綜采工作面自動防塵技術

宋沖

摘 ?要：為了防止煤礦塵爆災害的發生和塵肺職業病的危害，必須開展煤塵防治工作。該文詳細分析了煤塵的產生及危害，并分3個防治階段介紹了當前煤塵防治的原理和方法。在綜合分析各種降塵方法的研究方向、應用范圍和應用效果的基礎上，指出了各自的優劣和發展方向，最后對當前應用最為廣泛的噴霧降塵技術進行了重點分析和研究，并進行了一些有益的探索工作。通過該文的分析和研究，既有利于煤塵防治工作的展開，又有利于對相關技術和應用的深入研究。

關鍵詞：綜采;降塵;煤層注水;噴霧降塵;噴霧控制

中圖分類號： TD714 ? 文獻標志碼：A

0 引言

近些年來，全國重、特大事故頻繁發生，特別是煤礦企業的各類事故發生率非常嚴重，給國家財產和人民生命造成巨大損失。根據國家安全生產監督管理總局統計，2000年至今，全國就發生煤塵爆炸事故11起，導致446人遇難。在因瓦斯等導致的煤礦爆炸事故中，煤塵也起到了推波助瀾的作用，擴大了事故危害。隨著綜采機械化采煤工藝的普遍應用，煤礦井下的產塵量也越來越大，因此，急需開展煤塵防治工作，防患于未然。近年來，相關的研究工作在煤塵的防治工作中取得了一定的成效，為實現煤塵的高效防治打下了一定基礎，但對煤塵防治的系統研究較為缺乏，相關的降塵自動控制系統和裝備研究更是匱乏，在當前加強煤炭高效安全開采和職業病防治以及井下開采自動化、智能化的要求下，這一問題亟待解決。

1 ?煤塵的產生及危害

1.1 煤塵的產生

煤塵從產生來源上分可以分為原生煤塵和開采煤塵。

原生煤塵是指存在于煤層孔隙之間的天然煤塵，是先天存在的，隨著煤炭被開采出來的同時“逸出”孔隙并擴散到開采工作面，對煤炭安全開采和工人的身體健康造成危害。

開采煤塵是指在煤炭的開采和運輸、巷道的掘進和支護等作業過程中由于煤炭被破碎或磨碎以及相互碰撞產生的煤塵，是后天形成的。但是各個工作過程產塵量多少、顆粒分布情況及受哪些因素影響尚無明確結論，其研究成果將關乎開采工藝的改進、開采設備關鍵結構件的設計以及有效的綜合煤塵防治措施的制定。

1.2 煤塵的危害

煤塵防治之所以受到重視，是因為大量煤塵的產生有很大的危害性，具體表現為3種危害。

1.2.1 引發爆炸或擴大爆炸危害

煤塵本身具有可燃性，粉末狀態的煤塵總表面積顯著增加，吸附氧的能力大大增強而且更容易被氧化，一旦遇見火源，空氣中氧氣與煤塵急劇地氧化而發生爆炸。在煤礦爆炸事故中，雖然瓦斯爆炸大概占70%，但是煤塵大多起到了推波助瀾的作用。由于爆炸具有很高的沖擊波速，能將巷道中落塵揚起，甚至使煤體破碎形成新的煤塵，從而導致新的爆炸，有時可如此反復多次，形成連續爆炸，因此危害更嚴重[1]。

1.2.2 降低工作場所的能見度

在采掘工作面，高濃度的煤塵會使本就光照較低的工作面的能見度更低，從而導致誤操作，增加傷亡事故的概率。同時，較低的能見度也將影響遠程可視化開采工作面的推廣和使用，阻礙了無人開采工作面的推進進程。

1.2.3 加速設備磨損

煤塵粒徑分布范圍之廣使其能夠“無孔不入”，設備相對運動部位進入煤塵必然會加速機械磨損，縮短設備的使用壽命。煤塵沉積在生產設備上，還易發生電路中斷、皮帶打滑等故障。隨著煤礦機械化、自動化程度的提高，設備越來越多，由此造成的損失也越來越大。

2 綜采降塵方法

2.1 采前注水

煤層注水[1]防塵是通過打鉆孔向煤體中注水，提高煤體的含水量和潤濕性，從而減少采煤時粉塵的產生，尤其是可以有效降低原生粉塵的擴散。添加表面活性劑可以改善水對煤的濕潤能力，如德國選用氯化鈣作為注水添加劑，顯著提高了抑制粉塵產生的作用，目前，該技術在我國各大煤礦得到普遍應用。

2.2 采時噴霧

通過一定的手段控制剛產生的煤塵的擴散，盡量將煤塵控制在特定的空間和位置內，一般采用內噴霧、高壓外噴霧和液壓支架架間噴霧等技術[2]。

2.3 采后集塵

經過以上措施，仍有一些煤塵擴散開來，這時需要采用相關的除塵技術和設備對煤塵加以過濾和排除。

此階段采用的煤塵防治技術主要有：通風除塵、除塵器除塵和個體防護等。通風除塵是通過采用合理的通風技術和最佳的排塵風速的方法將擴散開來的煤塵通過風流帶出巷道。除塵器就是采用各種除塵器進行空氣凈化。個體防護即是采取帶防護口罩等方法進行主動防護。

3 綜采降塵技術研究現狀

3.1 煤層注水與采后集塵技術研究

煤層注水技術的研究主要集中在長鉆孔設備、煤層潤濕機理、粉塵抑制劑研制和粉塵抑制劑混合配比設備的研究上。近年來，難溶水煤層因其自身特性決定的易產塵、難潤濕的特點使其成為開采作業煤塵綜合防治的難題，針對難溶水煤層的相關基礎理論研究和粉塵抑制劑研制及相關設備研發成為當前的研究熱點和難點。

采后集塵主要是除塵風機等集塵設備的研發，目前在區域集塵點除塵應用上較為成功，不適合整工作面的除塵，而且其除塵效率有待進一步提高。

3.2 智能化噴霧降塵關鍵技術研究

噴霧降塵技術因其不占工時、覆蓋面廣、降塵效果好，且體積小、易安裝、能夠與綜采設備配套聯動等優點被廣泛采用，但在當前的應用中存在以下不足。1）霧化效率不高，噴嘴經常出現磨損和堵塞等問題。2）工作面煤塵檢測設備缺乏，嚴重妨礙了煤塵的自動治理。3）噴霧降塵自動控制技術和設備落后，不能滿足快速全面降塵的需求。4）井下環境復雜多變，綜采設備較多，自動噴霧降塵系統整體配套亦困難重重。

為了解決以上問題并適應當前快速高效降塵的需求，提出并開展了智能化噴霧降塵技術的研究，并研制了相關的控制系統，其主要成果如下。

3.2.1 噴嘴霧化參數數值模擬研究及優化

影響噴嘴霧化性能的參數有水流入射角度、混流腔體長徑比、出射直徑和霧化角等，采用數值模擬技術進行多參數影響情況分析，進而通過參數優化設計高效霧化噴嘴，提高霧化效率，如圖1所示為采用fluent進行數值模擬的情況。

通過結構創新、參數優化設計和材料改進已設計出了新型霧化噴嘴，具有霧化效果好、防堵塞和易安裝等優點。

3.2.2 研制了智能化噴霧降塵控制器

采用ARM嵌入式和CAN總線控制技術進行智能化噴霧降塵控制器的開發，試驗測試表明，研發的控制系統已能夠實現100個噴霧點的控制。

另外，該控制系統還具有采煤機位置檢測、支架動作檢測和行人檢測等功能，能夠實現采煤、移架和放煤噴霧及行人通過停止噴霧等智能控制，并且預留了多個傳感器接入和開關量控制接口，便于系統功能擴展或定制[2]。

3.2.3 開發了智能化噴霧降塵控制軟件

開發了界面友好的控制軟件，所有控制參數都可以人工設定，并能夠根據采煤方向與風流方向是否一致自動改變控制模式。另外，還可以根據需要單獨定制相應功能和控制界面。如圖2所示為控制軟件的部分功能界面。

3.2.4 實現了與綜采裝備的配套和聯動

控制系統完成了與液壓支架等井下綜采關鍵設備的配套技術研究，并在噴霧點布置安裝、管路設計、供電、通信和綜采設備信號獲取等方面進行了系統研究，實現了控制系統與綜采設備的配套和聯動。

4 結語

隨著對煤礦安全高效生產和職業病防治的重視程度增加，煤礦對綜采降塵裝備的需求會越來越大，而且隨著機械化開采程度的不斷提高和自動化、智能化裝備的逐步推廣，井下煤塵防治設備也必然朝著自動化和智能化的方向發展，并與當前的井下開采裝備實現配套和聯動。與此同時，在一些關鍵技術和基礎理論研究上需要取得進一步的突破，如難溶水煤層的煤塵防治、煤塵潤濕機理、噴嘴霧化效能的提升和耐磨材料的研究、井下無線傳感技術的研究和相應傳感器的研制等。另外，在軟件研究方面，由于信息點多，信息源復雜，因此基于多信息融合技術的智能控制系統的研究是未來的發展方向。

參考文獻

[1] 張旭，楊成立，李曉江.煤塵注水防塵研究[J].工業技術，2011（29）：86-87.

[2] 周剛.綜放工作面噴霧降塵理論及工藝技術研究[D].青島：山東科技大學，2009：23-24.