综采面无线联动负压喷雾降尘技术应用研究

崔贵波

(山西新景矿煤业有限责任公司,山西 阳泉 045008)

煤矿粉尘是威胁煤矿安全的主要灾害之一,易导致尘肺病发病率上升、作业环境恶化、仪器设备失灵、维护困难,严重时甚至引发煤尘爆炸,造成重特大事故,具有严重的致病性和危险性[1]。综合机械化开采是煤炭工业的发展方向,是实现煤矿现代化和高产高效的重要标志,是提高煤炭回采率和安全可靠性的必要手段。同时,现代工业的发展需求和技术升级使煤矿产能日益扩大,作业强度越来越高,掘进和回采速度大幅提升,随之到来的结果之一就是井下各作业地点的粉尘质量浓度变得更高,某些地方甚至会超过1 000 mg/m3[2-3]。

为有效应对矿井粉尘带来的威胁,目前普遍采用的主动降尘措施以水喷雾为主,包括各采掘机械的内外喷雾、转载和破碎处的喷雾，以及为提升雾化降尘效果而采用的中高压喷雾或气水喷雾等;还有以水为基础同时辅以其他设备或措施的降尘方法,如添加湿润剂等活性剂成分、利用磁化装置形成磁化水喷雾、添加发泡剂等形成泡沫降尘等的物理化学方法。同时可以采用通风除尘、净化水幕、除尘风机、附壁风筒等改善产尘作业空间风流场的措施进行封堵或吸入粉尘。但这些方法都存在一定的不足,主要反映在对井下恶劣环境的适应性差、降尘成本高、耗水量大、影响煤质、易对环境造成二次污染，对采掘机械的移动采掘作业造成的产尘点移动的适应性差，不能伴随降尘等方面。在实际应用中,喷头被水中杂质或油污堵塞，被煤岩碎块砸损等现象尤为普遍,井下作业人员主要靠个人防护(口罩)减轻粉尘对身体的危害。因此,综采面作业空间迫切需要研发高效、简便、成本低廉的降尘技术。近两年智能技术和物联网的不断普及也为进一步改善井下粉尘治理提供了技术支持。在此对综采面无线联动负压喷雾降尘技术在解决新景矿15030综放工作面高浓度粉尘方面的应用进行了研究。

1 负压喷雾降尘原理

为解决普通水喷雾对水的压力要求高、用水量大且降尘效果不理想的问题,特采用负压诱导式气水两相喷雾,简称负压喷雾。其原理和结构如图1所示。

图1 负压喷雾原理和结构示意图Fig.1 Negative pressure spray mechanism and structure

当液体在高压空气驱动下形成雾状射流向外喷出时,若水雾的直径大于喷嘴喷管的直径,便会由于水雾的活塞效应在喷嘴内侧形成一个低压区域。在由此带来的内外压差的作用下,外界的含尘空气便进入到喷射装置内部,继而随着喷雾射流喷出,由此循环并在喷嘴周围形成负压涡流区。负压区的含尘空气在压差的作用下进入到喷雾场内,使粉尘颗粒得到循环净化。在此过程中,含尘气流中的粉尘颗粒与水雾碰撞结合的效果更强,沉降更快。

根据此原理设计的负压诱导式气水两相喷雾,利用井下现有的静压水及压缩空气管路,将拥有一定压力的压缩空气与水按设计管路混合后形成大量高速气雾射流同时向指定范围喷出,并在周围形成以喷雾总成为圆心,直径约1 m的负压区,将受到污染的含尘气流随负压涡流吸引到喷射气雾区,将引流过来的含尘气流中的粉尘颗粒捕捉湿润,使其沉降[4-5]。同时根据作业流程,通过实时监测跟踪采煤机,并利用智能算法和无线传输进行系统控制[6],迫使采煤机前后两个滚筒附近始终处于负压区,将滚筒附近产生的粉尘有效湿润并就地沉降。

2 系统设备组成与工作面布置

无线联动负压喷雾降尘系统,由一体化式主机、采煤机定位用无线发射器、遥控发送器、精密过滤器、高压球型截止阀、负压诱导喷雾组件以及必要的供气和供水管路等部件组成。

供气供水管路的连接与布置主要包括供气供水主管道和分支管道,由工作面压缩空气和静压水管路分别供水。管路布置和连接如图2所示。

图2 供气供水管路连接与布置示意图Fig.2 Connection and arrangement of air and water supply pipelines

将定位用无线传感器安装在采煤机上,系统运行过程中,当某个控制器感应到定位传感器时,便会将采煤机位置信息通过无线信号同步发射给其他支架上的控制器,由控制器按设置模式和参数打开或关闭相应电动阀门。系统采用全无线设计,所有控制器与控制器之间、控制器与传感器之间均采用无线连接;控制器采用一体化无线设计,集无线信号控制器、微电脑控制器、红外信号接收处理器、输入输出信号处理器、电池管理系统及电动球阀于一体[7-9],布置方式如图3所示。

图3 降尘系统布置方式Fig.3 Dust suppression system

无线联动负压喷雾降尘技术可实现对采煤机滚筒割煤作业时所产生粉尘的自动跟踪喷雾,通过从支架上方自上而下地喷雾水幕,保证采煤机前、后滚筒及下风流始终处于负压诱导喷雾的控制和捕捉范围之内,在尘源处及下风流高浓度粉尘区形成控尘水幕,可有效控制粉尘的逸散,同时使含尘气流得到有效净化。

具体运行过程如下:为保证系统对采煤机实时定位的准确性并能够进行自动跟踪喷雾,将一体化主机和负压诱导喷雾总成安装于支架上,同时在采煤机中部靠人行道一侧安装采煤机发射器。在系统运行过程中,当采煤机运行至某一位置时,主机检测到采煤机发射器的无线信号,并将当前采煤机的位置信息通过无线传输发送给所有联机的分体主机,之后由各主机按实际设定的程序和参数自行判断是否打开内置的电动球阀,执行喷雾降尘及延时功能;当采煤机继续作业,移动到下一位置并被另一个主机检测到时,则执行新一轮主机的功能并进行重新判定;同时,若采煤机较长时间停留在同一位置作业,则执行持续喷雾,从而真正实现对采煤机前、后滚筒及下风流高浓度粉尘的定点跟踪喷雾。

3 技术应用效果

该系统使用前应仔细检查系统设置和显示情况及配接管线安装情况,确保安装无误。使用中尤其在降柱、移架等各工序衔接过程中应特别注意防止管路拉断或接头脱落,同时定期清洗过滤器和喷嘴。系统通电且显示正常后,设定参数并进行下一步调试。开启安装在采煤机上的发射器电源,采煤机运行进行采煤作业,此时一体化主机应能够接收到信号,相应喷雾系统能够打开喷雾，表明系统能正常运行。对照主机设定的参数,观察上、下侧电动球阀打开的数量及间隔、喷雾的喷射距离和范围是否能达到预定降尘效果。若不能满足要求,必须重新调整安装位置或角度以及参数等,直至达到防尘要求。在系统稳定有效运行后,分别在不同时间进行了15030工作面粉尘测定,结果如表1所示。

为保证检测结果最大程度上反映现场的粉尘情况,共分5次不同日期去采煤作业地点测量,时间间隔3～4 d。在作业地点按要求布置5个测点,同时采样测定粉尘质量浓度。为减小误差,在同一测点分别在检测系统停止和开启状态时检测粉尘质量浓度。由表1可知,在系统停止时,采煤机司机操作地点全尘5次平均值为595.8 mg/m3,最高时为608 mg/m3；呼吸性粉尘质量浓度5次平均值为279.6 mg/m3,最高值为289 mg/m3,远超过国家规定的标准。系统开启后,采煤机司机操作地点全尘5次平均值为93.2 mg/m3,最高值为98 mg/m3；呼吸性粉尘质量浓度5次平均值为40 mg/m3,最高时为42 mg/m3,虽然仍高于国家规定的10 mg/m3,但相比于系统开启之前,全尘平均降尘效率可达85%,呼吸性粉尘降尘效率超过86%,多处区域降尘率接近90%,显著改善了该作业区域的工作环境。

同时还发现,按5次平均值进行比较,在5个测点中,粉尘质量浓度最高的并不是在采煤机司机处,而且全尘最大质量浓度和呼吸性粉尘最大质量浓度并不在同一测点处。系统未开启时，全尘最大质量浓度在机组下风侧5 m处,该处5次平均值为611.8 mg/m3,最高时为621 mg/m3；呼吸性粉尘最大质量浓度处为机组下风侧10 m处,该处5次平均值为284.8 mg/m3,最高时为293 mg/m3。由此可知,在综采面采煤作业时,粉尘主要由截齿处割煤以及煤块掉落时产生并会随风流扩散,高浓度含尘气流主要向机组下风侧逸散并逐渐沉降。这些粉尘中,呼吸性粉尘占比约为47%,呼吸性粉尘颗粒小、随风流逸散快、沉降慢,因此全尘与呼吸性粉尘最高值不在同一测点。

表1 15030工作面粉尘质量浓度测定结果Table 1 Dust mass concentration measurement results in 15030 working face

在使用该系统前,工作面主要靠常规液压支架喷雾治理粉尘。按以往统计,降尘效率在50%～60%左右,效果很不理想。无线联动负压喷雾降尘系统可以提高20%～30%的降尘效率,极大地改善了井下作业环境,保障了作业人员的安全和健康。但受限于目前的技术水平和开采工艺,处理后的粉尘质量浓度依然超过国家要求,因此作业时仍必须严格佩戴个人防护设备。

4 结论

1)以15030综放工作面采煤作业时采煤机司机操作地点为基准,在降尘系统停止时,全尘平均值为595.8 mg/m3,最高值为608 mg/m3,呼吸性粉尘质量浓度平均值为279.6 mg/m3,最高值为289 mg/m3;降尘系统开启后,全尘平均值为93.2 mg/m3,最高值为98 mg/m3,呼吸性粉尘质量浓度平均值为40 mg/m3,最高值为42 mg/m3。与系统开启之前相比全尘平均降尘率可达85%,呼吸性粉尘降尘率超过86%,多处区域降尘率接近90%。

2)综合机械化采煤方式普及率越来越高,而各矿面临的综采面粉尘治理问题与新景矿15030工作面的情况基本相同。经验证,无线联动负压喷雾降尘技术具有降尘率高、环境限制条件少和操作简便的优点,同时使用成本较低,使其可广泛应用到各综采工作面。

3)无线联动负压喷雾降尘系统仍需要在提高降尘率以及自动化、智能化水平等方面开展研究,未来研究中可考虑一些成本较低的活性剂,提高雾滴湿润和捕捉粉尘的能力。