綜采面無線聯(lián)動負壓噴霧降塵技術(shù)應用研究

崔貴波

(山西新景礦煤業(yè)有限責任公司,山西 陽泉 045008)

煤礦粉塵是威脅煤礦安全的主要災害之一,易導致塵肺病發(fā)病率上升、作業(yè)環(huán)境惡化、儀器設備失靈、維護困難,嚴重時甚至引發(fā)煤塵爆炸,造成重特大事故,具有嚴重的致病性和危險性[1]。綜合機械化開采是煤炭工業(yè)的發(fā)展方向,是實現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化和高產(chǎn)高效的重要標志,是提高煤炭回采率和安全可靠性的必要手段。同時,現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需求和技術(shù)升級使煤礦產(chǎn)能日益擴大,作業(yè)強度越來越高,掘進和回采速度大幅提升,隨之到來的結(jié)果之一就是井下各作業(yè)地點的粉塵質(zhì)量濃度變得更高,某些地方甚至會超過1 000 mg/m3[2-3]。

為有效應對礦井粉塵帶來的威脅,目前普遍采用的主動降塵措施以水噴霧為主,包括各采掘機械的內(nèi)外噴霧、轉(zhuǎn)載和破碎處的噴霧，以及為提升霧化降塵效果而采用的中高壓噴霧或氣水噴霧等;還有以水為基礎同時輔以其他設備或措施的降塵方法,如添加濕潤劑等活性劑成分、利用磁化裝置形成磁化水噴霧、添加發(fā)泡劑等形成泡沫降塵等的物理化學方法。同時可以采用通風除塵、凈化水幕、除塵風機、附壁風筒等改善產(chǎn)塵作業(yè)空間風流場的措施進行封堵或吸入粉塵。但這些方法都存在一定的不足,主要反映在對井下惡劣環(huán)境的適應性差、降塵成本高、耗水量大、影響煤質(zhì)、易對環(huán)境造成二次污染，對采掘機械的移動采掘作業(yè)造成的產(chǎn)塵點移動的適應性差，不能伴隨降塵等方面。在實際應用中,噴頭被水中雜質(zhì)或油污堵塞，被煤巖碎塊砸損等現(xiàn)象尤為普遍,井下作業(yè)人員主要靠個人防護(口罩)減輕粉塵對身體的危害。因此,綜采面作業(yè)空間迫切需要研發(fā)高效、簡便、成本低廉的降塵技術(shù)。近兩年智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及也為進一步改善井下粉塵治理提供了技術(shù)支持。在此對綜采面無線聯(lián)動負壓噴霧降塵技術(shù)在解決新景礦15030綜放工作面高濃度粉塵方面的應用進行了研究。

1 負壓噴霧降塵原理

為解決普通水噴霧對水的壓力要求高、用水量大且降塵效果不理想的問題,特采用負壓誘導式氣水兩相噴霧,簡稱負壓噴霧。其原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負壓噴霧原理和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Negative pressure spray mechanism and structure

當液體在高壓空氣驅(qū)動下形成霧狀射流向外噴出時,若水霧的直徑大于噴嘴噴管的直徑,便會由于水霧的活塞效應在噴嘴內(nèi)側(cè)形成一個低壓區(qū)域。在由此帶來的內(nèi)外壓差的作用下,外界的含塵空氣便進入到噴射裝置內(nèi)部,繼而隨著噴霧射流噴出,由此循環(huán)并在噴嘴周圍形成負壓渦流區(qū)。負壓區(qū)的含塵空氣在壓差的作用下進入到噴霧場內(nèi),使粉塵顆粒得到循環(huán)凈化。在此過程中,含塵氣流中的粉塵顆粒與水霧碰撞結(jié)合的效果更強,沉降更快。

根據(jù)此原理設計的負壓誘導式氣水兩相噴霧,利用井下現(xiàn)有的靜壓水及壓縮空氣管路,將擁有一定壓力的壓縮空氣與水按設計管路混合后形成大量高速氣霧射流同時向指定范圍噴出,并在周圍形成以噴霧總成為圓心,直徑約1 m的負壓區(qū),將受到污染的含塵氣流隨負壓渦流吸引到噴射氣霧區(qū),將引流過來的含塵氣流中的粉塵顆粒捕捉濕潤,使其沉降[4-5]。同時根據(jù)作業(yè)流程,通過實時監(jiān)測跟蹤采煤機,并利用智能算法和無線傳輸進行系統(tǒng)控制[6],迫使采煤機前后兩個滾筒附近始終處于負壓區(qū),將滾筒附近產(chǎn)生的粉塵有效濕潤并就地沉降。

2 系統(tǒng)設備組成與工作面布置

無線聯(lián)動負壓噴霧降塵系統(tǒng),由一體化式主機、采煤機定位用無線發(fā)射器、遙控發(fā)送器、精密過濾器、高壓球型截止閥、負壓誘導噴霧組件以及必要的供氣和供水管路等部件組成。

供氣供水管路的連接與布置主要包括供氣供水主管道和分支管道,由工作面壓縮空氣和靜壓水管路分別供水。管路布置和連接如圖2所示。

圖2 供氣供水管路連接與布置示意圖Fig.2 Connection and arrangement of air and water supply pipelines

將定位用無線傳感器安裝在采煤機上,系統(tǒng)運行過程中,當某個控制器感應到定位傳感器時,便會將采煤機位置信息通過無線信號同步發(fā)射給其他支架上的控制器,由控制器按設置模式和參數(shù)打開或關閉相應電動閥門。系統(tǒng)采用全無線設計,所有控制器與控制器之間、控制器與傳感器之間均采用無線連接;控制器采用一體化無線設計,集無線信號控制器、微電腦控制器、紅外信號接收處理器、輸入輸出信號處理器、電池管理系統(tǒng)及電動球閥于一體[7-9],布置方式如圖3所示。

圖3 降塵系統(tǒng)布置方式Fig.3 Dust suppression system

無線聯(lián)動負壓噴霧降塵技術(shù)可實現(xiàn)對采煤機滾筒割煤作業(yè)時所產(chǎn)生粉塵的自動跟蹤噴霧,通過從支架上方自上而下地噴霧水幕,保證采煤機前、后滾筒及下風流始終處于負壓誘導噴霧的控制和捕捉范圍之內(nèi),在塵源處及下風流高濃度粉塵區(qū)形成控塵水幕,可有效控制粉塵的逸散,同時使含塵氣流得到有效凈化。

具體運行過程如下:為保證系統(tǒng)對采煤機實時定位的準確性并能夠進行自動跟蹤噴霧,將一體化主機和負壓誘導噴霧總成安裝于支架上,同時在采煤機中部靠人行道一側(cè)安裝采煤機發(fā)射器。在系統(tǒng)運行過程中,當采煤機運行至某一位置時,主機檢測到采煤機發(fā)射器的無線信號,并將當前采煤機的位置信息通過無線傳輸發(fā)送給所有聯(lián)機的分體主機,之后由各主機按實際設定的程序和參數(shù)自行判斷是否打開內(nèi)置的電動球閥,執(zhí)行噴霧降塵及延時功能;當采煤機繼續(xù)作業(yè),移動到下一位置并被另一個主機檢測到時,則執(zhí)行新一輪主機的功能并進行重新判定;同時,若采煤機較長時間停留在同一位置作業(yè),則執(zhí)行持續(xù)噴霧,從而真正實現(xiàn)對采煤機前、后滾筒及下風流高濃度粉塵的定點跟蹤噴霧。

3 技術(shù)應用效果

該系統(tǒng)使用前應仔細檢查系統(tǒng)設置和顯示情況及配接管線安裝情況,確保安裝無誤。使用中尤其在降柱、移架等各工序銜接過程中應特別注意防止管路拉斷或接頭脫落,同時定期清洗過濾器和噴嘴。系統(tǒng)通電且顯示正常后,設定參數(shù)并進行下一步調(diào)試。開啟安裝在采煤機上的發(fā)射器電源,采煤機運行進行采煤作業(yè),此時一體化主機應能夠接收到信號,相應噴霧系統(tǒng)能夠打開噴霧，表明系統(tǒng)能正常運行。對照主機設定的參數(shù),觀察上、下側(cè)電動球閥打開的數(shù)量及間隔、噴霧的噴射距離和范圍是否能達到預定降塵效果。若不能滿足要求,必須重新調(diào)整安裝位置或角度以及參數(shù)等,直至達到防塵要求。在系統(tǒng)穩(wěn)定有效運行后,分別在不同時間進行了15030工作面粉塵測定,結(jié)果如表1所示。

為保證檢測結(jié)果最大程度上反映現(xiàn)場的粉塵情況,共分5次不同日期去采煤作業(yè)地點測量,時間間隔3～4 d。在作業(yè)地點按要求布置5個測點,同時采樣測定粉塵質(zhì)量濃度。為減小誤差,在同一測點分別在檢測系統(tǒng)停止和開啟狀態(tài)時檢測粉塵質(zhì)量濃度。由表1可知,在系統(tǒng)停止時,采煤機司機操作地點全塵5次平均值為595.8 mg/m3,最高時為608 mg/m3；呼吸性粉塵質(zhì)量濃度5次平均值為279.6 mg/m3,最高值為289 mg/m3,遠超過國家規(guī)定的標準。系統(tǒng)開啟后,采煤機司機操作地點全塵5次平均值為93.2 mg/m3,最高值為98 mg/m3；呼吸性粉塵質(zhì)量濃度5次平均值為40 mg/m3,最高時為42 mg/m3,雖然仍高于國家規(guī)定的10 mg/m3,但相比于系統(tǒng)開啟之前,全塵平均降塵效率可達85%,呼吸性粉塵降塵效率超過86%,多處區(qū)域降塵率接近90%,顯著改善了該作業(yè)區(qū)域的工作環(huán)境。

同時還發(fā)現(xiàn),按5次平均值進行比較,在5個測點中,粉塵質(zhì)量濃度最高的并不是在采煤機司機處,而且全塵最大質(zhì)量濃度和呼吸性粉塵最大質(zhì)量濃度并不在同一測點處。系統(tǒng)未開啟時，全塵最大質(zhì)量濃度在機組下風側(cè)5 m處,該處5次平均值為611.8 mg/m3,最高時為621 mg/m3；呼吸性粉塵最大質(zhì)量濃度處為機組下風側(cè)10 m處,該處5次平均值為284.8 mg/m3,最高時為293 mg/m3。由此可知,在綜采面采煤作業(yè)時,粉塵主要由截齒處割煤以及煤塊掉落時產(chǎn)生并會隨風流擴散,高濃度含塵氣流主要向機組下風側(cè)逸散并逐漸沉降。這些粉塵中,呼吸性粉塵占比約為47%,呼吸性粉塵顆粒小、隨風流逸散快、沉降慢,因此全塵與呼吸性粉塵最高值不在同一測點。

表1 15030工作面粉塵質(zhì)量濃度測定結(jié)果Table 1 Dust mass concentration measurement results in 15030 working face

在使用該系統(tǒng)前,工作面主要靠常規(guī)液壓支架噴霧治理粉塵。按以往統(tǒng)計,降塵效率在50%～60%左右,效果很不理想。無線聯(lián)動負壓噴霧降塵系統(tǒng)可以提高20%～30%的降塵效率,極大地改善了井下作業(yè)環(huán)境,保障了作業(yè)人員的安全和健康。但受限于目前的技術(shù)水平和開采工藝,處理后的粉塵質(zhì)量濃度依然超過國家要求,因此作業(yè)時仍必須嚴格佩戴個人防護設備。

4 結(jié)論

1)以15030綜放工作面采煤作業(yè)時采煤機司機操作地點為基準,在降塵系統(tǒng)停止時,全塵平均值為595.8 mg/m3,最高值為608 mg/m3,呼吸性粉塵質(zhì)量濃度平均值為279.6 mg/m3,最高值為289 mg/m3;降塵系統(tǒng)開啟后,全塵平均值為93.2 mg/m3,最高值為98 mg/m3,呼吸性粉塵質(zhì)量濃度平均值為40 mg/m3,最高值為42 mg/m3。與系統(tǒng)開啟之前相比全塵平均降塵率可達85%,呼吸性粉塵降塵率超過86%,多處區(qū)域降塵率接近90%。

2)綜合機械化采煤方式普及率越來越高,而各礦面臨的綜采面粉塵治理問題與新景礦15030工作面的情況基本相同。經(jīng)驗證,無線聯(lián)動負壓噴霧降塵技術(shù)具有降塵率高、環(huán)境限制條件少和操作簡便的優(yōu)點,同時使用成本較低,使其可廣泛應用到各綜采工作面。

3)無線聯(lián)動負壓噴霧降塵系統(tǒng)仍需要在提高降塵率以及自動化、智能化水平等方面開展研究,未來研究中可考慮一些成本較低的活性劑,提高霧滴濕潤和捕捉粉塵的能力。