掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置及方法

1.本发明属于煤层掘进工作面除尘技术领域，具体涉及掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置及方法。


背景技术：

2.我国是煤炭资源丰富而石油、天然气资源相对缺乏的国家，现阶段能源格局基本确定为以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展。作为世界上第一大煤炭生产国和第一大煤炭消费国，煤炭始终是我国重要的基础能源。国家统计局发布的数据显示，2017年全国原煤产量34.45亿吨，煤炭消费量约占能源消费总量的60.3％。煤矿井下各工序中，掘进工作面是最为重要的生产场所之一，可为地质灾害的探测、矿井生产系统的构建、回采工作面的形成及接续提供基础和保障。近年来，随着巷道掘进技术的快速发展，机械化、自动化掘进水平迅速提高，综合机械化掘进已广泛应用于全国各煤矿。随之而来的矿井生产自然灾害问题也愈发突出，尤其是综掘作业区域高浓度粉尘污染严重威胁了矿工职业安全健康和矿井安全高效生产。根据测定，在没有采取任何防尘措施的情况下，掘进机截割煤岩体瞬间在迎头区域产生的总粉尘浓度可高达2500-3000mg/m3，即使采取控除尘措施，多数工作面的粉尘浓度在一定程度上得到降低，但人员作业区域环境依然相当恶劣，掘进机下风侧总粉尘和呼尘浓度可分别高达400mg/m3、250mg/m3。上述粉尘污染数据己远远超出国家规程的上限规定。
3.由此可见，掘进工作面生产现场的高浓度粉尘污染，不仅会降低作业人员的劳动生产率，还会导致作业人员罹患尘肺病长期无法治愈而死亡，甚至引发粉尘爆炸事故，造成重大人员伤亡和经济损失。现阶段国家矿山都在向智能化矿山行动，而现阶段的设备中，除尘风机与降尘水幕无法实现联动，经除尘风机除尘后，还有大量粉尘出现逸散；因此，有必要在除尘风机后安装降尘水幕，但是随着掘进面不断推进，降尘水幕的前移是有待解决的严重问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置，通过设计智能化的掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式智能化除尘装置，同时将除尘风机与降尘水幕有效结合起来，采用粉尘传感器及风量传感器对除尘风筒以及降尘水幕的联动控制，保证高效除尘，提供了一个健康安全的工作环境。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体步骤如下：
6.掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置，包括除尘风机部、降尘水幕部和中央控制系；
7.所述除尘风机部主要用于对矿上掘进工作面进行降尘；
8.所述降尘水幕部主要用于对矿上掘进工作面展开全断面降尘水幕降低逃逸的粉尘，与除尘风机协同降低矿下粉尘浓度；
9.所述中央控制系统用于控制除尘风机部以及降尘水幕部的工作；
10.所述降尘水幕部位于除尘风机部的正前方，降尘水幕部通过降尘连接管接口与除尘风机部连接。
11.优选地，所述降尘连接管接口位于除尘箱中心、中心偏左450mm、中心偏右450mm；所述降尘连接管接口内径为φ25mm。
12.进一步地，所述除尘风机部包括风机、吸风风筒、除尘箱、抽风风筒以及风机机箱，所述吸风风筒设置在最前端，抽风风筒连接于除尘箱和风机机箱之间，风机机箱位于抽风风筒前面，除尘箱设于抽风风筒后面；所述吸风风筒设有五个吸风口，三个在正面，两个在侧面，吸风风筒位于距离吸风口一米m的位置；保证粉尘可以高效被抽风风筒进入除尘箱，除尘箱的内部设有内喷雾，内喷雾使用不锈钢水管与进水管口连接。
13.进一步地，所述吸风风筒的左侧设有气体传感器以及风量传感器，吸风风筒的右侧设有粉尘传感器；所述气体传感器、风量传感器以及粉尘传感器均位于风筒中部，气体传感器与风量传感器相距20cm，气体传感器在前，风量传感器在后。
14.优选地，所述内喷雾的出水口设有五个1mm口径喷头，其中三个位于除尘箱内顶部，两个位于除尘箱侧面。
15.进一步地，所述除尘箱后设有过滤板，除尘箱后端设有排污口，降尘后污水由排污阀排出。
16.进一步地，所述降尘水幕机构由降尘水幕杆、连接阀、可控角度连接杆、降尘水幕杆喷嘴、注水软管、降尘水幕进水口组成，可控角度连接杆通过连接阀与降尘水幕杆连接；所述降尘水幕杆进水口设在降尘水幕杆的一侧，注水软管连接于进水管口和降尘水幕进水口之间；所述可控角度连接杆可以调节降尘水幕杆的方向与角度。
17.优选地，所述可控角度连接杆连接处设有安装环，安装环内环布置环状突起，与降尘水幕杆连接处的凹槽进行啮合，安装环外侧设有连接部连接于连接杆，连接杆内部含有电控控制装置，用于控制安装环的旋转角度。当水幕控制单元输出信号，电控控制装置使安装环发生旋转，由于装置啮合带动降尘水幕杆进行旋转，进而控制降尘水幕杆的方向与角度。
18.进一步地，所述中央控制系统包括中央控制系统外箱体、防爆控制面板、粉尘传感器控制单元、红外传感器控制单元、中央控制系统机箱、电磁阀控制单元以及变频器；
19.所述防爆控制面板位于中央控制系统外箱体的正面，中央控制系统外箱体的外包装侧壁均为防爆钢板，中央控制系统外箱体与除尘风机部之间使用双层防爆钢板连接，且双层防爆钢板内部走线；
20.所述粉尘传感器控制单元通过吸风风筒内部设有的粉尘传感器监测粉尘信号；
21.所述红外传感器控制单元通过中央控制系统外箱体外设有的红外传感器检测过往人员信息；
22.所述电磁阀控制单元用于控制吸风风筒内设有的粉尘传感器。
23.进一步地，所述中央控制系统机箱布置有光纤接口、网端接口以及485通讯接口等接口；中央控制系统机箱内设有：
24.风量传感器控制单元：通过风量传感器控监测除尘风机部风机的转速；
25.吸风系统控制单元：用于控制除尘风机部风机的启停；
26.内喷雾系统控制单元：用于控制内喷雾的喷头；
27.注水系统控制单元：通过粉尘传感器控制降尘水幕部以及内喷雾进水开关；
28.水幕控制单元：用于降尘水幕杆喷嘴的开启或者关闭；控制降尘水幕杆的方向与角度。
29.信号上传及数据存储系统：通过变频器转化信号接入中央控制处理器，对粉尘传感器、风量传感器以及风筒和降尘水幕工作状况数据进行存储并上传；与此同时中央控制其控制注水系统控制单元向进水管口注水，降解来自抽风风筒的粉尘。
30.进一步地，所述防爆控制面板位于外箱体左上方，防爆控制面板包括按钮和防爆液晶显示器，按钮设有六个，分为两排，按钮位于防爆液晶显示器下；自左往右，自上向下，第一个按钮“校标”，第二个按钮“启动”，第三个按钮“确定”，第四个按钮“上翻页”，第五个按钮“下翻页”，第六个按钮“保存”。
31.本发明还公开了掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置实施方法：
32.s1、自主校标：在开启中央控制系统之前，首先使用校标按钮对各个传感器进行精度校正，保证各个传感器示数准确；
33.s2、风筒开启：按下启动按钮一键启动风筒开关，抽风量根据粉尘传感器及风量传感器示数进行调整；
34.s3、喷雾系统开启：吸风风筒开启后喷雾系统自动打开；
35.s4、降尘水幕开启：通过粉尘浓度、过往工人情况，降尘水幕实时开启，根据风筒风量可以调节降尘水幕喷头开启数量；
36.s5、气体监测：气体传感器将检测到的气体组分传送至中央控制系统，并通过中央控制系统将有毒有害气体指标进行反馈，达到有毒有害气体浓度上限，就会自动终止掘进机截割；
37.s6、数据采集及分析：根据程序设计，每隔一个小时将粉尘传感器、风量传感器以及风筒和降尘水幕工作状况数据传输到数据保存上传系统，通过远端将存储信息传输至地面控制平台，根据参数的变化情况分析原因；
38.其中，步骤s2中，吸风风筒吸风量根据以下表达式计算:
39.当c＜200时：q
吸
＝1.2q140.当200＜c＜500时：q
吸
＝1.4q141.当c＞500时：q
吸
＝1.6q142.式中：
43.c为粉尘浓度传感器的粉尘浓度，mg/m3；
44.q吸为风筒吸风量，m3/min；
45.q1为风量传感器风量，m3/min；
46.其中，步骤s4中，风筒吸风量控制降尘水幕喷头个数表达式如下:
47.当q
吸
＝1.2q1时，a＝6
48.当q
吸
＝1.4q1时，a＝8
49.当q
吸
＝1.6q1时，a＝10
50.式中，a为喷头开启个数。
51.且综上所述，由于采用了上述技术方案，发明的有益技术效果是：
52.(1)本发明将除尘风机和降尘水幕有效结合在一起，将除尘风机工作时逃逸扩散出的微尘，通过降尘水幕有效清除，可以做到高效便捷式除尘；
53.(2)本发明通过安装风量传感器和粉尘传感器进行风量控制除尘风机风筒吸风量以及有效调节降尘水幕的喷雾量，做到精准除尘，有效除尘；
54.(3)本发明采用智能化联动传感器与除尘风机和降尘水幕，大大节省了工人的工作量；
55.(4)本发明采用防爆型外壳板，在高效除尘的同时保证自身设备的安全性，可以适用于各类矿井之中；
56.(5)本发明设计的降尘水幕安装在除尘箱顶部，可以随着除尘风机前移而不断前进，大大节省降尘水幕在实际应用中不断前移的工作量，通过调整可控角度连接杆角度，可以做到省时方便快捷的达到应用目的；
附图说明
57.图1为本发明实施的整体结构示意图；
58.图2本发明的中央控制箱外结构示意图；
59.图3本发明的中央控制箱内结构示意图；
60.图4本发明中除尘箱外结构示意图；
61.图5本发明中除尘箱内结构示意图；
62.图6本发明中降尘水幕杆结构示意图；
63.图7为本发明中央控制系统的连接示意图。
64.图中：吸风口1，吸风风筒2，进水管口3，内喷雾4，降尘水幕杆5，降尘连接杆6，防爆液晶显示屏7，中央控制系统外箱8，除尘箱9，排污阀10，过滤板11，抽风风筒12，风机机箱13，中央控制系统外箱接线口14，粉尘传感器控制单元15，红外传感器16，电磁阀控制单元17，中央控制系统机箱18，风筒连接口19，过滤板嵌置箱20，喷嘴连接阀21，可控角度连接杆22，降尘水幕杆喷嘴23，风量传感器控制单元24，抽风系统控制单元25，内喷雾系统控制单元26，注水系统控制单元27，水幕控制系单元28，信号上传及数据存储系统29，中央控制系统30，气体传感器31，注水软管32，降尘水幕进水口33，变频器34，风量传感器35，粉尘传感器36。
具体实施方式
65.为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
66.掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置，包括除尘风机部ⅰ、降尘水幕部ⅱ和中央控制系统ⅲ；
67.所述除尘风机部ⅰ主要用于对矿上掘进工作面进行降尘；
68.所述降尘水幕部ⅱ主要用于对矿上掘进工作面展开全断面降尘水幕降低逃逸的粉尘，与除尘风机协同降低矿下粉尘浓度；
69.所述中央控制系统ⅲ用于控制除尘风机部ⅰ以及降尘水幕部ⅱ的工作；
70.所述降尘水幕部ⅱ位于除尘风机部ⅰ的正前方，降尘水幕部ⅱ通过降尘连接管接口6与除尘风机部ⅰ连接；所述降尘连接管接口6位于除尘箱9中心、中心偏左450mm、中心偏右450mm；所述降尘连接管接口内径为φ25mm。
71.所述除尘风机部ⅰ包括风机、吸风风筒2、除尘箱9、抽风风筒12以及风机机箱13，所述吸风风筒2设置在最前端，抽风风筒12连接于除尘箱9和风机机箱13之间，风机机箱13位于抽风风筒12前面，除尘箱9设于抽风风筒12后面；所述吸风风筒2外部距吸风口1m位置，左侧设有气体传感器31以及风量传感器35，吸风风筒2右侧设有粉尘传感器36；所述气体传感器31、风量传感器35以及粉尘传感器36均位于风筒中部，气体传感器31与风量传感器35相距20cm，气体传感器31在前，风量传感器35在后；所述吸风风筒2设有五个吸风口1，三个在正面，两个在侧面，保证粉尘可以高效被抽风风筒12进入除尘箱9，除尘箱9的内部设有内喷雾4，内喷雾4使用不锈钢水管与进水管口3连接，中央控制系统30控制注水系统控制单元27向进水管口3注水，降解来自抽风风筒12的粉尘；所述内喷雾4的出水口设有5五个1mm口径喷头，其中三个位于除尘箱9内顶部，两个位于除尘箱9侧面；所述除尘箱9后设有过滤板11，除尘箱9后端设有排污口10，降尘后污水由排污阀10排出。
72.所述降尘水幕机构ⅱ由降尘水幕杆5、连接阀21、可控角度连接杆22、降尘水幕杆喷嘴23、注水软管32、降尘水幕进水口33组成，可控角度连接杆22通过连接阀21与降尘水幕杆5连接；所述降尘水幕杆进水口32设在降尘水幕杆5的一侧，注水软管连接于进水管口3和降尘水幕进水口33之间；所述可控角度连接杆22可以调节降尘水幕杆5的方向与角度；所述可控角度连接杆22连接处设有安装环，安装环内环布置环状突起，与降尘水幕杆5连接处的凹槽进行啮合，安装环外侧设有连接部连接于连接杆，连接杆内部含有电控控制装置，用于控制安装环的旋转角度。当水幕控制单元28输出信号，电控控制装置使安装环发生旋转，由于装置啮合带动降尘水幕杆进行旋转，进而控制降尘水幕杆的方向与角度。
73.所述中央控制系统ⅲ包括中央控制系统外箱体8、防爆控制面板7、粉尘传感器控制单元15、红外传感器控制单元16、中央控制系统机箱18、电磁阀控制单元17以及变频器34；所述防爆控制面板7位于中央控制系统外箱体8的正面，中央控制系统外箱体8的外包装侧壁均为防爆钢板，中央控制系统外箱体8与除尘风机部之间使用双层防爆钢板连接，且双层防爆钢板内部走线；所述粉尘传感器控制单元15通过吸风风筒2外部设有的粉尘传感器监测粉尘信号；所述红外传感器控制单元16通过中央控制系统外箱体8外设有的红外传感器检测过往人员信息；所述电磁阀控制单元17用于控制吸风风筒2内设有的粉尘传感器。
74.所述中央控制系统机箱18布置有光纤接口、网端接口以及485通讯接口等接口；中央控制系统机箱18内设有：
75.风量传感器控制单元24：通过风量传感器35控监测除尘风机部ⅰ风机的转速；
76.吸风系统控制单元25：用于控制除尘风机部ⅰ风机的启停；
77.内喷雾系统控制单元26：用于控制内喷雾4的喷头；
78.注水系统控制单元27：通过粉尘传感器36控制降尘水幕部ⅱ以及内喷雾4进水开关；
79.水幕控制单元28：用于降尘水幕杆喷嘴23的开启或者关闭；控制降尘水幕杆的方向与角度。
80.信号上传及数据存储系统29：通过变频器34转化信号接入中央控制处理器30，对
粉尘传感器37、风量传感器35以及风筒和降尘水幕工作状况数据进行存储并上传；与此同时中央控制其30控制注水系统控制单元27向进水管口3注水，降解来自抽风风筒12的粉尘。
81.所述防爆控制面板7位于外箱体左上方，防爆控制面板7包括按钮和防爆液晶显示器，按钮设有六个，分为两排，按钮位于防爆液晶显示器下；自左往右，自上向下，第一个按钮“校标”，第二个按钮“启动”，第三个按钮“确定”，第四个按钮“上翻页”，第五个按钮“下翻页”，第六个按钮“保存”。
82.本发明还公开了掘进工作面除尘风机联动降尘水幕式除尘装置实施方法：
83.s1、自主校标：在开启中央控制系统之前，首先使用校标按钮对各个传感器进行精度校正，保证各个传感器示数准确；
84.s2、风筒开启：按下启动按钮一键启动风筒开关，抽风量根据粉尘传感器及风量传感器示数进行调整；
85.s3、喷雾系统开启：吸风风筒开启后喷雾系统自动打开；
86.s4、降尘水幕开启：通过粉尘浓度、过往工人情况，降尘水幕实时开启，根据风筒风量可以调节降尘水幕喷头开启数量；
87.s5、气体监测：气体传感器将检测到的气体组分传送至中央控制系统，并通过中央控制系统将有毒有害气体指标进行反馈，达到有毒有害气体浓度上限，就会自动终止掘进机截割；
88.s6、数据采集及分析：根据程序设计，每隔一个小时将粉尘传感器、风量传感器以及风筒和降尘水幕工作状况数据传输到数据保存上传系统，通过远端将存储信息传输至地面控制平台，根据参数的变化情况分析原因；
89.其中，步骤s2中，吸风风筒吸风量根据以下表达式计算:
90.当c＜200时：q
吸
＝1.2q191.当200＜c＜500时：q
吸
＝1.4q192.当c＞500时：q
吸
＝1.6q193.式中：
94.c为粉尘浓度传感器的粉尘浓度，mg/m3；
95.q吸为风筒吸风量，m3/min；
96.q1为风量传感器风量，m3/min；
97.其中，步骤s4中，风筒吸风量控制降尘水幕喷头个数表达式如下:
98.当q
吸
＝1.2q1时，a＝6
99.当q
吸
＝1.4q1时，a＝8
100.当q
吸
＝1.6q1时，a＝10
101.式中，a为喷头开启个数。
102.以上所述为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。