高压喷雾降尘“井下-井上”联合控制系统的设计

杨国良

(霍州煤电集团 云厦建筑工程有限公司白龙矿建分公司，山西 霍州 031400)

随着“绿色矿山”和“安全矿山”影响的扩大，煤矿粉尘的防治成为目前研究的重点内容之一。浮游矿沉粉尘和沉积矿沉粉尘成为影响煤矿安全、人员健康的主要因素。为此，相关专家和学者对综采工作面的降尘技术、系统、工艺等进行了深入研究。张小涛[1]分析的综采工作面喷雾降尘系统设计及应用研究；郑磊[2]研究的综采工作面高压喷雾降尘技术参数确定方法；李如明[3]等人的综采工作面尘源跟踪喷雾降尘系统的应用；马胜利[4]等人研究的综采工作面高压自动喷雾降尘技术研究；郭胜均[5]等人的综采工作面立体式高压喷雾降尘技术应用研究。本文从提升井下降尘的智能化、自动化角度，引入CAN总线技术，对降尘方案进行总体设计，阐述了主控制器和喷雾控制器工作的设计流程，以期能够为综采工作面喷雾降尘提供新的研究思路，进一步提升降尘效果。

1 高压喷雾降尘机理

高压喷雾降尘是通过高压作用让水从喷嘴发散性喷出。喷出后的雾滴会经历两个作用区，即：有效作用区和衰减区。起初喷出的水速度很大，受重力影响较小，保持水平运动，形成有效作用区；而后速度下降、雾滴与空气中的粉尘颗粒结合，受重力影响明显，形成衰减区，其效果见图1. 在工作面环境中，高速运动的小雾滴将空气中浮游的多种粉尘黏连起来，形成受重力影响较大的小颗粒，降落到地面上，达到净化工作面空气的作用。

图1 雾滴运动的两个阶段示意图

喷雾降尘的效果会随着雾滴速度的增加、直径的减小而提高。目前，增压泵可以将水压增加到8～18 MPa，能够高效地降低空气中的粉尘。郭胜均[5]等人的研究已经表明：高压喷水降尘可将降尘率提升到85%左右。因此，将高压喷雾降尘技术融合到喷雾控制器中，以期达到良好的除尘效果。

2 CAN总线特点及系统结构设计

2.1 CAN总线特点

煤矿井下监测点多且分布不均，不仅需要长距离布设控制线路，还需要确保网络灵活性以便根据巷道的变化而改变。CAN总线长距离传输的优良特性，能在数据交换、实时信号传输方面满足控制系统的要求。CAN总线是通过报文进行传送的，相同层可进行单独的信息交换，控制器能够根据报文的标识符确定报文的优先级，确保信息传递的顺序性。客户可以在总线上根据需求添加配置，对不再使用的软件、硬件进行删除，其通信原理见图2.

图2 CAN总线与节点通信示意图

2.2 高压喷雾降尘控制系统结构设计

综采工作面是粉尘的主要来源。因此，对综采工作面的喷雾降尘控制是整个系统的重点，需要将采煤机割煤运动、液压支架移动、割煤机的放煤过程等环节的粉尘控制在较低水平。为此，设计了“井下-井上”联合控制系统。井上部分为交换机、监控主机，实时显示井下的粉尘浓度、水压值、安全信息；井下部分为主控制器、喷雾控制器、增压泵，井上井下的设备通过光纤和CAN光纤转换器进行交流。其结构设计见图3，该结构设计简化了线路的复杂度，增强了信息的传递效率和质量。

图3 高压喷雾降尘控制系统结构图

地面监控中心负责对井下反馈的数据信息进行判断，发布控制命令，通过改变增压水泵的压力值和喷雾控制器的工作状态控制喷雾效果；井下控制器负责分析地面监控中心命令，向具体的喷雾控制器发布执行指令；喷雾控制器则实施命令，改变喷雾的速度和直径，实现工作面降尘。

2.3 降尘喷雾点的设置

为了充分进行降尘，在采煤机、液压支架、运煤转载点、阻尘水幕等部位设置降尘喷雾点。在采煤机的液压支架、机身上安装定位装置，当定位装置监测到采煤机进行割煤运动时，便向机身内外进行喷雾；监测到液压支架的移架运动，便沿着移架的轨迹进行喷雾降尘。为了最大限度地降低粉尘的浓度，在放煤口、运输机和巷道转载点处安置洒水点。由此，整个综采工作面的粉尘源头都得到了控制。

3 喷雾控制器控制软件的设计

喷雾控制器软件的设计关系到整个控制系统的实现效果。只有区分综采工作面的具体情况，才能够实现对不同情况的准确处理。喷雾控制器软件采用模块化思想，以子程序的形式进行独立运行，相互之间嵌套关系少。此软件子模块具体分为数据采集、指令判读、数据发送3部分。

3.1 数据采集部分的设计

无论是采煤机、移架还是人员都采用统一的状态信号进行管理。在控制器设计一个计时装置，端口自动读取一次数据状态，20 ms后再读取一次数据进行验证，从而确定信号。选择重置状态标志后，采集的数据便会成为端口的判断值，一旦发生变化，便会反馈到地面监控中心。数据采集部分流程图见图4.

图4 数据采集部分流程图

3.2 指令判断部分的设计

地面监控中心根据显示的浓度值、综采工作面的工作状态、定位数据等向喷雾控制器发布具体的执行命令。具体的命令对应具体的喷雾器，能够对具体的位置发起降尘指令。每一次指令结束后，都会进行清除，确保与下一个命令分开，其控制流程图见图5.

图5 喷雾控制指令判读流程图

3.3 数据发送部分的设计

在高压喷雾控制器上设置了数据发送功能，井下人员可根据实际需求向地面监控中心发送喷雾请求。发送内容以报文的形式传递，每一个报文都对应不同的编码。工作人员只需要将报文内容、优先级、ID信息输入，地面监控中心就能够进行准确定位，了解井下实际情况。必要时地面监测中心向高压喷雾控制器放权，允许进行人工选择降尘，其流程设计见图6.

图6 数据发送的流程图

现场操作人员可以根据实际的粉尘浓度进行手动操控，无需再进行信息上传和监控中心判断。

4 结 论

本文针对煤矿井下降尘需求，基于CAN总线设计了一套“井上-井下”联合降尘控制系统。此系统依靠CAN总线的特性简化了井下布置线路的复杂程度，高压喷雾控制器的多空间合理分配，实现了采煤、运煤、放煤各个环节的降尘控制。整体而言，这套降尘控制系统能够满足煤矿在降尘方面的需求，大大降低了综采工作面的粉尘浓度，促进了人工智能监控的发展。但是，这一系统并不能完全脱离工作人员的管理，希望今后的研究能够对软件的自动化程度进行提升。