矿山自行式空气净化设备的制作方法

本发明涉及采矿设备技术领域，具体是指一种矿山自行式空气净化设备。

背景技术：

目前地下矿山开采以凿岩爆破法为主，巷道在掘进过程中会产生大量的粉尘，其中凿岩、爆破和装岩是主要的灰尘产生源。同时独头巷道在掘进过程中机械化程度的提高，大功率掘进机等设备的使用，导致巷道空气中粉尘浓度增大。掘进过程中产生大量的细微、游离状矿物和岩石颗粒即为矿尘；同时爆破过程中会产生大量co、no和no2等有毒有害气体。国内外工程实践表明，通风除尘是降低机掘工作面粉尘及有毒有害气体浓度最有效的措施之一。

通风方式按照通风的动力划分可分为自然通风和机械通风。自然通风因受自然条件的影响和限制很大，所以很少使用。机械通风可分为管道式通风和巷道式通风，按照主要通风机安装位置不同又可分为抽出式、压入式和混合式三种。管道式通风和巷道式通风都大大增加了施工工作量；其次，这两种通风形式都存在污风泄露的风险。如果通风能力不够，需要增加局部通风设备，通风工作量大。在独头掘进的巷道，在爆破后的通风时间最长可达2h，且工作面存在盲角区域污风无法排出。

正因为通风除尘存在上述缺陷，随着技术的发展，越来越多的地下矿山使用矿山空气净化设备来快速降低爆破后的粉尘和有毒有害气体的浓度，减少通风时间。现有的设备大多通过喷淋法或静电法除尘，虽然可以快速降低地下矿山爆破后工作面的粉尘浓度，但现有设备还存在以下困难：

(1)现有设备无法自动移动，需要进行人工部署；

(2)现有设备需提前部署在工作面，爆破产生的震动和飞石等有可能损害设备；

(3)现有设备只能净化粉尘，无法净化co、no和no2等有毒有害气体。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种净化效率高，净化效果好，自循环，同时可净化粉尘、co、no和no2的矿山自行式空气净化设备，适用与金属非金属矿山地下开采、隧道开挖。

为实现上述目的，本发明提供的矿山自行式空气净化设备，其特征在于：

包括传感系统、前壁顶部设有进风口的外箱体、粉尘及有毒有害气体净化装置和自行走机构；

所述传感系统位于外箱体的顶部，所述粉尘及有毒有害气体净化装置位于外箱体内部，所述自行走机构位于外箱体的底部；

所述粉尘及有毒有害气体净化装置包括密闭水箱、氧气罐、co-o2燃料电池和抽风机；

所述密闭水箱置于外箱体内部右侧，所述密闭水箱焊接在外箱体内壁上；所述外箱体内部还设有氧气罐，所述氧气罐装置在密闭水箱左侧，所述氧气罐顶端与底端安装两排氧气罐支架与外箱体连接；

所述密闭水箱内部装入有总容量90％的饱和naoh水溶液；所述密闭水箱内部还安装有搅拌机；所述密闭水箱下壁面安装有水泵和内部设有滤芯的过滤装置；

所述密闭水箱左侧顶部安装进风管，所述密闭水箱右侧顶部安装有出风管；所述进风管的一端与进风口相通，进风管的另一端位于密闭水箱一侧的液面下；所述出风管位于密闭水箱一侧的液面上；所述密闭水箱底部右侧安装有排污管，所述密闭水箱左壁面安装有回水管；

所述co-o2燃料电池置于氧气罐下端；所述co-o2燃料电池包括co-o2燃料电池阴极、酸性电解质和co-o2燃料电池阳极；

所述粉尘及有毒有害气体净化装置还包括进气端氧气管和燃料电池氧气管；所述氧气罐通过进气端氧气管与进风管相连，所述氧气罐通过燃料电池氧气管与co-o2燃料电池阴极相连；所述抽风机装置于co-o2燃料电池右侧，所述出风管的一端与密闭水箱相连接，所述出风管的另一端与抽风机相连接；

所述外箱体底部还设有锂离子蓄电池，所述锂离子蓄电池置于co-o2燃料电池与抽风机下部；所述外箱体后壁下部设有充电口，所述充电口与锂离子蓄电池相连接；

所述自行走机构包括4个车轮和4个行走电动机；所述4个车轮均置于外箱体下部，其中2个车轮为一组，2组车轮分别对称布置于外箱体下部两侧；所述4个行走电动机机轴分别直接穿过4个车轮的圆心，装置于4个车轮内侧；

所述传感系统包括控制装置、co浓度传感器、no2浓度传感器、粉尘浓度传感器和4个超声波测距传感器；所述控制装置包括充电界面和内部采用单片机的主控制器；所述4个超声波测距传感器分别装置于外箱体1前后左右四个壁面顶部；所述充电界面装置于外箱体背部；所述co浓度传感器、no2浓度传感器和粉尘浓度传感器均装置于外箱体顶部表面。

作为优选方案，所述co-o2燃料电池左右两侧安装有2块半圆形多孔电极；所述2块半圆形多孔电极拼接成圆筒，所述2块半圆形多孔电极拼接处均设有用以隔绝的绝缘材料；所述2块半圆形多孔电极内部均设有碱性电解质。

进一步地，还设有4个摄像头；所述4个摄像头也分别装置于外箱体前后左右四个壁面顶部，且摄像头装置于超声波测距传感器左侧。

更进一步地，所述氧气罐上方还设有2个电磁阀，所述2个电磁阀分别位于氧气罐上方的左右两侧；其中，位于氧气罐上方左侧的电磁阀与所述燃料电池氧气管相连用以控制向co-o2燃料电池阴极电极输送氧气的流量；位于氧气罐上方右侧的电磁阀与所述进气端氧气管相连用以控制向进风管输送氧气的流量。

本发明与现有的技术相比，具有以下优点：

1、本发明较好地解决了传统地下矿山除尘及除有毒气体的设备安装费时费力的问题；

2、本发明可以同时实现矿山爆破后空气中粉尘、no2、no和co等有毒有害气体的净化；

3、本发明实现了爆破工作面空气的自循环，通过对爆破后的空气净化，改善了施工环境，简化了地下矿山通风除尘及有毒气体的流程；

4、本发明可有效监测灰尘及有毒有害气体浓度，可实现空气净化程度的定量判断；

5、自行走装置配合超声波测距传感器，实现了设备的自动行走、自动部署和自动控制，确保了对整个监测区域内的污风监测与净化；

6、设备通过摄像头可以实时记录并储存运行过程，操作人员也可以通过摄像头来实时查看设备所处的环境。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明后视图；

图4为有毒有害气体及粉尘净化装置纵剖面图；

图5为密闭水箱外观示意图；

图6为co-o2燃料电池俯视图；

图7为co-o2燃料电池主视图；

图8为氧气罐支架俯视图；

图9为行走机构俯视图；

图10为充电界面示意图；

图11为主控制器俯视图。

图中：1、外箱体；2、co浓度传感器；3、no2浓度传感器；4、粉尘浓度传感器；5、超声波测距传感器；6、摄像头；7、车轮；8、进风口；9、粉尘及有毒有害气体净化装置；10、锂离子蓄电池；11、自行走机构；12、出风口；13、充电口；14、密闭水箱；15、进风管；16、出风管；17、搅拌机；18、过滤装置；19、排污管；20、水泵；21、抽风机；22、电磁阀；23、进气端氧气管；24、燃料电池氧气管；25、氧气罐；26、氧气罐支架；27、回水管；28、co-o2燃料电池阴极电极；29、酸性电解质；30、co-o2燃料电池阳极电极；31、绝缘材料；32、行走电动机；33、主控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图所示的矿山自行式空气净化设备，包括外箱体1、密闭水箱14、氧气罐25、co-o2燃料电池和抽风机21，还包括进风管15、出风管16、搅拌机17、过滤装置18、水泵20、排污管19、回水管27、氧燃料电池氧气管24、进气端氧气管23，密闭水箱14位于外箱体1内部，密闭水箱通过进风管15与大气连接，密闭水箱左侧安装氧气罐支架26，氧气罐支架上安装氧气罐25，氧气罐通过进气端氧气管23与进风管15连接，氧气罐通过燃料电池氧气管与co-o2燃料电池阴极电极28连接，氧气罐下部安装co-o2燃料电池，co-o2燃料电池阳极电极30通过出风管16与密闭水箱14连接，在密闭水箱14下侧设置抽风机21，抽风机21通过出风管16经过co-o2燃料电池阳极电极30与密闭水箱14连接。

在密闭水箱14与抽风机21之间设置过滤装置18，过滤装置18通过排污管19与密闭水箱14相连，在过滤装置18左侧设置水泵20，水泵20左侧通过回水管27与密闭水箱14相连。在外箱体底部设置自行走装置，包括行走电动机32和车轮7，行走电动机32转子与车轮轴心相连接。在自行走装置上部安装锂离子蓄电池10，在外箱体后壁面安装充电口13，充电口13与锂离子蓄电池10相连。

本发明实施时，首先设备在行走电动机10的驱动下自动驶往爆破工作面，通过超声波测距传感器5来确定设备与巷道壁的距离来确定设备的位置，设备通过摄像头6来实时记录周围环境，操作人员也可通过摄像头6来实时监控设备运行情况，当设备运行至工作面中心点后，抽风机21开始工作，电磁阀22打开，氧气罐25通过进气端氧气管23向进风管15中注入o2,污风由进风口8经进风管15与o2混合后进入密闭水箱14，密闭水箱14中装有饱和naoh水溶液，污风中的no与o2反应生成no2，no2、o2与水反应生成nho3，nho3与溶解在水中的naoh反应生成nano3与h2o，从而除去污风中的no和no2，污风中的粉尘溶解在水中，搅拌机17搅拌密闭水箱中的水防止粉尘沉淀，溶解了粉尘的水在水泵20的作用下经排污管19流入过滤装置18，过滤溶解在水中的粉尘，经过过滤的水经回水管27回流至密闭水箱14，除去no、no2与灰尘的污风经出风管16进入co-o2燃料电池阳极电极，污风中的co被氧化为co2，co-o2电池的阳极电极反应为：co(g)+h2o(l)→co2(g)+2e^-+2h⁺(aq)，氧气罐25经燃料电池氧气管向co-o2燃料电池阴极提供氧气，co-o2燃料电池的阴极电极反应式为：1/2o2(g)+2e^-+2h⁺(aq)→h2o(l)，至此污风中的主要污染物如粉尘、no、no2、co被全部除去，净化后的洁净风流经出风管16排入大气，当环境中的粉尘和有毒有害气体浓度降低到阈值以下时设备停止工作，设备自动返回。本发明由锂离子蓄电池10为co浓度传感器2、no2浓度传感器3、粉尘浓度传感器4、超声波测距传感器5、摄像头6、搅拌机17、抽风机21、水泵20、行走电动机32供电，在设备不工作时通过充电口13为设备充电。

当进行爆破作业后，事先部署在爆破工作面附近的自行式空气净化设备会在自行走机构11的作用下自动驶入工作面，通过超声波测距传感器5测量与巷道壁与工作面的距离来确定设备的位置，当设备行驶到指定位置后，设备自动开始运转，空气在抽风机21的作用下经过进风管15与由氧气罐25提供的氧气混合后注入密闭水箱14的水中，灰尘入水后会沉淀，no、no2与o2的混合气体与水反应生成nho3，并与溶解在水中的naoh反应从而被中和，除去no、no2和灰尘的空气经出风管16流入co-o2燃料电池阳极30被氧化为co2，净化后的空气排入大气。当灰尘进入水中后，有搅拌机17搅拌防止其沉淀，在水泵20作用下抽出被污染的水，经过过滤装置18过滤掉灰尘，过滤后的水重新排入密闭水箱14循环使用，在密闭水箱中安装传感器，当水中灰尘或硝酸的浓度超过阈值后会发出警报，提醒更换过滤装置滤芯。当环境中的灰尘和有毒有害气体浓度降低到阈值以下时，设备会自动停止工作并返回初始位置。

超声波测距传感器测量5与设备与巷道壁、设备与工作面的距离，摄像头6实时监控设备周围环境，超声波测距传感器5和摄像头6将采集的数据传输给主控制器33，主控制器33将数据进行处理后通过控制行走电动机32来控制设备移动，通过控制不同电机的转速与转向即可控制设备行走速度、控制转向、控制设备前进或后退。

当设备驶入到工作面中心位置时，设备开始运行，超声波测距传感器5结合slam技术建造工作面的特征地图，当中心区域的有毒有害气体及粉尘浓度降低到阈值之下时，设备开始移动，移动过程中设备根据位置估计和特征地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上完善特征地图，实现设备的自主定位和导航，设备自动移动的策略为让设备沿着最短路径到最近的未探索的区域，最终遍及工作面所有区域，当设备驶过的所有区域的粉尘及有毒有害气体降低到阈值之下时，设备自动返回初始位置。

矿山自行式空气净化设备中，由锂离子蓄电池10供电，在设备不工作时通过充电口13来为设备充电。

粉尘浓度传感器4co浓度传感器2、no2浓度传感器3和超声波测距传感器5与主控制器33连接并发出信号给主控制器33，主控制器连接并控制抽风机21、电磁阀22、水泵20、搅拌机17、行走电动机32。

本发明实施时，当设备驶入到工作面中心位置时，设备开始运行，超声波测距传感器5结合slam技术建造工作面的特征地图，当co浓度传感器2、no2浓度传感器3、粉尘浓度传感器4监测到中心区域的co、no2及粉尘浓度降低到阈值之下时，设备开始通过行走电动机32驱动车轮7来移动，移动过程中设备根据位置估计和特征地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上完善特征地图，实现设备的自主定位和导航，主控制器控制设备沿着最短路径到最近的工作面的未探索区域，最终遍及工作面所有区域，当设备驶过的所有区域的粉尘及有毒有害气体降低到阈值之下时，设备自动返回初始位置。