泉店煤矿负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术及工程实践

赵 耀，张庆财

(1.河南神火煤电有限公司 泉店煤矿，河南 许昌 461000；2.库车市永新矿业有限责任公司，新疆维吾尔自治区 库车 842099)

粉尘是危害煤矿安全生产的因素之一。工作面的高浓度粉尘对煤矿安全生产和职工身体健康存在严重威胁，同时会降低机械设备的使用寿命，增加生产成本，严重制约煤矿企业发展和经济效益提高。2015年2月，国家安全生产监督管理总局下达了《煤矿作业场所职业病危害防治规定》，制订了煤矿井下作业场所允许粉尘浓度的相关标准，强调企业在高效安全生产的同时，努力实现绿色生产、清洁生产，其中，井下粉尘治理工作为绿色矿山构建的核心内容之一[1-2]。

随着泉店煤矿机械化、自动化水平日益提高，高效采煤机广泛采用，使得综采、综放工作面的粉尘问题日益突出，亟待解决，特别是针对严重危害人体的呼吸性粉尘的有效治理，直接关系到井下工人的身体健康和矿井的安全生产。针对工作面防降尘需求，综合考虑现有工作面除尘技术与措施，选取负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术进行粉尘治理。通过对该技术系统进行具体设计与优化，最终取得了一系列可靠的技术参数及实践经验，为解决类似条件的工作面降尘问题提供参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

泉店煤矿位于禹州矿区东部的禹州市和许昌市建安区之间，井田东西走向长约7.0 km，南北倾向宽1.8～3.0 km，面积约16.6 km2，矿井设计生产能力为120万t/a，核定生产能力为210万t/a.矿井主采山西组二1煤层，平均煤厚5.88 m，煤层倾角25～33°，属于Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性，为典型的倾斜三软煤层。矿井为低瓦斯矿井，采用混合式通风方式。

为了解矿井综采工作面粉尘问题，对其中二1-14010综放工作面进行粉尘浓度监测，监测结果显示该工作面空间内平均全尘浓度为586.04 mg/m3，平均呼尘浓度为277.64 mg/m3，均已严重超标，亟需治理。

1.2 工作面粉尘治理现状

目前泉店煤矿综采工作面粉尘问题十分严重，同时工作面粉尘治理限制因素较多，具体包括以下几个方面：①产尘量大，尘源具有移动性；②工作面环境复杂，液压支架等干涉较多；③使用环境恶劣，砸、堵、拥等问题严重影响设备可靠性；④安装难度大，工作面可供安装位置有限，主体设备等需放置于设备列车上；⑤由于综采工作面采高等诸多因素限制，降尘设备必须具有广泛的适用性。

受上述条件限制，综采工作面粉尘治理难度较大，目前主要利用采煤机自带内喷雾及液压支架间喷雾共同作用，降低粉尘浓度。但由于采煤机喷嘴位置靠近滚筒，损坏严重，同时支架移动易造成喷雾系统管路和电缆扯断，故障率极高，喷雾降尘效果一般。综上所述，泉店煤矿现需选取一种系统简单可靠、降尘效率高、适用范围广的工作面降尘技术，以解决综采工作面粉尘治理难题。

1.3 工作面降尘技术方案

针对泉店煤矿工作面粉尘问题及粉尘治理现状，对比国内外相关采煤机除尘技术，综合考虑同类技术的系统性能及优缺点，选取负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术方案对综采工作面进行粉尘治理，与传统尘源降尘技术比较，该技术具有诸多优势[3]。具体如下：

1) 控制管理系统。负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术采用控制器一体化设计，集无线收发系统、控制管理系统及两组独立工作的电动球阀于一体，而传统尘源降尘技术的控制器、传感器、电动球阀及其他设备需单独固定、接线及安装。

2) 通讯系统。负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术采用无线通讯系统，实现所有主机之间无线通讯，而传统尘源降尘技术采用通信电缆实现相互通讯功能，需安装、铺设电缆。

3) 水耗。负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术使用静压水即可满足现场要求，同时引用压风系统供风管路，实现负压诱导除尘，增强喷雾水的雾化效果和雾化水的流速，极大地提高雾化降尘效果，降低了耗水量，而传统尘源降尘技术需设置高压喷雾泵站提供高压水源，且耗水量大。

4) 经济条件。负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术系统简单可靠，大大降低了使用成本，维护工作量较少，而传统尘源降尘技术安装及维护较复杂，使用成本较高。

2 负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术

负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术由负压诱导式喷雾系统、矿用尘源跟踪系统、降(移)架喷雾系统、控制系统等多个系统共同构成，各系统相互配合、共同作用，达到最佳降尘效果。

2.1 负压诱导式喷雾系统及其降尘机理

负压诱导式水气两相喷雾喷嘴结构如图1所示。负压诱导式水气两相喷雾的主要理论依据是流体力学中的文丘里效应，当喷嘴由管内向管外进行喷雾时，若水雾的扩散直径等于或大于管径时，便会形成水雾活塞，将前方的空气推出，并在后方形成真空，从而喷口位置会出现负压区，使含尘气流被吸入喷射装置的喷管内。在管腔内，粉尘受水雾的反复撞击，被迫与雾滴结合，当喷出管腔后，失去悬浮能力，很快沉降下来，同时，被去除粉尘的空气与雾滴组的气流继续喷出，在喷出端形成负压场，持续不断达到降尘效果。当含雾滴气流喷出时，形成速度不连续的间断面，失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围含尘气体进入射流，且其影响逐渐向内、外两侧发展，形成内外两个自由紊动的混合层，在卷吸与混合共同作用下，射流断面及降尘范围逐渐扩大[4-5]。

图1 喷雾喷嘴结构示意

通过论证及试验，喷雾系统应采用由5个及5个以上喷雾集合构成，根据工作面采高设置不同的角度，以保证1号喷头作用于煤壁，用于湿润煤壁，2号、3号、4号喷头作用于采煤机滚筒，消除截齿割煤时产生的粉尘，5号喷头作用于刮板机，消除运输溜运输时产生的粉尘，实现全断面降尘。实践过程中，喷雾系统主要技术参数如表1所示。

表1 喷雾系统主要技术参数

2.2 矿用尘源跟踪系统及其工作原理

矿用尘源跟踪系统主要由一体化主机、采煤机定位无线发射器、负压诱导喷雾、电源电缆等设备组成[6-7]，各部分安装位置及管路布置如图2、图3所示。实际应用过程中，系统在整个工作面安装多道喷雾，从进风口处开始安装，每3架安装1组，采煤机定位无线发射器安装在采煤机中部靠人行道一侧，喷雾系统安装在支架前梁适当位置处，朝向煤壁或滚筒割煤位置。

图2 喷雾系统安装示意

图3 管路布置示意

矿用尘源跟踪喷雾降尘系统工作原理如下：当采煤机运行至某一位置时，该位置对应的主机接收到信号并计算出采煤机前、后两个滚筒所在位置，主机将滚筒所在位置信息以无线通讯方式发送给相邻主机，前、后滚筒所在位置及其下风流对应的主机按统一设定的程序和参数，使安装在支架顶梁或前探梁处喷雾单元按预设时间喷雾降尘，从而实现对采煤机前、后滚筒周围及采煤机下风流的定点跟踪喷雾，减小粉尘产生量并消除采煤机下风流粉尘污染；当采煤机移动到下一位置时，并被下一位置的主机检测到，则执行新位置喷雾的功能，原位置点喷雾功能随即终止，时间可自动调控[8-10]。

2.3 降(移)架自动喷雾系统

液压支架在降(移)架时会产生大量的粉尘，如何使液压支架在降(移)架时自动对其产尘点进行喷雾降尘成为解决液压支架粉尘污染的技术关键。基于负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术，本矿将无线降(移)架传感器与支架液压管路相联通，压力监测与发射器采用一体化设计，与液控阀管路采用快速接口连接。在支架操作时，无线降(移)架传感器检测到乳化液压力的变化，发出无线控制信号，主机接收到信号智能识别后打开喷雾，系统的喷雾架安装在前探梁上，用螺栓固定在液压支架上。为了实现降(移)架自动喷雾降尘，将无线降(移)架传感器和与支架控制阀上降(移)架管路相连，并连接好各管路系统，即可实现降(移)架时的自动喷雾降尘。通过喷雾完全覆盖支架及支架下风流，达到喷雾降尘的目的，同时实现喷雾与支架降柱移架的联动[11-13]。

2.4 控制系统

负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘控制系统主要由主控制芯片、无线通讯、传感器信号输入、球阀驱动及电源等组成。由传感器采集信号，信号送入主控芯片进行相关运算及处理，通过数字电路驱动球阀打开或者关闭，实时显示主机状态并通过无线通讯与其他主机进行通信。系统设备及管线在液压支架上的安装如图4所示，水路及气路通过高压胶管连接到主机内置的两个电动球阀上，球阀出水、出气端再通过胶管连接至负压诱导喷雾上，通过主机实现自动开关[14]。

图4 主机管路连接示意

该矿主控制芯片选取MSP430系列单片机，具有处理能力强、运算速度快及超低功耗等优点；无线通讯选用基于SEMTECH 公司SX1278 射频芯片的无线串口模块，采用透明传输方式及LoRa 扩频技术；球阀选用高平台三片式不锈钢高压球阀，保障一体化主机在正常工作期间能够可靠的打开或关闭水路及气路；球阀驱动电机减速箱选用进口无刷电机，配备高扭矩减速箱，具有低功耗、高扭矩的特点。一体化主机及高压球阀实物如图5、图6所示。

图5 一体化主机(内置两组球阀)

图6 球型截止阀

2.5 系统主要设备选型及技术性能指标

泉店煤矿负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘系统部分主要设备选型见表2，主要技术性能指标见表3.

表2 系统部分设备选型

表3 系统主要技术性能指标

3 工作面喷雾系统无线通讯影响因素研究

无线通讯作为负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术中各个系统的连接纽带，是工作面喷雾系统能否稳定工作的必要条件。实际工程中，综采工作面内部结构复杂、液压支架及大功率设备繁多，电磁波在综采工作面的传输受到多种因素的影响，导致喷雾系统误动作或不动作情况经常发生。为提高负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术的适用性能，建立可靠高效的无线通讯系统，亟需对影响工作面喷雾系统无线通讯的因素进行深入研究。

3.1 喷雾系统无线通讯传输距离影响因素

本矿通过对二1-14010综放工作面进行现场检测、理论分析研究，探讨工作面截面、倾斜程度及粉尘水汽等因素对无线通讯传输距离的影响，得出工作面截面越大，倾斜程度越小，粉尘浓度越小，水汽越少，电磁波传输衰减也越小。综合考虑上述影响无线通讯传输距离的因素，只有合理布置无线节点，尽量减少无线的衰耗及影响，才能提高传输距离，保证系统无线通讯的可靠运行。

3.2 喷雾系统无线通讯收发频率与可靠性

从收发频率与可靠性分析，频率越高，斜率越高，传输损耗越大，可靠性越差，故为提高无线传输的可靠性，在工作面中无线通讯收发频率不应过高，以免降低其可靠性，不利于信号在井下的传输。

3.3 喷雾系统无线通讯纠错能力与抗干扰性

通过对电磁干扰分类、特点、来源的了解，综合考虑工作面电磁干扰的特性，并对相应的抗干扰与纠错技术进行研究，得出适用于综采工作面喷雾降尘系统无线通讯的LoRa扩频技术方案，在无线纠错能力与抗干扰性具有显著的优势，与传统无线技术相比，采用同样的发射功率时，LoRa扩频技术的传输距离可提高7～10倍，覆盖面积扩大50～100倍。因此LoRa扩频技术更适用于综采工作面喷雾降尘系统无线通讯。

4 工程监测与评价

在系统安装运行后，为监测负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术的实际降尘效果，分别于2021年7月14日、18日、22日、26日、30日，对泉店煤矿二1-14010综放工作面，在除尘系统开启与停止两种状态下，5个测点位置(分别为司机操作地点、机组下风测5 m、机组下风侧10 m、回风端头下风侧10 m、回风端头下风侧20 m)的全尘与呼尘浓度进行大量监测比对，其结果如图7所示。

由降尘系统应用前后全尘和呼尘浓度变化图可知，负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘系统安装运行后，全尘浓度和呼尘浓度两个指标显著下降，平均全尘浓度从586.04 mg/m3降至87.16 mg/m3，平均呼尘浓度从277.64 mg/m3降至34.28 mg/m3，全尘和呼尘浓度平均降低了85.13%和87.65%.总而言之，泉店煤矿二1-14010综放工作面空间内粉尘浓度显著降低，工作面粉尘逸散得到有效控制，员工的工作环境条件得到极大改善，生产效率大幅提高。

5 结 语

1) 负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术由负压诱导式喷雾系统、矿用尘源跟踪系统、降(移)架喷雾系统、控制系统等多个系统共同构成，各系统相互配合、共同作用，达到最佳降尘效果。

2) 良好的无线通讯是工作面喷雾降尘系统稳定工作的前提。工程实践中可通过调控相关影响因素，合理设置通信收发频率，延长通信传输距离，增强无线传输的可靠性。

3) 本负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘技术方案中使用的LoRa扩频技术与传统无线技术相比，传输距离更远，覆盖面积更广，更适用于综采工作面喷雾降尘系统无线通讯。

4) 泉店煤矿二1-14010综放工作面成功安装运行负压诱导式矿用尘源跟踪喷雾降尘系统，并通过长时间监测对比，表明降尘系统应用后，工作面空间粉尘浓度显著降低，平均全尘浓度从586.04 mg/m3降至87.16 mg/m3，平均呼尘浓度从277.64 mg/m3降至34.28 mg/m3，全尘和呼尘浓度平均降低了85.13%和87.65%.