綜采面無線聯(lián)動負(fù)壓噴霧降塵技術(shù)應(yīng)用研究

崔貴波

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045008)

煤礦粉塵是威脅煤礦安全的主要災(zāi)害之一,易導(dǎo)致塵肺病發(fā)病率上升、作業(yè)環(huán)境惡化、儀器設(shè)備失靈、維護(hù)困難,嚴(yán)重時甚至引發(fā)煤塵爆炸,造成重特大事故,具有嚴(yán)重的致病性和危險性[1]。綜合機(jī)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(biāo)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(kuò)大,作業(yè)強(qiáng)度越來越高,掘進(jìn)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?xí)^1 000 mg/m3[2-3]。

為有效應(yīng)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(jī)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(chǔ)同時輔以其他設(shè)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(xué)方法。同時可以采用通風(fēng)除塵、凈化水幕、除塵風(fēng)機(jī)、附壁風(fēng)筒等改善產(chǎn)塵作業(yè)空間風(fēng)流場的措施進(jìn)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(yīng)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(jī)械的移動采掘作業(yè)造成的產(chǎn)塵點移動的適應(yīng)性差，不能伴隨降塵等方面。在實際應(yīng)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(hù)(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(jìn)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(fù)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(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 負(fù)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(fù)壓誘導(dǎo)式氣水兩相噴霧,簡稱負(fù)壓噴霧。其原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

當(dāng)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(yīng)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(jìn)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(fù)壓渦流區(qū)。負(fù)壓區(qū)的含塵空氣在壓差的作用下進(jìn)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(qiáng),沉降更快。

根據(jù)此原理設(shè)計的負(fù)壓誘導(dǎo)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(shè)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(fù)壓區(qū),將受到污染的含塵氣流隨負(fù)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(jī),并利用智能算法和無線傳輸進(jìn)行系統(tǒng)控制[6],迫使采煤機(jī)前后兩個滾筒附近始終處于負(fù)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(shè)備組成與工作面布置

無線聯(lián)動負(fù)壓噴霧降塵系統(tǒng),由一體化式主機(jī)、采煤機(jī)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(fù)壓誘導(dǎo)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(jī)上,系統(tǒng)運行過程中,當(dāng)某個控制器感應(yīng)到定位傳感器時,便會將采煤機(jī)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(shè)置模式和參數(shù)打開或關(guān)閉相應(yīng)電動閥門。系統(tǒng)采用全無線設(shè)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(shè)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(fù)壓噴霧降塵技術(shù)可實現(xiàn)對采煤機(jī)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(jī)前、后滾筒及下風(fēng)流始終處于負(fù)壓誘導(dǎo)噴霧的控制和捕捉范圍之內(nèi),在塵源處及下風(fēng)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(jī)實時定位的準(zhǔn)確性并能夠進(jìn)行自動跟蹤噴霧,將一體化主機(jī)和負(fù)壓誘導(dǎo)噴霧總成安裝于支架上,同時在采煤機(jī)中部靠人行道一側(cè)安裝采煤機(jī)發(fā)射器。在系統(tǒng)運行過程中,當(dāng)采煤機(jī)運行至某一位置時,主機(jī)檢測到采煤機(jī)發(fā)射器的無線信號,并將當(dāng)前采煤機(jī)的位置信息通過無線傳輸發(fā)送給所有聯(lián)機(jī)的分體主機(jī),之后由各主機(jī)按實際設(shè)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(dāng)采煤機(jī)繼續(xù)作業(yè),移動到下一位置并被另一個主機(jī)檢測到時,則執(zhí)行新一輪主機(jī)的功能并進(jìn)行重新判定;同時,若采煤機(jī)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(jī)前、后滾筒及下風(fēng)流高濃度粉塵的定點跟蹤噴霧。

3 技術(shù)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)使用前應(yīng)仔細(xì)檢查系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(shè)定參數(shù)并進(jìn)行下一步調(diào)試。開啟安裝在采煤機(jī)上的發(fā)射器電源,采煤機(jī)運行進(jìn)行采煤作業(yè),此時一體化主機(jī)應(yīng)能夠接收到信號,相應(yīng)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(jī)設(shè)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(dá)到預(yù)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(dá)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(jìn)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(jī)司機(jī)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(yuǎn)超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)開啟后,采煤機(jī)司機(jī)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(dá)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(jìn)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(jī)司機(jī)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(jī)組下風(fēng)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(jī)組下風(fēng)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(fēng)流擴(kuò)散,高濃度含塵氣流主要向機(jī)組下風(fēng)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(fēng)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(fù)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(yán)格佩戴個人防護(hù)設(shè)備。

4 結(jié)論

1)以15030綜放工作面采煤作業(yè)時采煤機(jī)司機(jī)操作地點為基準(zhǔn),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(dá)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(jī)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(fù)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(yīng)用到各綜采工作面。

3)無線聯(lián)動負(fù)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。