聲能疏通系統(tǒng)在煤礦筒倉(cāng)清堵中的應(yīng)用

孫魁元，趙 亮，韓寶虎，劉 峰

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾市 021025）

圓型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)是煤炭企業(yè)重要的儲(chǔ)煤構(gòu)件，多數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，煤炭通過(guò)上倉(cāng)帶式輸送機(jī)輸送至儲(chǔ)煤筒倉(cāng)內(nèi)，煤倉(cāng)內(nèi)的煤粒自上而下靠自重流動(dòng)并通過(guò)倉(cāng)下布置的給煤機(jī)給煤至下游帶式輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)存煤的供給。目前，國(guó)內(nèi)許多煤炭企業(yè)圓型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)經(jīng)常出現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)蓬煤、起拱現(xiàn)象，造成給煤機(jī)卸煤不暢，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生潰倉(cāng)事故，損壞設(shè)備甚至造成人身傷害。為解決圓型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)堵煤?jiǎn)栴}，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤炭企業(yè)主要采用人工捅煤敲擊、倉(cāng)體內(nèi)鋪設(shè)特種材料、安裝傳統(tǒng)的空氣炮等措施對(duì)倉(cāng)內(nèi)堵煤進(jìn)行清堵[1-2]，但是在實(shí)際使用中的效果并不理想。

1）人工清堵主要是工人手持鋼釬在卸煤口下方間斷的捅堵煤區(qū)域或用大錘敲擊倉(cāng)壁，此方法的清堵難度系數(shù)大，增加職工的勞動(dòng)強(qiáng)度高，且不能及時(shí)解決堵煤的發(fā)生，更重要的是清堵過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)突出，易造成人身傷害事故發(fā)生[3]。

2）在倉(cāng)體內(nèi)鋪設(shè)高分子聚乙烯板、微晶板、鑄石板等特種材料，目的是為了降低倉(cāng)內(nèi)存煤與倉(cāng)體的摩擦系數(shù)進(jìn)而減少堵煤情況發(fā)生，但是該方法的投入成本較高、施工難度大，且對(duì)黏度大、板結(jié)嚴(yán)重的煤種的清堵效果一般[4-5]。

3）在倉(cāng)體外安裝空氣炮[6]進(jìn)行清堵時(shí)必須是針對(duì)倉(cāng)內(nèi)固定結(jié)拱區(qū)域才能發(fā)揮作用，但是倉(cāng)內(nèi)結(jié)拱位置是變化的，如果當(dāng)空氣炮處于結(jié)拱位置上面時(shí)，則會(huì)造成堵煤越振越密，反而加劇了堵煤，同時(shí)空氣炮與倉(cāng)體內(nèi)壁連接位置的擋板增加壁面的摩擦系數(shù)，反而增加堵煤的概率。

基于上述研究，結(jié)合神華寶日希勒能源有限公司儲(chǔ)裝中心生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)有的2 座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類(lèi)型的圓型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)經(jīng)常發(fā)生堵煤的原因分析，在筒倉(cāng)給煤機(jī)合理區(qū)域安裝了一種聲能疏通裝置，利用該裝置傳導(dǎo)出的不同頻率振動(dòng)波動(dòng)作用于倉(cāng)內(nèi)堵煤層區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)內(nèi)堵煤的顯著清堵。聲能疏通裝置應(yīng)用后，杜絕了以往堵煤造成的給煤不暢現(xiàn)象發(fā)生，提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行效率，達(dá)到了科技保安、提質(zhì)增效的目的。

1 堵煤原因

神華寶日希勒能源有限公司儲(chǔ)裝中心的圓筒倉(cāng)儲(chǔ)煤系統(tǒng)由2 座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的圓型儲(chǔ)煤倉(cāng)組成，每個(gè)圓筒倉(cāng)的儲(chǔ)煤設(shè)計(jì)能力為8 000 t，外徑為22 m，高51 m。2 個(gè)圓筒倉(cāng)倉(cāng)上由2 條可逆帶式輸送機(jī)向倉(cāng)內(nèi)供煤，倉(cāng)下共有12 臺(tái)給煤機(jī)，主要負(fù)責(zé)煤炭倉(cāng)儲(chǔ)以及為1#號(hào)裝車(chē)站供煤。在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，給煤機(jī)卸煤口上方2 m 區(qū)域經(jīng)常發(fā)生蓬煤、起拱現(xiàn)象，造成給煤機(jī)卸煤不暢，嚴(yán)重影響裝車(chē)速度。

1）圓筒倉(cāng)儲(chǔ)備的為二級(jí)破碎后的煤炭，褐煤品質(zhì)，發(fā)熱量保持在（14 644～15 062）kJ/kg，全水分保持在33%～34%，灰分保持在13%～16%，全硫保持在0.2%～0.3%，煤炭粒度（三維尺寸）≤50 mm。由此可見(jiàn)，倉(cāng)儲(chǔ)煤的灰分和全水分較大，導(dǎo)致煤的黏結(jié)性較大[7]，流動(dòng)性較低，造成倉(cāng)內(nèi)堵煤。

2）現(xiàn)有煤倉(cāng)底部下料倉(cāng)段的結(jié)構(gòu)為圓錐式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤倉(cāng)底部過(guò)煤的截面積由上至下逐漸變小，同時(shí)伴隨著筒倉(cāng)儲(chǔ)煤過(guò)程，下部存煤區(qū)域煤粒的擠壓力會(huì)不斷增加，在煤粒自身重力和上部煤流擠壓力的作用下，煤粒之間、煤粒與倉(cāng)壁之間的摩擦力也會(huì)不斷增加，導(dǎo)致煤倉(cāng)底部煤的流動(dòng)動(dòng)力會(huì)越來(lái)越小，如果煤粒中含水量高，則會(huì)加劇煤粒之間的團(tuán)聚性，給煤倉(cāng)底部煤向下的流動(dòng)增加了阻力，造成煤倉(cāng)堵煤、起拱、貼壁的概率將大大增加，影響給煤機(jī)的給煤效率[8]。

2 聲能疏通系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1）聲能疏通系統(tǒng)主要由供氣管路（氣源）、截止閥、電磁閥、過(guò)濾器、穩(wěn)壓灌、壓力表、變頻泵、電機(jī)、排氣喇叭管、控制器、電纜等部件組成，聲能疏通裝置構(gòu)件示意圖如圖1。

圖1 聲能疏通裝置構(gòu)件示意圖

2）該系統(tǒng)配套的控制部分主要由電源、變頻器、可編程序控制器、寬帶頻率控制板、中間繼電器、交流接觸器及熱保護(hù)繼電器等元器件組成。其中：電源負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)提供供電電壓，并負(fù)責(zé)給控制柜操作面板上的操作按鈕及狀態(tài)顯示開(kāi)關(guān)供電；變頻器采用西門(mén)子系列變頻器，輸入為單相220 V 交流電，輸出為三相220 V 交流電，用于控制聲波發(fā)生器上的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)聲源頻率的功能，以達(dá)到最佳的除灰效果；可編程序控制器采用西門(mén)子系列PLC[9]，用于控制整套設(shè)備的步進(jìn)運(yùn)行（啟、停、報(bào)警、復(fù)位、自動(dòng)與手動(dòng)的轉(zhuǎn)換、頻率設(shè)定等），和寬帶頻率控制板一起實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的互相轉(zhuǎn)換；中間繼電器采用西門(mén)子系列中間繼電器，用于設(shè)備和可編程控制器的連接，主要用來(lái)控制電磁閥的啟停；交流接觸器及熱保護(hù)繼電器用于設(shè)備和可編程控制器的連接，交流接觸器用來(lái)控制聲波發(fā)生器上電機(jī)的啟停，每個(gè)交流接觸器都配有熱保護(hù)繼電器，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電流過(guò)大時(shí)，熱保護(hù)繼電器動(dòng)作，使故障設(shè)備處于停運(yùn)狀態(tài)，以防電動(dòng)機(jī)被燒毀。

3）聲能疏通系統(tǒng)產(chǎn)生出的是一種氣體能量的傳遞波，利用其本身的“壓力波動(dòng)特性（氣體脈沖）”對(duì)煤倉(cāng)下料口的積煤表面層作用的一種振動(dòng)波，由此激活積煤（堵料）自身固有的內(nèi)力，使其參與疏通工作，達(dá)到合力疏通的效果。該系統(tǒng)通過(guò)變頻泵產(chǎn)生高壓壓縮空氣，高壓壓縮空氣被輸入到圓筒倉(cāng)內(nèi)后形成環(huán)繞波形的疏通能量場(chǎng)，當(dāng)調(diào)頻輸出的振動(dòng)聲波與煤倉(cāng)堵塞時(shí)所含煤量的跳動(dòng)點(diǎn)一致時(shí)，積煤層產(chǎn)生松動(dòng)，積煤顆粒發(fā)生移位、錯(cuò)位，在自身重力及風(fēng)力等外力的作用下，脫離原來(lái)的位置，從而達(dá)到清堵的目的[10]。該系統(tǒng)配套的手控系統(tǒng)人性化可根據(jù)操作人員意愿進(jìn)行操作，PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控6 臺(tái)以?xún)?nèi)設(shè)備運(yùn)行，具有操作簡(jiǎn)單、方便、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和操作，二者結(jié)合在一起，從而形成性能優(yōu)異的系統(tǒng)。

2.2 安裝設(shè)計(jì)

在圓筒倉(cāng)的各給煤機(jī)卸煤口上方2 m 區(qū)域的混凝土墻壁開(kāi)鑿斜角圓孔，將聲能導(dǎo)管置于圓孔內(nèi)，并在管接法蘭盤(pán)與聲能導(dǎo)管的大法蘭中間加上能耐高溫的墊圈通過(guò)螺栓牢固連成一體，并保證聲能導(dǎo)管中心基本水平的情況下，把法蘭盤(pán)和主機(jī)與倉(cāng)壁點(diǎn)焊好，確保連接牢固，密封嚴(yán)實(shí)、無(wú)泄漏。把聲能主機(jī)放置于支架上，通過(guò)調(diào)整聲能導(dǎo)管和支架，使聲能主機(jī)與聲能導(dǎo)管（已與倉(cāng)壁通過(guò)管接法蘭連接）連接牢固；同時(shí)把管接法蘭滿(mǎn)焊在倉(cāng)壁上。最后把支架與發(fā)生聲器和平臺(tái)分別固定牢固。從主管路分別引支管至每臺(tái)聲能主機(jī)上，每根支管均需配置1 個(gè)截止閥，并依圖安裝金屬軟管、電磁閥等附件。從控制柜分別引電纜至每臺(tái)設(shè)備執(zhí)行部件，其中電動(dòng)機(jī)分配3 根線(xiàn)，電磁閥2 根線(xiàn)，剩余2 根做備用。聲能主機(jī)連接至壓縮空氣供氣系統(tǒng)，壓縮氣體通過(guò)聲能主機(jī)產(chǎn)生一種氣體能力波傳遞至倉(cāng)內(nèi)，此時(shí)氣體脈沖將作用于倉(cāng)內(nèi)煤層產(chǎn)生振動(dòng)波，激活堵煤自身固有的內(nèi)力，最終實(shí)現(xiàn)堵煤疏通的功能。聲能疏通裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖2。

圖2 聲能疏通裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

3 聲能疏通系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

聲能疏通裝置具有安全性能高、清堵效果好、功耗小等特點(diǎn)。它利用空氣壓力及其周期性波動(dòng)能量作用于堵煤層區(qū)域產(chǎn)生物理作用（力學(xué)效應(yīng)等），對(duì)煤倉(cāng)的貼壁、搭橋、結(jié)垢層及積灰產(chǎn)生疏松作用，將凝聚的堵煤顆粒產(chǎn)生間隙，顆粒發(fā)生移動(dòng)錯(cuò)位，使其只需在自身重力或風(fēng)力的作用下，脫離原來(lái)的位置，從而達(dá)到清堵、清灰的目的。其可廣泛用于煤礦具有爆炸性氣體環(huán)境中，對(duì)煤倉(cāng)任何部位上的擁堵、結(jié)垢、貼壁都能進(jìn)行徹底清除，不留死角，清堵效果好。有效解決了煤倉(cāng)因堵塞產(chǎn)生的各種安全隱患以及影響生產(chǎn)等問(wèn)題。

1）解決了因黏聚力大、流動(dòng)性差的煤粉在煤倉(cāng)內(nèi)出現(xiàn)起拱、搭橋、貼壁造成給煤機(jī)卸料困難等問(wèn)題的發(fā)生。聲能疏通裝置的能量場(chǎng)范圍廣、頻率可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出，滿(mǎn)足煤倉(cāng)不同堵煤狀態(tài)的疏通。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)一鍵式就地起動(dòng)和遠(yuǎn)距離控制、自動(dòng)化程度高、安全穩(wěn)定性好。

2）低頻聲能頻率范圍廣，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻，可調(diào)頻率大，最高可達(dá)到0～50 Hz，發(fā)聲效果高，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出，能夠滿(mǎn)足正常情況下煤倉(cāng)疏通的要求。

3）氣源可使用壓縮空氣、氮?dú)?、蒸汽，氣壓一般?.6 MPa，不可低于0.4 MPa，動(dòng)力為0.75 kW 的三相電機(jī)，輸出氣源穩(wěn)，能量大，密封性好可適用于比較復(fù)雜的工作場(chǎng)所，且可滿(mǎn)足各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求。

4）運(yùn)行費(fèi)用低，每天平均運(yùn)行1～3 次，每次平均運(yùn)行5～10 min 即可，特殊情況可增加運(yùn)行時(shí)間，且具備很強(qiáng)的繞射能力，最大優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有死角。

3.2 應(yīng)用效果

聲能疏通裝置投入使用后，當(dāng)煤倉(cāng)發(fā)生堵煤時(shí)，各給煤機(jī)口區(qū)域的聲能疏通裝置經(jīng)過(guò)依次分時(shí)運(yùn)行，在10～20 min 內(nèi)即可將堵煤全部疏通。有效解決了煤倉(cāng)蓬煤、堵煤?jiǎn)栴}，消除了以往人工清理堵煤的安全隱患、降低職工工作強(qiáng)度，避免煤倉(cāng)潰倉(cāng)等事故的發(fā)生，提高給煤機(jī)給煤輸出效率，達(dá)到了裝車(chē)站只能煤等車(chē)、不能車(chē)等煤的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了科技保安。聲能疏通裝置具有自動(dòng)控制程序，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清堵，響應(yīng)了機(jī)械化減人、自動(dòng)化換人的目的。聲能疏通裝置的適用范圍廣，可適用推廣于溜槽、漏煤斗等區(qū)域的堵煤處理工作，有很廣泛的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

1）聲能疏通系統(tǒng)是傳統(tǒng)機(jī)械振打、蒸汽吹灰、傳統(tǒng)聲波震動(dòng)、空氣乙炔炮、化學(xué)除垢等清灰除渣方式的理想替代產(chǎn)品，對(duì)類(lèi)似圓型筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)煤倉(cāng)的煤炭清堵效果非常顯著。

2）目前所安裝的聲能聲能疏通裝置為第一代產(chǎn)品，在煤質(zhì)含水量相對(duì)較小的情況下可用較短的時(shí)間解決煤倉(cāng)堵塞問(wèn)題。但在煤質(zhì)含水量相對(duì)較高并存在一定煤泥的情況下，處理起來(lái)時(shí)間較長(zhǎng)。因此針對(duì)該情況，需要通過(guò)增加聲場(chǎng)擴(kuò)容裝置，把落煤口堵塞煤的著力點(diǎn)破壞，讓聲能量更好的灌輸?shù)秸麄€(gè)落煤口所堵塞的煤堆中，可以快速的清除堵塞。

3）未來(lái)將通過(guò)改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)捕捉煤倉(cāng)落煤口落煤的情況，智能判斷煤倉(cāng)是否堵塞，若判斷是堵塞或者半堵塞情況，控制單元自動(dòng)啟動(dòng)煤倉(cāng)疏通裝置，并在每個(gè)頻段自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在某一頻段，給煤機(jī)出現(xiàn)落煤情況后，固定在該頻段長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，從而達(dá)到全智能疏通的效果。