田 野，郭新安，陳學棟

（1.新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆露天礦智能生產與管控重點實驗室，新疆 昌吉 831100）

隨著“碳中和、碳達峰”相關政策的實施，我國能源結構正逐步調整，但煤炭整體消費比重仍占50%以上[1]。露天開采具有生產規(guī)模大、資源回收率高和勞動作業(yè)條件好等優(yōu)點，在我國煤炭資源的開采中所占的比重逐年上升，目前煤炭資源露天開采比重已超過20%[2]，從長期發(fā)展來看，新疆、內蒙古等露天開采比例還將進一步增大。

但隨著露天開采規(guī)模及開采強度的不斷加大，露天礦粉塵污染已成為礦山發(fā)展的突出問題。近年粉塵引起火災爆炸頻發(fā)，嚴重威脅人民生命財產安全。據統計，2005—2015 年，我國共發(fā)生粉塵爆炸事故72 起，死亡262 人，受傷634 人，且塵肺病高發(fā)，嚴重威脅礦工生命安全。據國家統計局統計：截止2020 年底，我國累計報告職業(yè)病97.5 萬例，其中職業(yè)性塵肺病87.3 萬例，約占職業(yè)病病例總數的90%。

露天開采暴露面積大，產塵源頭多，且屬于開放式采掘模式，粉塵的產生與移運受外界因素干擾明顯[3]。眾多學者對露天礦的多個產塵源頭穿孔、爆破采裝及運輸等環(huán)節(jié)均進行了粉塵污染及治理研究[4-7]，取得了較為可觀的研究成果，且在國內多個露天礦山應用顯著降低各環(huán)節(jié)粉塵排放。但現有研究主要針對露天礦各作業(yè)環(huán)節(jié)，鮮有對露天礦運輸系統粉塵治理進行研究[8]。在露天礦開采工藝中，連續(xù)開采工藝及半連續(xù)開采工藝以其良好的經濟性廣泛應用于各大露天礦[9-10]，作為連續(xù)工藝及半連續(xù)開采工藝的重要組成部分，露天礦輸煤廊道及地面系統的粉塵產塵機理及粉塵污染防治對露天礦粉塵治理具有重要意義，是露天礦山綠色礦山和生態(tài)文明建設的重要一環(huán)。為此，針對新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統有效開展粉塵治理，改善員工作業(yè)環(huán)境，降低職業(yè)病風險，降低爆炸風險，提升源頭安全性和降低員工勞動強度。

1 礦山及地面生產系統概況

1.1 南露天煤礦概況

新疆天池能源南露天煤礦位于準東煤田大井礦區(qū)，礦區(qū)內地表無常年水流，夏季降雨形成的暫時性水流多向南排泄于沙漠中，部分在低洼地匯集蒸發(fā)，形成平坦的淤積泥板地。東疆石油開發(fā)生產基地位于礦區(qū)西北部，有1 個深層地下水供水站為火燒山石油基地生活區(qū)近3 000 人提供清潔的地下水，該水站保障了勘查施工生產、生活用水。216 國道上的五彩灣一帶因地下水水位較高水質差，只能作為一般生產、生活用水。五彩灣再向南東25 km 處還有另1處石油部門的深層地下水供水站，可為礦山抑塵方案的開展提供水源。

1.2 地面生產系統

新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統由一次破碎站、二次破碎間、儲煤倉、給煤機、火車快速裝車站、帶式輸送機、刮板機等組成，新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統示意圖如圖1。

圖1 新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統示意圖

新疆天池能源南露天煤礦采煤為單斗－卡車－半移動式破碎站－帶式輸送機半連續(xù)開采工藝。根據煤炭銷售需求，露天煤礦地面系統以輸煤廊道、鐵路和公路運輸方式外銷粒度為＜50 mm 的原煤。采煤工作面以單斗挖掘機采掘，由自卸卡車自坑內運輸至半移動式一次破碎站，一次破碎站生產能力3 000 t/h，將煤破碎至粒度300 mm 以下。破碎后的煤由帶式輸送機提升至地面上并運輸進入二次破碎間。二次破碎間內安裝有2 臺生產能力2 000 t/h 的雙齒輥破碎機，將原煤破碎至粒度≤50 mm。破碎后的產品煤經過帶式輸送機運至儲煤倉上的配倉走廊，配倉走廊內有2 臺配倉刮板輸送機。

2 南露天煤礦地面生產系統粉塵治理現狀

2.1 產塵原因

2017 年，地面系統夏季視線不清、冬季黏料嚴重，粉塵濃度嚴重時達到100 mg/m3以上，粉塵濃度大。2018—2019 年，新疆天池能源南露天煤礦輸煤系統進行粉塵治理，改善很大，但是仍然超標，治理效果不連續(xù)，達到20 mg/m3以上。在礦山的安全風險分級及管控連續(xù)2 年被辨識評價為重大風險。

新疆天池能源南露天煤礦地面系統在煤炭運輸期間容易產生粉塵，原因主要可劃分為來煤自身理化因素和外部客觀因素2 個方面。

自身因素包括來煤水分含量低，來煤中細小顆粒過多，其所運送的煤炭為31 號不黏煤，由于該品種煤的理化性質，細微煤粉顆粒在運輸中轉過程中不能附著在大顆粒上，易從其表面脫落、分離出來而形成空氣中飄浮的煤塵。新疆天池能源南露天煤礦在采礦過程中粉塵會伴隨整個過程，生產的主要環(huán)節(jié)如采煤、掘進、運輸、提升、地面煤泥干燥等幾乎所有作業(yè)工序都不同程度地產生煤塵。

外部因素主要來源為落料口未采取有效抑塵措施或帶式輸送機的機頭及機尾的高落差落煤和輸送帶運行速度過大等。通過收集信息、數據分析、專家調研等，發(fā)現設備缺陷所導致的粉塵問題占比高達60%，設備缺陷引起的產塵原因主要有：①輸送帶跑偏引起的撒料揚塵；②輸送帶回程面黏料振動引起的粉塵擴散；③帶式輸送機除塵清掃系統積灰斗卸灰產生的粉塵問題；④帶式輸送機承載面運煤過程中紊流氣體引發(fā)的煤塵擴散。

2.2 改造前除塵系統不足

現有降塵抑塵系統依靠現場巡檢人員通過環(huán)境觀察，根據粉塵濃度大小，手動抵達現場控制帶式輸送機旁球閥大小從而調節(jié)噴淋、噴霧量大小。因人為未能及時把控水量，易導致帶式輸送機濕滑從而引發(fā)局部跑偏、護皮外翻、磨損，甚至重載跳機等現象。人為因素的參與更是加劇了不安全因素的危險?，F有粉塵治理系統維護表現在日常的維護及運行過程中的巡檢。噴嘴堵塞、壓力不足、水量大小、設備各類運行狀態(tài)、參數等有效信息，集控中心人員無法通過上位機畫面或智能化平臺第一時間把控，緊急情況下，更無法遠程主觀急停設備，避免事故危害范圍擴大。被動的維護及檢修嚴重地影響了環(huán)境治理進程，給降塵抑塵系統管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3 露天煤礦地面生產系統粉塵綜合治理

3.1 抑塵原理

微米級干霧抑塵裝置是由壓縮空氣驅動聲波震蕩器，通過高頻聲波的音爆作用在噴頭共振室處將水高度霧化，產生10 μm 以下的微細水霧顆粒（直徑10 μm 以下的霧稱干霧）噴向起塵點，使水霧顆粒與粉塵顆粒相互碰撞、黏結、聚結增大，并在自身重力作用下沉降，達到抑塵的作用。

當粒徑較大的霧滴與粉塵顆粒接觸時，粉塵由下向上運動，水霧顆粒由上向下運動，在運動過程中大粉塵與大的水霧顆粒，小粉塵與小的水霧顆粒相結合。

當水霧顆粒的粒徑小于10 μm，達到干霧級的時候，滴的表面張力減小，粒子之間的黏力就會越來越大，所以，以粉塵粒子為核的“微細粉塵顆粒-微細水霧顆粒”二相流中，粒子與粒子之間很容易結合在一起，從而使整個粒子不停地變大，最終沉降下來，達到除去粉塵粒子的目的。

綜上所述，當水霧顆粒的粒徑與粉塵顆粒的粒徑大小相近，且霧量較大時，空氣中的水蒸氣迅速飽和，飽和的水蒸氣與粉塵碰撞、接觸并凝聚在一起，達到一定的重量后沉降下來。這就是微米級干霧抑塵技術的除塵原理。

3.2 治理方案

新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統重點區(qū)域已完成自主安裝噴霧、噴淋共計25 套，控制方式均為就地手動控制。在原有基礎上，新增40 套粉塵治理設備，通過引入羅克韋爾AB 系列邏輯控制實現同類型主系統間信息交互，達成利用帶式輸送機、煤流監(jiān)測、粉塵傳感器等感應參數，實現自動化降塵控制系統根本目標。提供基礎數據支撐，借助在建綜合預警平臺開發(fā)，完成“粉塵治理1 張圖”智能化發(fā)展建設。新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統通過增補49 套除塵噴淋噴霧設施，改造原有25 套降塵設備，建成共計74 套遍布廊道機頭、機尾物料落料口、轉載點等粉塵濃度較高、重點防范區(qū)域的專業(yè)抑塵、降塵設備。具體實施方案如下：

1）現場設備改造布控。帶式輸送機機頭、機尾部分綠色點位表示雙流體噴霧抑塵裝置，安裝于機頭溜槽輸送帶承載面，有效阻礙物料飛濺、下落揚塵。單流體噴淋裝置主要安裝于機頭回程面及來料方向卸灰點處，有效把控二次揚塵，位于輸送帶下方的洗帶裝置，用于徹底清除輸送帶回程面黏煤。

2）自動化升級改造布控。采用同主系統一致的AB1756 系列PLC 當主站，控制分站采用1734 系列，單獨設CPU 進行信號處理，利用主輸送帶滿速信號、煤流檢測信號、粉塵檢測實時濃度信號等多重聯合條件作為降塵系統多級動作條件，實現自動化連鎖粉塵治理基礎需求。搭配3 類電氣施工方案、樹狀式網絡構架，建造總體以羅克韋爾AB 系列大型PLC為控制系統平臺。實現高度自動化抑塵降塵系統。

3）建設粉塵監(jiān)測獨立網絡系統。網絡建設部分以1/2 配電室為主站，其余各分站短距離利用超5類雙絞線，長距離利用光纜配合光纖收發(fā)器、交換機等構成樹狀網絡架構，高效配合主系統粉塵實時濃度收集74 處系統內重點區(qū)域各類降塵、抑塵裝置反饋動作參數。

3.3 治理效果

在采用粉塵綜合治理措施后，新疆天池能源南露天煤礦地面生產系統粉塵監(jiān)測系統自動化程度大幅提升，可根據不同帶式輸送機易產生煤塵的實際現場勘察情況，展開針對性連鎖措施治理。以獨立建設粉塵治理系統為抓手，打造多點多源自動化抑塵降塵手段；系統可靠性提升，整體系統以1 個CPU核心、多個現場分站，通過自組網有線連接技術打造穩(wěn)定輸出，精準反饋的基礎目標；智能化程度穩(wěn)步提高，借助綜合預警平臺強大背景，統籌統建“粉塵治理1 張圖”，達成多區(qū)域，高精度實時動態(tài)自動降塵顯示與追蹤功能。整個粉塵治理過程達成無人化操作，遠端式監(jiān)控，輸煤系統粉塵治理效果。

同時系統安全風險降低，通過粉塵治理項目建設，有效減輕現場工作人員職業(yè)病危害威脅。加強了現場精細化設備應用時長，從而進一步提升設備利用率。

4 結語

1）新疆天池能源南露天煤礦煤質理化特性為水分含量低，來煤中細小顆粒過多，地面生產系統易產生粉塵，且因原有除塵裝置缺陷，粉塵監(jiān)測和治理效果差，粉塵總量持續(xù)超標。

2）在原有基礎上，新增40 套粉塵治理設備，通過引入羅克韋爾AB 系列邏輯控制實現同類型主系統間信息交互，達成利用帶式輸送機、煤流監(jiān)測、粉塵傳感器等感應參數，實現自動化降塵控制系統根本目標，完成“粉塵治理1 張圖”系統建設。

3）在地面生產系統采用微米級干霧抑塵為主的粉塵綜合治理措施后，系統自身的可編程邏輯控制器（PLC）可根據現場情況自動控制，整個粉塵治理過程達成無人化操作，遠端式監(jiān)控，減少現場操作工人勞動強度且除塵效果明顯。