張 俊

（山西省朔州市右玉縣鐵峰煤業(yè)公司，山西 朔州 037200）

1 煤礦井下煤塵危害

煤礦井下綜掘工作面存在大量粉塵，浮游于空氣中，粉徑小于1 mm且形狀各異，不但會(huì)對礦工身體健康造成危害，而且聚集到一定濃度后容易發(fā)生爆炸，引發(fā)重大安全事故。煤礦井下粉塵的危害主要表現(xiàn)為[1-2]：

1）健康危害，從事巖巷掘進(jìn)、煤巷掘進(jìn)誘發(fā)煤肺病、煤矽肺病占塵肺病的比例約為60%，如某地方國有礦數(shù)據(jù)顯示，該煤礦累計(jì)塵肺病患者207人，死亡率較高；

2）爆炸危害，煤巷粉塵形成后，表面積加大，氧化反應(yīng)速度加快，可產(chǎn)生高溫并釋放可燃?xì)怏w，當(dāng)煤塵質(zhì)量濃度達(dá)到爆炸下限濃度30~50 g/m3后可發(fā)生煤塵爆炸，爆炸力最強(qiáng)時(shí)的煤塵質(zhì)量濃度為300~500 g/m3，最強(qiáng)引爆溫度可達(dá)700~800℃。隨著綜掘工作面自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度更快、掘進(jìn)距離更長，同時(shí)掘進(jìn)巷道在單位時(shí)間內(nèi)涌出的煤塵和瓦斯也急劇上升，為綜掘工作面粉塵治理以及安全工作帶來較大的困難。當(dāng)掘進(jìn)長度大于1 000 m，風(fēng)流速度低于0.5 m/s時(shí)，掘進(jìn)巷道粉塵的積聚效應(yīng)會(huì)明顯增加。為保護(hù)礦工身體健康、保障煤礦安全生產(chǎn)，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對綜掘工作面防塵、降塵方案展開研究，主要的降塵途徑有添加劑降塵、泡沫降塵、磁化水降塵、電離水降塵、超聲波降塵、微生物降塵等，最大限度地改善綜掘工作面工作環(huán)境，促進(jìn)安全生產(chǎn)，保護(hù)礦工身體健康[3-4]。文章在分析綜掘工作面粉塵產(chǎn)生原因及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立綜掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)該模型設(shè)計(jì)綜掘工作面噴霧降塵系統(tǒng)。

2 綜掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)模型設(shè)定條件

綜掘工作面浮游粉塵占煤礦井下總粉塵量的20%~38%，原因主要為掘進(jìn)工作面工序多、塵源分布廣且分散度高，如掘進(jìn)時(shí)鉆眼、爆破、裝巖、截割、裝載、支護(hù)等工序都易產(chǎn)生大量粉塵。為建立綜掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)模型，假定：

1）塵粒堅(jiān)硬、表面光滑，無碰撞和黏附作用；

2）忽略塵粒局部壓力且無聚集作用；

3）塵霧為連續(xù)高密度氣體；

4）塵粒直徑大于1μm且不存在熱梯度?；谏鲜鏊狞c(diǎn)假設(shè)，綜掘工作面粉塵遷移數(shù)學(xué)模型可表述為式（1）[5]：

其中：C為粉塵濃度；U為對流速度；A為綜掘風(fēng)巷橫截面積；J為粉塵擴(kuò)散量；R1為粉塵沉降狀態(tài)；R2為塵源；t為時(shí)間；x為軸線坐標(biāo)。

3 綜掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)綜掘工作面粉塵遷移數(shù)學(xué)模型，建立粉塵運(yùn)動(dòng)氣固兩相流數(shù)學(xué)模型[6-8]，式（2）所示為黏性不可壓縮氣體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

其中：ρg為塵霧氣體密度，kg/m3；Ug為塵霧運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s；t為塵霧運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；F為單位體積上塵霧質(zhì)量矢量，N/m3；P為塵霧壓力矢量，Pa；μg為塵霧的黏性系數(shù)，N·s/m2。

綜掘工作面塵粒的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型見式（3）所示：

其中：dp為塵粒的直徑，m；ρp為塵粒密度，kg/m3；Up為塵粒的運(yùn)動(dòng)速度矢量，m/s；Cp為環(huán)境阻力系數(shù)；Ur為氣體與塵粒的相對速度，即Ur=Ug-Up，單位為m/s。

4 綜掘工作面降塵方案

4.1 硬件設(shè)計(jì)

綜掘工作面噴霧降塵硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由控制模塊、通信模塊、電源模塊、喜好采集模塊、執(zhí)行控制模塊等組成，根據(jù)噴霧降塵工藝設(shè)計(jì)硬件原理圖?？刂颇K將接收到的信號采集模塊傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并控制水電動(dòng)球閥、氣電動(dòng)球閥進(jìn)行噴霧降塵動(dòng)作，同時(shí)將噴霧降塵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、參數(shù)設(shè)置等信息以CAN通信模式傳送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。控制模塊的供電由專用的電源模塊完成，電壓等級為DC5V。

圖1 綜掘工作面噴霧降塵硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

控制模塊選用AT89S8252單片機(jī)，該控制器為低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，具有8K可擦除只讀Flash、2K的EEPROM以及256B的RAM，同時(shí)還由32個(gè)I/O口線、一個(gè)可編程看門狗定時(shí)器、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、支持CAN通信、串口通信以及SPI在線編程，滿足噴霧降塵系統(tǒng)控制需求[9-10]。表1所示為該AT89S8252單片機(jī)引腳分配定義，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)該引腳定義進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

表1 單片機(jī)引腳分配定義

信號采集模塊用于實(shí)時(shí)或者周期性采集傳感器信號，如粉塵濃度、水位信號、溫度信號等。粉塵濃度信號傳感器選用GCG1000，該傳感器利用光散射原理直接測量綜掘煤巷中的總粉塵濃度值，將4~20 mA電流信號傳送給信號采集模塊后直接轉(zhuǎn)換成粉塵濃度信號用于邏輯處理和顯示。溫度傳感器選用的型號為DS18B20，采用單線接口方式將-55~125℃的溫度以電流信號模式發(fā)送給信號采集模塊，該溫度傳感器具有采集精度高、免校準(zhǔn)、時(shí)延小的特點(diǎn)。上位機(jī)選用WYM128-0液晶顯示屏，DC5V供電，支持CAN總線通信，支持組態(tài)編程。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

綜掘工作面噴霧降塵軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于TKSstudio集成開發(fā)環(huán)境，支持8051、ARM、AVR等單片機(jī)軟件編程，完成從工程管理、編譯、連接、生成目標(biāo)代碼、軟件仿真、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等完整的開發(fā)流程。在對噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化編程思想，將軟件系統(tǒng)按照功能進(jìn)行模塊劃分，具體為主程序模塊、初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯執(zhí)行模塊、上位機(jī)顯示模塊等，圖2所示為噴霧獎(jiǎng)懲系統(tǒng)主程序流程，圖3所示為初始化程序流程。

圖2 噴霧降塵系統(tǒng)主程序

圖3 噴霧降塵系統(tǒng)初始化程序

5 應(yīng)用情況

該噴霧降塵系統(tǒng)在某煤礦綜掘工作面EBZ260型掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行安裝、調(diào)試并投入使用。對運(yùn)行后一個(gè)月的粉塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，降塵效果良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)中的粉塵濃度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測煤巷粉塵濃度，控制器根據(jù)粉塵濃度的不同自動(dòng)調(diào)整噴霧濃度、噴霧距離以及噴霧覆蓋范圍，增大降塵面積，最大限度降低煤巷粉塵濃度，根據(jù)煤巷粉塵濃度實(shí)時(shí)調(diào)整噴霧工作模式和控制策略。該噴霧降塵控制系統(tǒng)可應(yīng)用與各機(jī)型掘進(jìn)機(jī)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。