中國煤科沈陽研究院曹鵬高工：煤倉聲波疏通裝置的研發與應用

2025年10月20日 15:47 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

煤倉是臨時貯存煤炭并輔助運輸的設施，如果煤倉堵煤蓬煤，會嚴重影響煤炭運輸和后續生產開采，甚至因為入倉捅煤，引發人員傷亡事故。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：優秀 QC 成果”欄目

作者簡介：曹鵬，高級工程師，主要從事煤礦機電裝備研發與控制系統設計等相關研究工作。E-mail：13664127306@163.com

作者單位：中煤科工集團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與應用[J].智能礦山，2025，6(9)：50-52.

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圖1 煤倉堵塞狀態示意

堵塞位置多在煤閘板以上2 m范圍內，某處開始黏結薄層物料，黏結后增大摩擦力，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。常規辦法很難解決堵塞問題。

聲波疏通技術作為一種非接觸式物理干預手段，通過激發煤體內部顆粒的振動與位移，實現快速破拱與流動恢復。原理源于聲學共振效應與顆粒流體力學的交叉應用，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絡，促使其在重力作用下重新流動。近年來，隨著工業自動化與智能傳感技術的發展進步，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計與應用，通過融合變頻聲波、氣體驅動與智能控制技術，提出一種煤倉聲波疏通裝置，提升煤倉作業效率（疏通時間縮短至1～5 min），降低人工干預風險。

煤倉聲波疏通裝置屬于新型礦用煤倉清堵設備，其工作原理為將壓力氣體（壓縮空氣、氮氣等）的動能轉換為聲波的波動能量，產生高聲強的聲波，對煤倉下料口積煤表面層產生高頻振動作用。在此作用下，積煤層產生松動，積煤顆粒發生移位、錯位，在自身重力及風力等外力作用下，脫離原來位置，達到清堵目的。煤倉聲波疏通裝置由3個模塊組成。

（1）聲波發生與轉換模塊

聲波發生與轉換模塊由變頻電機、聲波發生器和聲能導管組成。變頻電機通過聯軸器帶動聲波發生器內的聲波調制器對高壓空氣進行多級切割，生成頻率可調（20～1 200 Hz）的高聲強聲波。聲能導管采用特殊函數曲線設計的不銹鋼腔體結構，收聲端開口直徑較小以減少聲波損耗，發聲端直徑擴大以增強振動面積。導管內部通過腔體共振和駐波效應將聲波能量放大5～8倍，形成環繞波形能量場，覆蓋煤倉全斷面。模塊集成了減震環和隔聲罩，減少機械振動和噪聲污染。

（2）氣體驅動模塊

氣體驅動模塊采用模塊化氣路設計，包含2級過濾器、電磁閥和雙腔穩壓罐。壓縮空氣首先經進氣通道的金屬燒結過濾器去除粒徑>5 μm的顆粒物，再通過聚酯纖維油霧分離器實現露點-40 ℃的深度干燥。穩壓罐用于緩沖系統壓力波動，維持氣體或系統中的壓力穩定。氣路中特別增設手動截止閥模塊，在設備維護時實現物理隔離，防止殘余高壓氣體意外釋放。整個氣路系統通過316 L不銹鋼硬管連接，耐壓等級達PN40，確保在煤粉環境下長期穩定運行。

（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。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、氣壓數據和煤流三維模型；上層通過工業以太網接入煤礦井下光纖環網。控制系統內置自適應算法，根據共振頻率特征庫，動態調整聲波頻率匹配煤倉堵塞物的固有振動頻率。智能控制預設8組工藝參數模板，支持定時啟動、多周期循環和故障自診斷模式，當檢測到電機過流時，可自動切換至安全模式并觸發聲光報警，煤倉聲波疏通裝置結構示意如圖2所示。

圖2 煤倉聲波疏通裝置結構示意

煤倉聲波疏通裝置技術創新點

（1）多級切片聲波發生技術

突破傳統機械振動式或單一氣哨式聲波發生方式，采用雙曲線調制器結合高壓氣體切割技術。通過變頻電機驅動精密加工的合金葉輪，轉速范圍為200～8 000 rad/min，在空氣動力學層面實現多級流道切割，產生20～1 200 Hz連續可調聲波。與常規設備相比，頻率調節精度可達±0.5 Hz，聲壓級提升至150 dB，突破傳統設備120 dB的瓶頸。

（2）聲能導管駐波放大技術

設計了符合亥姆霍茲共振原理的變徑腔體結構。復合腔體構型采用三段式結構，收縮段-諧振段-擴散段，收縮段直徑為80 mm，擴散段直徑為300 mm，通過貝塞爾曲線過渡降低湍流損耗；駐波控制技術在諧振段設置可調式反射板，調節范圍為0°～30°，實現聲波相位疊加，能量放大倍數達5～8倍。試驗數據顯示，該技術使聲波有效作用距離從常規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）聲波頻率自適應模型

開發了基于煤倉物料物理參數（含水率、粒徑、堆積角）的聲波頻率自適應模型。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種煤樣的振動響應數據庫。隨著裝置推廣應用，完善聲波頻率自適應模型的泛用性與準確性，該算法模型有效提高了清堵效率，降低設備能耗。

現場實施與應用效果分析

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

圖3 煤倉聲波疏通裝置現場應用

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的聲能導管安裝孔。聲能導管采用碳鋼材質，通過法蘭盤與倉壁連接，內嵌耐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°夾角以增強剪切效應。在開孔區域焊接長寬為310×310 mm增強鋼板，以加固倉體，封堵縫隙。穩壓罐、聲波發生器等組件安裝固定在水平槽鋼上方，應用效果主要體現在以下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生20～1 200 Hz連續可調聲波及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、穿透深度等指標上均優于空氣炮，日均運行次數遠低于空氣炮，清堵效率與能耗對比見表1。

表1 清堵效率與能耗對比

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（2）在智能化方面，煤倉聲波疏通裝置內置8組工藝參數模板，根據煤倉物料特性匹配疏通頻率，支持定時啟動、多周期循環等智能管理模式，可根據生產計劃自主設定作業時段與頻次。故障自診斷功能實時檢測設備運行狀態，并通過人機界面生成簡明故障代碼，降低運維復雜度。全流程自動化操作減少人工干預，實現設備智能閉環控制。

（3）在經濟效益方面，煤倉聲波疏通裝置通過智能化頻率匹配與高效能量傳導技術，提升清堵效率，減少能源消耗，降低設備維護頻率與人工干預成本。模塊化設計進一步優化了全生命周期成本，縮短設備投資回報周期，為企業創造可持續的降本增效空間。

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

從現場的應用效果來看，變頻聲波技術的清堵裝置存在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個攻關方向。

（1）煤泥穿透力強化研究：開發聲波與其他技術（如微波、機械振動）協同方案，增強對含水率>25%煤泥的作用深度。

（2）低溫適應性優化：改進材料與加熱系統，確保-50 ℃工況下聲波傳導效率不衰減。

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

結語

基于變頻聲波技術的清堵裝置解決了煤倉堵塞治理難題。通過聲波調制器實現20～1 200 Hz連續調頻，結合多級切片聲波發生技術、聲能導管駐波放大技術、聲波頻率自適應模型，實現煤倉聲波疏通裝置98%的清堵效率。下一步的研究將優先解決實際工程中的瓶頸問題，通過現場試驗驗證技術改進效果，推動裝置在更復雜場景中的應用。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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