煤礦井下自動降塵系統的設計及應用

白怡明

(中國煤炭科工集團 沈陽設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110015)

0 引言

鐵法煤業集團大強煤礦位于遼寧省沈陽市康平縣張強鎮，設計生產能力150萬t/a，礦井采用立井開拓方式，井深為-990 m，屬于千米深井，井下配有2套綜采工作面，4套綜掘工作面，1套普掘工作面，2條大巷帶式輸送機等。

煤礦生產過程中產生的粉塵是屬于礦井的五大自然災害之一，對煤礦的安全生產和井下作業工人的身體健康都會造成極大的危害。針對大強煤礦井下井下的具體生產實際情況，通過使用井下自動降塵系統，根據不同塵源狀況，實施配置了不同的降塵方案。

1 自動降塵系統組成

KJ39礦用自動降塵系統是一套基于無線運行、管理的自動降塵系統，可在井下或地面通過計算機遠程對各噴霧系統進行監控、設置、控制，實現礦井對降塵系統的遠程實時、現場定時控制，同時提高鐵法煤業集團大強煤礦綜合防塵的智能化和自動化水平[1-3]。

該設計的井下綜合自動降塵系統包含自動灑水降塵控制器、礦方隔爆型自動灑水降塵電控箱，整合了多種控制功能及綜合環網為一體，也包含了無線遙控傳感器與控制器之間的無線通信控制單元，同時利用煤礦井下自身的Wi-Fi無線基站和環網交換機建立通信關系，實現數據上傳功能和煤礦井下自動灑水降塵環網覆蓋，也改善井下的防塵降塵效果及實現“無人值守”的效果。

2 鐵法大強煤礦井下綜合降塵治理系統的應用

鐵法大強煤礦粉塵的主要來源為井下采煤工作面,井下回風大巷，采掘工作面進、回風巷道、煤倉等作業場所及帶式輸送機、轉載點、溜煤眼等工作場所。故防塵工作的原則是設法減少粉塵發生量和浮沉量，將粉塵控制在發生地點，盡可能阻止粉塵飛揚和進入回風風流，同時使空氣中的粉塵快速沉降下來，集中收集，處理后將剩余的粉塵用足夠大的風量加以稀釋排出至地面。

2.1 井下采煤工作面降塵方案

采煤機塵源跟蹤自動噴霧降塵系統主要用于大強煤礦綜采工作面的采煤機智能隨機跟蹤高效噴霧降塵，尤其是在配風量大、產塵強度高的綜采工作面，可顯著降低采煤機割煤時的粉塵濃度。可以獨立運行，也可以和綜合監控系統聯網運行。塵源跟蹤自動噴霧降塵系統設備配置見表1。

表1 塵源跟蹤自動噴霧降塵系統設備配置

鐵法煤業集團大強煤礦兩個綜采工作面，其工作面長均為180 m，每個綜采工作面選用液壓支架共計60套，經計算后選用礦用隔爆兼本質安全型自動灑水降塵裝置雙閥門主控箱60臺，礦用本質安全型無線采煤機傳感器1臺，礦用本質安全型無線壓力傳感60組，礦用本質安全型電動球閥60組。采煤機塵源跟蹤自動噴霧降塵系統見圖1。

圖1 采煤機塵源跟蹤自動噴霧降塵系統

以第一組為例，當綜采工作面操作時，工作面操縱閥手柄下拉，無線壓力傳感器1A檢測到液壓管路內壓增大，發出無線指令給降塵主機1，(或無線位移傳感器檢測到操縱手柄下拉動作，發出無線指令給降塵主機1)，打開后噴A閥，后噴霧噴頭開始噴霧降塵。

當移架時，移架操縱閥手柄下拉，同理，無線壓力(位移)傳感器1B發出無線指令給降塵主機1，打開前噴B閥，前噴霧噴頭開始噴霧降塵。

當閥門打開后，對應的指示燈閃爍，并且延遲一段時間關閉(時間可以自行設置)。當接受到無線采煤機傳感器信號后，打開前噴B閥，對應的指示燈閃爍，同時關閉無線采煤機傳感器打開的其它主機前噴B閥。若3 min后未收到關閉信號，閥門將自動關閉。

降塵方案特點包括:

1) 智能跟蹤噴霧降塵。自動檢測采煤機位置，按采煤機移動方向順次開啟或關閉采煤機前、后滾筒對應支架上的噴霧，使采煤機前、后滾筒始終處于噴霧的控制范圍之內。

2) 降塵效率高。系統采用高壓電磁閥，動作響應時間短，使降塵效率提高到90%以上。

3) 可靠性高。每個分機都可獨立運行，系統某處出現通信線路故障時，仍然能按照原定參數運行；系統具有故障自診斷功能，能自動檢測實際在線的分機運行狀態和運行數量，主機能顯示故障分機信息，為及時維護提供方便。

4) 參數設置靈活、簡單。系統參數的設置可根據煤礦實際工作面長度、采煤機長度及運行速度等條件設定，設定時只需采用遙控器對主控箱進行設置即可。

5) 無線線性定位專有技術，精準定位。

6) 不受井下遮擋，行人、光、熱等環境影響，克服紅外式經常性誤信號的缺點。

7) 專用霧化噴頭，粒度細微，密度均勻，用水量少。

8) 扇形廣角度霧幕阻截防塵。

2.2 井下回風大巷，采掘工作面進、回風巷道降塵方案

鐵法大強煤礦進、回風巷道降塵方案主要有自動灑水降塵裝置和除塵器凈化裝置兩部分組成。

2.2.1 自動灑水降塵裝置

該裝置主要用于煤礦井下進回風大巷、采掘工作面進回風巷道、車場、煤倉及其它需要定時噴霧降塵或定時灑水的作業場所，凈化風流，改善工作環境，防止粉塵危害，保護工人身體健康，該裝置可定時對各工作場所進行噴霧降塵，定時時間及噴霧時間可在一定范圍內設置，當噴霧開啟時，若巷道中有人通過，裝置可暫停噴霧，直到延時時間結束后再開啟噴霧。自動灑水降塵裝置系統如圖2所示。

圖2 自動灑水降塵裝置系統

2.2.2 回風巷除塵器凈化裝置

凈化裝置以防爆混流式風機作動力，將含塵氣體經風筒(管)吸入除塵器中，在噴霧器密集水霧作用下，使粉塵濕潤凝聚，與此同時，在過濾網上形成攔截粉塵的水膜，將粉塵捕集下來。在水霧不斷洗滌作用下，塵泥水漿流入水槽中，經排水閥排除出。部分穿透的水霧在渦流的作用下被分離出來，凈化后的氣體排入巷道，達到除塵的目的,見圖3。

圖3 除塵器凈化裝置安裝

2.2.3 降塵方案特點

1) 裝置中配有熱釋電紅外傳感器,可及時準確地檢測到是否有人員到來，可有效避免淋濕過往人員。

2) 裝置小巧、方便安裝，全自動化工作模式，運行穩定可靠。

3) 具有灑水延時功能，延時時間可在0～999 s內調節。

4) 參數設置方便,參數通過遙控器進行設定，無需開蓋設計。采用風機與除塵器結構一體化設計，減小了除塵器外形尺寸和重量，易于除塵器搬遷和使用。

5) 采用渦輪式除塵脫水專利技術，提高了除塵器各項性能指標。

6) 維護、使用簡單，搬運移動方便。

7) 采用特殊配比材料，經國家煤礦防塵通風產品檢驗不產生摩擦火花。

8) 采用吸塵風筒直接安裝在回風巷口，除塵效果好。

2.2.4 裝置安裝位置

自動灑水降塵裝置配有熱釋電紅傳感器，安裝在與人行道靠近的煤壁上，離巷道底部1.4 m并與底部平行，安裝時注意調節好噴頭的角度，使其達到最好噴淋效果，噴頭的噴射方向需要是迎風向。

回風巷除塵器凈化裝置安裝在回風巷，根據回采工作面推進情況，定期移動，吸塵風筒一端接除塵器，一端在工作面回風口處，并隨工作面推進而移動。

圖4 帶式輸送機自動灑水降塵裝置安裝

2.3 帶式輸送機、轉載點、溜煤眼等降塵方案

降塵方案由帶式輸送機、轉載點自動灑水降塵裝置(觸控)，帶式輸送機自動噴霧降塵裝置,轉載點、溜煤眼除塵器除塵裝置3部分組成。

1) 帶式輸送機、轉載點自動灑水降塵裝置(觸控)用于帶式輸送機運輸巷、帶式輸送機機、溜煤眼等工作場所，改善工作環境，防止粉塵危害，保護工人身體健康；當有物體觸碰到觸控傳感器時，觸控傳感器產生一個觸發控制信號，通過電纜傳至主控箱，由主控箱輸出電壓打開電磁閥對運煤車或皮帶進行噴霧，除去機車、皮帶運行時產生的粉塵，當機車駛過或煤流停止運行，便停止噴霧。

2) 帶式輸送機自動噴霧降塵裝置用于帶式輸送機運輸物流中的自動控制噴霧降塵。控制器依靠與運載設備的摩擦而運轉，因此本身不帶動力，在煤礦井下帶式輸送機重載運行時，控制器才動作、噴霧打開，而重載不運行或空載時，控制器不動作、噴霧關閉，控制器具有結構緊湊，外形尺寸小、質量輕、維護方便等特點。

3) 轉載點、溜煤眼除塵器除塵裝置是以防爆混流式風機作動力，將含塵氣體經風筒(管)吸入除塵器中，在噴霧器的密集水霧作用下，使粉塵濕潤凝聚，與此同時，在過濾網上形成攔截粉塵的水膜，將粉塵捕集下來。在水霧不斷洗滌作用下，塵泥水漿流入水槽中，經排水閥排除出。部分穿透的水霧在渦流的作用下被分離出來，凈化后的氣體排入巷道，從而達到除塵的目的,如圖5所示。

圖5 轉載點除塵器裝置

降塵方案特點包括:

1) 裝置中配有觸控傳感器,可及時準確地檢測物體碰撞信號，進行噴淋，有效降低粉塵污染。

2) 參數通過遙控器進行設定，無需開蓋設計。

3) 控制器采用液壓原理，比其它自動控制裝置動作更可靠、靈敏度更高、壽命更長，更適合在條件惡劣的環境中使用；采用風機與除塵器結構一體化設計，減小了除塵器外形尺寸和重量，易于除塵器搬遷和使用。

4) 采用防堵塞噴嘴，使除塵器能長期穩定運行。

5) 采用密閉吸塵罩，能有效控制粉塵飛揚，有最佳的降塵效果。

降塵裝置安裝位置:

1) 帶式輸送機、轉載點自動灑水降塵裝置(觸控)與灑水噴頭的距離要保持在2～5 m之間，安裝時注意調節好噴頭的角度，使其達到最好噴淋效果，噴頭的噴射方向要是迎風向。

2) 帶式輸送機自動噴霧降塵裝置安裝在帶式輸送機沿線。

3) 轉載點、溜煤眼除塵器除塵裝置用伸縮風筒連接除塵器和吸塵罩，使揚起的粉塵能有效地被吸入除塵器中，連接水管和電源，構成完整的抽塵凈化系統。

3 井下自動降塵系統的使用措施

1) 采煤機內外噴霧系統每天檢修維護，保證噴嘴完好不堵塞。

2) 采煤機內外噴霧安裝過濾裝置。

3) 采煤機內外噴霧由兩路φ25的高壓膠管從運輸順槽主干管路供水，外噴霧壓力不低于1.5 MPa，內噴霧壓力不低于2.0 MPa。噴霧泵布置在上運順槽設備列車附近靠工作面的一端，隨設備列車開關一起啟動。

4) 破碎機必須安裝防塵罩和噴霧裝置，以防止煤塊在破碎過程中產生大量煤塵。

5) 液壓支架在移架時所引起頂煤壓力變化和液壓支架頂部與工作面煤層摩擦產出的煤塵都必須通過智能跟蹤噴霧系統來噴霧處理。

6) 通過煤塵注水來減少綜采工作面粉塵的產生，根據大強煤礦的巷道布置，結合煤層賦存特征，回采工作面煤層注水應用超前動壓注水工藝，用深孔煤層采前注水方式。在工作面運輸順槽中平行于工作面，在巷道中距離底板1 m左右處均勻布置。

4 結論

1) 目前鐵法煤業集團大強煤礦井下自動降塵系統設計已完成建設及安裝調試工作，在井下運行正常，該系統充分利用了井下綜合自動化技術，將井下自動降塵系統通過遠程控制及自動化控制結合起來，以達到“無人值守”的工作狀態。該井下自動降塵系統能通過連續、自動灑水，在降塵除塵，凈化空氣的同時，吸收一定有害氣體，降低瓦斯，粉塵濃度，改善和治理粉塵作業環境，是一套有效的防止粉塵危害的重要安全設施，在運行期間取得了較大的經濟效益，為井下的安全生產提供了可靠保障[4]。

2) 目前井下對于粉塵濃度的監測監控尚不完善，仍然有改進的空間。粉塵突出的地方有井下巷道轉載點，綜采工作面回風航上隅角等，僅依靠現有井下安全監測監控系統中的粉塵傳感器仍不能滿足現場的使用要求。因此,如何在井下巷道轉載點和綜采工作面回風航上隅角處形成有針對性的粉塵濃度監測報警系統,將是當前煤礦井下粉塵治理需要關注的重點問題。