矿井采煤机截割部喷雾降尘装置的优化设计探析

李 鑫

（晋能控股煤业集团四老沟矿， 山西 大同 037000）

1 四老沟矿喷雾降尘装置概况

晋能控股煤业集团四老沟矿井综采工作面使用的设备有MG300/730-WD 型以及MG650/1630-WD型采煤机，在地质条件以及设备结构的共同作用下，截割过程中的粉尘浓度能够达到3 500 ～4 500 mg/m3，部分区域能够达到7 500 mg/m3。当前矿井采用喷雾降尘的方式降低截割产生的粉尘浓度。但是随着科学技术的发展和矿井开采的不断深入，喷雾降尘的弊端逐渐凸显，不仅存在自动化程度较低，很多情况下设备的模式切换需要工人手动进行，还存在工人劳动强度较大以及安全难以得到保障等弊端，此外，最重要的是该方式的降尘效果不明显，很多情况下难以达到降尘标准。对于当前降尘喷雾装置存在的问题，通过结构优化的方式，提升降尘效果，提高降尘效率，增强设备的自动化和智能化程度。

2 采煤机割煤产尘特性研究

2.1 综采工作面风速分布分析

为了分析采掘过程中采煤机对人行道风速分布的影响，选取采煤机上风10 m 至下风15 m 上方1.5 m区域风速的分布进行探究。分析研究结论如下：

1）采煤机上风10 m 至截割部中间区域，人行道风速分布受采煤机工作影响较小，整体风速相对稳定均匀，风速范围在1.25～1.40 m/s 之间。

2）采煤机截割部至采煤机下风10 m 中间区域，受采煤机工作的影响人行道风速显著增加，风速范围在1.4～1.8 m/s 之间。

3）采煤机下风10 m 至下风15 m 中间区域，受采煤机工作影响较小，风速显著下降，风速范围在1.25～1.40 m/s 之间。

采煤机自身结构导致截割部产生的煤尘在气流的作用下朝驾驶室方向涌入。所以，需要制定切实有效的方案减少粉尘的运动，控制驾驶室区域粉尘的浓度。

2.2 采煤机截割部产尘特性

为了对采煤机工作过程中截割部出现的粉尘特点进行具体分析，文章选取滤膜称重法对采煤机不同工况下驾驶室区域上风20 m 以及下风40 m 中间区域的粉尘浓度进行实时监测。采煤机逆风工作状态下，驾驶室区域粉尘浓度能够达到3 400 mg/m3，相较于顺风工况下显著增加；从采煤机下风10 m 区域开始，不同工况下粉尘浓度相差较小，顺风状态下为3 300 mg/m3，逆风状态下为3 100 mg/m3。由此可见：逆风状态下，采煤机工作过程中出现的煤尘在风力和机身的作用下向驾驶室方向运动，导致驾驶室区域的煤尘浓度显著增加；顺风状态下，采煤机工作过程中产生的煤尘较少并且部分煤尘在风力的作用下从两侧扩散，因此驾驶室区域的煤尘浓度显著下降[1]。

通过各区域结果的分析可得，顺风状态下煤尘浓度的控制主要集中在采煤机下风侧区域；逆风状态下煤尘浓度的控制主要集中在驾驶室下风侧区域。

3 喷雾降尘装置改造设计的总体方案

当前该矿井对于煤尘浓度的控制主要通过喷雾降尘装置进行水包煤模式的降尘作业，因此对于装置的优化主要集中在喷雾流量、喷雾粒径、喷雾射程以及喷雾覆盖面积等方面进行。具体优化方案包括：在装置中以PLC 控制器为核心，提升设备的自动化和智能化程度，在采煤机运动过程中实时收集截割部电动机的相关参数，通过CAN 总线反馈至控制器处，控制器根据反馈结果进行指令发送；在设备中集成GY 106 高压压力传感器，通过电流信号的传输实现水压的监测，降低经济成本；在设备中集成GC1000J 型粉尘浓度传感器，通过激光散射对煤尘浓度进行实时监测。由于激光具有方向性好、传播速度快等特点，因此采用粉尘浓度传感器能够实现快速精准的煤尘浓度测量，相对误差能够控制在15%之内[2-3]。喷雾除尘优化总体方案设计如图1 所示。

图1 喷雾除尘装置优化总体方案设计

4 喷雾降尘装置改造设计过程分析

4.1 喷雾除尘装置状态图设计

为了提升喷雾除尘装置不同工况下的降尘效率，装置整体分为开机、运行、配置、点喷、全喷五个模式，模式的切换通过PLC 控制器进行控制。喷雾除尘装置工作状态逻辑示意图如图2 所示。电源接通后，喷雾除尘装置自动进入开机模式，控制器显示屏上有各个模式的按键，通过按键的形式进行模式切换。其中“配置状态”模式中，使用者能够对点喷时间、全喷时间、喷雾方向、喷雾流量等参数进行调整[4]。

图2 喷雾除尘装置工作状态逻辑示意图

4.2 喷雾除尘装置自动控制过程设计

在对喷雾除尘装置进行优化后，能够选择手动或自动模式进行控制，自动模式通过PLC 控制器进行控制，装置自动控制流程示意图如图3 所示。

图3 喷雾降尘装置自动控制流程示意图

喷雾除尘装置连接电源后，通过“启动”按键，控制PLC 控制器进行延时启动检测，对采煤机各个模块的初始化参数进行检测，检测完毕后确保初始值在指定范围内，随后启动采煤机进行工作。

通过PLC 控制器，实时监测喷雾除尘装置的水压是否处于标准范围内。一旦发现当前管道内的水压小于标准范围，则向PLC 发出信号PLC 控制系统收到信号后发出指令，采煤机停止运行，此外系统发出故障警报，提醒施工人员进行设备检查维修。此外工作过程中PLC 控制器还能够对采煤机电动机电压、电流等参数进行监测，一旦发现上述参数超出指定范围，采煤机停止运行同时系统发出警报[5]。

5 实践应用效果分析

将优化后的喷雾降尘装置检查完毕后，在晋能控股煤业集团四老沟矿某工作面MG300/730-WD 型采煤机上机组以及驾驶室区域进行了布置和调试，实际应用于采煤机截割部的煤尘浓度控制。通过红外线感应遥控喷雾系统进行粉尘浓度的实时监测，检测优化后装置的实际作用效果，检测结果如表1 所示。

通过表1 发现，优化后的装置投入使用后，机组位置处以及驾驶室附近的粉尘浓度检测结果分别为148.16 mg/m3以及144.54 mg/m3，呼吸性粉尘浓度依次为30.50 mg/m3以及21.42 mg/m3，同原有装置结果对比可知，粉尘浓度显著下降。相较于原有的形式，喷雾降尘装置优化后总降尘率由31.75%提升为45.07%。

表1 工作面采煤机截割部喷雾降尘装置改进优化前后情况