CN119288591B - 一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井高温采掘工作面一体化除尘‑降温系统及方法，包括传感器监测装置、模糊PID控制装置和除尘降温装置；除尘降温装置的压风引射单元将环境中的高温含尘风流吸入系统后，首先在加湿生长单元进行初级除尘，其次在冷雾降尘单元进行冷雾降温及二级除尘，最后在滤尘消雾单元进行风流净化及三级除尘；另外采用传感器监测装置实时采集环境监测数据，并反馈给模糊PID控制装置进行处理，当任一监测数据偏离系统设定的环境参数时，能够自适应调控除尘降温装置的工况，进而对不同环境参数下的高温采掘工作面进行持续除尘和降温，实现对矿井高温采掘工作面粉尘与热害的高效协同治理。本发明具有粉尘逃逸量少、除尘‑降温效率高、能耗低的优点。

Description

一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统及方法

技术领域

本发明涉及矿井粉尘与热害协同治理领域，具体涉及一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统及方法。

背景技术

随着技术的不断发展，煤矿机械化开采程度不断提升，矿井开采深度不断深入，导致煤矿井下产尘量增加、作业环境温度增高。高粉尘和高温环境不仅严重危害了矿井工人的身体健康，且极大地降低了生产效率，增加了生产事故发生率，成为制约矿井安全生产的主要因素之一。《煤矿安全规程》中规定，作业场所空气中粉尘浓度应符合以下标准：(1)当粉尘中游离二氧化硅含量＜10％时，总粉尘最高允许浓度10mg/m³，呼吸性粉尘最高允许浓度3.5mg/m³；(2)当粉尘中游离二氧化硅含量≥10％时，总粉尘最高允许浓度2mg/m³，呼吸性粉尘最高允许浓度1mg/m³。同时规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电硐室的空气温度不得超过30℃，当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面空气温度超过30℃、机电硐室的空气温度超过34℃时，必须停止工作。因此，对于粉尘浓度超限、环境温度过高的矿井必须采取除尘、降温措施。

针对井下除尘目前常用的方法是水冷雾除尘和通风除尘，在现有的热害治理方法中最常见的方法是加强通风、制冷降温、空调降温等。加强通风需要在矿井中增加风路，这不仅增加成本，大量的通风管道容易影响矿井通风网络，造成不良影响。制冷降温常见有制冷水降温、制冰降温、以及空气压缩式制冷，无论是哪种降温措施都具有高成本、高能耗等缺点。空调降温将产生极大的工程成本，且井下采掘工作面范围广，制冷效果难以覆盖全局。考虑到除尘措施和降温措施之间的制约和影响，同时减少工程成本，近年来，人们不再将除尘和降温问题割裂开来，而是将除尘和降温作为共同的技术目标，研制除尘-降温联合的新型控制措施。CN110327726A公开了一种一体式吸尘除尘装置，可以实现将空气中的粉尘和干净空气分离的目的，但是由于没有制冷装置，且装置内的风机电机运转发热，无法开展高温采掘工作面的降温工作。CN109091992A公开了一种空气过滤器，将工作面气体卷吸进加湿蛇形管道内并通过过滤装置和制冷片降温后排出系统外，实现降温、除湿和降尘，但该系统制冷片长时间运作会积聚大量粉尘，影响制冷效果的同时还需定期清理维护，难以适应矿井高温采掘工作面的作业条件，并且由于高温含尘工作面内的粉尘和温度状态情况是不断变化的，而上述装置由于不具有智能调控功能，因此无法根据环境变化实时调整降温及除尘的强度，不能实现对高温采掘工作面空气环境的持续除尘及降温。

综上所述，现有矿井高温采掘工作面的联合除尘-降温技术仍存在适应性差、自动化程度低、成本高等问题。因此，亟需研发一种适应性强、较为智能且成本低的高效一体自适应除尘-降温方法和装备。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统及方法，能对矿井高温采掘工作面的空气环境进行除尘及降温，同时能根据高温采掘工作面空气环境的变化情况，实时自适应调整降温及除尘的强度，从而实现对高温采掘工作面不同情况下的持续降温及除尘，且均能达到所需效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统，包括传感器监测装置、模糊PID控制装置和除尘降温装置；

所述除尘降温装置包括压风引射单元、加湿生长单元、冷雾降尘单元以及滤尘消雾单元；压风引射单元包括进风筒、集流器和环状组合引射器，集流器装在进风筒一端，用于将周围高温含尘风流汇集后流入进风筒，环状组合引射器装在进风筒内、且其喷射方向朝向进风筒另一端，环状组合引射器的进气口通过第一气管与井下供气管路连接，所述第一气管上装有第一电磁阀，用于控制第一气管的通断，通过环状组合引射器喷出高压气体在进气管内形成负压，从而引导高温含尘风流从进气管一端进入；所述加湿生长单元包括第一腔体和加湿器，第一腔体一端与进风筒另一端连接，用于使高温含尘风流进入；加湿器装在第一腔体内、且加湿器的进水口通过第一水管与井下供水管路连接，所述第一水管上装有第二电磁阀，用于控制第一水管的通断，通过加湿器对第一腔体内持续加湿形成水分过饱和环境，使高温含尘风流中的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降；所述冷雾降尘单元包括第二腔体、冷水机和多个喷嘴，第二腔体一端与第一腔体另一端连接，用于引入第一腔体处理后的风流；多个喷嘴布设在第二腔体内，且多个喷嘴均与冷雾管路连接，冷水机装在第二腔体外，冷水机的进水口通过第二水管与井下供水管路连接，使井下供水管路内的水进入冷水机进行降温，形成低温水；冷雾管路一端装有三通接头，三通接头两个端口分别通过管路与井下供气管路和冷水机的出水口连接，三通接头与井下供气管路之间装有第三电磁阀，用于控制三通接头与井下供气管路的通断；第二水管上装有第四电磁阀，用于控制第二水管的通断；井下供气管路内的高压气体与冷水机产生的低温水经过三通接头进入冷雾管路内混合，并从各个喷嘴喷出低温气水冷雾，对第二腔体内的风流进行降温及再次降尘；冷雾管路上装有压力调节阀，用于控制喷嘴喷出的低温气水冷雾压力；所述滤尘消雾单元包括第三腔体和过滤装置，第三腔体一端与第二腔体另一端连接，用于引入第二腔体处理后的风流；第三腔体底部开设排污口，过滤装置装在第三腔体内、且覆盖第三腔体某一截面，过滤装置对经过的风流进行过滤除尘及吸湿，完成后使风流从第三腔体另一端排出；

所述传感器监测装置包括激光粒度传感器、粉尘浓度传感器以及温度传感器，激光粒度传感器装在第一腔体内，用于监测第一腔体内粉尘颗粒的生长直径；粉尘浓度传感器以及温度传感器均装在周围环境处，分别用于监测环境粉尘浓度和环境温度；

所述模糊PID控制装置与激光粒度传感器、粉尘浓度传感器、温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、压力调节阀、冷水机和加湿器连接，用于控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、冷水机和加湿器启动进行除尘降温，并接收激光粒度传感器、粉尘浓度传感器和温度传感器反馈的数据进行分析处理后，通过加湿器功率变换器和冷水机功率变换器分别对加湿器的功率和冷水机产生的低温水温度进行调节，同时通过控制压力调节阀对低温气水冷雾的压力进行调节。

进一步，所述过滤装置由多个过滤层组成；所述第一气管上装有第一过滤器，第一水管上装有第二过滤器，三通接头与井下供气管路之间装有第三过滤器，第二水管上装有第四过滤器。通过设置多个过滤层能保证对最终排出风流的吸附净化效果，并且增设多个过滤器，能防止井下供气管路和井下供水管路内部含有的杂质随气体或水进入本系统内，保证本系统降温除尘的稳定运行。

进一步，所述进风筒、第一腔体、第二腔体和第三腔体均依次同轴连接，便于风流顺利通过实现降温除尘。

上述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统的工作方法，具体步骤为：

步骤一、将一体化除尘-降温系统安装在所需除尘及降温的矿井高温采掘工作面回风或下风侧；启动第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、冷水机和加湿器，周围环境的高温含尘风流受压风引射单元的负压作用被吸入，高温含尘风流先进入加湿生长单元形成的水分过饱和环境，使其含有的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降，并在重力作用下产生部分沉降，实现初级除尘；经过初级除尘后的风流进入冷雾降尘单元，该单元内多个喷嘴持续喷出高压气流和低温水流的共同作用下形成的超细冷雾，超细冷雾与风流在冷雾降尘单元内混合进行热交换并蒸发，从而对风流进行降温，同时尘粒团聚物在该环境中进一步生长、凝并，且尘粒团聚物也在与雾滴的碰撞、截留过程中被沉降，实现降温及二级除尘；经过降温及二级除尘后的风流最后进入滤尘消雾单元，其中的过滤装置将风流中剩余的粉尘颗粒和冷雾雾滴吸附过滤，实现风流净化及三级除尘，最终从滤尘消雾单元排出低温且净化的风流，对高温采掘工作面的空气环境进行除尘及降温；

步骤二、在一体化除尘-降温系统工作过程中，传感器监测装置中激光粒度传感器、粉尘浓度传感器和温度传感器，实时监测加湿生长单元内的粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的数据反馈至模糊PID控制装置；

步骤三、当任一监测数据偏离系统设定的理想值时，模糊PID控制装置确定粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T，接着进行模糊化处理，根据知识库中的总模糊规则R*进行模糊推理，最后进行解模糊，得到粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自对应PID算法的比例、积分和微分因子的增量值，分别为ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，然后通过加权平均法与上一周期的值叠加代入模糊PID控制装置中进行计算得到该时刻下环境变量的输出值D(t)、C(t)和T(t)，进而模糊PID控制装置基于内置的环境变量D、C、T与加湿器输出功率p1、冷雾输出压力P、冷水机输出功率p2之间的转化程序，调整加湿器功率、冷雾压力及冷水机功率，实现对除尘降温装置的自适应调控。

步骤四、模糊PID控制装置根据输入的监测数据进行自适应调控时，传感器监测装置持续实时将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的变化反馈至模糊PID控制装置，模糊PID控制装置继续重复步骤三的调控流程，直至粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T均达到各自的理想值，此时模糊PID控制装置停止调控过程并保持除尘降温装置当前状态运行，传感器监测装置持续进行实时监测并将监测数据反馈给模糊PID控制装置，从而实现持续对高温采掘工作面空气环境的除尘及降温。

进一步，所述知识库包括数据库和规则库，其中数据库包括输入值和输出增量的隶属度函数，规则库包括基于专家知识和操作经验给出的总模糊规则R*。

进一步，所述步骤三中具体过程为：首先将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T经过量化因子进行模糊化后转化为论域值；通过Mamdni方法进行模糊推理，将关于粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T对应的误差和误差变化率的隶属度矩阵分别进行合并，再与上述规则库中的总模糊规则R*进行合成运算；接着在输出的隶属度函数上反应运算结果，通过最大隶属度平均法，得到关于输出值对应模糊子集的论域值；最后将该论域值依据比例因子K_u转化为输出值ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，从而得到粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自对应PID算法的比例、积分和微分因子的增量值；

根据上述输出值通过加权平均法与上一周期的值叠加代入模糊PID控制装置中进行计算得到更新后K_pD，K_iD，K_dD，K_pC，K_iC，K_dC，K_pT，K_iT，K_dT的值；

采用如下PID计算公式进行计算：

通过上述计算得到该时刻下环境变量的输出值D(t)、C(t)和T(t)，然后模糊PID控制装置基于内置的环境变量D、C、T与加湿器输出功率p1、冷雾输出压力P、冷水机输出功率p2之间的转化模型，调整加湿器功率、冷雾压力和冷水机功率，实现对除尘降温装置的自适应调控。

与现有技术相比，本发明采用传感器监测装置、模糊PID控制装置和除尘降温装置相结合的方式，具有如下优点：

1、本发明中除尘降温装置将周围环境的高温含尘风流吸入后，依次经过加湿生长单元的初级除尘，冷雾降尘单元的冷雾降温及二级除尘，滤尘消雾单元的风流净化及三级除尘，从而对高温含尘风流同时进行降温及除尘过程，使其具有粉尘逃逸量少、除尘-降温效率高、耗水量小和能耗低的优点。

2、本发明中采用传感器监测装置在降温除尘装置工作过程中实时采集所需的环境数据，并反馈给模糊PID控制装置，模糊PID控制装置引入的模糊PID控制方法，根据采用的环境数据进行分析处理，若任一监测数据偏离系统设定的理想值时，获得对应的控制参数，并对加湿器功率、冷雾压力及冷水机功率按照控制参数进行调整，实现对除尘降温装置的自适应调控，从而当井下工作面的空气环境变化时，本发明的系统能实时自适应调整降温及除尘的强度，从而实现对高温采掘工作面不同情况下的持续降温及除尘，且均能达到所需效果；整个自适应调控过程不仅抗干扰能力强，而且还降低了设备调参对人的依赖性，具有适应性强、自动化程度高的优势。

3、本发明中压风引射单元制造负压及冷雾降尘单元冷雾采用的高压气体均来源于井下供气管路，冷雾降尘单元冷雾及加湿生长单元加湿所需的水均来源于井下供水管路，无需额外布设单独的供气及供水管路，便于安装使用；并且无需消耗电能即可实现含尘高温气流的高效卷吸，有效降低系统整体能耗的同时提高了系统的本质安全性。

附图说明

图1是本发明中工作方法的整体流程图；

图2是本发明中一体化除尘-降温系统的整体结构示意图。

图中：1、压风引射单元；2、加湿生长单元；3、冷雾降尘单元；4、滤尘消雾单元；5、集流器；6、环状组合引射器；7、第一电磁阀；8、第一过滤器；9、加湿器；10、第二电磁阀；11、第二过滤器；12、喷嘴；13、第三电磁阀；14、第三过滤器；15、冷水机；16、第四电磁阀；17、第四过滤器；18、过滤装置；19、排污口；20、模糊PID控制装置；21、激光粒度传感器；22、粉尘浓度传感器；23、温度传感器；24、加湿器功率变换器；25、冷水机功率变换器；26、压力调节阀。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统，包括传感器监测装置、模糊PID控制装置和除尘降温装置；

所述除尘降温装置包括压风引射单元1、加湿生长单元2、冷雾降尘单元3以及滤尘消雾单元4；压风引射单元1包括进风筒、集流器5和环状组合引射器6，集流器5装在进风筒一端，用于将周围高温含尘风流汇集后流入进风筒，环状组合引射器6装在进风筒内、且其喷射方向朝向进风筒另一端，环状组合引射器6的进气口通过第一气管与井下供气管路连接，所述第一气管上装有第一电磁阀7，用于控制第一气管的通断，通过环状组合引射器6喷出高压气体在进气管内形成负压，从而引导高温含尘风流从进气管一端进入；所述加湿生长单元2包括第一腔体和加湿器9，第一腔体一端与进风筒另一端连接，用于使高温含尘风流进入；加湿器9装在第一腔体内、且加湿器9的进水口通过第一水管与井下供水管路连接，所述第一水管上装有第二电磁阀10，用于控制第一水管的通断，通过加湿器9对第一腔体内持续加湿形成水分过饱和环境，使高温含尘风流中的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降；所述冷雾降尘单元3包括第二腔体、冷水机15和多个喷嘴12，第二腔体一端与第一腔体另一端连接，用于引入第一腔体处理后的风流；多个喷嘴12布设在第二腔体内，且多个喷嘴12均与冷雾管路连接，冷水机15装在第二腔体外，冷水机15的进水口通过第二水管与井下供水管路连接，使井下供水管路内的水进入冷水机15进行降温，形成低温水；冷雾管路一端装有三通接头，三通接头两个端口分别通过管路与井下供气管路和冷水机15的出水口连接，三通接头与井下供气管路之间装有第三电磁阀13，用于控制三通接头与井下供气管路的通断；第二水管上装有第四电磁阀16，用于控制第二水管的通断；井下供气管路内的高压气体与冷水机15产生的低温水经过三通接头进入冷雾管路内混合，并从各个喷嘴喷出低温气水冷雾，对第二腔体内的风流进行降温及再次降尘；冷雾管路上装有压力调节阀26，用于控制喷嘴12喷出的低温气水冷雾压力；所述滤尘消雾单元4包括第三腔体和过滤装置18，第三腔体一端与第二腔体另一端连接，用于引入第二腔体处理后的风流；第三腔体底部开设排污口19，过滤装置18装在第三腔体内、且覆盖第三腔体某一截面，过滤装置18对经过的风流进行过滤除尘及吸湿，完成后使风流从第三腔体另一端排出；所述进风筒、第一腔体、第二腔体和第三腔体均依次同轴连接；便于风流顺利通过实现降温除尘。

所述传感器监测装置包括激光粒度传感器21、粉尘浓度传感器22以及温度传感器23，激光粒度传感器21装在第一腔体内，用于监测第一腔体内粉尘颗粒的生长直径；粉尘浓度传感器22以及温度传感器23均装在周围环境处，分别用于监测环境粉尘浓度和环境温度；

所述模糊PID控制装置20与激光粒度传感器21、粉尘浓度传感器22、温度传感器23、第一电磁阀7、第二电磁阀10、第三电磁阀13、第四电磁阀16、压力调节阀26、冷水机15和加湿器9连接，用于控制第一电磁阀7、第二电磁阀10、第三电磁阀13、第四电磁阀16、冷水机15和加湿器9启动进行除尘降温，并接收激光粒度传感器21、粉尘浓度传感器22和温度传感器23反馈的数据进行分析处理后，通过加湿器功率变换器和冷水机功率变换器分别对加湿器9的功率和冷水机15产生的低温水温度进行调节，同时通过控制压力调节阀26对低温气水冷雾的压力进行调节。

作为本发明的一种改进，所述过滤装置18由多个过滤层组成；所述第一气管上装有第一过滤器8，第一水管上装有第二过滤器11，三通接头与井下供气管路之间装有第三过滤器14，第二水管上装有第四过滤器17。通过设置多个过滤层能保证对最终排出风流的吸附净化效果，并且增设多个过滤器，能防止井下供气管路和井下供水管路内部含有的杂质随气体或水进入本系统内，保证本系统降温除尘的稳定运行。

如图1所示，上述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统的工作方法，具体步骤为：

步骤一、将一体化除尘-降温系统安装在所需除尘及降温的矿井高温采掘工作面回风或下风侧；启动第一电磁阀7、第二电磁阀10、第三电磁阀13、第四电磁阀16、冷水机15和加湿器9，周围环境的高温含尘风流受压风引射单元1的负压作用被吸入，高温含尘风流先进入加湿生长单元2形成的水分过饱和环境，使其含有的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降，并在重力作用下产生部分沉降，实现初级除尘；经过初级除尘后的风流进入冷雾降尘单元3，该单元内多个喷嘴12持续喷出高压气流和低温水流的共同作用下形成的超细冷雾，超细冷雾与风流在冷雾降尘单元内混合进行热交换并蒸发，从而对风流进行降温，同时尘粒团聚物在该环境中进一步生长、凝并，且尘粒团聚物也在与雾滴的碰撞、截留过程中被沉降，实现降温及二级除尘；经过降温及二级除尘后的风流最后进入滤尘消雾单元4，其中的过滤装置18将风流中剩余的粉尘颗粒和冷雾雾滴吸附过滤，实现风流净化及三级除尘，最终从滤尘消雾单元4排出低温且净化的风流，对高温采掘工作面的空气环境进行除尘及降温；

步骤二、在一体化除尘-降温系统工作过程中，传感器监测装置中激光粒度传感器21、粉尘浓度传感器22和温度传感器23，实时监测加湿生长单元2内的粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的数据反馈至模糊PID控制装置20；

步骤三、当任一监测数据偏离系统设定的理想值时，模糊PID控制装置20确定粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T，选择知识库其包括数据库和规则库，其中数据库包括输入值和输出增量的隶属度函数，规则库包括基于专家知识和操作经验给出的总模糊规则R*，具体为：

在数据库中嵌入了关于输入、输出的模糊集合及其论域和模糊子集对应的隶属度函数；由于一体化除尘-降温系统内粉尘颗粒生长直径增大更易到达降尘预期目标，因此关于尘粒生长直径D的误差e_D和误差变化率ε_D的模糊集合均定义为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其输出ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD的模糊集合同样定义为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}；

环境粉尘浓度越低越符合预期目标，因此关于粉尘浓度C的误差e_C的模糊集定义为：{零负，正小，正中，正大}＝{ZN，PS，PM，PB}，论域为：{0，1，2，3}，误差变化率ε_C的模糊集合定义为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其输出ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC的模糊集合均定义为：{零，正小，正中，正大}＝{ZO，PS，PM，PB}，论域为：{0，1，2，3}；

由于工作面温度不宜过高或者过低，需要保证温度维持在一定值，因此关于工作面温度T的误差e_T和误差变化率ε_T的模糊集合定义为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其输出ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT的模糊集合均定义为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，论域为：{-3，-2，-1，0，1，2，3}；

上述字母，“P”代表“正”，“N”代表“负”，“Z”以及“ZO”代表“零”“S”代表“小”，“M”代表“中”，“B”代表“大”；

对于输入的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T，模糊集合中的元素的含义描述为：“负大”表示“误差值为负且绝对值较大”或者“误差变化呈负增长且幅度较大”，“负中”表示“误差值为负且绝对值适中”或者“误差变化呈负增长且幅度适中”，“负小”表示“误差值为负且绝对值较小”或者“误差变化呈负增长且幅度较小”，“零负”表示“误差值小于等于零”或者“误差变化率小于等于零”，“零”表示“误差为零”或者“误差变化率为零”，“零正”表示“误差值大于等于零”或者“误差变化率大于等于零”，“正小”表示“误差值为正且绝对值较大”或者“误差变化呈正增长且幅度较小”，“正中”表示“误差值为正且绝对值适中”或者“误差变化呈正增长且幅度适中”，“正大”表示“误差值为正且绝对值较大”或者“误差变化呈正增长且幅度较大”；

对于输出的ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，“负大”表示“输出值需要减小的程度较大”，“负中”表示“输出值需要减小的程度适中”，“负小”表示“输出值需要减小的程度较小”，“零”表示“输出值保持上一周期的值不变”，“正小”表示“输出值需要增大的程度较小”，“正中”表示“输出值需要增大的程度适中”，“正大”表示“输出值需要增大的程度较大”；另外说明，该模糊集合子集元素越多，针对于PID参数的调整越精确。

规则库是基于专家知识或操作经验给出的e和ε在不同的模糊集合组合时对应的模糊规则R_i，一般描述为：IF A and B then C；

在本方法中给出的关于e_D和ε_D对应的输出参数模糊规则如下：

对于ΔK_pD，

X_D1:IF e_D is ZN andε_D is NB thenΔK_pD is PB，

……

X_D2:IF e_D is ZP andε_D is ZO thenΔK_pD is ZO，

……

X_D49:IF e_D is PB andε_D is PB thenΔK_pD is NB；

对于ΔK_iD，

Y_D1:IF e_D is NB andε_D is NB thenΔK_iD is NB，

……

Y_D2:IF e_D is ZO andε_D is ZO thenΔK_iD is ZO，

……

Y_D49:IF e_D is PB andε_D is PB thenΔK_iD is PB；

对于ΔK_dD，

Z_D1:IF e_C is NB andε_C is NB thenΔK_dD is PS，

……

Z_D2:IF e_C is ZO andε_C is ZO thenΔK_dD is NS，

……

Z_D49:IF e_C is PB andε_C is PB thenΔK_dD is PB；

同理，本方法中给出的关于e_C、ε_C、e_T和ε_T对应的输出参数具有同样类似的模糊规则。所有模糊关系能够构建9个模糊关系矩阵 它们构成该系统中的总模糊规则，记为R^*。

根据知识库中的总模糊规则R*进行模糊推理及解模糊过程，具体为：

首先将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T经过量化因子进行模糊化转化为论域值；根据数据库中各输入变量所对应的隶属度函数，即得到对应的论域值下各模糊子集的隶属度；

量化因子K_e、K_ε具体表示为：

其中，m、n表示误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T对应各自论域中的最大整数值，该论域条件下取m＝n＝3，且e_h和e_l分别表示实际输出中误差所能取到的最高限值和最低限值，ε_h和ε_l分别表示误差变化率的最高限值和最低限值；

另外，比例因子为K_u，模糊算法经计算后输出的论域值由该比例因子转化为清晰值ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT供PID算法进行下一步运算处理；

比例因子K_u具体表示为：

其中，其中u＝{ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT}，L表示输出值ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT对应各自论域中的最大整数值，该论域条件下取L＝3，u_h和u_l分别表示在实际输出中上述输出值所能取到的最高限值和最低限值；

通过Mamdni方法进行模糊推理，将关于粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T对应的误差和误差变化率的隶属度矩阵分别进行合并，再与上述规则库中的模糊关系矩阵分别进行合成运算，得到不同输出模糊子集对应的隶属度，根据数据库中建立的有关输出的隶属度函数得到输出曲线，采用最大隶属度平均法，得到该模糊子集下的论域值。最后将该论域值依据比例因子K_u转化为输出值ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，从而得到粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自对应PID算法的比例、积分和微分因子的增量值；

根据上述输出值通过加权平均法与上一周期的值叠加代入模糊PID控制装置20中进行计算得到更新后K_pD，K_iD，K_dD，K_pC，K_iC，K_dC，K_pT，K_iT，K_dT的值，具体为：

其中K_pD1，K_iD1，K_dD1，K_pc1，K_ic1，K_dc1，K_pT1，K_iT1，K_dT1分别是上一周期PID计算的参数值；

采用如下PID计算公式进行计算：

通过上述计算得到该时刻下环境变量的输出值D(t)、C(t)和T(t)，然后模糊PID控制装置20基于内置的环境变量D、C、T与加湿器输出功率p1、喷雾输出压力P、冷水机输出功率p2之间的转化程序，调整加湿器功率、喷雾压力及冷水机功率，实现对除尘降温装置的自适应调控。

环境变量(D、C、T)和装置工作参数(p₁、P、p₂)之间的转化模型如下所示，其中，α_i，β_i，γ_i为环境变量对应不同幂指数时的系数。

步骤四、模糊PID控制装置20根据输入的监测数据进行自适应调控时，传感器监测装置持续实时将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的变化反馈至模糊PID控制装置20，模糊PID控制装置20继续重复步骤三的调控流程，直至粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T均达到各自的理想值，此时模糊PID控制装置20停止调控过程并保持除尘降温装置当前状态运行，传感器监测装置持续进行实时监测并将监测数据反馈给模糊PID控制装置20，若任一监测数据偏离系统设定的理想值时，模糊PID控制装置20继续重复步骤三的调控流程，从而实现持续对高温采掘工作面空气环境的除尘及降温。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统，其特征在于，包括传感器监测装置、模糊PID控制装置和除尘降温装置；

所述除尘降温装置包括压风引射单元、加湿生长单元、冷雾降尘单元以及滤尘消雾单元；压风引射单元包括进风筒、集流器和环状组合引射器，集流器装在进风筒一端，用于将周围高温含尘风流汇集后流入进风筒，环状组合引射器装在进风筒内、且其喷射方向朝向进风筒另一端，环状组合引射器的进气口通过第一气管与井下供气管路连接，所述第一气管上装有第一电磁阀，用于控制第一气管的通断，通过环状组合引射器喷出高压气体在进气管内形成负压，从而引导高温含尘风流从进气管一端进入；所述加湿生长单元包括第一腔体和加湿器，第一腔体一端与进风筒另一端连接，用于使高温含尘风流进入；加湿器装在第一腔体内、且加湿器的进水口通过第一水管与井下供水管路连接，所述第一水管上装有第二电磁阀，用于控制第一水管的通断，通过加湿器对第一腔体内持续加湿形成水分过饱和环境，使高温含尘风流中的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降；所述冷雾降尘单元包括第二腔体、冷水机和多个喷嘴，第二腔体一端与第一腔体另一端连接，用于引入第一腔体处理后的风流；多个喷嘴布设在第二腔体内，且多个喷嘴均与冷雾管路连接，冷水机装在第二腔体外，冷水机的进水口通过第二水管与井下供水管路连接，使井下供水管路内的水进入冷水机进行降温，形成低温水；冷雾管路一端装有三通接头，三通接头两个端口分别通过管路与井下供气管路和冷水机的出水口连接，三通接头与井下供气管路之间装有第三电磁阀，用于控制三通接头与井下供气管路的通断；第二水管上装有第四电磁阀，用于控制第二水管的通断；井下供气管路内的高压气体与冷水机产生的低温水经过三通接头进入冷雾管路内混合，并从各个喷嘴喷出低温气水冷雾，对第二腔体内的风流进行降温及二级降尘；冷雾管路上装有压力调节阀，用于控制喷嘴喷出的低温气水冷雾压力；所述滤尘消雾单元包括第三腔体和过滤装置，第三腔体一端与第二腔体另一端连接，用于引入第二腔体处理后的风流；第三腔体底部开设排污口，过滤装置装在第三腔体内、且覆盖第三腔体某一截面，过滤装置对经过的风流进行过滤除尘及吸湿，完成后使风流从第三腔体另一端排出；

所述传感器监测装置包括激光粒度传感器、粉尘浓度传感器以及温度传感器，激光粒度传感器装在第一腔体内，用于监测第一腔体内粉尘颗粒的生长直径；粉尘浓度传感器以及温度传感器均装在周围环境处，分别用于监测环境粉尘浓度和环境温度；

所述模糊PID控制装置与激光粒度传感器、粉尘浓度传感器、温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、压力调节阀、冷水机和加湿器连接，用于控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、冷水机和加湿器启动进行除尘降温，并接收激光粒度传感器、粉尘浓度传感器和温度传感器反馈的数据进行分析处理后，通过加湿器功率变换器和冷水机功率变换器分别对加湿器的功率和冷水机产生的低温水温度进行调节，同时通过控制压力调节阀对低温气水冷雾的压力进行调节。

2.根据权利要求1所述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统，其特征在于，所述过滤装置由多个过滤层组成；所述第一气管上装有第一过滤器，第一水管上装有第二过滤器，三通接头与井下供气管路之间装有第三过滤器，第二水管上装有第四过滤器。

3.根据权利要求1所述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统，其特征在于，所述进风筒、第一腔体、第二腔体和第三腔体均依次同轴连接。

4.一种根据权利要求1至3任一项所述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、将一体化除尘-降温系统安装在所需除尘及降温的矿井高温采掘工作面回风或下风侧；启动第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、冷水机和加湿器，周围环境的高温含尘风流受压风引射单元的负压作用被吸入，高温含尘风流先进入加湿生长单元形成的水分过饱和环境，使其含有的粉尘颗粒在该环境中不断生长、凝并及沉降，并在重力作用下产生部分沉降，实现初级除尘；经过初级除尘后的风流进入冷雾降尘单元，该单元内多个喷嘴持续喷出高压气流和低温水流的共同作用下形成的超细冷雾，超细冷雾与风流在冷雾降尘单元内混合进行热交换并蒸发，从而对风流进行降温，同时尘粒团聚物在该环境中进一步生长、凝并，且尘粒团聚物也在与雾滴的碰撞、截留过程中被沉降，实现降温及二级除尘；经过降温及二级除尘后的风流最后进入滤尘消雾单元，其中的过滤装置将风流中剩余的粉尘颗粒和冷雾雾滴吸附过滤，实现风流净化及三级除尘，最终从滤尘消雾单元排出低温且净化的风流，对高温采掘工作面的空气环境进行除尘及降温；

步骤二、在一体化除尘-降温系统工作过程中，传感器监测装置中激光粒度传感器、粉尘浓度传感器和温度传感器，实时监测加湿生长单元内的粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的数据反馈至模糊PID控制装置；

步骤三、当任一监测数据偏离系统设定的理想值时，模糊PID控制装置确定粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T，接着进行模糊化处理，根据知识库中的总模糊规则R*进行模糊推理，最后进行解模糊，得到粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自对应PID算法的比例、积分和微分因子的增量值，分别为ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，然后通过加权平均法与上一周期的值叠加代入模糊PID控制装置中进行计算得到该时刻下环境变量的输出值D(t)、C(t)和T(t)，然后模糊PID控制装置基于内置的环境变量D、C、T与加湿器输出功率p₁、冷雾输出压力P、冷水机输出功率p₂之间的转化程序，调整加湿器功率、冷雾压力及冷水机功率，实现对除尘降温装置的自适应调控；

步骤四、模糊PID控制装置根据输入的监测数据进行自适应调控时，传感器监测装置持续实时将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T的变化反馈至模糊PID控制装置，模糊PID控制装置继续重复步骤三的调控流程，直至粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T均达到各自的理想值，此时模糊PID控制装置停止调控过程并保持除尘降温装置当前状态运行，传感器监测装置持续进行实时监测并将监测数据反馈给模糊PID控制装置，从而实现持续对高温采掘工作面空气环境的除尘及降温。

5.根据权利要求4所述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统的工作方法，其特征在于，所述知识库包括数据库和规则库，其中数据库包括输入值和输出增量的隶属度函数，规则库包括基于专家知识和操作经验给出的总模糊规则R*。

6.根据权利要求5所述矿井高温采掘工作面一体化除尘-降温系统的工作方法，其特征在于，所述步骤三中具体过程为：首先将粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自与理想值的误差e_D、e_C、e_T和误差变化率ε_D、ε_C、ε_T经过量化因子进行模糊化后转化为论域值；通过Mamdni方法进行模糊推理，将关于粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T对应的误差和误差变化率的隶属度矩阵分别进行合并，再与上述规则库中的总模糊规则R*进行合成运算；接着在输出的隶属度函数上反应运算结果，通过最大隶属度平均法，得到关于输出值对应模糊子集的论域值；最后将该论域值依据比例因子K_u转化为输出值ΔK_pD，ΔK_iD，ΔK_dD，ΔK_pC，ΔK_iC，ΔK_dC，ΔK_pT，ΔK_iT，ΔK_dT，从而得到粉尘颗粒生长直径D、高温采掘工作面的环境粉尘浓度C和环境温度T各自对应PID算法的比例、积分和微分因子的增量值；

根据上述输出值通过加权平均法与上一周期的值叠加代入模糊PID控制装置中进行计算得到更新后K_pD，K_iD，K_dD，K_pC，K_iC，K_dC，K_pT，K_iT，K_dT的值；

采用如下PID计算公式进行计算：

通过上述计算得到该时刻下环境变量的输出值D(t)、C(t)和T(t)，然后模糊PID控制装置基于内置的环境变量D、C、T与加湿器输出功率p1、冷雾输出压力P、冷水机输出功率p2之间的转化程序，调整加湿器功率、冷雾压力及冷水机功率，实现对除尘降温装置的自适应调控。