一种掘进工作面追踪式精准除尘及安全检测控制系统

本发明属于工业节能除尘，具体是一种掘进工作面追踪式精准除尘及安全检测控制系统。

背景技术：

1、矿尘是煤矿生产中最严重的危害之一，掘进机的大规模推行使掘进作业机械化水平及效率显著提高，但却导致了掘进工作面的粉尘浓度急剧上升。煤矿开采技术日益发展的同时也出现了多种不可避免问题，例如开采过程中产生的大量粉尘、矿下能源的紧缺、水资源的不足等诸多问题。作业过程中产生的粉煤灰不仅会对采矿工人身体健康造成极大损害，还会降低机械、电子设备使用寿命，增加了开采的成本。

2、为有效治理综掘工作面中的高浓度粉尘，近年来国内外研发了与掘进机相配套的喷雾、泡沫、除尘风机、阻尘风幕等粉尘防治技术，这类技术在粉尘治理方面起到了一定作用，但并不能针对产尘源进行精准除尘，存在资源浪费的问题，特别是当喷雾量过大时，不仅造成水资源的浪费，还会恶化作业环境。为此，亟需提供一种定量喷雾、精准追踪尘源的粉尘处理技术，在高效治理粉尘的同时，最大程度上节约能源。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种掘进工作面追踪式精准除尘及安全检测控制系统，该系统能够定点、定时地去除工作面上的粉尘，并且在优化治理粉尘的同时，还能有效地节约用水量。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种掘进工作面追踪式精准除尘及安全检测控制系统，包括掘进机、运输皮带、压风风机、物联网形变识别控制机构、尘源追踪式压风雾幕自移机构、磁化水罐、环绕式可变径吸尘机构和湿式除尘器；

3、所述掘进机主要由掘进机主体、危险警示灯、机载磁化水储水箱、雾幕喷头和物联网装置控制单元组成；所述掘进机主体上连接有用于实时采集掘进机机头位姿信号的位姿传感器；所述危险警示灯安装在掘进机主体的顶部；所述机载磁化水储水箱安装在掘进机主体顶部靠后的位置；所述雾幕喷头安装在掘进机主体顶部的后端，且其进水端通过输水管路与机载磁化水储水箱中内置的供水水泵的出水端连接；所述物联网装置控制单元安装在掘进机主体的一侧，并分别与掘进机主体、位姿传感器、危险警示灯和供水水泵连接；

4、所述运输皮带设置在掘进机落煤口的下侧；

5、所述压风风机使用单轨吊装在掘进机的斜上方，且其压风口处连接有沿掘进方向延伸的过渡风筒；

6、所述物联网形变识别控制机构的数量为两个，且分别安装在掘进机的前侧和后侧，物联网形变识别控制机构由连接杆体、压力形变检测装置、识别摄像装置和物联网信号发射器组成，所述压力形变检测装置固定安装在连接杆体的一端，并插装在一侧煤壁的墙体中，用于采集煤壁的形变量信号，并将所采集的形变量信号通过物联网信号发射器实时发送给物联网装置控制单元；所述识别摄像装置固定安装在连接杆体的另一端，用于采集工人特定的动作图像数据，并通过动作图像数据识别出工人特定的动作指令，再将所识别出的动作指令通过物联网信号发射器发送给物联网装置控制单元；所述物联网信号发射器安装在识别摄像装置的顶部，并与物联网装置控制单元连接，用于将物联网装置控制单元所输出的数据向外部进行发送；

7、所述尘源追踪式压风雾幕自移机构位于掘进机前端上方，其由风筒连接环、可调式雾幕发生装置、伸缩风筒和电动液压支架组成；所述风筒连接环为圆环结构，其与过渡风筒的端部固定连接，并通过过渡风筒与压风风机的压风口相连通，在风筒连接环的环面上沿周向开设有多个磁化水管过孔ⅰ；所述可调式雾幕发生装置与风筒连接环彼此相对地设置，其由储水底盖、密封垫片、雾幕顶盖、雾化喷头、水压调节片、电动伸缩扣和电动液压杆组成，所述储水底盖为圆环结构，其前侧的环形面中部相对称地开有呈环向延伸的两个储水凹槽，两个储水凹槽的端部之间形成两个条形隔挡部；储水底盖在每个储水凹槽所在的部分均开设有多个磁化水管过孔ⅱ；所述密封垫片由位于中心区域的环形密封圈、彼此对称设置在环形密封圈外侧的两根弧形密封条、分别连接环形密封圈相对两端与两根弧形密封条中心的两根密封连接条组成；所述环形密封圈的尺寸与储水底盖在两个储水凹槽内侧部分的尺寸相适配；两根弧形密封条的尺寸与储水底盖在两个储水凹槽外侧部分的尺寸相适配，且在每根弧形密封条的两个端部均开设有滑动凹槽；两根密封连接条的尺寸与两个条形隔挡部的尺寸相适配；所述密封垫片的后侧面贴合地连接在储水底盖的前侧面上，且环形密封圈的后侧面贴合于储水底盖在两个储水凹槽的内侧部分，两根密封连接条对应贴合在两个条形隔挡部上，两根弧形密封条贴合于储水底盖在两个储水凹槽的外侧部分；所述雾幕顶盖的环形面在对应两个储水凹槽的部分沿周向均匀地开有多个雾化喷头安装孔，多个雾化喷头通过一一对应的方式分别安装在雾化喷头安装孔中；雾幕顶盖的后侧面贴合地连接在密封垫片的前侧面上；所述水压调节片呈弧形结构，其数量为两个，两个水压调节片彼此相对地设置在储水底盖和雾幕顶盖之间的部分，并位于环形密封圈的外侧，且位于两个弧形密封条之间的两个弧形空间中；每个水压调节片均与储水底盖和雾幕顶盖之间滑动密封配合，且每个水压调节片的两个端部均设置有与滑动凹槽相适配的滑动凸齿，同时，每个水压调节片两端部的两个滑动凸齿滑动地插装于两个弧形密封条同侧端部的两个滑动凹槽中；两个电动伸缩扣均为u形结构，两个电动伸缩扣彼此相对地设置在两个水压调节片的外侧，且每个电动伸缩扣u形开口的两端部分别与储水底盖和雾幕顶盖固定连接，用于将储水底盖、密封垫片和雾幕顶盖紧密压合连接成一体式结构；两对电动液压杆彼此相对地设置在两个水压调节片和两个电动伸缩扣之间的空间中，每对电动液压杆的一端伸入到对应电动伸缩扣的u形槽中，并与电动伸缩扣固定连接，每对电动液压杆的另一端与对应的水压调节片弓峰的外缘面固定连接；所述伸缩风筒同轴地设置在风筒连接环和可调式雾幕发生装置之间，且其两端分别与风筒连接环的前侧面和储水底盖的后侧面连接；多个电动液压支架位于风筒连接环和可调式雾幕发生装置之间，且环向均匀地分布在伸缩风筒的外侧；多个电动液压支架的后端垂直地与风筒连接环的前侧面固定连接，其前端通过万向球头与储水底盖的后侧面连接；与多个电动液压支架对应连接的多个电磁换向阀一、与两对电动液压杆对应连接的两个电磁换向阀二均与物联网装置控制单元连接；

8、所述磁化水罐安装在掘进机主体外部的一侧，磁化水罐的出水口与多根磁化水输水管的进水端固定连接，且多根磁化水输水管的进水端对应连接有多个流量控制阀，多根磁化水输水管的出水端穿过多个磁化水管过孔ⅰ后一一对就地插装于多个磁化水管过孔ⅱ中，并与储水凹槽相连通；多个流量控制阀均与物联网装置控制单元连接；

9、所述环绕式可变径吸尘机构由主吸尘箱体、左吸尘臂、右吸尘臂、左侧吸尘箱和右侧吸尘箱组成；所述主吸尘箱体位于掘进机主体后端的下侧，其后侧板的中心区域固定连接有与其内腔相连通的吸尘管路，其下端开设有下吸尘口，所述下吸尘口左低右高向斜上方倾斜地开设，用于吸收掘进机主体向运输皮带落煤时产生的粉尘；左吸尘臂和右吸尘臂左右并排地设置在主吸尘箱体的前侧，并位于掘进机主体的前后两侧，且其两个吸尘臂的后端固定连接在主吸尘箱体的前侧板上，并与主吸尘箱体的内腔相连通；左侧吸尘箱的后端固定连接在左吸尘臂的前端，且二者之间相互连通，左侧吸尘箱的前端开设有左吸尘口；右侧吸尘箱的后端固定连接在右吸尘臂的前端，且二者之间相互连通，右侧吸尘箱的前端开设有右吸尘口；左吸尘口和右吸尘口用于吸收掘进工作面产生的粉尘；

10、所述湿式除尘器位于掘进机的后侧，且位于运输皮带的上侧，其进尘口与环绕式可变径吸尘机构上的吸尘管路端部固定连接。

11、进一步，为了便于调整吸尘口的吸尘范围，以提高吸尘口的捕尘效果，实现综合高效除尘的目的，所述左侧吸尘箱和右侧吸尘箱均由吸尘口支撑架、可变径伸缩架、拨动板和拉环组成；

12、所述吸尘口支撑架的前端为敞口式结构，且远离掘进机主体的侧面也为敞口式结构；吸尘口支撑架顶板的内部开设有沿左右方向延伸的上滑槽，所述上滑槽为断面呈条形的平直滑槽，上滑槽开口端位于吸尘口支撑架顶板远离掘进机一侧的端沿上，吸尘口支撑架底板的内部开设有沿左右方向延伸的下滑槽，所述下滑槽为断面呈l形的l形滑槽，下滑槽开口端位于吸尘口支撑架底板远离掘进机一侧的端沿上；

13、所述可变径伸缩架的前端为敞口式结构，其由侧支撑板、下底板、上顶板、组合背板、折叠合页、拨动板、滚珠轴承和驱动器组成；所述侧支撑板设置于远离掘进机的一侧，所述下底板远离掘进机的一端沿固定连接在侧支撑板侧面的底部边沿处，下底板的断面呈l形，且其竖直段位于其水平段的后端，下底板断面的尺寸与下滑槽的尺寸相适配；所述上顶板平行地设置在下底板的上方，且远离掘进机的一端沿固定连接在侧支撑板侧面的顶部边沿处，其断面呈一字形，且尺寸小于上滑槽的尺寸；所述组合背板的尺寸与上顶板后端和下底板后端之间部分的尺寸相适配，组合背板由依次邻接的一个一号背板、多个二号背板和一个三号背板组成，一号背板的顶部端沿通过一个折叠合页与上顶板的后端沿铰接，其底部端沿与下底板的折弯部前侧面相抵接配合，每个二号背板的顶部端沿通过另一个折叠合页与上顶板的后端沿铰接，其底部端沿与下底板的折弯部前侧面相抵接配合，三号背板的顶部端沿通过另一个折叠合页与上顶板的后端沿铰接，其底部端沿与下底板的折弯部前侧面相抵接配合；所述拨动板设置在组合背板的后侧，且位于靠近组合背板上端沿的位置，同时，与上侧板的后端沿相间隔地设置；拨动板在靠近侧支撑板的一侧固定连接有旋转轴，所述旋转轴通过所述滚珠轴承可转动地插装于侧支撑板上预留的安装孔中，所述驱动器安装在侧支撑板的一侧外部，且其输出端与旋转轴的端部固定连接，用于通过旋转轴驱动拨动板进行旋转运动，进而通过向靠近组合背板方向旋转使组合背板向靠近上顶板的方向折叠或通过向远离组合背板方向旋转使组合背板在自重的作用下达到竖直状态；

14、在组合背板处于完全折叠状态时，组合背板与上顶板的下侧面相贴合，并滑动地插装于吸尘口支撑架的上滑槽中，同时，下底板及其折弯部滑动地插装于吸尘口支撑架的下滑槽中，可变径伸缩架通过滑动插装于上滑槽中的组合背板和上顶板、滑动插装于下滑槽中的下底板与吸尘口支撑架之间滑动配合；

15、所述拉环固定连接在侧支撑板一侧的外部，用于对可变径伸缩架进行拉动。

16、在吸尘口支撑架的顶板上开设有平直的上滑槽，同时，在吸尘口支撑架的底板上开设有断面呈l形的下滑槽，然后使可变径伸缩架的上顶板和折叠后的组合背板滑动地插装于上滑槽中，使可变径伸缩架的下顶板滑动地插装于下滑槽中，这样，便可以通过滑动配合的方式使可变径伸缩架与吸尘口支撑架之间滑动配合，进而能方便改变吸尘口的截面尺寸，从而可以不同的产尘量灵活地改变吸尘口的截面尺寸；在组合背板的后侧设置有由驱动器控制的拨动板，可以自动化地控制组合背板的折叠动作；在侧支撑板的一侧固定连接拉环，可以便于利用拉环拉动可变径伸缩架相对于吸尘口支撑架的位置，进而达到手动调节右侧吸尘箱尺寸的目的。

17、进一步，为了能够使一号背板、二号背板和三号背板在分块连接的同时，也能依次进行折叠动作，所述一号背板在靠近二号背板一侧的前侧面开设有条形凹槽一，所述二号背板在靠近一号背板一侧固定连接有条形定位块一，所述条形定位块一与条形凹槽一相互定位配合，所述二号背板在靠近三号背板一侧的前侧面开设有条形凹槽二，所述三号背板在靠近二号背板一侧固定连接有条形定位块二，所述条形定位块二与条形凹槽二相互定位配合。

18、进一步，为了能够提高雾化效果，以确保能将水雾化后均匀喷洒在掘进工作面的产尘源处，以能实现掘进机掘进过程中产生粉尘的快速沉降作业，所述雾化喷头的孔径为1～5mm。

19、进一步，为了提高吸尘效果，所述左吸尘口和右吸尘口均由底部到顶部逐渐向掘进机主体方向靠近。

20、进一步，为了方便进行集中式控制，所述驱动器与物联网装置控制单元连接。

21、进一步，为了便于根据产尘量来调节雾幕喷头的位置和喷雾量，还包括粉尘浓度监测仪，所述粉尘浓度监测仪与物联网装置控制单元连接，其安装在掘进机主体上，且靠近掘进机机头的部位，用于采集掘进工作面的粉尘浓度信号。这样，物联网装置控制单元可以根据产尘量的浓度来控制两对电对液压杆的伸缩量，进而可以利用两个水压调节片来改变两个储水凹槽的面积，从而能达到调节雾化液供水水压和流量的目的，这样，便能根据产尘量来对可调式雾幕发生装置的雾幕雾滴量实现较为精准的控制，可实现精准控尘的目的。

22、本发明中，将危险警示灯安装在掘进机主体的顶部，可以在示警时便于远处的人员及时发现示警情况。在掘进机主体的顶部安装雾幕喷头，并使其通过输水管路与机载磁化水储水箱中内置的供水水泵连接，可以便于利用雾幕喷头对掘进机主体上方的粉尘进行降尘作业。将运输皮带设置在掘进机落煤口的下侧，可以便于将开采出的煤向外部运输。使可调式雾幕发生装置中的储水底盖的环形面上相对称地开设有两个储水凹槽，同时，在可调式雾幕发生装置中的雾幕顶盖上的对应部分开设有多个雾化喷头安装孔，并于多个雾化喷头安装孔中一一对应安装多个雾化喷头，可以便于利用进入储水凹槽中的液体作为雾化喷头的喷雾液；通过在储水底盖和雾幕顶盖之间设置密封垫片，同时，使两个水压调节片于密封垫片上两个弧形密封条之间的两个弧形空间中，并使每个水压调节片均与储水底盖和雾幕顶盖之间滑动密封配合，同时，使每个水压调节片端部的滑动凸齿滑动插装于密封垫片上弧形密封条端部的滑动凹槽，可以确保储水底盖和雾幕顶盖之间始终为密封配合，从而确保了两个水压调节片在相互靠近或相互远离过程中，两个储水凹槽中所存储的液体均不会外泄，并能确保可以对雾化喷头进行稳定的压力水供应；在两个水压调节片的外侧设置两个电动伸缩扣，并使每个电动伸缩扣的两个端部分别与储水底盖和雾幕顶盖固定连接，同时，在每个水平调节片与电动伸缩扣之间设置一对电动液压杆，并使控制一对电动液压杆的一对电磁换向阀二与物联网装置控制单元连接，可以便于通过物联网装置控制单元控制两对电动液压杆进行同步动作，进而可以利用两个水压调节片来改变两个储水凹槽的面积，从而能达到调节水压和水流量的目的，这样，便能对可调式雾幕发生装置的雾幕雾滴量实现较为精准的控制，可实现精准控尘的目的，同时，还能有效节约磁化水的用水量。利用伸缩风筒连接相对设置的风筒连接环和可调式雾幕发生装置，同时，在伸缩风筒外侧利用多个电动液压支架连接风筒连接环和可调式雾幕发生装置，可以便于通过电动液压支架来调节风筒连接环和可调式雾幕发生装置之间的距离，进而达到调节可调式雾幕发生装置在掘进方向上位移的目的，这样，便可以控制雾幕的发生位置，从而可以灵活地进行定点降温降尘作业。通过在掘进机主体上设置有用于采集掘进机机头位姿信号的位姿传感器，可以便于物联网装置控制单元实时获得掘进机机头相对于掘进机主体的相对位置，这样，有利于物联网装置控制单元根据产尘源的位置来控制多个电动液压支架的伸缩量，进而使雾幕喷头始终位于产尘源一定范围内的区域中，达到对粉尘精准追踪沉降的目的，当然，也可以根据产尘源的位置来控制两对电动液压杆的伸缩位置，进而对雾幕喷头的喷雾量进行适应性的调节。在风筒连接环的环面上开设有多个磁化水管过孔ⅰ，同时在可调式雾幕发生装置上的储水底盖上也开设有多个磁化水管过孔ⅱ，并使与磁化水罐连接的多根磁化水输水管依次穿过多个磁化水管过孔ⅰ后一一对应地插装于多个磁化水管过孔ⅱ中，便可以有效连通磁化水罐与储水凹槽，进而便能对雾化喷头进行供水作业。使用单轨将压风风机吊装在掘进机的斜上方，并使位于掘进机上方的尘源追踪式压风雾幕自移机构通过过渡风筒与压风风机的压风口连接，这样，便可以在掘进机上方产生雾幕，并能使雾幕向外部喷出一定范围，从而可以极大地提高掘进工作面的降温降尘效果。在掘进机主体的左右两侧分别设置与主吸尘箱体连接的左吸尘臂和右吸尘臂，并使左吸尘臂和右吸尘臂的前端分别开设左吸尘口和右吸尘口，同时，使主吸尘箱体的左部通过吸尘管路与湿式除尘器连接，这样，便可以在湿式除尘器负压的作用下，利用左吸尘臂及左吸尘口、右吸尘臂及右吸尘口对掘进工作面产生的粉尘进行吸收，有效减少了掘进工作面所产生的粉尘量。使主吸尘箱体的下部在掘进机主体后端的部分开设有下吸尘口，便可以对掘进机主体落煤时产生的粉尘进行吸收，进一步降低了掘进工作过程所产生的粉尘量。这样，通过左吸尘口、右吸尘口和下吸尘口的设置，便可以对掘进工作面产生的粉尘和落煤运输时产生的粉尘进行较为全面地吸收。在物联网形变识别控制机构中设置压力形变检测装置、识别摄像装置和物联网信号发射器，并使压力形变检测装置和识别摄像装置分别安装在连接杆体的两个端部，这样，可以在压力形变检测装置插入煤壁的墙体中采集煤壁的形变信号的同时，还能便于通过识别摄像装置采集工人特定的动作图像数据，并通过动作图像数据识别出工人特定的动作指令；在掘进机的前侧和后侧各安装一个物联网形变识别控制机构，可以便于同时对掘进机的前侧和后侧两处进行煤壁形变情况的采集和工人动作指令的识别。通过物联网信号发射器的设置，可以便于将所采集的煤壁形变信号和识别出的工人特定的动作指令发送给物联网装置控制单元，这样，物联网装置控制单元可以根据工人特定的动作指令来控制流量控制阀的开闭动作，进而达到通过工人的动作来自动化地控制雾幕的产生和停止的目的。另外，物联网装置控制单元还可以根据煤壁的变形量情况来判断是否继续进行掘进工作，并在煤壁变形量超过设定值时控制掘进机头停止工作，进而停止掘进作业，同时，还可以控制两对电动液压杆同步带动两个水压调节片向相互远离的方向移动一定距离，以有效增加喷雾的液滴量，同时可以控制多个电动液压支架中的活塞杆同步向外部伸出设定距离，以有效增加喷雾的范围，进而达到提高作业过程中的安全系数的目的。再者，还可以在煤壁变形量超过设定值时控制危险警示灯及时闪烁警示灯光，从而达到及时示警的目的。

23、该系统通过设置在尘源追踪式压风雾幕自移机构中的多个电动液压支架结合物联网形变识别控制机构采集的数据和所识别的动作指令，针对掘进机掘进工作时不同产尘位置进行定点雾幕控尘作业，同时，还可以方便地通过可调式雾幕发生装置调节所产生雾幕的液滴量，从而最大程度的减少磁化水的用量，实现能源节约的目的。此外，通过环绕式可变径吸尘机构的设置，不仅可以使吸尘口充分覆盖产尘区域，而且能在不妨碍掘进工作的前进下，有效地对产尘范围内的粉尘进行有效的去除，有利于最大程度地利用矿下空间实现最优化的降尘作业。该系统可以最大程度地覆盖产尘源，通过定点、定量的方式从源头上对粉尘进行高效的治理，并配合湿式除尘器对粉尘进行处理并产生清洁的空气，提高了粉尘处理效果的同时，还提高了环保效果，其具有成本低、安全高效、节能环保等诸多优点。