綜采工作面自動(dòng)防塵技術(shù)

宋沖

摘 ?要：為了防止煤礦塵爆災(zāi)害的發(fā)生和塵肺職業(yè)病的危害，必須開(kāi)展煤塵防治工作。該文詳細(xì)分析了煤塵的產(chǎn)生及危害，并分3個(gè)防治階段介紹了當(dāng)前煤塵防治的原理和方法。在綜合分析各種降塵方法的研究方向、應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，指出了各自的優(yōu)劣和發(fā)展方向，最后對(duì)當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析和研究，并進(jìn)行了一些有益的探索工作。通過(guò)該文的分析和研究，既有利于煤塵防治工作的展開(kāi)，又有利于對(duì)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的深入研究。

關(guān)鍵詞：綜采;降塵;煤層注水;噴霧降塵;噴霧控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TD714 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近些年來(lái)，全國(guó)重、特大事故頻繁發(fā)生，特別是煤礦企業(yè)的各類(lèi)事故發(fā)生率非常嚴(yán)重，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成巨大損失。根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計(jì)，2000年至今，全國(guó)就發(fā)生煤塵爆炸事故11起，導(dǎo)致446人遇難。在因瓦斯等導(dǎo)致的煤礦爆炸事故中，煤塵也起到了推波助瀾的作用，擴(kuò)大了事故危害。隨著綜采機(jī)械化采煤工藝的普遍應(yīng)用，煤礦井下的產(chǎn)塵量也越來(lái)越大，因此，急需開(kāi)展煤塵防治工作，防患于未然。近年來(lái)，相關(guān)的研究工作在煤塵的防治工作中取得了一定的成效，為實(shí)現(xiàn)煤塵的高效防治打下了一定基礎(chǔ)，但對(duì)煤塵防治的系統(tǒng)研究較為缺乏，相關(guān)的降塵自動(dòng)控制系統(tǒng)和裝備研究更是匱乏，在當(dāng)前加強(qiáng)煤炭高效安全開(kāi)采和職業(yè)病防治以及井下開(kāi)采自動(dòng)化、智能化的要求下，這一問(wèn)題亟待解決。

1 ?煤塵的產(chǎn)生及危害

1.1 煤塵的產(chǎn)生

煤塵從產(chǎn)生來(lái)源上分可以分為原生煤塵和開(kāi)采煤塵。

原生煤塵是指存在于煤層孔隙之間的天然煤塵，是先天存在的，隨著煤炭被開(kāi)采出來(lái)的同時(shí)“逸出”孔隙并擴(kuò)散到開(kāi)采工作面，對(duì)煤炭安全開(kāi)采和工人的身體健康造成危害。

開(kāi)采煤塵是指在煤炭的開(kāi)采和運(yùn)輸、巷道的掘進(jìn)和支護(hù)等作業(yè)過(guò)程中由于煤炭被破碎或磨碎以及相互碰撞產(chǎn)生的煤塵，是后天形成的。但是各個(gè)工作過(guò)程產(chǎn)塵量多少、顆粒分布情況及受哪些因素影響尚無(wú)明確結(jié)論，其研究成果將關(guān)乎開(kāi)采工藝的改進(jìn)、開(kāi)采設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)以及有效的綜合煤塵防治措施的制定。

1.2 煤塵的危害

煤塵防治之所以受到重視，是因?yàn)榇罅棵簤m的產(chǎn)生有很大的危害性，具體表現(xiàn)為3種危害。

1.2.1 引發(fā)爆炸或擴(kuò)大爆炸危害

煤塵本身具有可燃性，粉末狀態(tài)的煤塵總表面積顯著增加，吸附氧的能力大大增強(qiáng)而且更容易被氧化，一旦遇見(jiàn)火源，空氣中氧氣與煤塵急劇地氧化而發(fā)生爆炸。在煤礦爆炸事故中，雖然瓦斯爆炸大概占70%，但是煤塵大多起到了推波助瀾的作用。由于爆炸具有很高的沖擊波速，能將巷道中落塵揚(yáng)起，甚至使煤體破碎形成新的煤塵，從而導(dǎo)致新的爆炸，有時(shí)可如此反復(fù)多次，形成連續(xù)爆炸，因此危害更嚴(yán)重[1]。

1.2.2 降低工作場(chǎng)所的能見(jiàn)度

在采掘工作面，高濃度的煤塵會(huì)使本就光照較低的工作面的能見(jiàn)度更低，從而導(dǎo)致誤操作，增加傷亡事故的概率。同時(shí)，較低的能見(jiàn)度也將影響遠(yuǎn)程可視化開(kāi)采工作面的推廣和使用，阻礙了無(wú)人開(kāi)采工作面的推進(jìn)進(jìn)程。

1.2.3 加速設(shè)備磨損

煤塵粒徑分布范圍之廣使其能夠“無(wú)孔不入”，設(shè)備相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位進(jìn)入煤塵必然會(huì)加速機(jī)械磨損，縮短設(shè)備的使用壽命。煤塵沉積在生產(chǎn)設(shè)備上，還易發(fā)生電路中斷、皮帶打滑等故障。隨著煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度的提高，設(shè)備越來(lái)越多，由此造成的損失也越來(lái)越大。

2 綜采降塵方法

2.1 采前注水

煤層注水[1]防塵是通過(guò)打鉆孔向煤體中注水，提高煤體的含水量和潤(rùn)濕性，從而減少采煤時(shí)粉塵的產(chǎn)生，尤其是可以有效降低原生粉塵的擴(kuò)散。添加表面活性劑可以改善水對(duì)煤的濕潤(rùn)能力，如德國(guó)選用氯化鈣作為注水添加劑，顯著提高了抑制粉塵產(chǎn)生的作用，目前，該技術(shù)在我國(guó)各大煤礦得到普遍應(yīng)用。

2.2 采時(shí)噴霧

通過(guò)一定的手段控制剛產(chǎn)生的煤塵的擴(kuò)散，盡量將煤塵控制在特定的空間和位置內(nèi)，一般采用內(nèi)噴霧、高壓外噴霧和液壓支架架間噴霧等技術(shù)[2]。

2.3 采后集塵

經(jīng)過(guò)以上措施，仍有一些煤塵擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，這時(shí)需要采用相關(guān)的除塵技術(shù)和設(shè)備對(duì)煤塵加以過(guò)濾和排除。

此階段采用的煤塵防治技術(shù)主要有：通風(fēng)除塵、除塵器除塵和個(gè)體防護(hù)等。通風(fēng)除塵是通過(guò)采用合理的通風(fēng)技術(shù)和最佳的排塵風(fēng)速的方法將擴(kuò)散開(kāi)來(lái)的煤塵通過(guò)風(fēng)流帶出巷道。除塵器就是采用各種除塵器進(jìn)行空氣凈化。個(gè)體防護(hù)即是采取帶防護(hù)口罩等方法進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)。

3 綜采降塵技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 煤層注水與采后集塵技術(shù)研究

煤層注水技術(shù)的研究主要集中在長(zhǎng)鉆孔設(shè)備、煤層潤(rùn)濕機(jī)理、粉塵抑制劑研制和粉塵抑制劑混合配比設(shè)備的研究上。近年來(lái)，難溶水煤層因其自身特性決定的易產(chǎn)塵、難潤(rùn)濕的特點(diǎn)使其成為開(kāi)采作業(yè)煤塵綜合防治的難題，針對(duì)難溶水煤層的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究和粉塵抑制劑研制及相關(guān)設(shè)備研發(fā)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

采后集塵主要是除塵風(fēng)機(jī)等集塵設(shè)備的研發(fā)，目前在區(qū)域集塵點(diǎn)除塵應(yīng)用上較為成功，不適合整工作面的除塵，而且其除塵效率有待進(jìn)一步提高。

3.2 智能化噴霧降塵關(guān)鍵技術(shù)研究

噴霧降塵技術(shù)因其不占工時(shí)、覆蓋面廣、降塵效果好，且體積小、易安裝、能夠與綜采設(shè)備配套聯(lián)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用，但在當(dāng)前的應(yīng)用中存在以下不足。1）霧化效率不高，噴嘴經(jīng)常出現(xiàn)磨損和堵塞等問(wèn)題。2）工作面煤塵檢測(cè)設(shè)備缺乏，嚴(yán)重妨礙了煤塵的自動(dòng)治理。3）噴霧降塵自動(dòng)控制技術(shù)和設(shè)備落后，不能滿足快速全面降塵的需求。4）井下環(huán)境復(fù)雜多變，綜采設(shè)備較多，自動(dòng)噴霧降塵系統(tǒng)整體配套亦困難重重。

為了解決以上問(wèn)題并適應(yīng)當(dāng)前快速高效降塵的需求，提出并開(kāi)展了智能化噴霧降塵技術(shù)的研究，并研制了相關(guān)的控制系統(tǒng)，其主要成果如下。

3.2.1 噴嘴霧化參數(shù)數(shù)值模擬研究及優(yōu)化

影響噴嘴霧化性能的參數(shù)有水流入射角度、混流腔體長(zhǎng)徑比、出射直徑和霧化角等，采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行多參數(shù)影響情況分析，進(jìn)而通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)高效霧化噴嘴，提高霧化效率，如圖1所示為采用fluent進(jìn)行數(shù)值模擬的情況。

通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料改進(jìn)已設(shè)計(jì)出了新型霧化噴嘴，具有霧化效果好、防堵塞和易安裝等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 研制了智能化噴霧降塵控制器

采用ARM嵌入式和CAN總線控制技術(shù)進(jìn)行智能化噴霧降塵控制器的開(kāi)發(fā)，試驗(yàn)測(cè)試表明，研發(fā)的控制系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)100個(gè)噴霧點(diǎn)的控制。

另外，該控制系統(tǒng)還具有采煤機(jī)位置檢測(cè)、支架動(dòng)作檢測(cè)和行人檢測(cè)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤、移架和放煤噴霧及行人通過(guò)停止噴霧等智能控制，并且預(yù)留了多個(gè)傳感器接入和開(kāi)關(guān)量控制接口，便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展或定制[2]。

3.2.3 開(kāi)發(fā)了智能化噴霧降塵控制軟件

開(kāi)發(fā)了界面友好的控制軟件，所有控制參數(shù)都可以人工設(shè)定，并能夠根據(jù)采煤方向與風(fēng)流方向是否一致自動(dòng)改變控制模式。另外，還可以根據(jù)需要單獨(dú)定制相應(yīng)功能和控制界面。如圖2所示為控制軟件的部分功能界面。

3.2.4 實(shí)現(xiàn)了與綜采裝備的配套和聯(lián)動(dòng)

控制系統(tǒng)完成了與液壓支架等井下綜采關(guān)鍵設(shè)備的配套技術(shù)研究，并在噴霧點(diǎn)布置安裝、管路設(shè)計(jì)、供電、通信和綜采設(shè)備信號(hào)獲取等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與綜采設(shè)備的配套和聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)和職業(yè)病防治的重視程度增加，煤礦對(duì)綜采降塵裝備的需求會(huì)越來(lái)越大，而且隨著機(jī)械化開(kāi)采程度的不斷提高和自動(dòng)化、智能化裝備的逐步推廣，井下煤塵防治設(shè)備也必然朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展，并與當(dāng)前的井下開(kāi)采裝備實(shí)現(xiàn)配套和聯(lián)動(dòng)。與此同時(shí)，在一些關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究上需要取得進(jìn)一步的突破，如難溶水煤層的煤塵防治、煤塵潤(rùn)濕機(jī)理、噴嘴霧化效能的提升和耐磨材料的研究、井下無(wú)線傳感技術(shù)的研究和相應(yīng)傳感器的研制等。另外，在軟件研究方面，由于信息點(diǎn)多，信息源復(fù)雜，因此基于多信息融合技術(shù)的智能控制系統(tǒng)的研究是未來(lái)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 張旭，楊成立，李曉江.煤塵注水防塵研究[J].工業(yè)技術(shù)，2011（29）：86-87.

[2] 周剛.綜放工作面噴霧降塵理論及工藝技術(shù)研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2009：23-24.