李 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037000）

1 四老溝礦噴霧降塵裝置概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦井綜采工作面使用的設(shè)備有MG300/730-WD 型以及MG650/1630-WD型采煤機(jī)，在地質(zhì)條件以及設(shè)備結(jié)構(gòu)的共同作用下，截割過程中的粉塵濃度能夠達(dá)到3 500 ～4 500 mg/m3，部分區(qū)域能夠達(dá)到7 500 mg/m3。當(dāng)前礦井采用噴霧降塵的方式降低截割產(chǎn)生的粉塵濃度。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和礦井開采的不斷深入，噴霧降塵的弊端逐漸凸顯，不僅存在自動化程度較低，很多情況下設(shè)備的模式切換需要工人手動進(jìn)行，還存在工人勞動強(qiáng)度較大以及安全難以得到保障等弊端，此外，最重要的是該方式的降塵效果不明顯，很多情況下難以達(dá)到降塵標(biāo)準(zhǔn)。對于當(dāng)前降塵噴霧裝置存在的問題，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式，提升降塵效果，提高降塵效率，增強(qiáng)設(shè)備的自動化和智能化程度。

2 采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵特性研究

2.1 綜采工作面風(fēng)速分布分析

為了分析采掘過程中采煤機(jī)對人行道風(fēng)速分布的影響，選取采煤機(jī)上風(fēng)10 m 至下風(fēng)15 m 上方1.5 m區(qū)域風(fēng)速的分布進(jìn)行探究。分析研究結(jié)論如下：

1）采煤機(jī)上風(fēng)10 m 至截割部中間區(qū)域，人行道風(fēng)速分布受采煤機(jī)工作影響較小，整體風(fēng)速相對穩(wěn)定均勻，風(fēng)速范圍在1.25～1.40 m/s 之間。

2）采煤機(jī)截割部至采煤機(jī)下風(fēng)10 m 中間區(qū)域，受采煤機(jī)工作的影響人行道風(fēng)速顯著增加，風(fēng)速范圍在1.4～1.8 m/s 之間。

3）采煤機(jī)下風(fēng)10 m 至下風(fēng)15 m 中間區(qū)域，受采煤機(jī)工作影響較小，風(fēng)速顯著下降，風(fēng)速范圍在1.25～1.40 m/s 之間。

采煤機(jī)自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致截割部產(chǎn)生的煤塵在氣流的作用下朝駕駛室方向涌入。所以，需要制定切實(shí)有效的方案減少粉塵的運(yùn)動，控制駕駛室區(qū)域粉塵的濃度。

2.2 采煤機(jī)截割部產(chǎn)塵特性

為了對采煤機(jī)工作過程中截割部出現(xiàn)的粉塵特點(diǎn)進(jìn)行具體分析，文章選取濾膜稱重法對采煤機(jī)不同工況下駕駛室區(qū)域上風(fēng)20 m 以及下風(fēng)40 m 中間區(qū)域的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。采煤機(jī)逆風(fēng)工作狀態(tài)下，駕駛室區(qū)域粉塵濃度能夠達(dá)到3 400 mg/m3，相較于順風(fēng)工況下顯著增加；從采煤機(jī)下風(fēng)10 m 區(qū)域開始，不同工況下粉塵濃度相差較小，順風(fēng)狀態(tài)下為3 300 mg/m3，逆風(fēng)狀態(tài)下為3 100 mg/m3。由此可見：逆風(fēng)狀態(tài)下，采煤機(jī)工作過程中出現(xiàn)的煤塵在風(fēng)力和機(jī)身的作用下向駕駛室方向運(yùn)動，導(dǎo)致駕駛室區(qū)域的煤塵濃度顯著增加；順風(fēng)狀態(tài)下，采煤機(jī)工作過程中產(chǎn)生的煤塵較少并且部分煤塵在風(fēng)力的作用下從兩側(cè)擴(kuò)散，因此駕駛室區(qū)域的煤塵濃度顯著下降[1]。

通過各區(qū)域結(jié)果的分析可得，順風(fēng)狀態(tài)下煤塵濃度的控制主要集中在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)區(qū)域；逆風(fēng)狀態(tài)下煤塵濃度的控制主要集中在駕駛室下風(fēng)側(cè)區(qū)域。

3 噴霧降塵裝置改造設(shè)計(jì)的總體方案

當(dāng)前該礦井對于煤塵濃度的控制主要通過噴霧降塵裝置進(jìn)行水包煤模式的降塵作業(yè)，因此對于裝置的優(yōu)化主要集中在噴霧流量、噴霧粒徑、噴霧射程以及噴霧覆蓋面積等方面進(jìn)行。具體優(yōu)化方案包括：在裝置中以PLC 控制器為核心，提升設(shè)備的自動化和智能化程度，在采煤機(jī)運(yùn)動過程中實(shí)時(shí)收集截割部電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)，通過CAN 總線反饋至控制器處，控制器根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行指令發(fā)送；在設(shè)備中集成GY 106 高壓壓力傳感器，通過電流信號的傳輸實(shí)現(xiàn)水壓的監(jiān)測，降低經(jīng)濟(jì)成本；在設(shè)備中集成GC1000J 型粉塵濃度傳感器，通過激光散射對煤塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。由于激光具有方向性好、傳播速度快等特點(diǎn)，因此采用粉塵濃度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)的煤塵濃度測量，相對誤差能夠控制在15%之內(nèi)[2-3]。噴霧除塵優(yōu)化總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 噴霧除塵裝置優(yōu)化總體方案設(shè)計(jì)

4 噴霧降塵裝置改造設(shè)計(jì)過程分析

4.1 噴霧除塵裝置狀態(tài)圖設(shè)計(jì)

為了提升噴霧除塵裝置不同工況下的降塵效率，裝置整體分為開機(jī)、運(yùn)行、配置、點(diǎn)噴、全噴五個(gè)模式，模式的切換通過PLC 控制器進(jìn)行控制。噴霧除塵裝置工作狀態(tài)邏輯示意圖如圖2 所示。電源接通后，噴霧除塵裝置自動進(jìn)入開機(jī)模式，控制器顯示屏上有各個(gè)模式的按鍵，通過按鍵的形式進(jìn)行模式切換。其中“配置狀態(tài)”模式中，使用者能夠?qū)c(diǎn)噴時(shí)間、全噴時(shí)間、噴霧方向、噴霧流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[4]。

圖2 噴霧除塵裝置工作狀態(tài)邏輯示意圖

4.2 噴霧除塵裝置自動控制過程設(shè)計(jì)

在對噴霧除塵裝置進(jìn)行優(yōu)化后，能夠選擇手動或自動模式進(jìn)行控制，自動模式通過PLC 控制器進(jìn)行控制，裝置自動控制流程示意圖如圖3 所示。

圖3 噴霧降塵裝置自動控制流程示意圖

噴霧除塵裝置連接電源后，通過“啟動”按鍵，控制PLC 控制器進(jìn)行延時(shí)啟動檢測，對采煤機(jī)各個(gè)模塊的初始化參數(shù)進(jìn)行檢測，檢測完畢后確保初始值在指定范圍內(nèi)，隨后啟動采煤機(jī)進(jìn)行工作。

通過PLC 控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測噴霧除塵裝置的水壓是否處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前管道內(nèi)的水壓小于標(biāo)準(zhǔn)范圍，則向PLC 發(fā)出信號PLC 控制系統(tǒng)收到信號后發(fā)出指令，采煤機(jī)停止運(yùn)行，此外系統(tǒng)發(fā)出故障警報(bào)，提醒施工人員進(jìn)行設(shè)備檢查維修。此外工作過程中PLC 控制器還能夠?qū)Σ擅簷C(jī)電動機(jī)電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)超出指定范圍，采煤機(jī)停止運(yùn)行同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)[5]。

5 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將優(yōu)化后的噴霧降塵裝置檢查完畢后，在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦某工作面MG300/730-WD 型采煤機(jī)上機(jī)組以及駕駛室區(qū)域進(jìn)行了布置和調(diào)試，實(shí)際應(yīng)用于采煤機(jī)截割部的煤塵濃度控制。通過紅外線感應(yīng)遙控噴霧系統(tǒng)進(jìn)行粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，檢測優(yōu)化后裝置的實(shí)際作用效果，檢測結(jié)果如表1 所示。

通過表1 發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的裝置投入使用后，機(jī)組位置處以及駕駛室附近的粉塵濃度檢測結(jié)果分別為148.16 mg/m3以及144.54 mg/m3，呼吸性粉塵濃度依次為30.50 mg/m3以及21.42 mg/m3，同原有裝置結(jié)果對比可知，粉塵濃度顯著下降。相較于原有的形式，噴霧降塵裝置優(yōu)化后總降塵率由31.75%提升為45.07%。

表1 工作面采煤機(jī)截割部噴霧降塵裝置改進(jìn)優(yōu)化前后情況