煤礦自動化智能噴霧降塵系統研究與應用

盧劍波

（同煤集團地煤公司東周窯煤礦，山西 大同 037003）

礦井生產過程中礦體剝離、物料運輸等環節會產生大量不同粒徑的粉塵，造成空氣污染和水污染，同時引起井下作業人員的呼吸性疾病?，F代化大型礦井采用綜放開采方式，長距離運輸原煤，各進回風巷道風量大，風速高，導致礦井內產塵量大，粉塵濃度高。傳統的水幕噴淋等方式降塵效率低，維護工作量大，可靠性能差。

礦井安全監控系統進行煤礦粉塵濃度監控和超限治理，同時建立智能化噴霧降塵系統，既能實時監控礦井中各主要產塵區域的粉塵濃度，又能根據需要自動開啟噴霧裝置，這樣的防塵體系對井下粉塵治理工作具有重要的意義。

1 東周窯煤礦防塵現狀

東周窯煤礦各主采工作面均采用綜合放頂煤的開采方式，礦井整體配風量較大，為滿足供風量要求，各進風、回風巷道中風速也較高。礦井運輸量大，運輸線路長，使用無軌膠輪車配合長距離皮帶運煤系統完成井下物料運輸，以往礦井使用水幕機械針對主要煤塵超限點進行防塵處理，但是，實際防塵措施效果不理想，濃度經常超限。根據測塵儀測試結果顯示主要產塵地點有綜放工作面、掘進工作面、皮帶運輸巷、輔助運輸聯巷等。根據分析，各個綜采、掘進工作面的回風巷、運輸大巷與各工作面連接的落煤點以及輔助運輸聯巷為煤塵的主要防治區域。

2 煤礦智能噴霧系統研究

2.1 系統組成形式

井下智能噴霧系統通過數據傳輸將粉塵濃度傳感器、自動噴霧降塵裝置和系統監測分站與KJ76安全監控系統的主機鏈接。構成的整體噴霧系統如下：（1）ZP127礦用氣水混合自動噴霧降塵裝置；（2）KJ370F隔爆兼本安型分站；（3）地面調度微機控制系統。系統通過粉塵濃度傳感器實時監控各工作面和井巷的重點防塵區域內的粉塵含量，同時反饋和存儲到智能控制系統的主機。各防塵區域內的粉塵濃度報警器報警和噴霧裝置開啟上限設定為30mg/m3，到粉塵傳感器達到安全限值10mg/m3時自動關閉噴霧裝置。同時皮帶運輸巷上部通過無線觸控傳感器感應皮帶上是否運輸原煤，觸發對應的噴霧降塵裝置。系統主要組成結構示意圖如圖1所示。

圖1 智能噴霧降塵系統組成結構示意圖

2.2 系統工作特點

傳統防塵措施只是單純在煤塵重點區域設置局部噴淋裝置，噴淋裝置降塵效率低，同時長時間開啟造成水資源浪費，本次方案相較于傳統系統更具有針對性，呈系統化布置。將布置于井巷各處的粉塵濃度傳感器并入礦井安全監控系統實現長期和實時監控，根據監控數據劃分礦塵防治區域，同時利用濃度傳感器自動開啟水路電動球閥和噴霧裝置。降塵設備具有節能、高效、自主、智能等特點。

（1）相對于傳統水幕噴淋裝置，噴霧裝置使水分形成微小的霧化顆粒并且長時間懸浮于空氣中。其作用機理為利用壓縮空氣對靜壓水加壓，自霧化噴嘴中噴出形成類似汽化狀態的霧化顆粒。霧化水氣能提高與空氣中粉塵結合率并沉降至地面，霧化水氣會伴隨井巷的空氣流動，提高井巷內降塵效率，同時避免井巷內積水和水資源的浪費。

（2）智能噴霧裝置通過粉塵濃度傳感器、無線觸控傳感器控制，隨運輸皮帶工作開始噴淋，或粉塵超限后開始工作，及時控制粉塵濃度，降低維護和人工成本，節約井下用水。

（3）考慮到噴霧工作對井下人員和運輸設備的影響，系統通過光控傳感器感應設備和人員，在車輛和人員進入水幕10～20m范圍內自動關閉噴霧裝置，避免水霧濺濕人員和車輛。

（4）井下各粉塵傳感器、監測分站將被監測地點的粉塵濃度和噴霧裝置運行工況通過數據環網及時反饋到地面控制系統，地面監測系統一方面監測井下粉塵濃度和設施工況，另一方面可以控制井下各噴霧裝置開啟和關閉。

（5）智能噴霧系統可以根據井下工作地點粉塵產生的規律采取不同工作類型如周期噴霧、定點噴霧、監測噴霧等，適應能力強，操控靈活。

2.3 智能噴霧系統自動控制機理

KJ76礦井安全監測系統通過數據線路與井下監測分站實現相互鏈接，監測分站相連接的監測傳感器實時采集數據，監控各綜放工作面、掘進工作面、落煤點、運輸巷等超限部位，及時反饋到監測主機，由主機系統記錄并存儲粉塵濃度數據。同時根據監測分站采集的粉塵濃度報警狀態調節粉塵超限自動噴霧裝置，及時調控降塵裝置自動開啟。根據《煤礦安全規程》中的相關規定并結合礦井現狀將同忻礦自動噴霧裝置的報警限制設定為30mg/m3，即當井下某處的粉塵濃度監控傳感器監測到的粉塵濃度達到30mg/m3時，粉塵濃度超限報警系統啟動超限報警提示。同時系統主機控制自動噴霧裝置打開噴霧裝置水路的電動球閥，噴霧裝置開始工作狀態。井下粉塵濃度下限值設定為10mg/m3，即粉塵傳感器監測數據達到下限值時自動噴霧裝置將自動關閉，停止噴霧作業。自動噴霧降塵系統通過粉塵濃度傳感器控制噴霧設備開關工作，設備可靠，操控靈活，并且可以通過調控氣水比調整霧化粒徑提高降塵效果，大大提高降塵效率，降塵效果高于機械噴淋的效率30%以上，并且通過智能化開啟和關閉噴霧，減少無效噴霧，大大減少水、電等資源的浪費，節約人工和經濟成本。

3 智能噴霧系統效果分析

3.1 霧化粒徑效果分析

噴霧降塵系統所霧化霧氣粒徑范圍會影響系統降塵效果。在安裝完成噴霧降塵系統后對不同水汽比條件下霧粒粒徑范圍，以及所有狀態下降塵效率進行相應測試，通過調節自動噴霧裝置霧化噴嘴，測試在1MPa水壓及不同氣水比條件下的霧化粒徑分布范圍。同時在所測試的風硐窗口布置測塵儀，監測環境內粉塵濃度，確定噴霧降塵系統的實際降塵效率，不同氣水比的粒徑范圍和降塵效率如表1所示。

表1 不同粒徑范圍霧化顆粒降塵效率

從表中數據所示智能噴霧系統測試環境內氣水比高1.2時霧化顆粒粒徑范圍在20～75μm，同時降塵效率達到41%。并且氣水比越大霧化粒徑越小，同時也越接近粉塵顆粒的中位粒徑，提高霧化水汽與粉塵結合率，降低環境中粉塵含量。

3.2 現場噴霧效果測試

智能噴霧除塵系統實際應用階段通過在水幕前后設置粉塵采集器監測工作面內實際降塵效果，表2所示為粉塵采樣器所采集連續三個月的粉塵濃度及降塵效率。

表2 降塵效果測試結果表

從表2中抽測的三個采樣數據可知，通過智能噴霧系統對井下作業空間進行水霧噴淋能有效起到降塵效果。

3.3 系統優點

（1）礦井自動化智能噴霧降塵系統能實現實時監控井下各粉塵超限點的粉塵濃度；

（2）系統主機會自動采集和存儲數據，噴霧裝置根據粉塵濃度傳感器數據自動控制噴霧，同時根據作業需要也可進行地面控制、周期噴淋；

（3）水混合的霧化效果一方面節水，另一方面提高與粉塵結合率，噴霧裝置根據人性化設計避開行人和車輛路徑。

4 總結

本文對煤礦噴霧降塵系統進行了分析，介紹了其主要組成結構與工作特點，并根據連續跟蹤，證實系統確實能夠對礦井重點粉塵超限區域起到有效的監控和治理，運行效果良好。