煤矿自动化智能喷雾降尘系统研究与应用

卢剑波

（同煤集团地煤公司东周窑煤矿，山西 大同 037003）

矿井生产过程中矿体剥离、物料运输等环节会产生大量不同粒径的粉尘，造成空气污染和水污染，同时引起井下作业人员的呼吸性疾病。现代化大型矿井采用综放开采方式，长距离运输原煤，各进回风巷道风量大，风速高，导致矿井内产尘量大，粉尘浓度高。传统的水幕喷淋等方式降尘效率低，维护工作量大，可靠性能差。

矿井安全监控系统进行煤矿粉尘浓度监控和超限治理，同时建立智能化喷雾降尘系统，既能实时监控矿井中各主要产尘区域的粉尘浓度，又能根据需要自动开启喷雾装置，这样的防尘体系对井下粉尘治理工作具有重要的意义。

1 东周窑煤矿防尘现状

东周窑煤矿各主采工作面均采用综合放顶煤的开采方式，矿井整体配风量较大，为满足供风量要求，各进风、回风巷道中风速也较高。矿井运输量大，运输线路长，使用无轨胶轮车配合长距离皮带运煤系统完成井下物料运输，以往矿井使用水幕机械针对主要煤尘超限点进行防尘处理，但是，实际防尘措施效果不理想，浓度经常超限。根据测尘仪测试结果显示主要产尘地点有综放工作面、掘进工作面、皮带运输巷、辅助运输联巷等。根据分析，各个综采、掘进工作面的回风巷、运输大巷与各工作面连接的落煤点以及辅助运输联巷为煤尘的主要防治区域。

2 煤矿智能喷雾系统研究

2.1 系统组成形式

井下智能喷雾系统通过数据传输将粉尘浓度传感器、自动喷雾降尘装置和系统监测分站与KJ76安全监控系统的主机链接。构成的整体喷雾系统如下：（1）ZP127矿用气水混合自动喷雾降尘装置；（2）KJ370F隔爆兼本安型分站；（3）地面调度微机控制系统。系统通过粉尘浓度传感器实时监控各工作面和井巷的重点防尘区域内的粉尘含量，同时反馈和存储到智能控制系统的主机。各防尘区域内的粉尘浓度报警器报警和喷雾装置开启上限设定为30mg/m3，到粉尘传感器达到安全限值10mg/m3时自动关闭喷雾装置。同时皮带运输巷上部通过无线触控传感器感应皮带上是否运输原煤，触发对应的喷雾降尘装置。系统主要组成结构示意图如图1所示。

图1 智能喷雾降尘系统组成结构示意图

2.2 系统工作特点

传统防尘措施只是单纯在煤尘重点区域设置局部喷淋装置，喷淋装置降尘效率低，同时长时间开启造成水资源浪费，本次方案相较于传统系统更具有针对性，呈系统化布置。将布置于井巷各处的粉尘浓度传感器并入矿井安全监控系统实现长期和实时监控，根据监控数据划分矿尘防治区域，同时利用浓度传感器自动开启水路电动球阀和喷雾装置。降尘设备具有节能、高效、自主、智能等特点。

（1）相对于传统水幕喷淋装置，喷雾装置使水分形成微小的雾化颗粒并且长时间悬浮于空气中。其作用机理为利用压缩空气对静压水加压，自雾化喷嘴中喷出形成类似汽化状态的雾化颗粒。雾化水气能提高与空气中粉尘结合率并沉降至地面，雾化水气会伴随井巷的空气流动，提高井巷内降尘效率，同时避免井巷内积水和水资源的浪费。

（2）智能喷雾装置通过粉尘浓度传感器、无线触控传感器控制，随运输皮带工作开始喷淋，或粉尘超限后开始工作，及时控制粉尘浓度，降低维护和人工成本，节约井下用水。

（3）考虑到喷雾工作对井下人员和运输设备的影响，系统通过光控传感器感应设备和人员，在车辆和人员进入水幕10～20m范围内自动关闭喷雾装置，避免水雾溅湿人员和车辆。

（4）井下各粉尘传感器、监测分站将被监测地点的粉尘浓度和喷雾装置运行工况通过数据环网及时反馈到地面控制系统，地面监测系统一方面监测井下粉尘浓度和设施工况，另一方面可以控制井下各喷雾装置开启和关闭。

（5）智能喷雾系统可以根据井下工作地点粉尘产生的规律采取不同工作类型如周期喷雾、定点喷雾、监测喷雾等，适应能力强，操控灵活。

2.3 智能喷雾系统自动控制机理

KJ76矿井安全监测系统通过数据线路与井下监测分站实现相互链接，监测分站相连接的监测传感器实时采集数据，监控各综放工作面、掘进工作面、落煤点、运输巷等超限部位，及时反馈到监测主机，由主机系统记录并存储粉尘浓度数据。同时根据监测分站采集的粉尘浓度报警状态调节粉尘超限自动喷雾装置，及时调控降尘装置自动开启。根据《煤矿安全规程》中的相关规定并结合矿井现状将同忻矿自动喷雾装置的报警限制设定为30mg/m3，即当井下某处的粉尘浓度监控传感器监测到的粉尘浓度达到30mg/m3时，粉尘浓度超限报警系统启动超限报警提示。同时系统主机控制自动喷雾装置打开喷雾装置水路的电动球阀，喷雾装置开始工作状态。井下粉尘浓度下限值设定为10mg/m3，即粉尘传感器监测数据达到下限值时自动喷雾装置将自动关闭，停止喷雾作业。自动喷雾降尘系统通过粉尘浓度传感器控制喷雾设备开关工作，设备可靠，操控灵活，并且可以通过调控气水比调整雾化粒径提高降尘效果，大大提高降尘效率，降尘效果高于机械喷淋的效率30%以上，并且通过智能化开启和关闭喷雾，减少无效喷雾，大大减少水、电等资源的浪费，节约人工和经济成本。

3 智能喷雾系统效果分析

3.1 雾化粒径效果分析

喷雾降尘系统所雾化雾气粒径范围会影响系统降尘效果。在安装完成喷雾降尘系统后对不同水汽比条件下雾粒粒径范围，以及所有状态下降尘效率进行相应测试，通过调节自动喷雾装置雾化喷嘴，测试在1MPa水压及不同气水比条件下的雾化粒径分布范围。同时在所测试的风硐窗口布置测尘仪，监测环境内粉尘浓度，确定喷雾降尘系统的实际降尘效率，不同气水比的粒径范围和降尘效率如表1所示。

表1 不同粒径范围雾化颗粒降尘效率

从表中数据所示智能喷雾系统测试环境内气水比高1.2时雾化颗粒粒径范围在20～75μm，同时降尘效率达到41%。并且气水比越大雾化粒径越小，同时也越接近粉尘颗粒的中位粒径，提高雾化水汽与粉尘结合率，降低环境中粉尘含量。

3.2 现场喷雾效果测试

智能喷雾除尘系统实际应用阶段通过在水幕前后设置粉尘采集器监测工作面内实际降尘效果，表2所示为粉尘采样器所采集连续三个月的粉尘浓度及降尘效率。

表2 降尘效果测试结果表

从表2中抽测的三个采样数据可知，通过智能喷雾系统对井下作业空间进行水雾喷淋能有效起到降尘效果。

3.3 系统优点

（1）矿井自动化智能喷雾降尘系统能实现实时监控井下各粉尘超限点的粉尘浓度；

（2）系统主机会自动采集和存储数据，喷雾装置根据粉尘浓度传感器数据自动控制喷雾，同时根据作业需要也可进行地面控制、周期喷淋；

（3）水混合的雾化效果一方面节水，另一方面提高与粉尘结合率，喷雾装置根据人性化设计避开行人和车辆路径。

4 总结

本文对煤矿喷雾降尘系统进行了分析，介绍了其主要组成结构与工作特点，并根据连续跟踪，证实系统确实能够对矿井重点粉尘超限区域起到有效的监控和治理，运行效果良好。