風筒圈自動噴霧除塵系統在巷道掘進中應用

楊 光

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600）

局部通風機是巷道掘進中重要通風設施，巷道在掘進期間利用局部通風機及柔性風筒對工作面進行供風，同時利用壓入的風流排出工作面瓦斯、一氧化碳等有害氣體。掘進巷道風筒出風口距工作面迎頭一般在5～10 m 范圍內，從而導致工作面在風筒出風口高速風流作用下產生高濃度揚塵，而傳統噴霧裝置距工作面迎頭較遠，無法對工作面粉塵進行降塵處理，不僅不利于施工人員身心健康，而且降低工作面能見度，很容易出現安全事故。所以在正常通風情況下，根據巷道風量、粉塵濃度大小自動噴霧降塵，對進一步提高巷道通風除塵自動化水平，降低巷道粉塵濃度具有重要意義[1-5]。本文以五里堠煤礦1101 運輸順槽掘進為例，研究提出了風筒圈自動噴霧除塵系統，并在掘進巷道進行實踐應用。

1 概述

五里堠煤礦1101 運輸順槽位于上組煤膠帶下山北部，巷道東部為1101 工作面，南部為上組煤集中大巷，西部為1102 工作面，北部為井田邊界，巷道南北走向布置。

1101 運輸順槽沿3#煤層底板、以0°方位角掘進施工，設計長度平距1200 m。巷道斷面設計為矩形，掘寬×掘高=4500 mm×2600 mm，掘進斷面為11.7 m2，巷道支護形式設計為錨網、鋼筋托梁、錨索支護。

1101 巷采用綜合機械化掘進工藝，掘進期間在巷道開口東部距巷口20 m 處安裝兩臺FBDNO4.5/2*5.5 型局部通風機，并通過Φ0.8 m柔性風筒對工作面進行局部通風。風機功率為55 kW，吸風量為560 m3/min。截至目前巷道已掘進500 m。

2 掘進前期通風除塵現狀及問題分析

2.1 掘進前期通風除塵現狀

（1）噴霧灑水裝置結構。傳統噴霧灑水裝置主要由直徑為20 mm 高壓膠管、高壓噴頭、固定架以及閥門等部分組成。高壓噴頭安裝在固定架上，高壓膠管與固定架及靜壓水管連接。傳統噴霧灑水裝置采用人工開啟方式。

（2）安裝位置。1101 運輸順槽掘進期間回風繞道口，在距工作面10 m 處掘進機上方以及距工作面50 m 處各安裝一套噴霧灑水裝置。

2.2 問題分析

（1）勞動強度大。傳統噴霧灑水裝置采用人工開啟方式，自動化水平相對較低，每班需安排專人對灑水裝置進行開關，隨著巷道延伸，巷道內布置灑水裝置數量多，區域廣，增加了勞動作業強度。

（2）靜壓水損失量大。傳統噴霧灑水裝置單位時間灑水量為4.5 m3/h，1101 運輸巷掘進前期全天噴霧灑水量為68 m3/d，致使巷道內靜壓水損失量大，導致巷道其他機械設備用水不足現象。

（3）自動化水平低。巷道在割煤工序時產生的粉塵濃度最大，其他工序如支護、延皮帶架等工序中粉塵濃度較小。傳統噴霧灑水裝置無法根據巷道內實時粉塵濃度自動控制灑水量，降塵自動化水平低，而且造成巷道內污水積水量大，降低巷道標準化質量。

（4）降塵效果差。工作面產生的揚塵主要由風筒出風口高速風流帶動工作面浮塵造成的，傳統噴霧灑水裝置安裝地點位于揚塵點后，在降塵時僅僅起到防塵水幕的作用，無法實現全斷面水霧降塵效果。

3 風筒圈自動噴霧除塵系統應用分析

為了提高掘進巷道降塵系統自動化水平，實現掘進工作面自動除塵的目的，決定對1101 運輸順槽安裝一套風筒圈自動噴霧除塵系統。

3.1 系統結構

風筒圈自動噴霧除塵系統主要由PLC 控制器、聯鎖開關（80A）、粉塵傳感器、信號處理器、風筒圈噴霧裝置、電控流量閥、高壓噴頭、高壓膠管等部分組成，如圖1 所示。

（1）PLC 控制器是整個系統核心部件，主要用于信號接收、處理以及指令下達等。PLC 控制器主要由內部控制器、顯示器、指示燈、設置按鍵、接線口以及防爆金屬外殼等部分組成，主要安裝在掘進機托纜裝置后方。

（2）風筒圈噴霧裝置主要由三通、金屬鋼圈、噴頭等部分組成，如圖1。金屬鋼圈直徑為0.8 m，鋼圈上均勻布置10 個高壓噴頭。該裝置主要安裝在風筒內部，距風筒出風口距離為5～10 m。

（3）粉塵傳感器分別在工作面、繞道口、巷道內每隔200 m 安裝一臺，傳感器與信號處理器連接。其中繞道口、巷道內傳感器設定保護動作值（粉塵濃度）為30 mg/m3，工作面傳感器設定保護動作值（粉塵濃度）為40 mg/m3。

（4）聯鎖開關分別與PLC 控制器以及電控液閥連接，實現電控液閥停送電動作。電控液閥與靜壓水管連接。

圖1 風筒圈自動噴霧除塵系統結構示意圖

3.2 系統工作原理

巷道掘進過程中工作面粉塵濃度達40 mg/m3時，傳感器及時將數據信號傳送至信號處理器內，通過數據信號處理后及時將電信號傳送至PLC 控制器內，控制器接收信號后對風筒圈噴霧裝置聯鎖開關下達“開啟”指令，聯鎖開關接收指令后及時對電控流量閥供電，風筒圈噴霧裝置根據工作面粉塵濃度適當調節噴霧量，實現自動噴霧灑水降塵。當工作面內粉塵濃度低于15 mg/m3時通過聯鎖保護作用及時斷開電控流量閥電源，裝置停止工作。

3.3 系統優缺點

（1）系統結構簡單。風筒圈自動噴霧除塵系統結構相對簡單，整套設備成本費用為0.85 萬元，成本費用相對較低。通過實際應用來看，該系統故障率低，便于操作維護。

（2）自動化水平高。相比傳統的噴霧灑水裝置，風筒圈自動噴霧除塵系統主要利用粉塵傳感器對工作面粉塵濃度進行監測，采用PLC 控制器進行信號處理以及指令發送，從而實現根據工作面粉塵濃度自動進行噴霧灑水的目的，自動化水平高。

（3）降低了靜壓水損失量。掘進工作面安裝該除塵系統后，解決了傳統噴霧灑水裝置降塵時靜壓水損失量大、巷道污水積水量大等技術難題，提高了巷道作業環境。

（4）降塵效果好。傳統噴霧灑水裝置在高速風流帶動下僅對巷道中上部斷面起到局部降塵效果，而該系統安裝在風筒內，高速風流進入工作面前已進行霧化，從而實現了霧化風流對巷道全斷面降塵的目的，大大提高了巷道降塵效果。

（5）該系統在實際應用中還存在一些問題，主要表現在以下幾方面：① 風筒圈噴霧裝置安裝在工作面迎頭第一節風筒內，隨著巷道延伸需定期人工前移，增加裝置安裝勞動作業強度；② 由于工作面迎頭粉塵濃度傳感器3～5 m 處，在工作面高速風流作用下，很容易造成傳感器監測數據失真現象，所以需定期對傳感器進行校正。

4 結束語

2019 年2 月五里堠煤業有限公司通風隊在1101運輸巷安裝一套風筒圈自動噴霧除塵系統，截至2019 年6 月巷道已掘進到位。通過4 個月實際應用效果來看，安裝該系統后工作面平均粉塵濃度由原來的42 mg/m3降低為11 mg/m3，工作面能見度由原來的不足5 m，提高至40 m，大大降低了工作面粉塵濃度。同時，采用該系統后工作面靜壓水損失量由原來的32 m3/d 降低為8 m3/d，保證了工作面靜壓水量及水壓，取得了良好成效。