一种矿用高效安全除尘系统及操作方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种利用压缩空气为动力，高效、安全的矿用除尘系统和操作方法。


背景技术：

2.在矿井采掘、隧道施工、选矿选煤等作业过程中，存在大量的固体粉尘，这些粉尘处理不好将产生严重的环境污染和安全隐患，尤其是煤炭开采过程中，涉及煤炭粉尘量大，粉尘比重轻，更容易在空气中漂浮，出现严重安全隐患和污染问题。随着经济发展，工业生产对煤炭能源的需求增大，机械化开采和生产强度的不断提高，导致掘进面粉尘浓度严重超标，目前虽然有些煤矿对粉尘进行了治理，但多数煤矿井下粉尘浓度超标，煤矿粉尘污染及安全问题日趋严重，而高浓度的粉尘不仅会导致煤矿爆炸事故，带来经济损失和人员伤亡，同时粉尘中小直径的粉尘颗粒极易到达煤矿工人呼吸器官的深部，增加患尘肺病的危险，特别在近几年，煤炭产量发展迅速，机械化水平大幅度提高，煤矿井下在掘进、采煤、运输等环节中都会产生大量的粉尘，严重威胁矿井的安全生产和煤矿工人的身体健康。
3.现有的煤矿除尘方法主要分为两类：一类是干式除尘装置，由袋式除尘器、沉降室、捕尘装置和除尘风机等组成，由负压除尘风机带动袋式除尘器产生负压抽吸含尘气流，优点在于除尘率高，除尘效果好，其缺点是布袋容易堵塞，使用寿命不长，同时设备体积庞大，安装施工繁琐，不便于移动；另一类是湿式除尘装置，由湿式除尘风机、供水装置以及排渣装置等组成，其优点在防尘防爆方面有明显的优越性，能除去细小微尘，其缺点是体积大，布置困难，排渣较差并且耗水量难以控制。
4.上述两类除尘设备，通常都涉及除尘风机和很多用电设备的安全防爆问题，在煤炭开采等粉尘处理过程中，由于粉尘具有爆炸性，存在较大的安全隐患；同时，上述设备在使用过程中，存在过程操作复杂，检维修繁琐，处理设施庞大，处理效率低等问题。
5.为此申请人在发明专利cn202010396438.1中提出了一种煤矿除尘系统及除尘方法，包括依次连接的捕集装置、气力抽吸装置、雾沫除尘装置、旋流分离装置、多相分流装置和排尘器，所述捕集装置、所述气力抽吸装置、所述雾沫除尘装置、所述旋流分离装置和所述多相分流装置均为管状式结构且相邻两个装置间通过法兰连接为一体，所述气力抽吸装置通过可伸缩软管与煤矿通风管连接，所述多相分流装置的排渣口与煤矿排渣系统通过可伸缩管道连接，所述雾沫除尘装置通过软管与煤矿供水系统连接，所述可伸缩软管和所述软管的管道上设置截止阀。该专利的煤矿除尘系统单元组合设计合理，体积小巧，具有投资少、占地小、耗能低、脱尘率高等优点，但其未设置补风装置，系统结构还不够完善。
6.申请号为cn201822120931.1的中国专利，提出了一种隧道施工通风除尘系统，包括设在隧道一侧的送风装置和设在隧道另一侧的除尘装置；送风装置包括设在隧道进口处的轴流风机、设在隧道且一端与轴流风机相连的送风筒、一端与送风筒另一端相连的发散风筒，发散风筒位于在隧道内掌子面作业的悬臂掘进机之后；在发散风筒上设有若干个发散孔，使送入的新鲜风发散在悬臂掘进机后面形成风墙；除尘装置包括设在隧道内的风机、
与风机相连的湿式除尘器、一端与湿式除尘器相连的吸尘风筒，吸尘风筒的另一端位于在隧道内掌子面作业的悬臂掘进机齐平；以便将掘进时产生的粉尘吸入湿式除尘器，进行处理。该专利能够显著改善隧道施工环境，有利于施工人员的身体健康，提高施工效率，但其送风装置不能根据现场采掘面空间形状，以及采掘速度和强度来调整气流方向，其补风效果不够理想。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有煤矿除尘设备存在过程操作复杂，检维修繁琐，处理效率低以及现有除尘系统不够完善，系统补风效果不够理想的技术问题，提供一种矿用高效安全除尘系统及操作方法，除尘系统具有除尘效率高、体积小、检维修方便、安全环保等特点，除尘系统操作方法能够将开采、除尘和补风装置关联操作控制，从而实现高效安全除尘。
8.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种矿用高效安全除尘系统，包括井下掘进开采装置、一体式除尘装置、矿井补风装置和控制系统，
9.所述井下掘进开采装置与一体式除尘装置相连接，所述井下掘进开采装置设置有掘进开采头；
10.所述一体式除尘装置包括依次连接的粉尘收集进气头、引气抽吸段、水雾除尘混合段、旋流分离段、分离排污段和末端排气管，所述粉尘收集进气头位于掘进开采头后方，所述粉尘收集进气头由网状壳体构成；
11.所述矿井补风装置位于一体式除尘装置的上方，所述矿井补风装置包括空气分配箱，所述空气分配箱的一端连接有压缩空气进气管道，压缩空气进气管道上设置有进风调节阀门和进风流量传感器，空气分配箱的另一端设置有调节风板，调节风板位于掘进工作面一端，空气分配箱的上端安装有盖板，空气分配箱和盖板上通过密封圈安装有可调节空气分配头，可调节空气分配头呈间隔分布，可调节空气分配头上开设有上下贯通的孔道，所述孔道下端为进气口，孔道上端为出气口，所述进气口位于空气分配箱内部，所述出气口位于空气分配箱外部，所述空气分配箱上还设置有调节控制单元，所述调节控制单元与进风调节阀门、进风流量传感器和调节风板电连接；
12.所述控制系统分别与井下掘进开采装置、一体式除尘装置和矿井补风装置的调节控制单元电连接。
13.进一步地，所述可调节空气分配头为球形结构。
14.进一步地，所述引气抽吸段包括引气抽吸外壳，引气抽吸外壳上安装有多个文丘里喷管，文丘里喷管的喷嘴深入到壳体内部并朝向后方，并且与引气抽吸外壳中轴线成一定倾斜角度，多个文丘里喷管通过进气分配箱与压缩空气进气管相连通，所述压缩空气进气管上依次设置有进气调节阀、进气流量传感器和进气压力传感器，所述进气调节阀、进气流量传感器和进气压力传感器分别与控制系统电连接。
15.进一步地，所述水雾除尘混合段包括水雾除尘外壳，水雾除尘外壳上环向安装有定向雾化喷嘴，水雾除尘外壳内安装有雾化喷嘴，所述定向雾化喷嘴和雾化喷嘴均与雾化水管路相连通，所述雾化水管路上设置有雾化水调节阀、流量传感器和压力传感器，所述雾化水调节阀、流量传感器和压力传感器分别与控制系统电连接。
16.进一步地，所述旋流分离段包括旋流分离外壳，所述旋流分离外壳呈锥形结构，旋流分离外壳小头端与水雾除尘混合段连接，旋流分离外壳大头端与分离排污段连接，旋流分离外壳中轴线上设置有分流和旋流锥体，分流和旋流锥体头部为锥体或流线体分流结构，分流和旋流锥体中部为螺旋体结构，分流和旋流锥体尾部为流线体或球体结构。
17.进一步地，所述分离排污段包括分离排污外壳，所述分离排污外壳呈锥形结构，分离排污外壳小头端与旋流分离段连接，分离排污外壳大头端与末端排气管连接，所述分离排污外壳内设置有同心导流锥形分离筒，分离筒轴向上均布有多个沟槽，分离筒内部设置有轴向平行或成一定角度的折流片，所述折流片设于相邻两排沟槽之间，分离排污外壳底部两侧设置有集污槽，所述集污槽与排污管道相连，排污管道上设置有排污泵，所述排污泵为气动或液压排污泵。
18.进一步地，所述末端排气管包括末端排气管外壳，所述末端排气管外壳呈锥形结构，末端排气管外壳小头端与分离排污段连接，末端排气管外壳大头端与净化气排气管连接，所述净化气排气管上设置有排气阀门。
19.进一步地，所述井下掘进开采装置设置有掘进臂，掘进臂前端设置掘进开采头，所述掘进臂内设置有掘进开采控制单元，所述掘进开采控制单元与控制系统电连接，所述井下掘进开采装置下部还设置有行进履带。
20.一种矿用高效安全除尘系统的操作方法，包括以下步骤：
21.s1：启动矿井补风装置：进行新鲜风补风，空气分配箱内的一部分风从箱体前端的调节风板吹出，另一部分风从空气分配头出气口吹出，根据现场采掘面空间形状，对调节风板和调节空气分配头出风口方向进行调节；
22.s2：启动一体式除尘装置：设定相应的抽气量和雾化除尘补水量，打开压缩空气进气调节阀、雾化水调节阀和排污泵压缩空气阀门，使相关气体流量、粉尘量与新鲜空气补气量相匹配；
23.s3：启动井下掘进开采装置：掘进开采头开始工作，通过掘进开采控制单元控制掘进速度和强度，掘进开采过程中产生的粉尘进入到一体式除尘装置；
24.s4：控制系统控制调节：根据采掘速度和强度，通过调节风板、进气调节阀门和进气流量传感器设定匹配的补风流量，使矿井补风装置与一体式除尘装置之间形成稳定的补气和抽吸排气平衡，使掘进开采、补风和除尘抽气、排污相匹配。
25.进一步地，所述步骤s3中，所述步骤s3中，掘进开采过程中产生的粉尘进入到一体式除尘装置，来自除尘装置前段的携带水雾和粉尘颗粒的高速旋转流动气流与锥形分离筒上的折流片撞击截流，在离心力作用下水滴和粉尘混合物与空气分离，并穿过多个窄沟槽，撞击壳体后在重力作用下汇集到集污槽并通过排污泵排出，分离后的洁净气体，通过末端排气管排出。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
27.(1)本发明矿用高效安全除尘系统的一体式除尘装置通过多管文丘里引气、旋流水雾捕集和强化离心分离构件除尘，能够提高设备除尘分离效果和可靠性，矿井补风装置具有可调节式补风结构，可以根据采掘速度和强度，对调节风板和空气分配头的出气方向进行调整，从而能够更好的阻挡粉尘进入到后方巷道内，使其进入到除尘装置中，空气分配头采用球形结构，使其调节更加灵活方便，通过调节风板、进风调节阀门和流量传感器控制
补风气体流量，更好的实现空气补风与除尘抽气的匹配，整体装置具有除尘效率高、体积小、检维修方便、安全环保等特点。
28.(2)本发明矿用高效安全除尘系统引气抽吸段采用多管式文丘里喷管结构，能够满足煤矿开采过程大量粉尘的处理要求，实现了大口径除尘装置高真空、大气量抽吸效果。
29.(3)本发明矿用高效安全除尘系统水雾除尘混合段通过内外组合式雾化喷嘴与前端文丘里喷嘴混合排气的高湍动混合，实现了在大气量、大口径设备内液体的多维均匀分散效果，提升了粉尘捕集去除效率。
30.(4)本发明矿用高效安全除尘系统旋流分离段的分流和旋流锥体头部为锥体或流线体分流结构，中部为螺旋体结构，尾部为流线体或球体结构，这种结构件可以实现前端混合捕集后气流的分流和旋流效应，使气流产生强烈的旋流离心作用，将水雾和捕集下来的粉尘混合物抛甩到壳体上，实现了导流、旋流离心和初步分离的三重效果。
31.(5)本发明矿用高效安全除尘系统操作方法通过控制系统能够对空气补风方向、空气分配箱的位置、掘进开采头的位置及除尘装置收集进气头的位置进行关联定位控制，实现采掘过程中最佳的除尘效果，能够对掘进开采速度、除尘抽气流量、除尘喷水雾量、新鲜风补风量、排污量之间进行关联操作控制，以实现操作过程中的匹配，也可以单独灵活控制相关流量，人工设定操作实现相关量的匹配控制，从而实现高效安全除尘，可广泛应用于各种采矿、选矿生产过程，尤其适用于对安全和环保要求较高的煤矿开采和处理过程。
附图说明
32.图1为本发明矿用高效安全除尘系统的结构图。
33.图2为本发明矿用高效安全除尘系统的俯视图。
34.图3为本发明矿用高效安全除尘系统补风装置结构图。
35.图中：1.掘进开采头，2.掘进开采控制单元，3.粉尘收集进气头，4.引气抽吸外壳，5.进气分配箱，6.文丘里喷管，7.进气调节阀，8.进气流量传感器，9.进气压力传感器，10.压缩空气进气管，11.水雾除尘外壳，12.定向雾化喷嘴，13.雾化喷嘴，14.雾化水调节阀，15.流量传感器，16.压力传感器，17.雾化水管路，18.旋流分离外壳，19.分流和旋流锥体尾部，20.分流和旋流锥体头部，21.分流和旋流锥体，22.分流和旋流椎体中部，23.第一排污泵，24.第一排污管道，25.第一集污槽，26.分离排污外壳，27.分离筒，28.沟槽，29.折流片，30.第二集污槽，31.第二排污管道，32.第二排污泵，33.末端排气管外壳，34.排气阀门，35.净化气排气管，36.空气分配箱，37.进气口，38.盖板，39.密封圈，40.出气口，41.球体，42.可调节空气分配头，43.螺栓，44.调节风板，45.进风调节阀门，46.进风流量传感器，47.压缩空气进气管道。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
37.如图1所示的一种矿用高效安全除尘系统，包括井下掘进开采装置mim、一体式除尘装置dre、矿井补风装置adi和控制系统cs。
38.井下掘进开采装置mim下部设置有行进履带，井下掘进开采装置mim的前端设置有
掘进臂，掘进臂前端设置有掘进开采头1，掘进臂内设置有掘进开采控制单元2，掘进开采控制单元2与控制系统cs电连接，可以通过掘进开采控制单元2控制驱动掘进速度和强度，实现掘进、补风和除尘抽气的匹配。
39.井下掘进开采装置mim的后端与一体式除尘装置dre相连接，一体式除尘装置dre包括依次连接的粉尘收集进气头a、引气抽吸段b、水雾除尘混合段c、旋流分离段d、分离排污段e和末端排气管f，粉尘收集进气头a3位于掘进开采头1后方，粉尘收集进气头a3为球形、方形或椭球型多孔网状构件壳体结构。
40.引气抽吸段b包括引气抽吸外壳4，引气抽吸外壳4为截面呈圆形、方形或多边形的柱体外壳，引气抽吸外壳4内设置有多个文丘里喷管6，文丘里喷管6的喷嘴深入到壳体内部并朝向后方，并且与引气抽吸外壳中轴线成一定倾斜角度，多个文丘里喷管6通过进气分配箱5与压缩空气进气管10相连通，通过喷管喷气产生一定负压，从而将粉尘吸入到引气抽吸外壳4内，进气分配箱5为环形结构，其套设在引气抽吸外壳4上与引气抽吸外壳4融为一体，进气分配箱5内腔壁与文丘里喷管6对应开孔连通，外腔壁与压缩空气进气管10相连，压缩空气进气管10上依次设置有进气调节阀7、进气流量传感器8和进气压力传感器9，进气调节阀7、进气流量传感器8和进气压力传感器9分别与控制系统cs电连接，采用这种抽吸段结构，良好的实现了压缩空气的均匀分配，同时也更好的实现了抽吸和叠加复合引气效应，这种多管式文丘里喷管结构，能够满足煤矿开采过程大量粉尘的处理要求，实现了大口径除尘装置高真空、大气量抽吸效果。
41.水雾除尘混合段c包括水雾除尘外壳11，水雾除尘外壳11为截面呈圆形、方形或多边形的柱体外壳，水雾除尘外壳11上环向安装有定向雾化喷嘴12，定向雾化喷嘴12为带有一定扩散角的定向喷嘴结构，水雾除尘外壳11内部中轴线位置处安装有雾化喷嘴13，雾化喷嘴13为球形或类似球形360
°
无死角喷头结构，定向雾化喷嘴12和雾化喷嘴13可以是纯液体雾化形式也可以是气-液雾化形式，定向雾化喷嘴12和雾化喷嘴13均与雾化水管路17相连通，雾化水管路17上设置有雾化水调节阀14、流量传感器15和压力传感器16，雾化水调节阀14、流量传感器15和压力传感器16分别与控制系统cs电连接，采用这种内外组合式雾化喷嘴，与前端文丘里喷嘴混合排气的高湍动混合，实现了在大气量、大口径设备内液体的多维均匀分散效果，提升了粉尘捕集去除效率。
42.旋流分离段d包括旋流分离外壳18，旋流分离外壳18为截面呈圆形、方形或多边形的锥柱形壳体，旋流分离外壳18小头端与水雾除尘混合段c连接，旋流分离外壳18大头端与分离排污段e连接，旋流分离外壳18中轴线上设置有分流和旋流锥体21，分流和旋流锥体头部20为锥体或流线体分流结构，分流和旋流锥体中部22为螺旋体结构，分流和旋流锥体尾部19为流线体或球体结构，采用这种结构件可以实现前端混合捕集后气流的分流和旋流效应，使气流产生强烈的旋流离心作用，将水雾和捕集下来的粉尘混合物抛甩到壳体上，实现了导流、旋流离心和初步分离的三重效果。
43.分离排污段e包括分离排污外壳26，分离排污外壳26为截面呈圆形、方形或多边形的锥柱形壳体，分离排污外壳26小头端与旋流分离段d连接，分离排污外壳26大头端与末端排气管f连接，分离排污外壳26内设置有同心导流锥形分离筒27，分离筒27轴向上均布有多个沟槽28，分离筒27内部设置有轴向平行或带有一定角度的折流片29，折流片29设于相邻两排沟槽28之间，分离排污外壳26底部两侧设置有v形双低点集污槽，集污槽包括第一集污
槽25和第二集污槽30，第一集污槽25与第一排污管道24相连，第一排污管道24上设置有第一排污泵23，第二集污槽30与第二排污管道31相连，第二排污管道31上设置有第二排污泵32，第一排污泵23和第二排污泵32为气动或液压排污泵，由压缩空气或液压控制驱动，气动或液压排污泵的使用，减少了电气设备构件的数量，提高了设备的安全性。
44.末端排气管f包括末端排气管外壳33，末端排气管外壳33为截面呈圆形、方形或多边形的柱体和锥柱体，末端排气管外壳33小头端深入到分离筒27内，同时末端排气管外壳33与分离排污外壳26密闭连接固定，末端排气管外壳33大头端与净化气排气管35连接，净化气排气管35上设置有排气阀门34，来自前段携带水雾和粉尘颗粒的高速旋转流动气流，与锥形分离筒27上的折流片29撞击截流，在离心力作用下水滴和粉尘混合物与空气分离，并穿过多个狭长的窄沟槽28，撞击壳体后在重力作用下汇集到v形双低点集污槽，最后通过排污泵排出，分离后的洁净气体，通过末端排气管f排出，进入到后面净化气排气管道35中。
45.矿井补风装置adi位于一体式除尘装置dre的上方，矿井补风装置adi包括空气分配箱36，空气分配箱36的一端连接有压缩空气进气管道47，压缩空气进气管道47上设置有进风调节阀门45和进风流量传感器46，空气分配箱36的另一端设置有调节风板44，调节风板44位于掘进工作面一端，调节风板44呈百叶窗结构，空气分配箱36的上端安装有盖板38，空气分配箱36和盖板38上通过密封圈39安装有可调节空气分配头42，密封圈39带有润滑功能，可调节空气分配头42呈间隔分布，可调节空气分配头42为中间开孔的球体41，开孔下端为进气口37，开孔上端为出气口40，进气口37位于空气分配箱36内部，出气口40位于空气分配箱36外部，空气分配头42采用球形结构，使其调节更加灵活方便，空气分配箱36上还设置有调节控制单元，调节控制单元分别与进风调节阀门45、进风流量传感器46、调节风板44和控制系统cs电连接，这种可调式结构补风设备，可以通过调节空气分配头出气口方向控制压缩空气出气流向，通过前端调节风板44、进风调节阀门45和进风流量传感器46控制补风气体流量，从而实现空气补风与除尘抽气的匹配。
46.本发明的一种矿用高效安全除尘系统通过控制系统cs操作界面进行装置运行操作，操作方法包括以下步骤：
47.s1：启动矿井补风装置adi：进行新鲜风补风，空气分配箱36内的一部分风从箱体前端的调节风板44吹出，另一部分风从空气分配头出气口40吹出，根据现场采掘面空间形状，对调节风板44和空气分配头42出风口方向进行调节；
48.s2：启动一体式除尘装置dre：设定相应的抽气量和雾化除尘补水量，打开压缩空气进气调节阀7、雾化水调节阀14和排污泵压缩空气阀门，使相关气体流量、粉尘量与新鲜空气补气量相匹配；
49.s3：启动井下掘进开采装置mim：掘进开采头1开始工作，通过掘进开采控制单元2控制掘进速度和强度，掘进开采过程中产生的粉尘进入到一体式除尘装置dre，来自前段的携带水雾和粉尘颗粒的高速旋转流动气流与锥形分离筒27上的折流片29撞击截流，在离心力作用下水滴和粉尘混合物与空气分离，并穿过多个狭长的窄沟槽28，然后撞击壳体后在重力作用下汇集到v形双低点集污槽，最后通过排污泵排出，分离后的洁净气体通过末端排气管f排出，进入到后面净化气排气管道35中；
50.s4：控制系统控制调节：根据采掘速度和强度，通过调节风板44、进气调节阀门45和进风流量传感器46设定匹配的补风流量，使矿井补风装置adi与一体式除尘装置dre之间
形成稳定的补气和抽吸排气平衡，使掘进开采、补风和除尘抽气、排污相匹配。
51.本发明矿用高效安全除尘系统的一体式除尘装置通过多管文丘里引气、旋流水雾捕集和强化离心分离构件除尘，能够提高设备除尘分离效果和可靠性，矿井补风装置具有可调节式补风结构，可以根据采掘速度和强度，调节空气分配头出气口方向，进而调节压缩空气出气流向，能够更好的阻挡粉尘进入到后方巷道内，而使其进入到除尘装置中，通过前端调节风板、进风调节阀门和流量传感器控制补风气体流量，更好的实现空气补风与除尘抽气的匹配，整体装置具有除尘效率高、体积小、检维修方便、安全环保等特点。
52.本发明矿用高效安全除尘系统操作方法通过控制系统能够对空气补风方向、空气分配箱的位置、掘进开采头的位置及除尘装置收集进气头的位置进行关联定位控制，实现采掘过程中最佳的除尘效果，能够对掘进开采速度、除尘抽气流量、除尘喷水雾量、新鲜风补风量、排污量之间进行关联操作控制，以实现操作过程中的匹配，也可以单独灵活控制相关流量，人工设定操作实现相关量的匹配控制，从而实现高效安全除尘，可广泛应用于各种采矿、选矿生产过程，尤其适用于对安全和环保要求较高的煤矿开采和处理过程。
53.以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。