中国煤科沈阳研究院曹鹏高工：煤仓声波疏通装置的研发与应用

2025年10月20日 15:47 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

煤仓是临时贮存煤炭并辅助运输的设施，如果煤仓堵煤蓬煤，会严重影响煤炭运输和后续生产开采，甚至因为入仓捅煤，引发人员伤亡事故。按煤仓堵塞形状分为桥接、鼠洞、挂壁等3种堵煤蓬煤情况，煤仓堵塞状态示意如图1所示。

文章来源：《智能矿山》2025年第9期“革新·改造：优秀 QC 成果”栏目

作者简介：曹鹏，高级工程师，主要从事煤矿机电装备研发与控制系统设计等相关研究工作。E-mail：13664127306@163.com

作者单位：中煤科工集团沈阳研究院有限公司

引用格式：曹鹏.煤仓声波疏通装置的研发与应用[J].智能矿山，2025，6(9)：50-52.

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图1 煤仓堵塞状态示意

堵塞位置多在煤闸板以上2 m范围内，某处开始黏结薄层物料，黏结后增大摩擦力，然后轴向或者径向延伸，逐步增加厚度，最终形成不同形状的搭桥、堵塞，造成断流。常规办法很难解决堵塞问题。

声波疏通技术作为一种非接触式物理干预手段，通过激发煤体内部颗粒的振动与位移，实现快速破拱与流动恢复。原理源于声学共振效应与颗粒流体力学的交叉应用，通过匹配煤体固有频率的声波能量场，破坏煤粉间静摩擦力网络，促使其在重力作用下重新流动。近年来，随着工业自动化与智能传感技术的发展进步，声波清堵装置逐渐从实验室走向工程实践。

煤仓声波疏通装置组成

煤仓声波疏通装置的设计与应用，通过融合变频声波、气体驱动与智能控制技术，提出一种煤仓声波疏通装置，提升煤仓作业效率（疏通时间缩短至1～5 min），降低人工干预风险。

煤仓声波疏通装置属于新型矿用煤仓清堵设备，其工作原理为将压力气体（压缩空气、氮气等）的动能转换为声波的波动能量，产生高声强的声波，对煤仓下料口积煤表面层产生高频振动作用。在此作用下，积煤层产生松动，积煤颗粒发生移位、错位，在自身重力及风力等外力作用下，脱离原来位置，达到清堵目的。煤仓声波疏通装置由3个模块组成。

（1）声波发生与转换模块

声波发生与转换模块由变频电机、声波发生器和声能导管组成。变频电机通过联轴器带动声波发生器内的声波调制器对高压空气进行多级切割，生成频率可调（20～1 200 Hz）的高声强声波。声能导管采用特殊函数曲线设计的不锈钢腔体结构，收声端开口直径较小以减少声波损耗，发声端直径扩大以增强振动面积。导管内部通过腔体共振和驻波效应将声波能量放大5～8倍，形成环绕波形能量场，覆盖煤仓全断面。模块集成了减震环和隔声罩，减少机械振动和噪声污染。

（2）气体驱动模块

气体驱动模块采用模块化气路设计，包含2级过滤器、电磁阀和双腔稳压罐。压缩空气首先经进气通道的金属烧结过滤器去除粒径>5 μm的颗粒物，再通过聚酯纤维油雾分离器实现露点-40 ℃的深度干燥。稳压罐用于缓冲系统压力波动，维持气体或系统中的压力稳定。气路中特别增设手动截止阀模块，在设备维护时实现物理隔离，防止残余高压气体意外释放。整个气路系统通过316 L不锈钢硬管连接，耐压等级达PN40，确保在煤粉环境下长期稳定运行。

（3）智能控制模块

智能控制模块以西门子S7-1200系列PLC为核心，采用3层控制架构。底层通过RS485总线连接变频器；中间层配置触摸屏HMI，可实时显示声波频率曲线、气压数据和煤流三维模型；上层通过工业以太网接入煤矿井下光纤环网。控制系统内置自适应算法，根据共振频率特征库，动态调整声波频率匹配煤仓堵塞物的固有振动频率。智能控制预设8组工艺参数模板，支持定时启动、多周期循环和故障自诊断模式，当检测到电机过流时，可自动切换至安全模式并触发声光报警，煤仓声波疏通装置结构示意如图2所示。

图2 煤仓声波疏通装置结构示意

煤仓声波疏通装置技术创新点

（1）多级切片声波发生技术

突破传统机械振动式或单一气哨式声波发生方式，采用双曲线调制器结合高压气体切割技术。通过变频电机驱动精密加工的合金叶轮，转速范围为200～8 000 rad/min，在空气动力学层面实现多级流道切割，产生20～1 200 Hz连续可调声波。与常规设备相比，频率调节精度可达±0.5 Hz，声压级提升至150 dB，突破传统设备120 dB的瓶颈。

（2）声能导管驻波放大技术

设计了符合亥姆霍兹共振原理的变径腔体结构。复合腔体构型采用三段式结构，收缩段-谐振段-扩散段，收缩段直径为80 mm，扩散段直径为300 mm，通过贝塞尔曲线过渡降低湍流损耗；驻波控制技术在谐振段设置可调式反射板，调节范围为0°～30°，实现声波相位叠加，能量放大倍数达5～8倍。试验数据显示，该技术使声波有效作用距离从常规3 m延伸至8 m，能量密度提升3.6倍，满足直径为12 m煤仓的全断面覆盖需求。

（3）声波频率自适应模型

开发了基于煤仓物料物理参数（含水率、粒径、堆积角）的声波频率自适应模型。通过对已部署声波疏通装置的煤仓，开展物料物理特性标定与疏通声波频率匹配特性试验，已建立包含多于10种煤样的振动响应数据库。随着装置推广应用，完善声波频率自适应模型的泛用性与准确性，该算法模型有效提高了清堵效率，降低设备能耗。

现场实施与应用效果分析

煤仓声波疏通装置现场应用如图3所示，通化矿业（集团）道清选煤有限公司选煤场精煤煤仓为混凝土结构，煤仓壁厚0.5 m、内表面粗糙度>12.5 μm、仓内物料含水率15%～25%、堆积角>35°，易在出料口上方0～3 m范围内形成拱形或漏斗形堵塞。传统机械振动器难以穿透混凝土仓壁，空气炮冲击波衰减率达50%/m，疏通效果欠佳。

图3 煤仓声波疏通装置现场应用

煤仓声波疏通装置开孔在出料口上方约2.5 m处，采用水钻切割工艺，开直径300 mm的声能导管安装孔。声能导管采用碳钢材质，通过法兰盘与仓壁连接，内嵌耐1 250 ℃高温的陶瓷纤维密封垫，安装倾角控制在±2°，确保声波主瓣方向与煤流方向形成15°～30°夹角以增强剪切效应。在开孔区域焊接长宽为310×310 mm增强钢板，以加固仓体，封堵缝隙。稳压罐、声波发生器等组件安装固定在水平槽钢上方，应用效果主要体现在以下4个方面。

（1）在清堵效率与能耗方面，煤仓声波疏通装置工作时产生20～1 200 Hz连续可调声波及150 dB高声压级，声波能量场可穿透8 m厚煤层，覆盖直径12 m煤仓全断面。与现场原有的空气炮对比，煤仓声波疏通装置在单次清堵效率、能量利用率、穿透深度等指标上均优于空气炮，日均运行次数远低于空气炮，清堵效率与能耗对比见表1。

表1 清堵效率与能耗对比

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（2）在智能化方面，煤仓声波疏通装置内置8组工艺参数模板，根据煤仓物料特性匹配疏通频率，支持定时启动、多周期循环等智能管理模式，可根据生产计划自主设定作业时段与频次。故障自诊断功能实时检测设备运行状态，并通过人机界面生成简明故障代码，降低运维复杂度。全流程自动化操作减少人工干预，实现设备智能闭环控制。

（3）在经济效益方面，煤仓声波疏通装置通过智能化频率匹配与高效能量传导技术，提升清堵效率，减少能源消耗，降低设备维护频率与人工干预成本。模块化设计进一步优化了全生命周期成本，缩短设备投资回报周期，为企业创造可持续的降本增效空间。

（4）在社会效益层面，煤仓声波疏通装置以全自动化运行替代高危人工作业，从根本上消除人工敲击、爆破等操作的安全隐患，降低作业事故风险。

从现场的应用效果来看，变频声波技术的清堵装置存在3方面局限，包括对高黏性煤泥（含水率>25%）作用深度不足、极端低温（-50 ℃）下声波传导效率低、异形仓体声场分布均匀性偏差大，基于上述问题提出3个攻关方向。

（1）煤泥穿透力强化研究：开发声波与其他技术（如微波、机械振动）协同方案，增强对含水率>25%煤泥的作用深度。

（2）低温适应性优化：改进材料与加热系统，确保-50 ℃工况下声波传导效率不衰减。

（3）异形仓体适配性：研究自适应声场调控算法，提升非规则仓体的声波覆盖均匀性。

结语

基于变频声波技术的清堵装置解决了煤仓堵塞治理难题。通过声波调制器实现20～1 200 Hz连续调频，结合多级切片声波发生技术、声能导管驻波放大技术、声波频率自适应模型，实现煤仓声波疏通装置98%的清堵效率。下一步的研究将优先解决实际工程中的瓶颈问题，通过现场试验验证技术改进效果，推动装置在更复杂场景中的应用。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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