带式输送机无源自动喷雾系统研究与应用

张 斌，李博文

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西省榆林市，719315)

0 引言

由于煤矿的开采条件特殊，在井下煤炭生产及运输过程中会产生大量粉尘，受井下环境的影响，这些粉尘会随风流飞扬，给井下环境和井下工作人员身体健康带来危害。当粉尘达到一定浓度时，不仅会影响井下工作人员的视线，还可能会发生爆炸。为了确保煤炭安全开采以及井下工作人员的身心健康，降低粉尘浓度是迫切需要解决的重要的问题之一。国内外煤矿以湿式防尘为主，国内最常见的方法是喷雾降尘。

1 喷雾除尘原理

依据空气动力学的理论知识，粉尘颗粒遇到空气中的雾滴时，气流会因雾滴的阻挡绕开液滴向前运动，而粉尘颗粒会在惯性的作用下与雾滴发生碰撞，从而被雾滴捕获。雾滴对粉尘颗粒的捕获主要是通过凝并作用实现。有研究表明，粉尘颗粒被雾滴捕获的概率主要受粉尘自身的受力情况以及雾滴粒径大小的影响。当雾滴的粒径远大于粉尘粒径时，粉尘颗粒会随气流绕开雾滴而不被雾滴捕获，当雾滴粒径与粉尘粒径相近时，被捕获的概率最大。因此，雾滴对粉尘的捕获主要是通过凝并、拦截、惯性碰撞以及扩散实现[1-3]。

2 带式输送机结构构成

(1)驱动装置。驱动装置主要包括驱动电机、减速机、AACM软启动器(或液力耦合器)、制动器、联轴器等部件。作为带式输送机的驱动单元，根据输煤量的不同，常见的输送形式有单驱、双驱和三驱3种形式。

(2)输送装置。输送装置主要由滚筒、胶带、托辊、机架4个部分构成。滚筒是带式输送机的主要传动部件，为了避免胶带打滑，同时降低滚筒的磨损，滚筒表面会根据不同工况进行包胶；胶带的种类繁多，主要有尼龙、帆布、芳纶、钢丝绳芯等胶带；托辊和机架作为输送带的承载机构，是一整套输煤系统中数量最多的单元；托辊架作为托辊的支承结构，其位置是否端正直接影响着胶带是否跑偏。

(3)辅助装置。除了主要装置，一套完整的带式输送机还包括清扫器、逆止器、溜槽、导料槽等辅助装置。各类装置的种类繁多，根据不同输煤要求和工况，各类辅助装置可以选择搭配配置。

3 带式输送机运输巷降尘措施

3.1 胶带表面降尘

对于带式输送机运输巷内粉尘治理，将喷雾支架固定在胶带的正上方，并将喷嘴安在喷雾架上，增加煤炭表面的润湿性，并抑制粉尘扩散到运输巷道中。在机架上安装钢制喷雾支架，支架呈半圆状，喷雾喷嘴正对胶带安装。喷嘴采用广角可调整的圆形气体喷嘴。在胶带上每隔100～200 m安装一个钢托架，喷雾之间的距离可以根据煤矿现场的干燥程度进行调整。为了方便胶带喷雾开启与关停，安装喷嘴与胶带联动启停装置，在胶带处于运行状态时，喷雾自动开启；当胶带停止运行时，喷雾自动关停。

3.2 转载点处降尘

目前转载点处的主要问题是煤炭表面较为干燥，且密闭措施不够完善。煤炭由后方带式输送机转载到前方带式输送机上时，由于存在一定的高度差，煤块在下落过程中，在气流的剪切与挤压作用下，煤块表面的粉尘很容易逸散到巷道内，造成粉尘污染。关于转载点的除尘措施，在安装密闭盖完善密闭措施的同时，需要提高煤炭的湿润度，减少煤炭与空气摩擦产生的粉尘。为了增加煤炭的湿度，在装载点现场安装气水喷嘴。为了确保喷雾液滴和湿度均匀分布，必须在胶带中央安装喷嘴。在运送煤炭的过程中，由于机体振动，粉尘从煤炭表面升起，需要抑制振动产生的粉尘和减少落煤时产生的粉尘。在转载漏斗中放置2组喷嘴，其中1组喷嘴喷雾落在带式输送机上，增加带式输送机的湿度，控制扬起的粉尘，另1组喷嘴喷雾使煤炭变得潮湿，降低粉尘。

3.3 落煤点处降尘

针对带式输送机落煤点煤炭干燥的问题，结合现场的实际情况，采用双层挡帘密闭罩和气水喷雾结合的措施。在闭合的盖子内安装2个闭合的挡帘和2组喷头，并且使用广角圆形气体喷嘴[4-6]。

3.4 胶带清洗降尘

带式输送机胶带表面粉尘较多，在胶带顶端的滚筒处，当胶带空转时，安装高压喷嘴清洗附着在胶带表面的粉尘。在胶带清洗模块中，高压水喷嘴间用管路连接，进水口连接高压软管。根据现场实际情况，当胶带表面粉尘较多时，可安装多个清洗模块。

3.5 带式输送机运输巷断面降尘

为了进一步净化带式输送机运输巷空间气流，在巷道的断面设置喷雾装置，捕捉巷道内的粉尘。根据现场实际情况，在带式输送机运输巷内每隔100～200 m 的巷道断面上安装喷雾装置，且喷雾装置之间的距离可根据现场的干燥程度进行调整。

4 带式输送机无源自动喷雾原理与应用

4.1 无源自动喷雾原理

在带式输送机运转传动过程中，托辊与胶带间的摩擦力带动托辊旋转，托辊在运转过程中的转速范围约为300～500 rpm，托辊转动产生的动能无法被有效收集利用，造成了资源和能源的浪费。若能将托辊转动的动能进行利用，将大大提升能源利用率[7-8]。

带式输送机无源发电装置由矿用隔爆永磁发电机、具备4G功能的主控箱(电动球阀内置)以及热释电传感器构成。带式输送机运行时，通过矿用隔爆永磁发电机与胶带摩擦为主控箱提供电源，打开电动球阀，实现喷雾降尘功能，从而达到“无源”效果。在每套无源自动喷雾装置中配套安装热释电传感器，当监测到人员靠近时，系统自动关闭喷雾电磁阀关停喷雾；当监测到人员离开后，系统自动打开喷雾电磁阀启动喷雾，避免将沿线巡检人员淋湿，将之前的粗放式降尘设施改变为智能降尘喷雾。带式输送机无源发电装置工作原理如图1所示。

图1 带式输送机无源发电装置工作原理

4.2 无源自动喷雾装置安装

本无源自动喷雾装置根据现场需要布置的位置，安装方向为下行胶带上方位置，安装角度为40°～50°。发电机输出三相电源与主控箱输入电源并接，手动转动发电机外转子，如果转动顺畅并能同时打开洒水降尘装置电动球阀，表明设备能够正常工作[9-11]。

4.3 带式输送机托辊改造

本发电装置托辊结构如图2所示(图中不包含托辊侧外壳和轴承)，胶带转动带动托辊外壳旋转，固定于其上的旋转永磁极随之旋转，磁感线切割固定绕组产生电能通过输出线输出电能。

图2 发电托辊结构

4.4 发电托辊在运输巷的应用

目前，在煤矿井下带式输送机运输巷内存在照明盲区，尤其是在主运输系统的沿线日常需要对带式输送机进行维护的地点，如更换带式输送机托辊、清扫巷道内卫生、巷道内排水等，运输巷内安装照明灯必须要单独铺设照明供电线路、安装照明综保开关等，综合成本较高。

在带式输送机运输巷内，每隔200 m安装一组发电托辊，发电托辊通过储能电源箱与照明灯连接。当带式输送机运行时，发电托辊直接给照明灯供电；当带式输送机停止运行时，照明灯依靠储能电源箱存储的电能继续照明。每套照明系统可以单独工作，维护方便。此外，利用发电托辊输出的电源接至电动球阀，配合传感器实现带式输送机运输巷降尘喷雾的自动控制。当带式输送机运转时，喷雾开启；当带式输送机停止时，喷雾关闭[12]。发电托辊现场应用效果如图3所示。

5 效益分析

2022年6月，本项目于在哈拉沟煤矿开始安装，7月安装完毕，共计安装21套带式输送机无源自动喷雾系统。截止2023年6月底，通过1年的使用，节能增效的效果明显，实现了井下能源的二次利用，省去了专用缆线的敷设和供电设备的安装，节约了带式输送机开机时人为开关喷雾的人力，避免了带式输送机停机未及时关闭喷雾的浪费。

经计算，各测尘点除尘效率均可达98%以上，每月可节省9 825 kW·h的电能与82 t的水，工作人员每天可节约1 h步行主运沿线开关喷雾。该装置的研究与应用改善了员工工作环境，保证了作业时的人身安全，实现了真正的“无人则安”，为煤矿绿色智能化发展起到了示范作用。

6 结语

带式输送机无源自动喷雾系统本着安全、节能、高效的理念，较好地解决了煤炭运输过程中的煤尘污染问题，大大改善了煤矿井下作业环境。该系统实现了喷雾装置的自动启停，提高了现场作业的安全性，降低了作业人员的劳动强度，节约了水资源，节约了成本，助力绿色矿山建设。