5G智能噴淋技術在露天礦山抑塵中的應用

任 藝，于 琴

（天津礦山工程有限公司，天津 300073）

露天開采過程中的鑿巖、爆破、礦石（廢石）堆場和運輸等作業環節會產生大量的粉塵。粉塵會影響礦區周邊空氣質量，危害人體健康和生命安全[1-2]。并且，隨著露天開采深度不斷增加，粉塵的擴散會更加困難，礦山開采作業條件也逐漸惡化[3]。隨著國家經濟的發展，國內外的露天礦山粉塵問題日益凸顯[4-5]。因此，為把露天礦山粉塵污染降到最低限度，制定科學切實可行的粉塵防治措施，采取更加有效的降塵抑塵措施勢在必行。目前，控制粉塵的方法有噴水抑塵法、水霧降塵法[6-7]、抑制劑法、超聲霧化抑塵除塵、超聲波除塵技術[8-9]等。其中，噴水抑塵法簡便易行，但是因為傳統的噴水方式和噴水效率的限制，不能精細控制和計算噴水量，效果一直差強人意。因此，若要增強噴水抑塵的效果，使之符合礦山粉塵控制的要求，仍需探索新的噴水抑塵方式。噴淋系統在礦山抑塵中已經有過研究和應用[10-12]。

1 工程概況

惠州市光大水泥企業有限公司上窩石場開采工程由天津礦山工程有限公司承建，開采規模960×104t/a。礦巖主要為黃土狀粉土與剝離物砂巖組成，表面風化強烈，上有黃土覆蓋，地形破碎，沖溝極為發育。礦山地處北回歸線附近，屬亞熱帶季風氣候，年平均溫度20.8℃。日極端最高氣溫出現在7月份，為39.9℃；日平均極端最低氣溫出現在1月份，為-4.4℃。風向具有明顯的季節性，夏、秋兩季多東風和東南風，且常有臺風襲擾，最大風力達11～12 級，冬春兩季以西北風為主。由于空氣干燥、水蒸發量極大，該礦區極易發生揚沙和浮塵天氣。

上窩石場礦山（圖1）采用露天開采，汽車運輸方式。在礦山開采過程中，常采用灑水車、霧炮等傳統方式進行降塵，存在下列不足：

圖1 上窩石場全貌

（1）作業現場設備近400 臺套，運輸道路車流密度大、氣溫高，因此灑水揮發快，不能滿足降塵的需要。

（2）該方法對于挖裝、爆破工序降塵效果不明顯或受現場條件限制無法使用。

（3）施工現場揚沙和浮塵極為嚴重，能見度低，尤其是夜間，影響交通安全，極易出現交通事故，還會影響現場作業人員的身體健康。

2 5G智能噴淋系統的應用

采用傳統的噴水降塵方法無法達到控塵的目的，亦不能滿足環保督察的要求。為此，“5G 智能噴淋系統”新工藝可為礦區的粉塵控制提供新的解決方案。

2.1 5G智能噴淋系統介紹

上窩石場礦區采用的5G 智能噴淋系統采取高壓噴淋方式，由自動旋轉的噴槍將水噴灑在指定的道路、平臺，并且通過粉塵傳感器的控制，實現全方位的噴淋智能監控。上窩石場礦區所采用的5G 噴淋中央控制系統，裝機功率為450kW，安裝有大噴槍20 個，小噴頭231 個。單個噴槍覆蓋直徑達160m，整個噴淋系統可覆蓋全部2.6km2礦區和6km 運礦道路。該5G 智能噴淋系統功能如下：

（1）程序順序控制功能。該功能主要控制噴頭布置、噴射時間等參數的設定，可在“本地模式”、“自動巡演模式”中切換。其中，自動巡演模式按照預設的“巡演時間”，每一組或每一個噴頭、噴槍自動依次噴淋、“巡演”。而本地模式則是按照預設的“本地時間”，根據現場實際需要，按需手動控制噴淋過程。

（2）監測與控制功能。在手機、電腦及遙控面板上設有轉換界面，可實現點對點控制、在線溫度監測、水池水位報警、運行狀態、定時控制、環境粉塵濃度監測等功能。

（3）粉塵濃度實時在線控制功能。根據現場捕捉粉塵測定PM值，一旦超標，該系統會自動開啟噴淋。

（4）超壓報警及水流故障報警功能。當管道堵塞或噴槍閥門不能正常啟動、水泵不運轉、壓力傳感器或流量傳感器超過額定值時，噴淋系統會自動停機報警，并在故障處理后自動恢復正常運轉。

（5）無線變頻控制功能。當作業面轉移時，基于5G技術的無線模擬量反饋信號傳輸與控制系統可在手機或電腦操控界面按需變頻（0~50Hz），按需調整角度，保證噴淋范圍覆蓋整個作業區域。

2.2 5G智能噴淋系統參數配置

（1）噴淋參數的設定。主要的噴淋參數包括噴淋強度和噴淋時間。噴淋強度設定為4.8mm/h，日最大噴淋量根據日最大蒸發強度確定。噴淋時間設定為每30min噴淋一次，每次噴淋作業運行10min。

（2）采準平臺噴槍設計。根據礦區面積、采區分布、開采規模、噴槍射程等條件，該噴淋系統共計布置20 把噴槍。已知噴槍的射程為80m，每平米的單日最大蒸發量為13.94mm/d。若按每日工作9h 算，根據前述噴淋參數的設定，單個噴槍每日累計噴淋的時間為3h。根據已知量，計算噴槍和水泵參數如下：

單個噴槍最大有效覆蓋面積為：3.14×80m×80m=20096m2

單個噴槍日需噴水量為：20096m2×13.94mm/d=280.14m3/d

噴淋灑水系統每小時最大流量：280.14m3/d÷3h/d=93.38m3/h，按照80%的有效功率計算，考慮一定的富余量，選定水泵的流量應不小于93.38/80%=116.73m3/h。

根據上述計算結果，噴槍和水泵的參數配置如表1所示。

表1 采準平臺噴槍和水泵參數表

（3）道路噴頭設計。根據現場道路的尺寸，選定噴頭射程為10m、間距為15m，單個噴頭覆蓋角度為0°~180°。根據現場實際情況，選定每500m（即33個噴頭）為一組，逐組運行。相應運行參數計算如下：

每組噴頭最大有效覆蓋面積：33×3.14×10m×10m/2=5181m2

每組噴頭每日需噴水量為：5181m2×13.94mm/d=72.2m3/d

噴淋灑水系統每小時最大流量：72.2m3/d÷3h/d=24.1m3/h，按照80%的有效功率計算，考慮一定的富余量，選定水泵的流量應不小于24.1/80%=30.13m3/h。

根據上述計算結果，以及可供選擇的水泵型號、噴槍和水泵的參數配置如表2所示。

表2 道路噴頭和水泵參數表

3 5G智能噴淋系統的降塵效果

噴淋系統的每個噴頭、噴槍上均裝有粉塵捕捉儀，一旦粉塵超標，就會自動噴淋。據統計和觀察，在采用該5G智能噴淋系統后，每天的用水量近800m3，現場基本達到無塵生產，實現了全工序控塵、清潔生產。具體效果圖展示如圖2~圖4所示。

圖2 5G智能噴淋系統使用前后挖裝作業對比照片

圖3 5G智能噴淋系統使用前后爆破作業對比照片

圖4 5G智能噴淋系統使用前后道路運輸對比照片

4 結論

5G智能噴淋系統自運行以來，降塵效果明顯，為礦山帶來了良好的經濟效益、環境效益和社會效益，得到了當地政府部門的好評。目前，該系統已在公司內部和行業內推廣應用。

目前，該噴淋系統的智能化主要體現在基于5G通信技術的噴淋作業智能啟動、運行和調整。該系統未來的研究將集中在根據不同的粉塵特征、氣候條件以及開采條件，系統參數配置的智能化。