綜采工作面新型設(shè)備降塵技術(shù)研究

趙建成

(西山煤電集團(tuán)公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033600)

·試驗(yàn)研究·

綜采工作面新型設(shè)備降塵技術(shù)研究

趙建成

(西山煤電集團(tuán)公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033600)

通過利用采煤機(jī)割煤和支架移架一套防塵系統(tǒng)全部自動(dòng)噴霧降塵裝置，對(duì)某煤業(yè)有限責(zé)任公司2105綜采面的粉塵濃度進(jìn)行降除，使綜采面粉塵濃度控制在一定范圍內(nèi)。研究結(jié)果表明：目前采用的裝備和防塵技術(shù)已不能適應(yīng)要求，且綜采工作面粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)，危險(xiǎn)較大。對(duì)于實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)割煤和支架移架一套防塵系統(tǒng)全部自動(dòng)噴霧降塵的功能，能夠確保綜采工作面平均降塵率達(dá)到40%～60%左右。研究結(jié)果對(duì)于緩解礦井綜采面危害，保障職工的身體健康和生命安全具有重要意義。

綜采工作面；粉塵治理；紅外線感應(yīng)遙控噴霧系統(tǒng)

隨著煤礦高產(chǎn)高效和采煤機(jī)械化程度的提高，工作面單產(chǎn)大幅度提高。綜采工作面是煤礦井下產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場(chǎng)所，嚴(yán)重威脅著井下職工的身體健康和生命安全。因此，綜采工作面粉塵防治已成為當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)工作和難題之一。

為使綜采面粉塵濃度控制在一定范圍內(nèi)，有必要進(jìn)行粉塵治理方面的研究，主要通過實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)割煤和支架移架一套防塵系統(tǒng)全部自動(dòng)噴霧降塵的功能，使得綜采工作面平均降塵率達(dá)到40%～60%. 本文從采煤機(jī)割煤時(shí)滾筒塵源智能跟蹤系統(tǒng)、支架移架自動(dòng)噴霧系統(tǒng)、采煤機(jī)割煤和支架移架自動(dòng)噴霧合并為一個(gè)系統(tǒng)、高效噴霧降塵系統(tǒng)以及系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 紅外線隨機(jī)感應(yīng)自動(dòng)噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及原理

主機(jī)部分采用MCU微控制芯片，真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化，采用現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)CAN網(wǎng)處理，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)多機(jī)之間的“對(duì)等式”通信，改進(jìn)了以往使用RS232通信的局限，功能設(shè)置采用紅外遙控技術(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)的操作使用提供了極大的方便。

在使用過程中，電路設(shè)計(jì)采用了對(duì)等式單片機(jī)多機(jī)CAN系統(tǒng)通信手段，克服了以往的“主從式”多機(jī)通信的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)可以既為主機(jī)也可為從機(jī)，使綜采工作面采樣信號(hào)能實(shí)時(shí)隨動(dòng)跟蹤控制[1]. 所謂對(duì)等式通信，即單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換直接存在于任意兩點(diǎn)之間，并不經(jīng)第三方，由于 CAN是多主方式工作，因此數(shù)據(jù)可以在任意時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)任意兩點(diǎn)之間發(fā)送，而不分別主從關(guān)系，所以該設(shè)計(jì)是在CAN控制的單片機(jī)通信系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)而成。系統(tǒng)的組成原理圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)的組成原理圖

系統(tǒng)的發(fā)送過程是將采煤機(jī)經(jīng)過其節(jié)點(diǎn)或液壓支架移動(dòng)時(shí)，通過紅外接收傳感器或壓力傳感器接收到的信號(hào)，或?qū)Σ擅汗ぷ髅嬉蟾櫟膰婌F時(shí)間、間隔數(shù)量、噴霧數(shù)量等設(shè)置數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后依照CAN規(guī)范規(guī)定通信格式將數(shù)據(jù)寫入CAN控制裝置的發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)讓另外的節(jié)點(diǎn)接收[2].

硬件電路使用了光電隔離器件，使用本安和非本安二組電源，使系統(tǒng)的抗干擾性能得到有效提高，為了符合煤礦的安全生產(chǎn)要求，應(yīng)將本安和非本安電路隔離，并且電阻和抗干擾脈沖二極管應(yīng)接在CAN輸出總線上，使電路的抗干擾性能進(jìn)一步提高，終端電阻用于通信過程抑制電磁輻射，也用于抗干擾處理和保障通信數(shù)據(jù)的正常傳送[3].

獨(dú)立的CAN控制器，自動(dòng)地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要MCU的控制，不占用MCU的大量資源，為數(shù)據(jù)的及時(shí)性和正確性提供有效的保障。

1.2 紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧系統(tǒng)

PZ-127/380型紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置共計(jì)129架，其中主機(jī)129套安裝在每個(gè)支架四連桿上。接收器安裝在每個(gè)支架的EEP電控箱上[4，5]. 由于該設(shè)備是第一次使用，期間需要經(jīng)過多次調(diào)試處理。電磁閥安裝在主機(jī)箱右側(cè)環(huán)上，每個(gè)支架閥組安裝一個(gè)壓力傳感器，機(jī)組調(diào)高閥組上安裝紅外發(fā)射器。

在采煤作業(yè)時(shí)應(yīng)留有2 min左右時(shí)間使機(jī)組紅外發(fā)射器對(duì)正支架相隔上風(fēng)側(cè)4架及下風(fēng)側(cè)5架進(jìn)行充分噴霧(時(shí)間可控)。機(jī)組每往前行進(jìn)一架，機(jī)組前行的方向則增加一架自動(dòng)噴霧。相鄰3架支架會(huì)在壓力傳感裝置控制支架降架和移架時(shí)自動(dòng)噴霧8 s(液壓調(diào)控，架數(shù)及時(shí)間可調(diào)控)[6，7].

紅外線傳感器采用了特定載波的紅外波信號(hào)，雖然以往的紅外傳感器也是紅外波，但由于發(fā)射和接收的不是特殊載波，普通光波和人體產(chǎn)生紅外波，所以對(duì)接收器的干擾較大，常常會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，本次實(shí)驗(yàn)總結(jié)了以往經(jīng)驗(yàn)，外殼采用澆鋼制造，外形呈80 mm×80 mm方形，堅(jiān)固耐用，安裝靈活方便，所有設(shè)計(jì)過程中避免了以往的缺點(diǎn)，使此次實(shí)驗(yàn)得到進(jìn)一步的完善[8-10].

接收傳感器設(shè)計(jì)原理和電路框，見圖2.

圖2 接收傳感器電路框圖

傳感裝置的接收部分采用IRM38AP 內(nèi)含高速高靈敏度PIN光電二極管及低功耗、高增益前置放大IC，采用塑封內(nèi)屏蔽設(shè)計(jì)，內(nèi)含濾波電路系統(tǒng)，在紅外遙控系統(tǒng)中作為接收器使用，使得性能更加穩(wěn)定[11].

2 2105綜采面粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

2.1 綜采面生產(chǎn)條件

山西某煤業(yè)有限責(zé)任公司，井田面積144 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量18.39億t，3#煤層地質(zhì)儲(chǔ)量9.03億t，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量4.39億t.

該礦井目前開采3#煤層，3#煤層位于山西組下部，煤層厚度4.6～5.7 m，平均5.03 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，大多含1～2層夾矸。綜采工作面采用走向長(zhǎng)壁一次采全高后退式自然垮落綜合機(jī)械化采煤法、全部垮落法管理頂板。該項(xiàng)目工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)為2105工作面。

2105綜采工作面東側(cè)為1103巷，已掘；北側(cè)為1307工作面，正在掘進(jìn)；南側(cè)為1305工作面，未掘進(jìn)及回采。2015工作面可采走向長(zhǎng)度為1 962 m，傾斜長(zhǎng)為219.5 m，面積430 659 m2，煤層厚度3.7～5.4 m，平均4.48 m，煤層傾角1°～8°，平均6°，工業(yè)儲(chǔ)量為2 739 680.29 t，可采儲(chǔ)量為2 547 902.67 t，工作面回采率為93%. 該工作面為3#煤一次采全高，工作面平均采高為4.48 m，工作面沿頂、底板推進(jìn)，循環(huán)進(jìn)度0.865 m. 根據(jù)規(guī)程回采工作面風(fēng)量計(jì)算，遵循以風(fēng)定產(chǎn)原則。采用四-六制作業(yè)(1個(gè)檢修班，3個(gè)生產(chǎn)班)，確定循環(huán)方式為日進(jìn)4個(gè)循環(huán)。

工作面采用五巷布置，采用三進(jìn)二回通風(fēng)方式，其中21053巷為進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)料巷，21055巷為進(jìn)風(fēng)、運(yùn)料巷，21051巷為進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤巷，21052巷、21054巷為回風(fēng)巷。

2.2 粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

試驗(yàn)分4次使用紅外線感應(yīng)遙控噴霧系統(tǒng)對(duì)2105綜采面進(jìn)行測(cè)塵。首先對(duì)比紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧系統(tǒng)開啟前后可知，開啟前測(cè)定的工作面全塵平均濃度為235.98 mg/m3，呼吸塵平均濃度為54.23 mg/m3，啟用后，工作面全塵濃度分別為133.93 mg/m3、130.32 mg/m3、130.55 mg/m3、132.54 mg/m3，有了明顯下降；呼吸塵濃度分別為22.65mg/m3、24.02 mg/m3、23.18 mg/m3、28.08 mg/m3，下降也很明顯；降塵效果明顯，降塵率在40%～60%.

第一次使用紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置前后全塵濃度測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表1. 第一次測(cè)塵濃度對(duì)比見圖3.

表1 第一次使用前后全塵濃度測(cè)定對(duì)比表

圖3 第一次測(cè)試粉塵濃度對(duì)比圖

第二次使用紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置前后全塵濃度測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表2. 第二次測(cè)塵濃度對(duì)比見圖4.

表2 第二次使用前后全塵濃度測(cè)定對(duì)比表

圖4 第二次測(cè)試粉塵濃度對(duì)比圖

第三次使用紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置前后全塵濃度測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表3. 第三次測(cè)塵濃度對(duì)比見圖5.

表3 第三次使用前后全塵濃度測(cè)定對(duì)比表

圖5 第三次測(cè)試粉塵濃度對(duì)比圖

第四次使用紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置前后全塵濃度測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表4. 第四次測(cè)塵濃度對(duì)比見圖6.

圖6 第四次測(cè)試粉塵濃度對(duì)比圖

從以上數(shù)據(jù)可以看出，無論紅外線感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置啟動(dòng)前后，粉塵濃度在機(jī)組后向轉(zhuǎn)載點(diǎn)處逐漸降低，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)向回風(fēng)流及工作面濃度開始逐漸增大，這是由于在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處產(chǎn)塵最少，所以轉(zhuǎn)載點(diǎn)處濃度最低。

表4 第四次使用前后全塵濃度測(cè)定對(duì)比表

通過使用ZPZ-127/380型紅外線隨機(jī)感應(yīng)自動(dòng)噴霧裝置，綜采工作面的全塵濃度和呼塵濃度都有明顯的降低，平均降塵在50%左右，有效控制了粉塵濃度。沿著風(fēng)流方向，粉塵不斷向風(fēng)流方向和采空區(qū)擴(kuò)散，司機(jī)處粉塵濃度可達(dá)到200 mg/m3，在啟動(dòng)裝置之后，粉塵濃度逐漸下降趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

通過利用采煤機(jī)割煤和支架移架一套防塵系統(tǒng)全部自動(dòng)噴霧降塵裝置對(duì)2105綜采面粉塵濃度進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1) 綜采面80%以上的煤塵是在采煤機(jī)采煤過程中產(chǎn)生的。影響粉塵的危害因素很多，如：粒徑、黏附性、爆炸性等，而風(fēng)流是控制粉塵運(yùn)動(dòng)及分布的關(guān)鍵因素，通過對(duì)粉塵捕集理論進(jìn)行闡述，分析了ZPZ-127/380型紅外線隨機(jī)感應(yīng)自動(dòng)噴霧對(duì)降塵的影響。最后對(duì)噴霧機(jī)理進(jìn)行介紹，得出此套試驗(yàn)方法在該礦比較適用。

2) 通過此次試驗(yàn)，可證明ZPZ-127/380型紅外線隨機(jī)感應(yīng)自動(dòng)噴霧項(xiàng)目技術(shù)降塵效果明顯，采煤機(jī)司機(jī)處粉塵濃度可降至200 mg/m3以下，工作面回風(fēng)巷粉塵濃度可降至50 mg/m3以下，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)，取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 王鵬飛，馮 濤，劉榮華.綜采工作面空氣幕隔塵理論研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2010,5(7)：156-161.

[2] 李先春，謝安國(guó).爐內(nèi)噴鈣脫硫過程中爐膛溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,12(2)：1312-1316.

[3] 于 潔.供熱管網(wǎng)循環(huán)水泵的曲線擬合[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002,6(6)：123-127.

[4] 王柏君.高壓變頻器在高爐除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用[J].包鋼科技,2011,6(3)：53-58.

[5] 王 楠.東榮二礦綜采工作面高壓噴霧降塵技術(shù)的應(yīng)用[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2001,4(4)141-145.

[6] 張晶晶.東榮二礦綜掘面粉塵運(yùn)移規(guī)律及高壓噴霧降塵技術(shù)研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012,3(3)136-140.

[7] 李 剛.高效水霧降塵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用[D].湖南科技大學(xué),2009,7(3)：121-126.

[8] 李建忠.綜采工作面PC機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究[D].太原理工大學(xué),2003,9(4)：453-459.

[9] 武通海.高效噴霧降塵技術(shù)在掘進(jìn)工作面的應(yīng)用研究[D].太原理工大學(xué),2002,16(6)：361-365.

[10] 劉亞力.綜掘工作面高壓噴霧降塵技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué),2010,5(3)：138-143.

[11] 趙 悅.綜采工作面環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009,9(11)：152-156.

Study on Dust Removal Technology with New Equipment in Fully Mechanized Face

ZHAO Jiancheng

The previous equipment and dust control technology can not meet the requirements in No.2105 fully mechanized mining face in a coal mine, dust concentration seriously exceeded, put the work face under great risk. With the application of a set of dust removal system which consists of automatic spray to reduce the dust, the average dust reduction reached 40% to 60%. The results of the study are of great significance in alleviating the hazards in work face and in guaranteeing workers' health and safety.

Fully mechanized coal mining face; Dust control; Ultra-red sensor remote spray system

2016-12-23

趙建成(1987—)，男，山西大同人，2012年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，主要從事煤礦井下通風(fēng)管理工作 (E-mail)501824341@qq.com

TD714+.4

B

1672-0652(2017)01-0046-04