煤倉是臨時貯存煤炭并輔助運(yùn)輸?shù)脑O(shè)施，如果煤倉堵煤蓬煤，會嚴(yán)重影響煤炭運(yùn)輸和后續(xù)生產(chǎn)開采，甚至因為入倉捅煤，引發(fā)人員傷亡事故。按煤倉堵塞形狀分為橋接、鼠洞、掛壁等3種堵煤蓬煤情況，煤倉堵塞狀態(tài)示意如圖1所示。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“革新·改造：優(yōu)秀 QC 成果”欄目

作者簡介：曹鵬，高級工程師，主要從事煤礦機(jī)電裝備研發(fā)與控制系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)研究工作。E-mail：13664127306@163.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司

引用格式：曹鵬.煤倉聲波疏通裝置的研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(9)：50-52.

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圖1 煤倉堵塞狀態(tài)示意

堵塞位置多在煤閘板以上2 m范圍內(nèi)，某處開始黏結(jié)薄層物料，黏結(jié)后增大摩擦力，然后軸向或者徑向延伸，逐步增加厚度，最終形成不同形狀的搭橋、堵塞，造成斷流。常規(guī)辦法很難解決堵塞問題。

聲波疏通技術(shù)作為一種非接觸式物理干預(yù)手段，通過激發(fā)煤體內(nèi)部顆粒的振動與位移，實現(xiàn)快速破拱與流動恢復(fù)。原理源于聲學(xué)共振效應(yīng)與顆粒流體力學(xué)的交叉應(yīng)用，通過匹配煤體固有頻率的聲波能量場，破壞煤粉間靜摩擦力網(wǎng)絡(luò)，促使其在重力作用下重新流動。近年來，隨著工業(yè)自動化與智能傳感技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，聲波清堵裝置逐漸從實驗室走向工程實踐。

煤倉聲波疏通裝置組成

煤倉聲波疏通裝置的設(shè)計與應(yīng)用，通過融合變頻聲波、氣體驅(qū)動與智能控制技術(shù)，提出一種煤倉聲波疏通裝置，提升煤倉作業(yè)效率（疏通時間縮短至1～5 min），降低人工干預(yù)風(fēng)險。

煤倉聲波疏通裝置屬于新型礦用煤倉清堵設(shè)備，其工作原理為將壓力氣體（壓縮空氣、氮?dú)獾龋┑膭幽苻D(zhuǎn)換為聲波的波動能量，產(chǎn)生高聲強(qiáng)的聲波，對煤倉下料口積煤表面層產(chǎn)生高頻振動作用。在此作用下，積煤層產(chǎn)生松動，積煤顆粒發(fā)生移位、錯位，在自身重力及風(fēng)力等外力作用下，脫離原來位置，達(dá)到清堵目的。煤倉聲波疏通裝置由3個模塊組成。

（1）聲波發(fā)生與轉(zhuǎn)換模塊

聲波發(fā)生與轉(zhuǎn)換模塊由變頻電機(jī)、聲波發(fā)生器和聲能導(dǎo)管組成。變頻電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動聲波發(fā)生器內(nèi)的聲波調(diào)制器對高壓空氣進(jìn)行多級切割，生成頻率可調(diào)（20～1 200 Hz）的高聲強(qiáng)聲波。聲能導(dǎo)管采用特殊函數(shù)曲線設(shè)計的不銹鋼腔體結(jié)構(gòu)，收聲端開口直徑較小以減少聲波損耗，發(fā)聲端直徑擴(kuò)大以增強(qiáng)振動面積。導(dǎo)管內(nèi)部通過腔體共振和駐波效應(yīng)將聲波能量放大5～8倍，形成環(huán)繞波形能量場，覆蓋煤倉全斷面。模塊集成了減震環(huán)和隔聲罩，減少機(jī)械振動和噪聲污染。

（2）氣體驅(qū)動模塊

氣體驅(qū)動模塊采用模塊化氣路設(shè)計，包含2級過濾器、電磁閥和雙腔穩(wěn)壓罐。壓縮空氣首先經(jīng)進(jìn)氣通道的金屬燒結(jié)過濾器去除粒徑>5 μm的顆粒物，再通過聚酯纖維油霧分離器實現(xiàn)露點-40 ℃的深度干燥。穩(wěn)壓罐用于緩沖系統(tǒng)壓力波動，維持氣體或系統(tǒng)中的壓力穩(wěn)定。氣路中特別增設(shè)手動截止閥模塊，在設(shè)備維護(hù)時實現(xiàn)物理隔離，防止殘余高壓氣體意外釋放。整個氣路系統(tǒng)通過316 L不銹鋼硬管連接，耐壓等級達(dá)PN40，確保在煤粉環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）智能控制模塊

智能控制模塊以西門子S7-1200系列PLC為核心，采用3層控制架構(gòu)。底層通過RS485總線連接變頻器；中間層配置觸摸屏HMI，可實時顯示聲波頻率曲線、氣壓數(shù)據(jù)和煤流三維模型；上層通過工業(yè)以太網(wǎng)接入煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)置自適應(yīng)算法，根據(jù)共振頻率特征庫，動態(tài)調(diào)整聲波頻率匹配煤倉堵塞物的固有振動頻率。智能控制預(yù)設(shè)8組工藝參數(shù)模板，支持定時啟動、多周期循環(huán)和故障自診斷模式，當(dāng)檢測到電機(jī)過流時，可自動切換至安全模式并觸發(fā)聲光報警，煤倉聲波疏通裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 煤倉聲波疏通裝置結(jié)構(gòu)示意

煤倉聲波疏通裝置技術(shù)創(chuàng)新點

（1）多級切片聲波發(fā)生技術(shù)

突破傳統(tǒng)機(jī)械振動式或單一氣哨式聲波發(fā)生方式，采用雙曲線調(diào)制器結(jié)合高壓氣體切割技術(shù)。通過變頻電機(jī)驅(qū)動精密加工的合金葉輪，轉(zhuǎn)速范圍為200～8 000 rad/min，在空氣動力學(xué)層面實現(xiàn)多級流道切割，產(chǎn)生20～1 200 Hz連續(xù)可調(diào)聲波。與常規(guī)設(shè)備相比，頻率調(diào)節(jié)精度可達(dá)±0.5 Hz，聲壓級提升至150 dB，突破傳統(tǒng)設(shè)備120 dB的瓶頸。

（2）聲能導(dǎo)管駐波放大技術(shù)

設(shè)計了符合亥姆霍茲共振原理的變徑腔體結(jié)構(gòu)。復(fù)合腔體構(gòu)型采用三段式結(jié)構(gòu)，收縮段-諧振段-擴(kuò)散段，收縮段直徑為80 mm，擴(kuò)散段直徑為300 mm，通過貝塞爾曲線過渡降低湍流損耗；駐波控制技術(shù)在諧振段設(shè)置可調(diào)式反射板，調(diào)節(jié)范圍為0°～30°，實現(xiàn)聲波相位疊加，能量放大倍數(shù)達(dá)5～8倍。試驗數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)使聲波有效作用距離從常規(guī)3 m延伸至8 m，能量密度提升3.6倍，滿足直徑為12 m煤倉的全斷面覆蓋需求。

（3）聲波頻率自適應(yīng)模型

開發(fā)了基于煤倉物料物理參數(shù)（含水率、粒徑、堆積角）的聲波頻率自適應(yīng)模型。通過對已部署聲波疏通裝置的煤倉，開展物料物理特性標(biāo)定與疏通聲波頻率匹配特性試驗，已建立包含多于10種煤樣的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)庫。隨著裝置推廣應(yīng)用，完善聲波頻率自適應(yīng)模型的泛用性與準(zhǔn)確性，該算法模型有效提高了清堵效率，降低設(shè)備能耗。

現(xiàn)場實施與應(yīng)用效果分析

煤倉聲波疏通裝置現(xiàn)場應(yīng)用如圖3所示，通化礦業(yè)（集團(tuán)）道清選煤有限公司選煤場精煤煤倉為混凝土結(jié)構(gòu)，煤倉壁厚0.5 m、內(nèi)表面粗糙度>12.5 μm、倉內(nèi)物料含水率15%～25%、堆積角>35°，易在出料口上方0～3 m范圍內(nèi)形成拱形或漏斗形堵塞。傳統(tǒng)機(jī)械振動器難以穿透混凝土倉壁，空氣炮沖擊波衰減率達(dá)50%/m，疏通效果欠佳。

圖3 煤倉聲波疏通裝置現(xiàn)場應(yīng)用

煤倉聲波疏通裝置開孔在出料口上方約2.5 m處，采用水鉆切割工藝，開直徑300 mm的聲能導(dǎo)管安裝孔。聲能導(dǎo)管采用碳鋼材質(zhì)，通過法蘭盤與倉壁連接，內(nèi)嵌耐1 250 ℃高溫的陶瓷纖維密封墊，安裝傾角控制在±2°，確保聲波主瓣方向與煤流方向形成15°～30°夾角以增強(qiáng)剪切效應(yīng)。在開孔區(qū)域焊接長寬為310×310 mm增強(qiáng)鋼板，以加固倉體，封堵縫隙。穩(wěn)壓罐、聲波發(fā)生器等組件安裝固定在水平槽鋼上方，應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下4個方面。

（1）在清堵效率與能耗方面，煤倉聲波疏通裝置工作時產(chǎn)生20～1 200 Hz連續(xù)可調(diào)聲波及150 dB高聲壓級，聲波能量場可穿透8 m厚煤層，覆蓋直徑12 m煤倉全斷面。與現(xiàn)場原有的空氣炮對比，煤倉聲波疏通裝置在單次清堵效率、能量利用率、穿透深度等指標(biāo)上均優(yōu)于空氣炮，日均運(yùn)行次數(shù)遠(yuǎn)低于空氣炮，清堵效率與能耗對比見表1。

表1 清堵效率與能耗對比

（2）在智能化方面，煤倉聲波疏通裝置內(nèi)置8組工藝參數(shù)模板，根據(jù)煤倉物料特性匹配疏通頻率，支持定時啟動、多周期循環(huán)等智能管理模式，可根據(jù)生產(chǎn)計劃自主設(shè)定作業(yè)時段與頻次。故障自診斷功能實時檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并通過人機(jī)界面生成簡明故障代碼，降低運(yùn)維復(fù)雜度。全流程自動化操作減少人工干預(yù)，實現(xiàn)設(shè)備智能閉環(huán)控制。

（3）在經(jīng)濟(jì)效益方面，煤倉聲波疏通裝置通過智能化頻率匹配與高效能量傳導(dǎo)技術(shù)，提升清堵效率，減少能源消耗，降低設(shè)備維護(hù)頻率與人工干預(yù)成本。模塊化設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化了全生命周期成本，縮短設(shè)備投資回報周期，為企業(yè)創(chuàng)造可持續(xù)的降本增效空間。

（4）在社會效益層面，煤倉聲波疏通裝置以全自動化運(yùn)行替代高危人工作業(yè)，從根本上消除人工敲擊、爆破等操作的安全隱患，降低作業(yè)事故風(fēng)險。

從現(xiàn)場的應(yīng)用效果來看，變頻聲波技術(shù)的清堵裝置存在3方面局限，包括對高黏性煤泥（含水率>25%）作用深度不足、極端低溫（-50 ℃）下聲波傳導(dǎo)效率低、異形倉體聲場分布均勻性偏差大，基于上述問題提出3個攻關(guān)方向。

（1）煤泥穿透力強(qiáng)化研究：開發(fā)聲波與其他技術(shù)（如微波、機(jī)械振動）協(xié)同方案，增強(qiáng)對含水率>25%煤泥的作用深度。

（2）低溫適應(yīng)性優(yōu)化：改進(jìn)材料與加熱系統(tǒng)，確保-50 ℃工況下聲波傳導(dǎo)效率不衰減。

（3）異形倉體適配性：研究自適應(yīng)聲場調(diào)控算法，提升非規(guī)則倉體的聲波覆蓋均勻性。

結(jié) 語

基于變頻聲波技術(shù)的清堵裝置解決了煤倉堵塞治理難題。通過聲波調(diào)制器實現(xiàn)20～1 200 Hz連續(xù)調(diào)頻，結(jié)合多級切片聲波發(fā)生技術(shù)、聲能導(dǎo)管駐波放大技術(shù)、聲波頻率自適應(yīng)模型，實現(xiàn)煤倉聲波疏通裝置98%的清堵效率。下一步的研究將優(yōu)先解決實際工程中的瓶頸問題，通過現(xiàn)場試驗驗證技術(shù)改進(jìn)效果，推動裝置在更復(fù)雜場景中的應(yīng)用。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

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