CN107355252A - 一种综掘工作面风幕集尘除尘系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿技术领域，公开了一种综掘工作面风幕集尘除尘系统，所述综掘工作面风幕集尘除尘系统包括压入系统；压入系统包括风幕射流装置、压入式通风机、压入式风筒；压入式通风机通过压入式风筒与风幕射流装置连通；风幕射流装置包括矿用掘进高压风机、第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒、射流箱及射流腔。本发明提出的集尘方案就是在原有综掘面供风和除尘系统上，合理地加装风幕，封住综掘自由面，通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察；风幕将尘源封住后，由除尘设备把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化过程，这样就能有效达到粉尘治理目的。

Description

一种综掘工作面风幕集尘除尘系统

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，尤其涉及一种综掘工作面风幕集尘除尘系统。

背景技术

综掘工作面的除尘系统必须是高效集尘与高效除尘的统一，而首先要解决的是集尘效率问题，有效控制流场尘源，防止扩散，继而除尘。针对传统防尘技术在掘进生产应用的优点和不足点，国内外专家进行了风幕集尘除尘技术的研究，以求得更好地除尘效果。风幕是使空气以一定的风速从条缝口吹出而形成的隔断气帘。当出风窄缝长边与短边比超过10:1时，称为条缝射流。利用条缝射流原理，用压风机提供动力并通过风筒与风幕射流装置相连，将风幕射流装置安装在综掘面的综掘机上并位于综掘机司机的操作前方，利用射流装置喷射出的气流形成一道“无形透明屏障”，将掘进面产生的粉尘与人员工作的区域隔离开来，风幕起到的作用就是隔离粉尘也是风幕控尘的原理，风幕幕控尘原理中，然后利用长压短抽的抽出式风筒将控制处的粉尘抽出通过除尘风机净化，净化后的风流再流入掘进巷道，最后进入掘进巷道的回风系统，这样保证了掘进巷道的清洁和工作区域的卫生条件。风幕不像固体墙壁那样阻挡尘粒穿透，它的作用是利用射流气流将司机与煤壁侧分离开来，射流射向巷道的顶板和两壁，这道“无形透明屏障”使综掘机截煤时产生的粉尘不向掘进机司机方向扩散。另外在条缝射流的影响及压入和抽出风筒的作用下，射流卷携周围空气冲向顶板和巷道两壁，这样司机位置上方的粉尘折转向上，司机位两侧的粉尘被压入风流带入掘进工作面，污染区域的粉尘被阻隔在煤壁侧，阻止粉尘向掘进巷道内扩散，尤其是阻止粒径小于5μm的呼吸性粉尘向司机处扩散。实际上在风幕的卷吸作用下，只有少数尘粒在气流的横向脉动作用下穿过风幕，大部分粉尘粒子被隔绝在污染区域内，从而保证司机呼吸带空气的清洁以达到粉尘防治的目的。

风幕隔尘作用实际上相当于在综掘司机前方增加一个附加阻力层，形成一个无形屏障以阻止粉尘从煤壁侧向司机处扩散。因此，影响风幕隔尘效果的因素主要有两个：一个是风幕卷吸两侧空气的能力；另一个是风幕的抗扩散能力。为了提高风幕的隔尘效果，总希望风幕的卷吸能力越小越好，风幕下部卷吸的空气量越少，则从风幕上部卷出又进入防尘区的含尘空气量也就少，相应可降低防尘区的粉尘浓度，提高风幕的隔尘效率；同时又希望风幕的抗扩散能力越强越好，这样有利于阻挡粉尘从煤壁侧扩散到司机侧，然而风幕在实际应用中，这两个方面的作用又是相互牵制的，要使风幕的抗扩散能力增强，必须要求风幕具有较宽的厚度和较大的风速。风幕出口宽度越大，喷口风速越高，它的抗扩散能力越强，但同时风幕的卷吸作用也越大。如何来合理选取风幕的有关设计参数，保证风幕既能有效的阻止粉尘向防尘区扩散，又能使风幕卷吸空气量较小，这是实验研究的关键。

经过反复的现场实测得出，一般情况下，风流风速在综掘面巷道中较低，粉尘随着风流的运动呈现一定的分布规律，当距离工作面端头比较远时，其呼吸性粉尘或全尘的浓度都在迅速减小，此时离开发尘源的各种粒级都在纷纷沉降，一般远离工作面20～30m后沉降速度逐渐减慢，浓度也逐渐稳定。细微粒子、可呼吸性粉尘浓度变化更微弱，而距工作面3～4m范围内是高浓度粉尘最集中的地方，在此距离内大颗粒或相对大些粒子沉降速度很快，剩下的近乎于飘尘，随着风流飘动，通常情况下，风速在0.15m/s以上就可以进行排尘。所以，即使叠加流场边界流速很低，只要控制住尘源内的空气流场，并且风速达到0.3m/s，一般飘尘都会被驱赶、混扰进而排出。那么，如何控制含尘气流不向巷道内逸散便成为主要研究问题。通过实验表明，风幕技术可以较好地控制综掘面粉尘的扩散，尤其是控制呼吸性粉尘向司机处扩散。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术没有在原有综掘面供风和除尘系统上，合理地加装风幕，封住综掘自由面，没有通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察；而且没有把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种综掘工作面风幕集尘除尘系统。

本发明是这样实现的，一种综掘工作面风幕集尘除尘系统，所述综掘工作面风幕集尘除尘系统包括压入系统；所述压入系统包括风幕射流装置、压入式通风机、压入式风筒；所述压入式通风机通过压入式风筒与风幕射流装置连通；

所述风幕射流装置包括矿用掘进高压风机、第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒、射流箱及射流腔；

所述掘进高压风机通过螺栓固定在射流箱上；所述射流箱与射流腔相通；所述第一风幕压风风筒连通第二风幕压风风筒；所述第二风幕压风风筒通过压入式风筒与压入式通风机连通。

进一步，所述综掘工作面风幕集尘除尘系统还包括与压入系统连通的抽出系统；所述抽出系统的入口安装在掘进高压风机一侧；所述抽出系统的抽出式风筒后端安装有振弦除尘器。

进一步，所述第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒及抽出式风筒均固定在转载桥上。

进一步，所述射流箱内镶嵌有挡风板；射流腔的出口的窄缝宽度用于调节风幕出口风速及风流方向。

进一步，所述射流箱呈倒三角形；所述射流腔的出口为倒U形窄缝。

进一步，所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统中，压入风筒压入的风流、风幕射流装置射出的风流和抽尘风筒抽出的风流之间存在风量的平衡；其关系式如下：

由质量守恒原理有：

Q＝Q₁+Q₂,Q₅＝Q₃+Q₄

且有Q₅＝Q₃+Q₁；

式中：

Q——压入式风筒压入的总风量，m³/s；

Q₁——压入式风筒压入的风流进入掘进端粉尘污染区风量，m³/s；

Q₂——压入式风筒压入的风流回流到巷道内的风量，m³/s；

Q₃——气幕进入粉尘污染区的风量，m³/s；

Q₄——气幕进入洁净区(即巷道内)的风量，m³/s；

Q₅——抽尘装置抽出的风量，m³/s。

进一步，所述压入风筒、风幕射流装置和抽尘风筒中均安装有流场风速和风量调整单元；所述流场风速和风量调整单元包括流场风速和风量检测模块和流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量检测模块通过有线或无线连接流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量控制模块通过有线或无线分别连接掘进高压风机、压入通风风机。

进一步，所述流场风速和风量检测模块的时频重叠MASK的信号模型表示为：

其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，s_i(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为式中A_i表示信号分量的幅度，a_i(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，T_i表示信号分量的码元周期，f_ci表示信号分量的载波频率，表示信号分量的相位。

进一步，流场风速和风量控制模块的PID控制算法包括：

PID控制算法由控制器和被控对象组成，控制器由比例、积分、微分三个环节组成，数学描述为：

u(k)＝K_px(1)+K_dx(2)+K_ix(3)，

式中，K_p为比例系数；K_i为积分时间常数；K_d为微分时间常数；u(k)为通过PID控制器后得到的流场风速和风量的增加减少值x(1)为比例的校正值；x(2)为微分的校正值；x(3)为积分的校正值；

通过流场风速和风量输入量的测量值与流场风速和风量的期望值的误差及采样时间求出x(1)、x(2)、x(3)，计算公式为：

x(1)＝error(k)；

x(2)＝[error(k)-error_1]/t_s；

x(3)＝x(3)+error(k)*t_s；

式中，error(k)为在k时刻通过测量值与期望值计算出的误差；t_s为采样时间；

将上述步骤进行编程后，输出的值u(k)，为流场风速和风量的修正值，并记录下来。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提出的集尘方案就是在原有综掘面供风和除尘系统上，合理地加装风幕，封住综掘自由面，通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察。风幕将尘源封住后，由除尘设备把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化过程，这样就能有效达到粉尘治理目的。

本发明的流场风速和风量检测模块的时频重叠MASK的信号模型可准确获得流场风速和风量的数值。

本发明采用了自整定PID控制，通过常参数与期望值之间的差值，对流场风速和风量进行改变，使流场风速和风量达到稳定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的综掘工作面风幕集尘除尘系统示意图。

图中：1、掘进高压风机；2、射流箱；3、射流腔；4、转载桥；5、抽出式风筒；6、第一风幕压风风筒；7、第二风幕压风风筒；8、压入通风风机；9、振弦除尘器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明以N₃七层皮带中巷掘进工作面为研究对象，该巷道工作面位于晓明井田西北侧。南部与工业广场保护煤柱线与北一采区、南一采区相邻，北部与大明煤矿井田相邻，西部为N₃七层轨道中巷，东部为未采动区。该采区地表西部是大小江屯。地表大多被农田和树林所覆盖，平均地表标高在+73～+75m之间。有一条季节性河流——新开河和一条铁路从采区上部通过，高压线路两条。7－1^#煤层厚度在1.7～2.2m之间，平均2.1m。该工作面的上部煤层为1^#、2^#、4－1^#、4－2^#、5^#煤，其中1^#、5^#煤层是孤立块段，无开采价值；2^#、4－2^#煤仅局部可采，4－1^#与4－2^#煤层平均层间距为2～5m，中间夹石为泥岩和粉砂岩，硬度小、遇水变软、水平层理、含植物化石；4－1^#与7－1^#煤层平均层间距为52m，下部煤层为8^#煤，7－1^#与8^#平均层间距为13～20m。7^#煤工业牌号为长焰煤，深黑色、沥青光泽、平坦及贝壳状断口，内生节理发育。硬度2～3，煤质中等；自燃发火期为3～6个月，煤层爆炸指数为39.50％，属高瓦斯煤层。

N₃七层皮带中巷工作面是N3采区七层的皮带巷道，起入风、运输、行人的作用。

N₃七层皮带中巷工作面为沿七层煤顶板掘进的开拓巷道。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所述，本发明实施例提供的综掘工作面风幕集尘除尘系统，风幕集尘装置由压入系统和抽出系统两部分构成。具体包括：掘进高压风机1、射流箱2、射流腔3、转载桥4、抽出式风筒5、第一风幕压风风筒6、第二风幕压风风筒7、压入通风风机8、振弦除尘器9。

压入系统由自制的风幕射流装置、压入式通风机8、压入式风筒等通风装置组成。风幕射流装置由矿用掘进高压风机1、直径合适的第一风幕压风风筒6、第二风幕压风风筒7形成的压风管路、呈倒三角形的射流箱2及出口为倒“U”形窄缝的射流腔3组成。

射流出口窄缝宽度可以调节且射流箱2内设置有挡风板，并且调节窄缝宽度和挡风板可将风幕出口风速及风流方向调至实际需要值。抽出系统由抽出式风筒5和后面连接的振弦除尘器9组成。

所述第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒及抽出式风筒均固定在转载桥4上。

本发明实施例提供的风幕集尘除尘系统是在长压短抽的通风除尘的的基础上，加装风幕射流装置。保持原有抽出系统不变，将风幕射流装置的射流箱2和射流腔3安装在掘进机上，抽出式风筒距掘进工作面的距离在操作规程中要求不得超过3m，压入式风筒出口距掘进工作面设置在为25m处。同时要保证射流出口处于司机前方，并且安装此装置后不影响司机的操作和正常生产。高压风机安装在特制的拖车上，随掘进运动而运动，然后将长约20m的压风管路吊挂在胶带输送机上。为保证巷道内的正常通风，同时为风幕射流装置提供新鲜的风流，故将原有的压入式风筒出口移至距掘进工作面约25m处，即风幕射流装置的高压风机处。

掘进机开始作业时，开启风幕集尘除尘系统，此时便在掘进机司机前方形成一道风幕，于是掘进工作面的粉尘便可由抽尘系统抽出净化，从而掘进机工作时产生的粉尘污染可以得到有效地控制，尤其对于向司机处扩散的呼吸性粉尘效果良好，在降低煤尘污染和保障煤矿安全生产方面起到了重要作用。该装置的主要特点是：倒“U”形射流腔与射流箱同为一体，占据最小的空间，合理的安装位置不影响掘进机机体的三维移动和司机操作。风幕射流装置采用的三角形射流箱阻力较小，此外射流的方向与风速的大小也可以实现多级、多段调节与控制。所以得出风幕集尘装置的设计原则如下：

(1)风幕装置必须安装在综掘机上，随掘进机运动而运动，由于综掘机机身较为庞大，为了不受其机身外型尺寸的影响，要求风幕装置空间占据尽可能小，避免其影响掘进机工作及司机的操作。

(2)风幕要起到隔尘作用，首先要求风幕射流必须到达工作面顶板；其次要求风幕射流的末端风速必须大于工作面风流的平均风速，使风幕不受工作面风流的影响。

(3)由于风幕的空气直接来源于工作面风流，为了不影响综掘机处的风流流场及工作面正常通风，因此要求风幕风量尽量小。

(4)风幕压风风机应为低风量高负压防爆型、体积小同时噪音应小的风机。

下面结合风幕集尘除尘系统风量分析对本发明作进一步描述。

由压入风筒压入的风流、风幕射流装置射出的风流和抽尘风筒抽出的风流之间存在风量的平衡。其关系式如下：

由质量守恒原理有：

Q＝Q₁+Q₂,Q₅＝Q₃+Q₄

且有Q₅＝Q₃+Q₁

式中：

Q——压入式风筒压入的总风量，m³/s；

Q₁——压入式风筒压入的风流进入掘进端粉尘污染区风量，m³/s；

Q₂——压入式风筒压入的风流回流到巷道内的风量，m³/s；

Q₃——气幕进入粉尘污染区的风量，m³/s；

Q₄——气幕进入洁净区(即巷道内)的风量，m³/s；

Q₅——抽尘装置抽出的风量，m³/s。

进一步，所述压入风筒、风幕射流装置和抽尘风筒中均安装有流场风速和风量调整单元；所述流场风速和风量调整单元包括流场风速和风量检测模块和流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量检测模块通过有线或无线连接流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量控制模块通过有线或无线分别连接掘进高压风机、压入通风风机。

所述流场风速和风量检测模块的时频重叠MASK的信号模型表示为：

其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，s_i(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为式中A_i表示信号分量的幅度，a_i(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，T_i表示信号分量的码元周期，f_ci表示信号分量的载波频率，表示信号分量的相位。

流场风速和风量控制模块的PID控制算法包括：

PID控制算法由控制器和被控对象组成，控制器由比例、积分、微分三个环节组成，数学描述为：

u(k)＝K_px(1)+K_dx(2)+K_ix(3)，

式中，K_p为比例系数；K_i为积分时间常数；K_d为微分时间常数；u(k)为通过PID控制器后得到的流场风速和风量的增加减少值x(1)为比例的校正值；x(2)为微分的校正值；x(3)为积分的校正值；

通过流场风速和风量输入量的测量值与流场风速和风量的期望值的误差及采样时间求出x(1)、x(2)、x(3)，计算公式为：

x(1)＝error(k)；

x(2)＝[error(k)-error_1]/t_s；

x(3)＝x(3)+error(k)*t_s；

式中，error(k)为在k时刻通过测量值与期望值计算出的误差；t_s为采样时间；

将上述步骤进行编程后，输出的值u(k)，为流场风速和风量的修正值，并记录下来。

本发明提出的集尘方案就是在原有综掘面供风和除尘系统上，合理地加装风幕，封住综掘自由面，通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察。风幕将尘源封住后，由除尘设备把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化过程，这样就能有效达到粉尘治理目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述综掘工作面风幕集尘除尘系统包括压入系统；所述压入系统包括风幕射流装置、压入式通风机、压入式风筒；所述压入式通风机通过压入式风筒与风幕射流装置连通；

所述风幕射流装置包括矿用掘进高压风机、第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒、射流箱及射流腔；

所述掘进高压风机通过螺栓固定在射流箱上；所述射流箱与射流腔相通；所述第一风幕压风风筒连通第二风幕压风风筒；所述第二风幕压风风筒通过压入式风筒与压入式通风机连通。

2.如权利要求1所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述综掘工作面风幕集尘除尘系统还包括与压入系统连通的抽出系统；所述抽出系统的入口安装在掘进高压风机一侧；所述抽出系统的抽出式风筒后端安装有振弦除尘器。

3.如权利要求1所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述第一风幕压风风筒、第二风幕压风风筒及抽出式风筒均固定在转载桥上。

4.如权利要求1所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述射流箱内镶嵌有挡风板；射流腔的出口的窄缝宽度用于调节风幕出口风速及风流方向。

5.如权利要求1所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述射流箱呈倒三角形；所述射流腔的出口为倒U形窄缝。

6.如权利要求1所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统中，压入风筒压入的风流、风幕射流装置射出的风流和抽尘风筒抽出的风流之间存在风量的平衡；关系式如下：

由质量守恒原理有：

Q＝Q₁+Q₂,Q₅＝Q₃+Q₄

且有Q₅＝Q₃+Q₁；

式中：

Q——压入式风筒压入的总风量，m³/s；

Q₁——压入式风筒压入的风流进入掘进端粉尘污染区风量，m³/s；

Q₂——压入式风筒压入的风流回流到巷道内的风量，m³/s；

Q₃——气幕进入粉尘污染区的风量，m³/s；

Q₄——气幕进入洁净区(即巷道内)的风量，m³/s；

Q₅——抽尘装置抽出的风量，m³/s。

7.如权利要求6所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述压入风筒、风幕射流装置和抽尘风筒中均安装有流场风速和风量调整单元；所述流场风速和风量调整单元包括流场风速和风量检测模块和流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量检测模块通过有线或无线连接流场风速和风量控制模块；所述流场风速和风量控制模块通过有线或无线分别连接掘进高压风机、压入通风风机。

8.如权利要求7所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，所述流场风速和风量检测模块的时频重叠MASK的信号模型表示为：

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其中，N为时频重叠信号的信号分量个数，n(t)是加性高斯白噪声，s_i(t)为时频重叠信号的信号分量，表示为式中A_i表示信号分量的幅度，a_i(m)表示信号分量的码元符号，p(t)表示成型滤波函数，T_i表示信号分量的码元周期，f_ci表示信号分量的载波频率，表示信号分量的相位。

9.如权利要求7所述的综掘工作面风幕集尘除尘系统，其特征在于，流场风速和风量控制模块的PID控制算法包括：

PID控制算法由控制器和被控对象组成，控制器由比例、积分、微分三个环节组成，数学描述为：

u(k)＝K_px(1)+K_dx(2)+K_ix(3)，

式中，K_p为比例系数；K_i为积分时间常数；K_d为微分时间常数；u(k)为通过PID控制器后得到的流场风速和风量的增加减少值x(1)为比例的校正值；x(2)为微分的校正值；x(3)为积分的校正值；

通过流场风速和风量输入量的测量值与流场风速和风量的期望值的误差及采样时间求出x(1)、x(2)、x(3)，计算公式为：

x(1)＝error(k)；

x(2)＝[error(k)-error_1]/t_s；

x(3)＝x(3)+error(k)*t_s；

式中，error(k)为在k时刻通过测量值与期望值计算出的误差；t_s为采样时间；

将上述步骤进行编程后，输出的值u(k)，为流场风速和风量的修正值，并记录下来。