馬脊梁礦回風巷道云噴霧降塵系統設計

張艷軍，王秋冬，葉家根

（1.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同 037003；2.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同 037003）

粉塵治理是世界性難題[1-3]。粉塵濃度過高會導致工作空間內能見度降低，嚴重降低工作效率[4-8]。密閉空間粉濃度過高容易引起爆炸，對煤礦安全生產和井下工人的生命安全構成嚴重威脅。有效控制粉塵、改善井下工作環境，是煤礦安全生產的重要環節[9-14]。

許多學者對噴霧降塵做了大量的研究，井巷粉塵濃度基本得到控制。例如：Ren[15]等在采煤機搖臂處安裝降塵設備，測試實驗的降塵效果明顯；趙曉亮[16]將高壓注水和噴霧配合應用，降塵效果顯著；雷慶海[17]將高壓噴霧裝置和負壓降塵裝置結合起來，提出了一種綜合降塵系統，降塵效果得到了有效的提升；閆克楠[18]采用了牽引式噴霧降塵，效率顯著提高，用水量相對減少；陳鳳嬌[19]對采煤機的負壓二次降塵裝置的參數和結構進行了優化，提出一種新的采煤機噴霧降塵系統，降塵效果提升了50%；郭增樂[20]等搭建實驗平臺對旋流芯式噴嘴進行實驗，降塵效果得到提升。由于目前井下降塵設備性能單一不穩定，自動化程度低，適應性差，故達不到智慧礦山建設的要求。為此，以快速、智能、綠色為理念設計一種云噴霧降塵方案，可以滿足智慧礦山建設的要求。

1 降塵技術概述

降塵總體思路大致分為三種：①從源頭減少粉塵的擴散。比如煤層注水，原理是給煤層打孔并利用水壓使煤層濕潤使其產塵減弱，同時使煤層的塑性性能增強，降低煤塵的擴散；缺點是隨著工作面采掘深度的增大，對煤層注水質量提高了要求，斜孔的施工難度難以達到設計要求，導致煤層注水降塵效果不理想。②采用通風設備去除已有的粉塵。比如通風降塵，原理是采用通風的方法將產生的粉塵濃度降低并將粉塵通過風流排出；缺點是對風流速度、方向以及風量提出了較高的要求，而且短期內除塵效果不明顯。③采用物理的方法加快大氣中粉塵的沉降速度。比如泡沫除塵，原理是在水里參雜表面活性劑，充分反應后，通過發泡機產生泡沫，泡沫粘附粉塵，加速粉塵的沉降；缺點是實際操作過程較為復雜，降塵的成本較高。再如噴霧降塵，原理是通過特定噴嘴將純水或者添加表面活性劑的水轉換為霧氣，與粉塵結合，達到攔截捕塵的目的，加快沉降速度；優點是操作簡單可行，降塵成本相對較低，短期降塵效果相對明顯。

在綜合成本、操作、降塵效果等多方面因素，結合智慧礦山建設的要求，采用云噴霧方法開展降塵研究較為可行。

2 云噴霧降塵系統工作原理

云噴霧降塵是將噴霧設備與智能控制相結合進行降塵。云噴霧降塵方案如圖1，系統包括控制箱、控制線、供水泵、供水管、過濾系統、冷霧機組、信號線、高壓管道、粉塵感應器以及噴頭等部分，地面工作人員可通過安裝在巷道兩幫的粉塵傳感器實時監測井下某工作面巷道內的粉塵濃度。工作時，可預設一粉塵濃度閾值，當達到閾值時，傳感器將信號通過A/D 電路轉換輸出給控制柜，控制柜發出控制命令，啟動供水泵通過高壓供水管向噴霧裝置供水，噴霧裝置開始降塵；當低于某一閾值時，工作人員可停止云噴霧系統運行。為了防止長時間運行時水中的雜質堵塞噴嘴，設計時加入過濾系統，過濾完的井下水進入到冷霧機組對水進行加壓，通過合適的高壓霧化，實現噴霧降塵的目的。

圖1 智能噴霧降塵裝置示意圖

3 智能噴霧裝置控制系統仿真與分析

3.1 控制系統硬件總體框圖

智能噴霧降塵系統是以AT89C51 單片機為控制系統核心，由粉塵傳感器模塊、單片機模塊、顯示器模塊、噴霧降塵模塊等組成，總體框圖如圖2。粉塵濃度傳感器通過單片機發送的信號，輸出降塵信號，同時驅動供水泵信號，可以24 小時全天候對巷道內粉塵濃度進行監測，達到噴霧裝置的完全智能化控制的目的。

圖2 控制系統總框圖

3.2 控制系統仿真設計

Proteus 是一款用于單片機開發的仿真軟件，元器件種類多，仿真效果好。智能噴霧降塵系統的控制系統用Proteus 軟件進行仿真，由粉塵濃度傳感器模塊、AT89C51 單片機模塊、噴霧泵模塊、A/D 轉換器模塊、報警器模塊以及控制電路模塊組成，原理如圖3。粉塵濃度傳感器檢測的數值信號通過A/D 轉換器，由和單片機連接的LED 燈顯示出來。當單片機反饋的數據值超出預設的數據值時，報警器發出報警信號，傳遞給單片機，控制噴霧泵開始噴霧降塵；當粉塵濃度傳感器監測到粉塵濃度低于單片機預設值時，單片機控制噴霧泵停止工作。

3.3 仿真結果與分析

實驗室用Proteus 軟件對噴霧裝置的控制系統進行仿真。預先給單片機設定100 mg/m3，運行系統，此時粉塵濃度傳感器開始監測，單片機顯示器上的數值慢慢增加；當顯示器上數值為100 mg/m3時，報警器開始發出報警響聲，單片機發出控制信號，噴霧泵開始運行。結果說明，控制效果較好，即通過單片機將粉塵濃度傳感器和噴霧裝置智能關聯，可以實現噴霧裝置的智能化控制，驗證了方案的可行性。

4 結論

目前煤礦機掘巷道基本都配備了降塵設備或裝置，但粉塵治理的智能化程度和降塵效率不高。在綜合分析各種降塵技術的基礎上，優化設計了一套井下云噴霧降塵方案，可以實現噴霧降塵的自動化控制，提高了降塵效率，降低了巷道粉塵對機掘工作巷道環境和井下工人健康的損害。