張 斌，李博文

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719315)

0 引言

由于煤礦的開采條件特殊，在井下煤炭生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生大量粉塵，受井下環(huán)境的影響，這些粉塵會隨風(fēng)流飛揚(yáng)，給井下環(huán)境和井下工作人員身體健康帶來危害。當(dāng)粉塵達(dá)到一定濃度時(shí)，不僅會影響井下工作人員的視線，還可能會發(fā)生爆炸。為了確保煤炭安全開采以及井下工作人員的身心健康，降低粉塵濃度是迫切需要解決的重要的問題之一。國內(nèi)外煤礦以濕式防塵為主，國內(nèi)最常見的方法是噴霧降塵。

1 噴霧除塵原理

依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的理論知識，粉塵顆粒遇到空氣中的霧滴時(shí)，氣流會因霧滴的阻擋繞開液滴向前運(yùn)動(dòng)，而粉塵顆粒會在慣性的作用下與霧滴發(fā)生碰撞，從而被霧滴捕獲。霧滴對粉塵顆粒的捕獲主要是通過凝并作用實(shí)現(xiàn)。有研究表明，粉塵顆粒被霧滴捕獲的概率主要受粉塵自身的受力情況以及霧滴粒徑大小的影響。當(dāng)霧滴的粒徑遠(yuǎn)大于粉塵粒徑時(shí)，粉塵顆粒會隨氣流繞開霧滴而不被霧滴捕獲，當(dāng)霧滴粒徑與粉塵粒徑相近時(shí)，被捕獲的概率最大。因此，霧滴對粉塵的捕獲主要是通過凝并、攔截、慣性碰撞以及擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)[1-3]。

2 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

(1)驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、AACM軟啟動(dòng)器(或液力耦合器)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器等部件。作為帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，根據(jù)輸煤量的不同，常見的輸送形式有單驅(qū)、雙驅(qū)和三驅(qū)3種形式。

(2)輸送裝置。輸送裝置主要由滾筒、膠帶、托輥、機(jī)架4個(gè)部分構(gòu)成。滾筒是帶式輸送機(jī)的主要傳動(dòng)部件，為了避免膠帶打滑，同時(shí)降低滾筒的磨損，滾筒表面會根據(jù)不同工況進(jìn)行包膠；膠帶的種類繁多，主要有尼龍、帆布、芳綸、鋼絲繩芯等膠帶；托輥和機(jī)架作為輸送帶的承載機(jī)構(gòu)，是一整套輸煤系統(tǒng)中數(shù)量最多的單元；托輥架作為托輥的支承結(jié)構(gòu)，其位置是否端正直接影響著膠帶是否跑偏。

(3)輔助裝置。除了主要裝置，一套完整的帶式輸送機(jī)還包括清掃器、逆止器、溜槽、導(dǎo)料槽等輔助裝置。各類裝置的種類繁多，根據(jù)不同輸煤要求和工況，各類輔助裝置可以選擇搭配配置。

3 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷降塵措施

3.1 膠帶表面降塵

對于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷內(nèi)粉塵治理，將噴霧支架固定在膠帶的正上方，并將噴嘴安在噴霧架上，增加煤炭表面的潤濕性，并抑制粉塵擴(kuò)散到運(yùn)輸巷道中。在機(jī)架上安裝鋼制噴霧支架，支架呈半圓狀，噴霧噴嘴正對膠帶安裝。噴嘴采用廣角可調(diào)整的圓形氣體噴嘴。在膠帶上每隔100～200 m安裝一個(gè)鋼托架，噴霧之間的距離可以根據(jù)煤礦現(xiàn)場的干燥程度進(jìn)行調(diào)整。為了方便膠帶噴霧開啟與關(guān)停，安裝噴嘴與膠帶聯(lián)動(dòng)啟停裝置，在膠帶處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，噴霧自動(dòng)開啟；當(dāng)膠帶停止運(yùn)行時(shí)，噴霧自動(dòng)關(guān)停。

3.2 轉(zhuǎn)載點(diǎn)處降塵

目前轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的主要問題是煤炭表面較為干燥，且密閉措施不夠完善。煤炭由后方帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載到前方帶式輸送機(jī)上時(shí)，由于存在一定的高度差，煤塊在下落過程中，在氣流的剪切與擠壓作用下，煤塊表面的粉塵很容易逸散到巷道內(nèi)，造成粉塵污染。關(guān)于轉(zhuǎn)載點(diǎn)的除塵措施，在安裝密閉蓋完善密閉措施的同時(shí)，需要提高煤炭的濕潤度，減少煤炭與空氣摩擦產(chǎn)生的粉塵。為了增加煤炭的濕度，在裝載點(diǎn)現(xiàn)場安裝氣水噴嘴。為了確保噴霧液滴和濕度均勻分布，必須在膠帶中央安裝噴嘴。在運(yùn)送煤炭的過程中，由于機(jī)體振動(dòng)，粉塵從煤炭表面升起，需要抑制振動(dòng)產(chǎn)生的粉塵和減少落煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵。在轉(zhuǎn)載漏斗中放置2組噴嘴，其中1組噴嘴噴霧落在帶式輸送機(jī)上，增加帶式輸送機(jī)的濕度，控制揚(yáng)起的粉塵，另1組噴嘴噴霧使煤炭變得潮濕，降低粉塵。

3.3 落煤點(diǎn)處降塵

針對帶式輸送機(jī)落煤點(diǎn)煤炭干燥的問題，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，采用雙層擋簾密閉罩和氣水噴霧結(jié)合的措施。在閉合的蓋子內(nèi)安裝2個(gè)閉合的擋簾和2組噴頭，并且使用廣角圓形氣體噴嘴[4-6]。

3.4 膠帶清洗降塵

帶式輸送機(jī)膠帶表面粉塵較多，在膠帶頂端的滾筒處，當(dāng)膠帶空轉(zhuǎn)時(shí)，安裝高壓噴嘴清洗附著在膠帶表面的粉塵。在膠帶清洗模塊中，高壓水噴嘴間用管路連接，進(jìn)水口連接高壓軟管。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，當(dāng)膠帶表面粉塵較多時(shí)，可安裝多個(gè)清洗模塊。

3.5 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷斷面降塵

為了進(jìn)一步凈化帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷空間氣流，在巷道的斷面設(shè)置噴霧裝置，捕捉巷道內(nèi)的粉塵。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷內(nèi)每隔100～200 m 的巷道斷面上安裝噴霧裝置，且噴霧裝置之間的距離可根據(jù)現(xiàn)場的干燥程度進(jìn)行調(diào)整。

4 帶式輸送機(jī)無源自動(dòng)噴霧原理與應(yīng)用

4.1 無源自動(dòng)噴霧原理

在帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)傳動(dòng)過程中，托輥與膠帶間的摩擦力帶動(dòng)托輥旋轉(zhuǎn)，托輥在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速范圍約為300～500 rpm，托輥轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能無法被有效收集利用，造成了資源和能源的浪費(fèi)。若能將托輥轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能進(jìn)行利用，將大大提升能源利用率[7-8]。

帶式輸送機(jī)無源發(fā)電裝置由礦用隔爆永磁發(fā)電機(jī)、具備4G功能的主控箱(電動(dòng)球閥內(nèi)置)以及熱釋電傳感器構(gòu)成。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過礦用隔爆永磁發(fā)電機(jī)與膠帶摩擦為主控箱提供電源，打開電動(dòng)球閥，實(shí)現(xiàn)噴霧降塵功能，從而達(dá)到“無源”效果。在每套無源自動(dòng)噴霧裝置中配套安裝熱釋電傳感器，當(dāng)監(jiān)測到人員靠近時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉噴霧電磁閥關(guān)停噴霧；當(dāng)監(jiān)測到人員離開后，系統(tǒng)自動(dòng)打開噴霧電磁閥啟動(dòng)噴霧，避免將沿線巡檢人員淋濕，將之前的粗放式降塵設(shè)施改變?yōu)橹悄芙祲m噴霧。帶式輸送機(jī)無源發(fā)電裝置工作原理如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)無源發(fā)電裝置工作原理

4.2 無源自動(dòng)噴霧裝置安裝

本無源自動(dòng)噴霧裝置根據(jù)現(xiàn)場需要布置的位置，安裝方向?yàn)橄滦心z帶上方位置，安裝角度為40°～50°。發(fā)電機(jī)輸出三相電源與主控箱輸入電源并接，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)外轉(zhuǎn)子，如果轉(zhuǎn)動(dòng)順暢并能同時(shí)打開灑水降塵裝置電動(dòng)球閥，表明設(shè)備能夠正常工作[9-11]。

4.3 帶式輸送機(jī)托輥改造

本發(fā)電裝置托輥結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中不包含托輥側(cè)外殼和軸承)，膠帶轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)托輥外殼旋轉(zhuǎn)，固定于其上的旋轉(zhuǎn)永磁極隨之旋轉(zhuǎn)，磁感線切割固定繞組產(chǎn)生電能通過輸出線輸出電能。

圖2 發(fā)電托輥結(jié)構(gòu)

4.4 發(fā)電托輥在運(yùn)輸巷的應(yīng)用

目前，在煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷內(nèi)存在照明盲區(qū)，尤其是在主運(yùn)輸系統(tǒng)的沿線日常需要對帶式輸送機(jī)進(jìn)行維護(hù)的地點(diǎn)，如更換帶式輸送機(jī)托輥、清掃巷道內(nèi)衛(wèi)生、巷道內(nèi)排水等，運(yùn)輸巷內(nèi)安裝照明燈必須要單獨(dú)鋪設(shè)照明供電線路、安裝照明綜保開關(guān)等，綜合成本較高。

在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷內(nèi)，每隔200 m安裝一組發(fā)電托輥，發(fā)電托輥通過儲能電源箱與照明燈連接。當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電托輥直接給照明燈供電；當(dāng)帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，照明燈依靠儲能電源箱存儲的電能繼續(xù)照明。每套照明系統(tǒng)可以單獨(dú)工作，維護(hù)方便。此外，利用發(fā)電托輥輸出的電源接至電動(dòng)球閥，配合傳感器實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷降塵噴霧的自動(dòng)控制。當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴霧開啟；當(dāng)帶式輸送機(jī)停止時(shí)，噴霧關(guān)閉[12]。發(fā)電托輥現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖3所示。

5 效益分析

2022年6月，本項(xiàng)目于在哈拉溝煤礦開始安裝，7月安裝完畢，共計(jì)安裝21套帶式輸送機(jī)無源自動(dòng)噴霧系統(tǒng)。截止2023年6月底，通過1年的使用，節(jié)能增效的效果明顯，實(shí)現(xiàn)了井下能源的二次利用，省去了專用纜線的敷設(shè)和供電設(shè)備的安裝，節(jié)約了帶式輸送機(jī)開機(jī)時(shí)人為開關(guān)噴霧的人力，避免了帶式輸送機(jī)停機(jī)未及時(shí)關(guān)閉噴霧的浪費(fèi)。

經(jīng)計(jì)算，各測塵點(diǎn)除塵效率均可達(dá)98%以上，每月可節(jié)省9 825 kW·h的電能與82 t的水，工作人員每天可節(jié)約1 h步行主運(yùn)沿線開關(guān)噴霧。該裝置的研究與應(yīng)用改善了員工工作環(huán)境，保證了作業(yè)時(shí)的人身安全，實(shí)現(xiàn)了真正的“無人則安”，為煤礦綠色智能化發(fā)展起到了示范作用。

6 結(jié)語

帶式輸送機(jī)無源自動(dòng)噴霧系統(tǒng)本著安全、節(jié)能、高效的理念，較好地解決了煤炭運(yùn)輸過程中的煤塵污染問題，大大改善了煤礦井下作業(yè)環(huán)境。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了噴霧裝置的自動(dòng)啟停，提高了現(xiàn)場作業(yè)的安全性，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了水資源，節(jié)約了成本，助力綠色礦山建設(shè)。