综采工作面自动防尘技术
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摘 要：为了防止煤矿尘爆灾害的发生和尘肺职业病的危害，必须开展煤尘防治工作。该文详细分析了煤尘的产生及危害，并分3个防治阶段介绍了当前煤尘防治的原理和方法。在综合分析各种降尘方法的研究方向、应用范围和应用效果的基础上，指出了各自的优劣和发展方向，最后对当前应用最为广泛的喷雾降尘技术进行了重点分析和研究，并进行了一些有益的探索工作。通过该文的分析和研究，既有利于煤尘防治工作的展开，又有利于对相关技术和应用的深入研究。
关键词：综采;降尘;煤层注水;喷雾降尘;喷雾控制
中图分类号： TD714 文献标志码：A
0 引言
近些年来，全国重、特大事故频繁发生，特别是煤矿企业的各类事故发生率非常严重，给国家财产和人民生命造成巨大损失。根据国家安全生产监督管理总局统计，2000年至今，全国就发生煤尘爆炸事故11起，导致446人遇难。在因瓦斯等导致的煤矿爆炸事故中，煤尘也起到了推波助澜的作用，扩大了事故危害。随着综采机械化采煤工艺的普遍应用，煤矿井下的产尘量也越来越大，因此，急需开展煤尘防治工作，防患于未然。近年来，相关的研究工作在煤尘的防治工作中取得了一定的成效，为实现煤尘的高效防治打下了一定基础，但对煤尘防治的系统研究较为缺乏，相关的降尘自动控制系统和装备研究更是匮乏，在当前加强煤炭高效安全开采和职业病防治以及井下开采自动化、智能化的要求下，这一问题亟待解决。
1 煤尘的产生及危害
1.1 煤尘的产生
煤尘从产生来源上分可以分为原生煤尘和开采煤尘。
原生煤尘是指存在于煤层孔隙之间的天然煤尘，是先天存在的，随着煤炭被开采出来的同时“逸出”孔隙并扩散到开采工作面，对煤炭安全开采和工人的身体健康造成危害。
开采煤尘是指在煤炭的开采和运输、巷道的掘进和支护等作业过程中由于煤炭被破碎或磨碎以及相互碰撞产生的煤尘，是后天形成的。但是各个工作过程产尘量多少、颗粒分布情况及受哪些因素影响尚无明确结论，其研究成果将关乎开采工艺的改进、开采设备关键结构件的设计以及有效的综合煤尘防治措施的制定。
1.2 煤尘的危害
煤尘防治之所以受到重视，是因为大量煤尘的产生有很大的危害性，具体表现为3种危害。
1.2.1 引发爆炸或扩大爆炸危害
煤尘本身具有可燃性，粉末状态的煤尘总表面积显著增加，吸附氧的能力大大增强而且更容易被氧化，一旦遇见火源，空气中氧气与煤尘急剧地氧化而发生爆炸。在煤矿爆炸事故中，虽然瓦斯爆炸大概占70%，但是煤尘大多起到了推波助澜的作用。由于爆炸具有很高的冲击波速，能将巷道中落尘扬起，甚至使煤体破碎形成新的煤尘，从而导致新的爆炸，有时可如此反复多次，形成连续爆炸，因此危害更严重[1]。
1.2.2 降低工作场所的能见度
在采掘工作面，高浓度的煤尘会使本就光照较低的工作面的能见度更低，从而导致误操作，增加伤亡事故的概率。同时，较低的能见度也将影响远程可视化开采工作面的推广和使用，阻碍了无人开采工作面的推进进程。
1.2.3 加速设备磨损
煤尘粒径分布范围之广使其能够“无孔不入”，设备相对运动部位进入煤尘必然会加速机械磨损，缩短设备的使用寿命。煤尘沉积在生产设备上，还易发生电路中断、皮带打滑等故障。随着煤矿机械化、自动化程度的提高，设备越来越多，由此造成的损失也越来越大。
2 综采降尘方法
2.1 采前注水
煤层注水[1]防尘是通过打钻孔向煤体中注水，提高煤体的含水量和润湿性，从而减少采煤时粉尘的产生，尤其是可以有效降低原生粉尘的扩散。添加表面活性剂可以改善水对煤的湿润能力，如德国选用氯化钙作为注水添加剂，显著提高了抑制粉尘产生的作用，目前，该技术在我国各大煤矿得到普遍应用。
2.2 采时喷霧
通过一定的手段控制刚产生的煤尘的扩散，尽量将煤尘控制在特定的空间和位置内，一般采用内喷雾、高压外喷雾和液压支架架间喷雾等技术[2]。
2.3 采后集尘
经过以上措施，仍有一些煤尘扩散开来，这时需要采用相关的除尘技术和设备对煤尘加以过滤和排除。
此阶段采用的煤尘防治技术主要有：通风除尘、除尘器除尘和个体防护等。通风除尘是通过采用合理的通风技术和最佳的排尘风速的方法将扩散开来的煤尘通过风流带出巷道。除尘器就是采用各种除尘器进行空气净化。个体防护即是采取带防护口罩等方法进行主动防护。
3 综采降尘技术研究现状
3.1 煤层注水与采后集尘技术研究
煤层注水技术的研究主要集中在长钻孔设备、煤层润湿机理、粉尘抑制剂研制和粉尘抑制剂混合配比设备的研究上。近年来，难溶水煤层因其自身特性决定的易产尘、难润湿的特点使其成为开采作业煤尘综合防治的难题，针对难溶水煤层的相关基础理论研究和粉尘抑制剂研制及相关设备研发成为当前的研究热点和难点。
采后集尘主要是除尘风机等集尘设备的研发，目前在区域集尘点除尘应用上较为成功，不适合整工作面的除尘，而且其除尘效率有待进一步提高。
3.2 智能化喷雾降尘关键技术研究
喷雾降尘技术因其不占工时、覆盖面广、降尘效果好，且体积小、易安装、能够与综采设备配套联动等优点被广泛采用，但在当前的应用中存在以下不足。1）雾化效率不高，喷嘴经常出现磨损和堵塞等问题。2）工作面煤尘检测设备缺乏，严重妨碍了煤尘的自动治理。3）喷雾降尘自动控制技术和设备落后，不能满足快速全面降尘的需求。4）井下环境复杂多变，综采设备较多，自动喷雾降尘系统整体配套亦困难重重。
为了解决以上问题并适应当前快速高效降尘的需求，提出并开展了智能化喷雾降尘技术的研究，并研制了相关的控制系统，其主要成果如下。 3.2.1 喷嘴雾化参数数值模拟研究及优化
影響喷嘴雾化性能的参数有水流入射角度、混流腔体长径比、出射直径和雾化角等，采用数值模拟技术进行多参数影响情况分析，进而通过参数优化设计高效雾化喷嘴，提高雾化效率，如图1所示为采用fluent进行数值模拟的情况。
通过结构创新、参数优化设计和材料改进已设计出了新型雾化喷嘴，具有雾化效果好、防堵塞和易安装等优点。
3.2.2 研制了智能化喷雾降尘控制器
采用ARM嵌入式和CAN总线控制技术进行智能化喷雾降尘控制器的开发，试验测试表明，研发的控制系统已能够实现100个喷雾点的控制。
另外，该控制系统还具有采煤机位置检测、支架动作检测和行人检测等功能，能够实现采煤、移架和放煤喷雾及行人通过停止喷雾等智能控制，并且预留了多个传感器接入和开关量控制接口，便于系统功能扩展或定制[2]。
3.2.3 开发了智能化喷雾降尘控制软件
开发了界面友好的控制软件，所有控制参数都可以人工设定，并能够根据采煤方向与风流方向是否一致自动改变控制模式。另外，还可以根据需要单独定制相应功能和控制界面。如图2所示为控制软件的部分功能界面。
3.2.4 实现了与综采装备的配套和联动
控制系统完成了与液压支架等井下综采关键设备的配套技术研究，并在喷雾点布置安装、管路设计、供电、通信和综采设备信号获取等方面进行了系统研究，实现了控制系统与综采设备的配套和联动。
4 结语
随着对煤矿安全高效生产和职业病防治的重视程度增加，煤矿对综采降尘装备的需求会越来越大，而且随着机械化开采程度的不断提高和自动化、智能化装备的逐步推广，井下煤尘防治设备也必然朝着自动化和智能化的方向发展，并与当前的井下开采装备实现配套和联动。与此同时，在一些关键技术和基础理论研究上需要取得进一步的突破，如难溶水煤层的煤尘防治、煤尘润湿机理、喷嘴雾化效能的提升和耐磨材料的研究、井下无线传感技术的研究和相应传感器的研制等。另外，在软件研究方面，由于信息点多，信息源复杂，因此基于多信息融合技术的智能控制系统的研究是未来的发展方向。
参考文献
[1] 张旭，杨成立，李晓江.煤尘注水防尘研究[J].工业技术，2011（29）：86-87.
[2] 周刚.综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术研究[D].青岛：山东科技大学，2009：23-24.
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