礦用智能環(huán)保降塵裝置的分析與應(yīng)用

趙 強(qiáng)

（長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心，山西 長治 046000）

煤礦粉塵是煤礦井下主要自然災(zāi)害之一，當(dāng)前隨著煤礦采煤機(jī)械化程度的不斷提高，煤礦粉塵的濃度也越來越大。粉塵濃度過大不僅會模糊工人視線，影響井下精密儀器的使用壽命，還嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全。截至2019年底，我國塵肺病患者已逾100萬人，當(dāng)前塵肺病患者的數(shù)量也在不斷增長，每年約有6000個煤礦工人死于塵肺病。在煤炭行業(yè)，每年因為塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億元。煤礦粉塵還會引起粉塵爆炸，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，必須對煤礦井下進(jìn)行降塵作業(yè)[1-6]，有效降低粉塵濃度，保護(hù)井下工作人員的身體健康和保障煤礦開采的安全性。

1 礦用智能環(huán)保降塵裝置研制的必要性分析

針對煤礦井下粉塵濃度過高的問題，研發(fā)有通風(fēng)除塵、煤層注水、泡沫除塵、噴霧除塵等除塵降塵措施，其中噴霧除塵措施的應(yīng)用面最廣泛。從山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦井下噴霧除塵的治理實踐來看，井下采煤機(jī)噴霧、掘進(jìn)機(jī)噴霧、支架噴霧等除塵措施的應(yīng)用使煤礦井下的粉塵濃度得到了較好的控制，但噴霧除塵也存在一些問題。該煤礦井下的噴霧除塵措施主要是依靠人工進(jìn)行控制，自動化程度不高，噴霧除塵的水量、水壓、開閉時間等技術(shù)參數(shù)相對固定。但是井下粉塵濃度是隨時變化的，具有一定的不確定性，人工無法實時對噴霧除塵系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致噴霧除塵效果不佳，造成水資源浪費(fèi)。基于以上分析，長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心與三元煤業(yè)聯(lián)合設(shè)計了一種新型智能環(huán)保降塵裝置，用來實現(xiàn)自動記錄數(shù)據(jù)和自動控制噴霧開關(guān)等功能。

2 智能環(huán)保降塵裝置的分析

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

新型礦用智能環(huán)保降塵裝置如圖1。

圖1 新型礦用智能環(huán)保降塵裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

粉塵感應(yīng)器選用PMS3003粉塵傳感器，顯示模塊選用LCD1603液晶顯示屏，電磁閥為DF20（K）7型防爆電磁閥，單片機(jī)選用STC89C52單片機(jī)。從圖1中可知，粉塵感應(yīng)器、電源模塊、顯示模塊和存儲模塊連接于單片機(jī)上，存儲模塊與USB接口連接。

單片機(jī)中預(yù)設(shè)運(yùn)算程序和可調(diào)整的粉塵濃度報警閾值，利用粉塵感應(yīng)器檢測井下環(huán)境中粉塵濃度值，并根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)z測值和報警閾值進(jìn)行對比來判斷粉塵是否超標(biāo)。若超標(biāo)則電磁閥控制噴頭進(jìn)行噴霧作業(yè)，當(dāng)檢測到粉塵濃度降低至報警閾值以下，電磁閥控制噴頭停止噴霧作業(yè)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

裝置系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 裝置系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

STC89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，8 kB存放程序，256字節(jié)RAM，3個定時器/計算器，具有4個8位I/O口，有一個串行接口，擁有6個中斷源。

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，需要對環(huán)境中的粉塵濃度進(jìn)行實時檢測和監(jiān)控，以支持能控制噴霧開停的運(yùn)算程序。系統(tǒng)中設(shè)置了鍵盤，設(shè)有電源鍵、設(shè)置鍵和上下鍵4個實體按鍵，在設(shè)置模式中可以設(shè)定報警閾值。

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要還有開關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)初始化、報警濃度調(diào)整等，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。

必須選擇好系統(tǒng)的安裝位置，進(jìn)而可以對環(huán)境中的粉塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，得出準(zhǔn)確的粉塵濃度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)噴霧的啟停控制。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于智能化的要求，為實現(xiàn)系統(tǒng)粉塵濃度的智能檢測、噴霧系統(tǒng)的自動啟停控制、檢測數(shù)據(jù)的自動存儲和導(dǎo)出等目標(biāo)，設(shè)計了軟件系統(tǒng)如圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

在系統(tǒng)開機(jī)后自動對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后啟動ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換端口，將PMS3003粉塵感應(yīng)器實時采集到的粉塵濃度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)絊TC89C52單片機(jī)內(nèi)的RAM中，在LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行動態(tài)顯示。運(yùn)算程序?qū)z測到的粉塵濃度的實時數(shù)值和設(shè)定的報警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的粉塵濃度實時數(shù)值高于設(shè)定的報警閾值時，會發(fā)聲報警，同時自動啟動電磁閥進(jìn)行噴霧降塵作業(yè)；當(dāng)檢測到的粉塵濃度實時數(shù)值小于設(shè)定的報警閾值時，電磁閥關(guān)閉，停止噴霧作業(yè)。

3 實踐應(yīng)用及效果分析

3.1 工程概況

下霍煤礦隸屬于山西三元煤業(yè)股份有限公司，地處山西省長治市長子縣慈林鎮(zhèn)，井田面積40.79 km2，保有儲量24 028萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力240萬t/a。該煤礦開拓方式為立井開拓，井筒數(shù)量3個，開采水平為+505 m，現(xiàn)主要開采3#煤層，采煤工藝為綜采放頂煤工藝，高瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，自燃傾向性為不易自燃。下霍煤礦2303工作面在回采過程中，粉塵濃度過大，以往傳統(tǒng)的噴霧除塵降塵措施效果不佳，必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 應(yīng)用及效果分析

將新型的礦用智能環(huán)保降塵裝置在該煤礦2303工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗，并對煤塵采樣情況進(jìn)行分析。在2303工作面安裝9個粉塵濃度傳感器，兩者間隔6 m距離。2303工作面沒有進(jìn)行降塵前、以往噴霧降塵、智能噴霧降塵在同一采樣點(diǎn)粉塵濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 粉塵濃度檢測數(shù)據(jù)表

從表1數(shù)據(jù)可知，采用礦用智能環(huán)保降塵裝置后，2303工作面噴霧降塵的的效果明顯，粉塵濃度降低至140 mg/m3以下。與以往噴霧降塵后的粉塵濃度對比，粉塵濃度可降低約57.8%，有效地改善了2303工作面的工作環(huán)境。