馬脊梁礦回風巷道云噴霧降塵系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)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(huán)境，是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[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(tǒng)，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(shù)和結構進行了優(yōu)化，提出一種新的采煤機噴霧降塵系統(tǒng)，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(wěn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(fā)泡機產(chǎn)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)包括控制箱、控制線、供水泵、供水管、過濾系統(tǒng)、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(jiān)測井下某工作面巷道內(nèi)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(fā)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?shù)陀谀骋婚撝禃r，工作人員可停止云噴霧系統(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)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(tǒng)仿真與分析

3.1 控制系統(tǒng)硬件總體框圖

智能噴霧降塵系統(tǒng)是以AT89C51 單片機為控制系統(tǒng)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(fā)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(nèi)粉塵濃度進行監(jiān)測，達到噴霧裝置的完全智能化控制的目的。

圖2 控制系統(tǒng)總框圖

3.2 控制系統(tǒng)仿真設計

Proteus 是一款用于單片機開發(fā)的仿真軟件，元器件種類多，仿真效果好。智能噴霧降塵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)值超出預設的數(shù)據(jù)值時，報警器發(fā)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(jiān)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(tǒng)進行仿真。預先給單片機設定100 mg/m3，運行系統(tǒng)，此時粉塵濃度傳感器開始監(jiān)測，單片機顯示器上的數(shù)值慢慢增加；當顯示器上數(shù)值為100 mg/m3時，報警器開始發(fā)出報警響聲，單片機發(fā)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(lián)，可以實現(xiàn)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(yōu)化設計了一套井下云噴霧降塵方案，可以實現(xiàn)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(huán)境和井下工人健康的損害。