一种煤矿开采工作面智慧除尘系统和方法与流程

1.本发明属于煤矿井下除尘技术领域，特别是涉及一种煤矿开采工作面智慧除尘系统和方法。


背景技术：

2.煤尘是矿井的5大灾害之一，其中，采掘作业产生的煤尘量占80％。煤尘的危害主要为尘肺病、粉尘燃爆、加速机械设备磨损老化和生产环境污染等，其中，尘肺病对职工职业健康的危害最为突出。在煤炭行业，每年因为尘肺病造成的直接经济损失高达亿元。煤矿粉尘还使井下视觉能见度降低，影响作业的正常进行，还会引起粉尘爆炸，造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，必须对煤矿井下进行降尘作业，以有效降低粉尘浓度，保护井下工作人员的身体健康，保障煤矿开采的安全性。
3.目前，我国的煤矿都在积极开展煤尘治理研究，构建了抑尘、降尘、除尘、防尘治理体系，2016版煤矿安全规程也将煤尘的总成量从10g/m3提升到4g/m3，但从大量的现场运行情况和文献资料上来看，现有煤矿很少有能达到该指标的，煤尘治理达标也成为关乎煤矿工人健康，影响煤矿安全生产的重大难题，这是亟待解决的问题。
4.在现有技术中，有一种综采工作面抑尘与除尘装置，通过在采煤机的两个截割部的后方、靠近采煤机控制部的位置处，分别安装有一组气幕喷嘴进行气流喷射，使得在采煤机的两个滚筒上，分别形成包裹在采煤机内外喷雾除尘设备所形成的雾场的气墙，并在每个支架上分别安装支架喷雾除尘装置和支架吸尘净化装置，以有效沉降或吸收移架过程中从支架两侧和前方遗落的大量粉尘及从采煤机控除尘系统中溢出的粉尘。该方法主要是针对产尘处进行最大化的降尘，没有对飘逸的煤尘进行后续的管控。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种煤矿开采工作面智慧除尘系统和方法，能够对逸散出工作面的总尘量进行控制，避免工作面生产过程中的粉尘逸散到煤矿工作面以外的其它作业场所，改善煤矿整体的作业环境，避免煤矿工人遭受粉尘的侵害。
6.本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘系统，所述煤矿开采工作面包括设置在进风巷道与回风巷道之间的刮板输送机、采煤机以及排成一列的液压支架，每个所述液压支架上均设置有相连接的工作面支架电液控制器和喷雾装置，至少一部分所述工作面支架电液控制器还连接有工作面粉尘传感器和风速传感器，所述回风巷道内设置有相连接的回风巷道支架电液控制器和回风巷道粉尘传感器，所述进风巷道内设置有同时与所述工作面支架电液控制器和所述回风巷道支架电液控制器相连并进行数据传输的监控中心，所述监控中心用于根据从所述工作面粉尘传感器采集的工作面粉尘数据、从所述风速传感器采集的风速数据和预设模型找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的所述喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘，并且根据从所述回风巷道粉尘传感器采集的回风巷道粉尘数据是否达到预设阈值决定是否停止工作面喷雾除尘。
7.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统中，所述监控中心包括内置所述预设模型的计算机服务器，所述预设模型为多种多参量粉尘浓度智能分析计算模型中的一个。
8.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统中，所述计算机服务器具有三维动态显示部件，用于显示在工作面既定的风速条件下粉尘浓度的聚散情况，动态显示工作面上的所述喷雾装置的喷雾过程，以及显示粉尘浓度的变化过程。
9.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统中，所述工作面粉尘传感器设置有多组，每组包括设置在至少两个相邻的所述液压支架上的工作面粉尘传感器，且每组之间相隔1个至2个所述液压支架；
10.所述风速传感器在所述工作面的头部和尾部各设置一个，且在所述头部和尾部之间的区域至少设置三个。
11.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统中，所述回风巷道内的50米至100米的位置设置有所述回风巷道支架电液控制器和所述回风巷道粉尘传感器。
12.本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘方法，利用如上面任一项所述的煤矿开采工作面智慧除尘系统，包括：
13.基于除尘指令，所述监控中心通过所述支架电液控制器控制所述工作面粉尘传感器采集各自位置的工作面粉尘数据；
14.通过所述支架电液控制器控制所述风速传感器采集各自位置的风速数据；
15.利用所述工作面粉尘数据、所述风速数据和预设模型找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的所述喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘；
16.利用所述回风巷道粉尘传感器实时采集回风巷道粉尘数据，当所述回风巷道支架电液控制器传输过来的所回风巷道粉尘数据未达到预设阈值时则继续喷雾除尘，否则停止喷雾除尘。
17.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法中，还包括：
18.利用所述工作面粉尘数据对工作面喷雾效果进行评价；
19.利用机器学习模型改进所述预设模型，对所述多点多轮次喷雾策略进行改进。
20.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法中，所述利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘包括：
21.在工作面粉尘数据最高的一个或多个地点先进行喷雾除尘；
22.对工作面粉尘数据次高的一个或多个地点再进行喷雾除尘；
23.以此类推，直到完成最后的工作面粉尘数据高的地点的喷雾除尘后，继续找到当前工作面粉尘数据最高的一个或多个地点开始新一轮的喷雾除尘。
24.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法中，还包括：
25.利用所述监控中心里面的计算机服务器上的三维动态显示部件显示在工作面既定的风速条件下粉尘浓度的聚散情况，动态显示工作面的所述喷雾装置的喷雾过程，以及显示粉尘浓度的变化过程。
26.优选的，在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法中，还包括：
27.当所述三维动态显示部件上显示的工作面没有明显的粉尘聚集点，但所述回风巷道内的粉尘数据仍然大于所述预设阈值时，控制在最后距离所述工作面的尾部第10个至第
20个液压支架上的喷雾装置进行多轮次喷雾，同时检查工作面是否还存在粉尘聚集点，如果存在，则停止所述工作面的尾部的第10至20个液压支架上的喷雾，继续控制所述喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘。
28.通过上述描述可知，本发明提供的上述煤矿开采工作面智慧除尘系统，由于每个所述液压支架上均设置有相连接的工作面支架电液控制器和喷雾装置，至少一部分所述工作面支架电液控制器还连接有工作面粉尘传感器和风速传感器，所述回风巷道内设置有相连接的回风巷道支架电液控制器和回风巷道粉尘传感器，所述进风巷道内设置有同时与所述工作面支架电液控制器和所述回风巷道支架电液控制器相连并进行数据传输的监控中心，所述监控中心用于根据从所述工作面粉尘传感器采集的工作面粉尘数据、从所述风速传感器采集的风速数据和预设模型找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的所述喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘，并且根据从所述回风巷道粉尘传感器采集的回风巷道粉尘数据是否达到预设阈值决定是否停止工作面喷雾除尘能够对逸散出工作面的总尘量进行控制，因此能够避免工作面生产过程中的粉尘逸散到煤矿工作面以外的其它作业场所，改善煤矿整体的作业环境，避免煤矿工人遭受粉尘的侵害。本发明提供的煤矿开采工作面智慧除尘方法具有与上述系统相同的优点，此处不再赘述。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1为本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘系统的实施例的示意图；
31.图2为本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘方法的实施例的示意图。
具体实施方式
32.在煤矿开采的过程中，综采工作面采煤机割煤、液压支架移架、刮板输送机运煤，转载机、破碎机等设备在工作面的破煤、装煤、运煤以及设备迁移过程中都会产生大量的粉尘，特别是大采高工作面和放顶煤工作面生产过程中会产生更多的粉尘，同时，现在煤矿使用的综合机械化设备性能越来越高，产能越来越大，采煤机的割煤速度越来越快，这就会产生更多的粉尘。但是，现有的粉尘治理技术还不能满足煤矿职业健康和安全生产的要求，多数煤矿的粉尘指标达不到煤矿安全规程提出的技术指标要求，因此，亟需一种除尘系统和方法使煤矿综采工作面的粉尘治理达标。基于此，本发明的核心就是为了实现煤矿开采工作面智能化，提供一种煤矿开采工作面智慧除尘系统和方法，能够对逸散出工作面的总尘量进行控制，以满足煤矿安全规程及其相关标准的要求，避免工作面生产过程中的粉尘逸散到煤矿工作面以外的其它作业场所，改善煤矿整体的作业环境，避免煤矿工人遭受粉尘的侵害。
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘系统的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘系统的实施例的示意图，该煤矿开采工作面包括设置在进风巷道1与回风巷道2之间的刮板输送机3、采煤机4以及排成一列的液压支架5，需要说明的是，图1中的从左至右的每个竖框表示的都是一个个的液压支架5，每个液压支架5上均设置有相连接的工作面支架电液控制器6和喷雾装置7，该喷雾装置7能够通过工作面支架电液控制器控制来实现工作面的喷雾除尘，也就是说，图1中填充网纹图案的长方块都代表的是工作面支架电液控制器6，其与液压支架5是一一对应的，而且相邻的工作面支架电液控制器6互相连接在一起且可以进行数据传输，而且，至少一部分工作面支架电液控制器6还连接有工作面粉尘传感器8和风速传感器9，具体的，图1中填充竖条纹的长方块代表的是工作面粉尘传感器8，用来检测工作面上各自位置处的粉尘浓度，填充横条纹的长方块代表的是风速传感器9，用来检测工作面上各自位置处的风速，可见不是每一个液压支架5上面都需要设置工作面粉尘传感器8和风速传感器9，这可以根据实际需要来选取，此处并不做限制，而且，回风巷道2内设置有相连接的回风巷道支架电液控制器10和回风巷道粉尘传感器11，利用这种回风巷道粉尘传感器11可以实时监测回风巷道里面的粉尘数据，这种粉尘数据能够对工作面上的喷雾除尘效果进行表征，并以此来决定是否要在工作面继续进行喷雾除尘的操作，进风巷道1内设置有同时与工作面支架电液控制器6和回风巷道支架电液控制器10相连并进行数据传输的监控中心12，从图1可以看出，这个监控中心12用一条线连通了全部的工作面支架电液控制器6直到最终与回风巷道电液控制器10连通，从而可以和这些电液控制器进行数据通讯并且可以对喷雾装置实施远程控制，不仅能够采集各个电液控制器的各种粉尘和风速数据，而且能够控制各个位置的喷雾装置在需要的时刻实施喷雾或者停止喷雾，具体的，该监控中心12用于根据从工作面粉尘传感器8采集的工作面粉尘数据、从风速传感器9采集的风速数据和预设模型找出粉尘浓度的形成规律，找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的喷雾装置7利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘，也就是依次控制多个粉尘浓度聚集点处的喷雾装置进行喷雾除尘以降低工作面的粉尘浓度，并且根据从回风巷道粉尘传感器11采集的回风巷道粉尘数据是否达到预设阈值决定是否停止工作面喷雾除尘，也就是说，当回风巷道粉尘数据降低到预设阈值时，就表明此时工作面的喷雾除尘已经达到了预期效果，此时就可以停止工作面喷雾除尘，也证明了当前的喷雾除尘策略是有效的，否则就继续进行工作面喷雾除尘，在必要的情况下还需要改进喷雾除尘策略。还需要说明的是，图1中还展示出了破碎机13和转载机14，其与前面所述的刮板输送机3、采煤机4和液压支架5等设备一起组成了综采工作面。
35.通过上述描述可知，本发明提供的上述煤矿开采工作面智慧除尘系统的实施例中，由于每个液压支架上均设置有相连接的工作面支架电液控制器和喷雾装置，至少一部分工作面支架电液控制器还连接有工作面粉尘传感器和风速传感器，回风巷道内设置有相连接的回风巷道支架电液控制器和回风巷道粉尘传感器，进风巷道内设置有同时与工作面支架电液控制器和回风巷道支架电液控制器相连并进行数据传输的监控中心，监控中心用于根据从工作面粉尘传感器采集的工作面粉尘数据、从风速传感器采集的风速数据和预设模型找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘，并且根据从回风巷道粉尘传感器采集的回风巷道粉尘数据是否达到预设
阈值决定是否停止工作面喷雾除尘能够对逸散出工作面的总尘量进行控制，因此能够避免工作面生产过程中的粉尘逸散到煤矿工作面以外的其它作业场所，改善煤矿整体的作业环境，避免煤矿工人遭受粉尘的侵害。
36.在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统的一个具体实施例中，监控中心12可以包括内置上述预设模型的计算机服务器，预设模型为多种多参量粉尘浓度智能分析计算模型中的一个，能够分析采煤机速度、风速和粉尘之间的相关关系，找出粉尘浓度的聚散规律，并能找出粉尘浓度的聚集点。
37.进一步的实施例中，上述计算机服务器可以具有三维动态显示部件，用于显示在工作面既定的风速条件下粉尘浓度的聚散情况，同时可以显示工作面采煤机的位置与粉尘浓度集散的情况，动态显示工作面上的喷雾装置的喷雾过程，以及直观显示粉尘浓度的变化过程，这样就便于相关人员对整个除尘过程进行监控。
38.在上述煤矿开采工作面智慧除尘系统的一个优选实施例中，工作面粉尘传感器8可以设置有多组，每组包括设置在至少两个相邻的液压支架5上的工作面粉尘传感器8，且每组之间相隔1个至2个液压支架，这样就能够在成本较低的基础上实现工作面各个位置粉尘的检测；而且，风速传感器9在工作面的头部和尾部可以各设置一个，且在头部和尾部之间的区域可以至少设置三个，这样既能够测量出工作面头部和尾部的风速，也可以在中间的各个区域测出风速，这足以满足整个系统的需求，而且成本较低。当然这仅是其中一个优选方案，还可以根据实际需要进行调整，此处并不限制。另外，可以在回风巷道内的50米至100米的位置设置有回风巷道支架电液控制器10和回风巷道粉尘传感器11，安装这种位置能够保证回风巷道粉尘检测更加准确，当然这也是优选方案，还可以根据实际需求对其安装位置进行调整，此处并不限制。
39.综上所述，利用本技术提供的上述煤矿开采工作面智慧除尘系统，通过感知工作面的产尘点、风速和粉尘浓度，能够对产尘点产生的粉尘进行定量判断，同时通过粉尘运移规律的分析和智能ai算法，可以模拟计算出粉尘浓度的聚散规律和粉尘浓度聚集点，控制相应位置的喷雾装置喷雾进行除尘，并通过粉尘传感器的实时监测数据可以对除尘效果进行验证，另外，通过对粉尘浓度聚集点的对点多轮次的喷雾除尘，利用回风巷道的出风口外安装的粉尘传感器采集的粉尘浓度数据进行判断，可以动态调整喷雾除尘参数与除尘策略，并可以通过机器学习的方式，不断优化控制模型，最终达到粉尘总体治理的目标，在此基础上，就可以实现对煤矿综采工作面生产过程中产生的粉尘的总量控制，控制逸散出工作面粉尘的总量，以达到国家和行业相关标准要求，还需要说明的是，通过监控中心构建工作面智慧除尘管控平台，通过构建三维模型，能够生动形象的展现整个除尘过程及除尘效果，在监控中心的计算机服务器上构建多参数粉尘浓度计算分析模型，实现了工作面的智慧除尘。
40.本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘方法的实施例如图2所示，图2为本发明提供的一种煤矿开采工作面智慧除尘方法的实施例的示意图，利用如上面任一项所述的煤矿开采工作面智慧除尘系统，可以包括如下步骤：
41.s1：基于除尘指令，监控中心通过支架电液控制器控制工作面粉尘传感器采集各自位置的工作面粉尘数据；
42.s2：通过支架电液控制器控制风速传感器采集各自位置的风速数据；
43.s3：利用工作面粉尘数据、风速数据和预设模型找到粉尘浓度聚集点，并控制粉尘浓度聚集点位置的喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘；
44.s4：利用回风巷道粉尘传感器实时采集回风巷道粉尘数据，当回风巷道支架电液控制器传输过来的所回风巷道粉尘数据未达到预设阈值时则继续喷雾除尘，否则停止喷雾除尘。
45.利用上述方法能够对逸散出工作面的总尘量进行控制，以满足煤矿安全规程及其相关标准的要求，避免工作面生产过程中的粉尘逸散到煤矿工作面以外的其它作业场所，改善煤矿整体的作业环境，避免煤矿工人遭受粉尘的侵害。
46.在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法的一个具体实施例中，还可以包括如下步骤：
47.利用工作面粉尘数据对工作面喷雾效果进行评价，具体就是说利用工作面粉尘传感器采集到的实时数据来表征在这之前的喷雾除尘效果，如果经过喷雾除尘以后，粉尘浓度明显降低，则证明当前采用的喷雾策略有效，否则效果不佳，需要改进喷雾策略，具体可以利用机器学习模型改进上述预设模型，对多点多轮次喷雾策略进行改进，直到达成综采工作面最佳的除尘效果。
48.在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法的另一个具体实施例中，利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘可以包括如下步骤：
49.在工作面粉尘数据最高的一个或多个地点先进行喷雾除尘；
50.对工作面粉尘数据次高的一个或多个地点再进行喷雾除尘；
51.以此类推，直到完成最后的工作面粉尘数据高的地点的喷雾除尘后，继续找到当前工作面粉尘数据最高的一个或多个地点开始新一轮的喷雾除尘。
52.也就是说，按照粉尘数据从高到低的顺序依次开启各个位置的喷雾装置进行喷雾除尘，这样针对性更强，实现更加智能化的除尘，不再需要只要检测到粉尘数据高就开启全部的喷雾装置进行除尘了，还需要说明的是，工作面上粉尘最高的地点，也可以根据实际情况设置一个参数范围，可以开启一个或多个液压支架上的喷雾装置同时进行喷雾。
53.在上述煤矿开采工作面智慧除尘方法的又一个具体实施例中，还可以包括如下步骤：
54.利用监控中心12里面的计算机服务器上的三维动态显示部件显示在工作面既定的风速条件下粉尘浓度的聚散情况，动态显示工作面的喷雾装置的喷雾过程，以及显示粉尘浓度的变化过程，这样就便于相关人员对整个除尘过程进行监控。
55.进一步的，上述方法还可以包括如下步骤：
56.当三维动态显示部件上显示的工作面没有明显的粉尘聚集点，但回风巷道内的粉尘数据仍然大于预设阈值时，控制在最后距离工作面的尾部第10个至第20个液压支架上的喷雾装置进行多轮次喷雾，同时检查工作面是否还存在粉尘聚集点，如果存在，则停止工作面的尾部的第10至20个液压支架上的喷雾，继续控制喷雾装置利用多点多轮次喷雾策略进行喷雾除尘。
57.下面对上述煤矿开采工作面智慧除尘系统和方法的实施过程进行详细说明：
58.第一步，在煤矿开采的工作面安装支架电液控制系统，即在每台液压支架上安装支架电液控制器，支架电液控制器之间通过通信总线相连，可以实现工作面的数据通信。
59.第二步，在工作面安装喷雾装置，每台液压支架上安装一套或多套喷雾装置，喷雾装置通过支架电液控制器进行驱动控制，打开喷雾装置即可进行喷雾除尘，关闭喷雾装置则停止喷雾。
60.第三步，在工作面安装粉尘传感器，粉尘传感器可以多架或每架安装1套或2套，可以安装在液压支架的人行道或液压支架的顶梁上，用来检测割煤空间场和/或行人通道的粉尘浓度，粉尘传感器与支架电液控制器的通信端口连接，可以通过支架电液控制器进行粉尘传感器的数据采集。
61.第四步，在回风巷道50-100m处，安装回风巷道粉尘传感器及回风巷道支架电液控制器，通过回风巷道支架电液控制器可以采集到回风巷道的粉尘浓度值。
62.第五步，在工作面安装风速传感器，风速传感器可以多架或每架安装1套或2套，可以安装在液压支架的人行道或液压支架的顶梁上，用来检测割煤空间场和/或行人通道的风速，风速传感器与支架电液控制器的通信端口连接，可以通过支架电液控制器进行风速传感器的数据采集。
63.第六步，在顺槽的监控中心的隔爆计算机服务器上安装综采工作面智慧除尘管控平台软件，监控中心实现采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机等设备的互联互通与信息汇集，可以实现与各个支架电液控制器之间的信息交互，并可以实现对工作面设备的远程控制，通过监控中心的综采工作面智慧除尘管控平台软件可以直接控制工作面的指定液压支架上的喷雾装置。
64.第七步，在工作面生产过程中，当采煤机开始割煤时，支架电液控制器采集工作面的风速数据和粉尘数据，并报送给监控中心的综采工作面智慧除尘管控平台软件进行分析，通过对采煤机速度、工作面的风速场、粉尘场的模型计算与分析，与工作面实际的粉尘浓度进行对比，找出工作面粉尘浓度聚集点。
65.第八步，监控中心的综采工作面智慧除尘管控平台软件通过与支架电液控制系统进行交互，采集回风巷道的粉尘浓度，当回风巷道的粉尘浓度小于设置阈值，煤炭安全规定全尘浓度为4，通过监控中心综采工作面智慧除尘管控平台软件停止综采工作喷雾降尘，转第七步，否则转第九步，并通过远程操作自动控制工作面的喷雾装置进行喷雾除尘控制。
66.第九步，判断是第几轮次喷雾，当未达到喷雾轮次阈值上限时，进行多点，第n个轮次的喷雾降尘，转第七步。当达到喷雾轮次阈值上限时，通过自学习方式自动修订喷雾模型，改变喷雾控制策略，如增加喷雾地点数量或延长喷雾时间等。其中，n为可以设置的参数，喷雾过程由前到后多点逐次喷雾，喷雾的时间间隔可以通过相关参数来设定。
67.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。