤机割煤不均衡系数。

(2)最大采高时的采煤机生产能力

Q_max=60 AHγ_mν, (7)

式中：A为循环进尺；H为采煤机最大割煤高度。

(3)采煤机的装机功率计算

P=Q_maxH_w， (8)

式中：P为采煤机的截割功率；H_w为比能耗。

根据配套经验，实际截割功率再乘以1.2的系数，最终可得到采煤机的总体功率。

1.3 刮板输送机选型

刮板输送机的选型原则为其运输能力要大于采煤机的最大割煤能力，即

Q_q≥K_aK_bK_vK_yQ ,  (9)

式中：Q_q为输送机运输能力；K_a为割煤不均衡系数；K_b为割煤高度不均衡系数；K_v为修正系数；K_y为运输倾角系数；Q为采煤机的割煤能力。

2 智能选型与智能设计软件介绍

工作面“三机”设备智能选型与设计系统工作流程如图1所示，其核心是基于矿井设备大数据系统及理论计算模块，实现了成熟理论计算与全国数千矿井成熟经验的整合。该系统对所选设备进行3D 配套展示及断面配套参数展示，并通过智能设计模块对“三机”设备进行智能变型，输出BOM清单及材料表等，进而传递至生产制造环节。

图1智能选型与设计系统工作流程

2.1 “三机”设备智能选型与展示

“三机”设备智能选型系统界面如图2所示。在一次采全高方案中，液压支架可调高度为1.1 ~10.0m；在放顶煤方案中，依据郑煤机、北京煤机、平顶山煤机等主流厂商的使用情况，将液压支架的采高优化为3.2、3.5、4.5及6.3m 等4种系列。

如图3所示，智能选型结果分为2种，分别为智选方案和高产方案。智选方案为系统智能推荐的较佳方案；高产方案为在当前的地质条件下，以矿井可行的最大产能为原则，推荐的工作面“三机”设备型号。如详细特点描述界面可展示与所选方案相匹配的过渡支架、端头支架、转载机、破碎机及供电供液的设备智能推荐型号，还可进行“三机”设备的3D配套展示，可实现固定视角查看及任意角度手动触屏查看。一键打印模块包含设备技术规格书，可展示设备的细节参数。

目前常规的“三机”配套断面图采用二维图绘制，而该系统实现了断面图的三维可视化配套展示，如图 4 所示，直观呈现了空顶距、过煤空间、机面高度及过人间隙等关键配套尺寸，便于设备开发人员与用户直接沟通，所见即所得，极大提高了沟通效率。

2.2 智能设计

“三机”设备的规格型号确定之后，基于庞大的3D 模型数据库支撑，通过对模型进行模块化及标准化整合设计，该系统可进行“三机”设备主要结构形式及技术配置的智能选择与3D 模型的即时变化及展示，进而自动生成设备的技术配置表、BOM 清单及材料清单，为后续的生产做准备。

2.2.1 液压支架的智能设计

通过液压支架的智能设计，可最终确定设备的细节，如图5所示。液压支架顶梁的主要变化为伸缩梁的有无，底座主要的变化为推杆的竖销、横销结构及单、双底调千斤顶结构等。可选配置项为支架的防护网、阅类、胶管及进液过滤器等附件，可根据材质及智能化程度等进行选择。

2.2.2采煤机的智能设计

采煤机主要考虑主要厂商产品的结构特点，采用6大模块覆盖64种主流型号，如图6所示。细节变形在于通过惰轮大小及数量调整机身高度、顶护板的有无、破碎机构的有无等。可进行个性化选择的有滚筒尺寸、变频器及自动化配置等。

2.2.3 刮板机的智能设计

刮板机主要结构变形为机头形式、中部段形式及机尾形式，如图7所示。机头主要分为交叉侧卸与端卸2种。中部段形式分为薄煤层专用、C形槽及铸焊结构。机尾形式分为普通机尾及伸缩机尾。中底板的材质、电动机型号及减速器型式等可选配。

3 运用实例

使用该智能选型与设计系统，为平煤二矿己23010工作面选择成套设备。该工作面采高为1.3～1.4 m，支架中心距为1.5 m，工作面长度为180m，埋深为184~235 m，煤层倾角平均为6.5°，煤层硬度为0.8~1.5。智能生成的方案如表1所列。

表1智能选型方案

目前该工作面液压支架工作阻力正常，“三机”设备运行稳定，单日最大割煤16 刀，常规运行 12刀，满足100万t/a的工作面设计要求。

4 结语

工作面“三机”设备智能选型与设计系统的开发，解决了选型不确定性导致的选型不合理及经验公式的繁琐计算。该系统采用程序思维，利用全国矿井“三机”设备大数据库，将全国矿井工作面选型的成功案例及理论算法融为一体，智能选择“三机”成套设备，并将“三机”断面图3D呈现，解决了2D配套图交互不直观的缺点。其智能设计模块利用丰富的3D 模型资源库，基于模块化、标准化思维，实现了可视化的智能设计，从而快速实现BOM结构及材料表的生成，为下一步成套设备的智能制造及智能维护打下基础。

利用该智能选型及设计系统进行工作面的“三机”设备选型，可作为初步的选型依据。但由于工作面的复杂性与差异性，选型的结果还需要在大量的工程实践中进一步验证和修定，以使该系统更具应用价值，更加科学合理。

来源：矿山机械2022年第3期