煤礦井下自動(dòng)降塵噴霧的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

＊寧建東

（山西沁新煤業(yè)有限公司 山西 046500）

引言

粉塵是煤礦作業(yè)主要災(zāi)害之一，也是導(dǎo)致煤礦職工患?jí)m肺病的主要原因。鉆孔、爆破、采煤、掘進(jìn)等許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都會(huì)形成巨大的粉塵，因此科學(xué)有效地治理粉塵是煤礦作業(yè)重中之重。新源煤礦現(xiàn)有的降塵裝置存在成本高、效率低，存在高濃度粉塵和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)粉塵含量調(diào)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴灑降塵的裝置。可以針對(duì)粉塵含量變動(dòng)狀況實(shí)現(xiàn)合理高效的灑水降塵。

1.自動(dòng)噴霧設(shè)計(jì)思路

新源煤礦鉆孔作業(yè)點(diǎn)防塵現(xiàn)狀：采用水氣聯(lián)動(dòng)，形成噴霧降塵。當(dāng)產(chǎn)生較大粉塵時(shí)，人工打開(kāi)水氣管路閥門(mén)，進(jìn)行噴霧降塵。采用這種防塵措施，噴霧不能根據(jù)井巷的粉塵自動(dòng)打開(kāi)降塵，降塵效率低，影響鉆孔作業(yè)。其次，不能及時(shí)關(guān)閉防塵供水，造成水資源浪費(fèi)。在原水氣聯(lián)動(dòng)噴霧基礎(chǔ)上加裝一個(gè)粉塵濃度傳感器、一個(gè)主控單元和一對(duì)電磁閥，對(duì)粉塵濃度傳感器設(shè)定限制值，利用傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)空氣粉塵質(zhì)量濃度通過(guò)主控單元控制電磁閥開(kāi)關(guān)水氣閥門(mén)，達(dá)到自動(dòng)噴霧的效果。

2.安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動(dòng)噴霧設(shè)計(jì)

(1)裝置結(jié)構(gòu)原理

該裝置由粉塵濃度傳感器、通用監(jiān)控分站、遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)、電磁閥、多路電源、逆止閥、噴嘴和水氣管、電源及電纜線連接組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動(dòng)噴霧設(shè)計(jì)電路原理，設(shè)計(jì)時(shí)采用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，采用雙絞線將地面監(jiān)測(cè)控制主機(jī)與環(huán)網(wǎng)接入器相連接，再用信號(hào)電纜將環(huán)網(wǎng)接入器與分站連接，同時(shí)將粉塵傳感器與遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)電源、信號(hào)接入分站內(nèi)，再將遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)控制線與電磁閥連接。如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動(dòng)噴霧電路原理圖

通過(guò)操作安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，設(shè)置粉塵傳感器報(bào)警控制上限值，并關(guān)聯(lián)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于粉塵濃度不同時(shí)傳感器會(huì)分別處于斷電和復(fù)電兩種狀態(tài)，以控制遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作。電磁閥連接遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)粉塵傳感器顯示值低于設(shè)定上限值，即現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度很小時(shí)，遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)無(wú)動(dòng)作，控制回路未接通；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度較大，達(dá)到規(guī)定值時(shí)，遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，常開(kāi)結(jié)點(diǎn)閉合，控制回路接通，電磁閥通電打開(kāi)水氣，噴霧工作。為了防止水管中的水流入供氣管路中，設(shè)計(jì)在氣管上加接一個(gè)逆止閥，確保噴霧正常工作。

(2)測(cè)試及使用情況

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，通過(guò)操作安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，設(shè)置粉塵傳感器上限值為30mg/m3，遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)為常閉控制方式（為保證粉塵傳感器輸出信號(hào)時(shí)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作打開(kāi)電磁閥，遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)需連接常開(kāi)控制線，設(shè)置常閉控制方式），操作軟件手動(dòng)修改傳感器顯示值模擬粉塵環(huán)境，達(dá)到30mg/m3時(shí)，水氣管路分別打開(kāi)形成噴霧，降低顯示值時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止噴霧。

將設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)安裝于井下，在新源煤礦12212運(yùn)輸順槽11號(hào)鉆孔作業(yè)點(diǎn)對(duì)自動(dòng)噴霧裝置進(jìn)行了測(cè)試，該順槽長(zhǎng)度約1150m，11鉆孔位置距工作面約350m，在其下風(fēng)側(cè)10m處安設(shè)一組，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)噴霧降塵效果顯著，隨后將水氣噴霧串接，在第一組噴霧下風(fēng)側(cè)每隔5m安設(shè)一組，共安設(shè)五組，在作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)50m處分別對(duì)粉塵濃度進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)測(cè)試，安全監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)噴霧裝置設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，使用后巷道中粉塵濃度明顯下降，安設(shè)五組噴霧后，在下風(fēng)側(cè)測(cè)得全塵濃度約為26.9mg/m3，呼吸性粉塵濃度為17.3mg/m3，經(jīng)過(guò)降塵后，作業(yè)環(huán)境粉塵濃度達(dá)到了作業(yè)環(huán)境粉塵標(biāo)準(zhǔn)濃度。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制噴霧功能，但成本較高，如在礦井下大量使用，投資成本較高，不符合新源煤礦秉承的雙增雙節(jié)發(fā)展理念，決定使用成本相對(duì)較低的設(shè)備或元件來(lái)代替安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，采用三極管、繼電器改造控制電路以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧，同樣具有自動(dòng)控制的功能。

3.自動(dòng)噴霧結(jié)構(gòu)原理

該裝置由粉塵濃度傳感器、三極管、繼電器、電磁閥、電源模塊、逆止閥、噴嘴和水氣管、電源及電纜線連接組成。自動(dòng)噴霧設(shè)計(jì)電路原理，先接通127V交流電，再利用電源模塊將輸出轉(zhuǎn)換成24V直流電，再串聯(lián)接入粉塵傳感器、三極管，粉塵傳感器輸出信號(hào)電流過(guò)低，信號(hào)線與三極管基極連接進(jìn)行放大，集電極流出連接繼電器供電控制觸點(diǎn)，最后回到電源形成控制回路。兩組繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)與電磁閥分別串接在127V交流電上，形成噴霧工作回路。

當(dāng)工作場(chǎng)所的粉塵含量超限（達(dá)到傳感器斷電點(diǎn)）時(shí)，粉塵傳感器輸出電壓信號(hào)，并通過(guò)三極管的電流控制繼電器閉合輸出回路，電磁閥得電打開(kāi)水氣管路，通過(guò)自動(dòng)噴灑裝置開(kāi)始噴霧降塵，當(dāng)粉塵含量通過(guò)噴霧裝置減少至復(fù)電標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)后，通過(guò)輸出信號(hào)斷電控制電磁閥關(guān)閉水氣，噴霧停止工作。為了防止水管中的水流入供氣管路中，與第一種方案做了相同的設(shè)計(jì)，在氣管上加接一個(gè)逆止閥，確保噴霧正常工作[1]。

4.系統(tǒng)主要設(shè)備

(1)GCG1000粉塵濃度傳感器

GCG1000粉塵濃度傳感器用于測(cè)量煤礦井下空氣粉塵質(zhì)量濃度，是一種本質(zhì)安全型產(chǎn)品。其基本原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)壓把外部的含塵氣體吸收到進(jìn)氣口,通過(guò)導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)器暗室。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換芯片采集固定角度內(nèi)的散射光，轉(zhuǎn)換成與光信號(hào)成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大后進(jìn)入CPU，從而計(jì)算出CPU中粉塵的質(zhì)量濃度。在設(shè)計(jì)裝置中用于檢測(cè)鉆孔作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度，達(dá)到上限值時(shí)輸出控制信號(hào)。使用環(huán)境溫度：0～40℃；平均相對(duì)濕度：不大于95% RH（25℃）；大氣壓力范圍：80～110kPa；環(huán)境噪音不大于70dB（A）。主要技術(shù)參數(shù)：工作電壓范圍：DC（12～24.5）V；最大啟動(dòng)電流和最大工作電流：不大于100mA；測(cè)量范圍：0～1000mg/m3。

(2)3DD15D三極管

3DD15D是晶體三極管的一種，極性為NPN型（大功率管），有兩個(gè)引腳，管殼本身也是一個(gè)電極?；鶚Ob和發(fā)射極e為兩個(gè)引腳，集電極c為管殼。元件具有放大電流的作用，存在電流關(guān)系Ie=Ib+Ic，其含義就是，當(dāng)在基極加一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上獲得一個(gè)很大的Ic。在設(shè)計(jì)裝置中用于將粉塵濃度傳感器輸出的微小電流信號(hào)放大成可用的控制電流信號(hào)，滿足繼電器正常工作，接通供水、供氣回路[2]。

(3)IEC61810-1繼電器

IEC61810-1是一種小型直流繼電器，常用于電氣自動(dòng)控制裝置，可以通過(guò)微小的電流作用控制較大電流回路的接通和斷開(kāi)，能起到自動(dòng)控制的作用。是自動(dòng)噴霧裝置中接通和斷開(kāi)工作回路的關(guān)鍵性電氣元件。

(4)DFB-20/10礦用隔爆型電磁閥

主要技術(shù)參數(shù)：額定控制電源電壓：AC127V，壓力適應(yīng)范圍：0～10MPa。

DFB-20/10礦用隔爆型電磁閥為直控二位二通常閉式結(jié)構(gòu)，閥體上部為特種電磁鐵裝置，為直接開(kāi)閉閥門(mén)的主動(dòng)力源。閥體的底部是閥座，由入口、出口、導(dǎo)向閥孔和移動(dòng)芯等部件組成，在電磁效應(yīng)的作用下通電后，產(chǎn)生足夠大的升力以克服彈簧和介質(zhì)的壓力。將活動(dòng)芯與導(dǎo)向閥孔分開(kāi)，閥孔打開(kāi)，介質(zhì)流通。反之，斷電時(shí)，在彈簧和介質(zhì)壓力的共同作用下，活動(dòng)鐵芯將導(dǎo)水閥口關(guān)閉，介質(zhì)不能流通。通過(guò)動(dòng)力端控制閥口開(kāi)關(guān)，使水氣聯(lián)動(dòng)形成自動(dòng)噴霧。

(5)逆止閥

在介質(zhì)的作用下，當(dāng)介質(zhì)沿指定方向流動(dòng)時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)；在介質(zhì)回流時(shí)，由于閥瓣自重及介質(zhì)反向作用力，閥瓣與閥座密封關(guān)閉，從而起到防止介質(zhì)回流的作用。在設(shè)計(jì)裝置中其作用主要是防止噴霧水壓過(guò)大時(shí)，水流入壓風(fēng)氣管中，影響噴霧正常使用。

5.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為正常投用，自動(dòng)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了井下各方面性能測(cè)試，將開(kāi)關(guān)電源、三極管、繼電器等連接固定在防爆殼內(nèi)，在井下鉆孔作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)支保護(hù)良好，無(wú)滴水、無(wú)掉渣，便于觀察和維護(hù)的地方，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定吊掛粉塵濃度傳感器，設(shè)置粉塵上限值30mg/m3，當(dāng)傳感器檢測(cè)到作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度達(dá)到30mg/m3時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟噴霧；在30mg/m3以下時(shí)，噴霧自動(dòng)停止。

在新源煤礦井下12212運(yùn)輸順槽14號(hào)鉆孔作業(yè)點(diǎn)對(duì)自動(dòng)噴霧裝置進(jìn)行了測(cè)試，順槽長(zhǎng)度約1150m，14鉆孔位置距工作面約455m，在其下風(fēng)側(cè)10m處安設(shè)一組，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)該自動(dòng)噴霧降塵效果與安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動(dòng)噴霧不相上下，測(cè)得噴霧開(kāi)啟前后該處粉塵濃度有明顯降低，隨后同樣在第一組噴霧水氣管路上依次串接4組進(jìn)行試驗(yàn)，在其下風(fēng)側(cè)每隔5m安設(shè)一組，共安設(shè)五組，在作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)50m處分別對(duì)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測(cè)定，并作出了比對(duì)分析如表1。

表1 使用自動(dòng)噴霧裝置前后降塵效果對(duì)比表

從表1中可以直觀看出，采用該自動(dòng)噴霧裝置后，噴霧效果未發(fā)生大的變化，作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)巷道中粉塵濃度明顯下降，安設(shè)五組噴霧后，在相同位置測(cè)得全塵濃度約為26.9mg/m3，呼吸性粉塵濃度為17.3mg/m3，顯然經(jīng)過(guò)降塵后，作業(yè)環(huán)境粉塵濃度符合作業(yè)要求[3]。

6.裝置經(jīng)濟(jì)對(duì)比

第一種方案控制系統(tǒng)包括粉塵濃度傳感器、通用監(jiān)控分站、分站配套本安多路電源以及遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，總成本約122950元，而第二種設(shè)計(jì)方案控制模塊采用粉塵濃度傳感器、三極管、繼電器、24V開(kāi)關(guān)電源，總成本主要為傳感器，其它元件成本極低，總成本約92210元。成本分析對(duì)比如表2所示，并且第二種控制系統(tǒng)設(shè)備輕便，更便于現(xiàn)場(chǎng)管理。

7.結(jié)論

投用后，對(duì)降塵效果及鉆孔進(jìn)度調(diào)研，現(xiàn)場(chǎng)粉塵達(dá)到設(shè)定上限值，噴霧裝置自動(dòng)灑水降塵，濃度降低時(shí)噴霧自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)噴霧降塵功能，解放了人工開(kāi)關(guān)水氣閥門(mén)，也節(jié)約了防塵供水資源，減少了因降塵灑水導(dǎo)致的排水工作量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)粉塵分析，使用自動(dòng)噴霧裝置降塵能夠有效治理鉆孔作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵，同時(shí)能減少對(duì)鉆孔作業(yè)的影響，保障了員工的身體健康，為推進(jìn)綠色礦山建設(shè)做出貢獻(xiàn)。