煤礦用掘進機噴霧降塵控制系統研究

張 俊

（山西省朔州市右玉縣鐵峰煤業公司，山西 朔州 037200）

1 煤礦井下煤塵危害

煤礦井下綜掘工作面存在大量粉塵，浮游于空氣中，粉徑小于1 mm且形狀各異，不但會對礦工身體健康造成危害，而且聚集到一定濃度后容易發生爆炸，引發重大安全事故。煤礦井下粉塵的危害主要表現為[1-2]：

1）健康危害，從事巖巷掘進、煤巷掘進誘發煤肺病、煤矽肺病占塵肺病的比例約為60%，如某地方國有礦數據顯示，該煤礦累計塵肺病患者207人，死亡率較高；

2）爆炸危害，煤巷粉塵形成后，表面積加大，氧化反應速度加快，可產生高溫并釋放可燃氣體，當煤塵質量濃度達到爆炸下限濃度30~50 g/m3后可發生煤塵爆炸，爆炸力最強時的煤塵質量濃度為300~500 g/m3，最強引爆溫度可達700~800℃。隨著綜掘工作面自動化、智能化水平的不斷提高，掘進機的掘進速度更快、掘進距離更長，同時掘進巷道在單位時間內涌出的煤塵和瓦斯也急劇上升，為綜掘工作面粉塵治理以及安全工作帶來較大的困難。當掘進長度大于1 000 m，風流速度低于0.5 m/s時，掘進巷道粉塵的積聚效應會明顯增加。為保護礦工身體健康、保障煤礦安全生產，國內外科研機構對綜掘工作面防塵、降塵方案展開研究，主要的降塵途徑有添加劑降塵、泡沫降塵、磁化水降塵、電離水降塵、超聲波降塵、微生物降塵等，最大限度地改善綜掘工作面工作環境，促進安全生產，保護礦工身體健康[3-4]。文章在分析綜掘工作面粉塵產生原因及其運動規律的基礎上，建立綜掘工作面粉塵運動模型，根據該模型設計綜掘工作面噴霧降塵系統。

2 綜掘工作面粉塵運動模型設定條件

綜掘工作面浮游粉塵占煤礦井下總粉塵量的20%~38%，原因主要為掘進工作面工序多、塵源分布廣且分散度高，如掘進時鉆眼、爆破、裝巖、截割、裝載、支護等工序都易產生大量粉塵。為建立綜掘工作面粉塵運動模型，假定：

1）塵粒堅硬、表面光滑，無碰撞和黏附作用；

2）忽略塵粒局部壓力且無聚集作用；

3）塵霧為連續高密度氣體；

4）塵粒直徑大于1μm且不存在熱梯度。基于上述四點假設，綜掘工作面粉塵遷移數學模型可表述為式（1）[5]：

其中：C為粉塵濃度；U為對流速度；A為綜掘風巷橫截面積；J為粉塵擴散量；R1為粉塵沉降狀態；R2為塵源；t為時間；x為軸線坐標。

3 綜掘工作面粉塵運動模型

根據綜掘工作面粉塵遷移數學模型，建立粉塵運動氣固兩相流數學模型[6-8]，式（2）所示為黏性不可壓縮氣體運動數學模型：

其中：ρg為塵霧氣體密度，kg/m3；Ug為塵霧運動速度矢量，m/s；t為塵霧運動時間，s；F為單位體積上塵霧質量矢量，N/m3；P為塵霧壓力矢量，Pa；μg為塵霧的黏性系數，N·s/m2。

綜掘工作面塵粒的運動數學模型見式（3）所示：

其中：dp為塵粒的直徑，m；ρp為塵粒密度，kg/m3；Up為塵粒的運動速度矢量，m/s；Cp為環境阻力系數；Ur為氣體與塵粒的相對速度，即Ur=Ug-Up，單位為m/s。

4 綜掘工作面降塵方案

4.1 硬件設計

綜掘工作面噴霧降塵硬件系統設計框圖如圖1所示，由控制模塊、通信模塊、電源模塊、喜好采集模塊、執行控制模塊等組成，根據噴霧降塵工藝設計硬件原理圖。控制模塊將接收到的信號采集模塊傳感器數據進行分析、處理并控制水電動球閥、氣電動球閥進行噴霧降塵動作，同時將噴霧降塵系統運行狀態、故障信息、參數設置等信息以CAN通信模式傳送給上位機進行實時顯示。控制模塊的供電由專用的電源模塊完成，電壓等級為DC5V。

圖1 綜掘工作面噴霧降塵硬件系統設計框圖

控制模塊選用AT89S8252單片機，該控制器為低功耗、高性能的CMOS8位單片機，具有8K可擦除只讀Flash、2K的EEPROM以及256B的RAM，同時還由32個I/O口線、一個可編程看門狗定時器、3個16位定時器/計數器、支持CAN通信、串口通信以及SPI在線編程，滿足噴霧降塵系統控制需求[9-10]。表1所示為該AT89S8252單片機引腳分配定義，在進行軟件設計時，需根據該引腳定義進行編程實現。

表1 單片機引腳分配定義

信號采集模塊用于實時或者周期性采集傳感器信號，如粉塵濃度、水位信號、溫度信號等。粉塵濃度信號傳感器選用GCG1000，該傳感器利用光散射原理直接測量綜掘煤巷中的總粉塵濃度值，將4~20 mA電流信號傳送給信號采集模塊后直接轉換成粉塵濃度信號用于邏輯處理和顯示。溫度傳感器選用的型號為DS18B20，采用單線接口方式將-55~125℃的溫度以電流信號模式發送給信號采集模塊，該溫度傳感器具有采集精度高、免校準、時延小的特點。上位機選用WYM128-0液晶顯示屏，DC5V供電，支持CAN總線通信，支持組態編程。

4.2 軟件設計

綜掘工作面噴霧降塵軟件系統設計基于TKSstudio集成開發環境，支持8051、ARM、AVR等單片機軟件編程，完成從工程管理、編譯、連接、生成目標代碼、軟件仿真、系統聯調等完整的開發流程。在對噴霧降塵系統進行軟件設計時，采用模塊化編程思想，將軟件系統按照功能進行模塊劃分，具體為主程序模塊、初始化模塊、傳感器數據處理模塊、邏輯執行模塊、上位機顯示模塊等，圖2所示為噴霧獎懲系統主程序流程，圖3所示為初始化程序流程。

圖2 噴霧降塵系統主程序

圖3 噴霧降塵系統初始化程序

5 應用情況

該噴霧降塵系統在某煤礦綜掘工作面EBZ260型掘進機上進行安裝、調試并投入使用。對運行后一個月的粉塵濃度數據進行統計，降塵效果良好，達到預期設計目標。該系統中的粉塵濃度傳感器可實時監測煤巷粉塵濃度，控制器根據粉塵濃度的不同自動調整噴霧濃度、噴霧距離以及噴霧覆蓋范圍，增大降塵面積，最大限度降低煤巷粉塵濃度，根據煤巷粉塵濃度實時調整噴霧工作模式和控制策略。該噴霧降塵控制系統可應用與各機型掘進機，具有較強的適應性。