远程遥控智能综掘面高效泡沫除尘技术*

张文浩，王志军，黄传波

(1.霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033102；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；3.郑宏恒泰(新密)煤业有限公司，河南 新密 452376)

0 引言

煤炭智能化开采是煤炭工业技术革命、产业转型升级的重要内容，近年来已成为煤炭开采技术发展的热点。加快煤矿智能化发展，建设智能化矿井是煤炭工业的战略方向，也是时代潮流和国家战略[1]。为扎实推进“智慧矿山”建设，加快矿井信息化、数字化、智能化改造升级，近期木瓜煤矿引进了综掘机远程遥控操作可视化技术，该技术通过视频图像和状态信息远程监视及远程操作，实现综掘机工况多角度可视化远程截割遥控，该技术的实施能够降低现场作业危险，减轻工人劳动强度，大大提升工作效率，推动矿井智能化、少人化，提高矿井安全生产水平。

为配合综掘机远程遥控可视化技术的实施，确保远程遥控可视化摄像仪的高清晰图像，急需提高综掘面迎头在掘进期间的能见度。然而，当前综掘面配备的喷雾降尘+除尘器集尘的除尘方法由于除尘效率偏低已无法满足快速掘进引起的大产尘量带来的除尘要求，故需引进新的快速高效除尘方法。为解决远程遥控综掘面高效除尘难题，查阅和调研国内外资料，在综合分析对比目前常用除尘方法的基础上，提出适用于远程遥控智能综掘工作面快速高效除尘的泡沫除尘技术并进行应用。

1 综掘面除尘方案综合对比及选择

目前，综掘面除尘方法主要有抑尘剂+喷雾降尘、干雾除尘和泡沫抑尘除尘技术[2-3]。

1.1 抑尘剂+喷雾降尘

抑尘剂+喷雾降尘方法，是在传统喷雾降尘的基础上，通过添加抑尘剂降低水表面张力，改善水对煤的润湿能力，把粉尘由疏水性变为亲水性，使粉尘快速湿润而被捕获[4-6]。相对传统喷雾降尘，降尘效率有所增加，但对呼吸性粉尘效果欠佳。用于综掘面降尘的缺陷是迎头处雾气较大，能见度低，严重影响作业视线[7-8]。还需配备抑尘剂自动添加装置实现抑尘剂的自动添加，以及购买专用抑尘剂。

1.2 干雾抑尘

干雾抑尘又叫做气雾抑尘，其原理基于欧美科学家的研究理论成果，即“水雾颗粒与尘埃颗粒大小相近时，吸附、过滤、凝结的概率最大”。通过“云雾”化的水雾来捕捉粉尘，因水雾颗粒与粉尘大小一致、比重相近，在空气中滞留时间相等，充分让水雾与空气中的粉尘颗粒结合，形成粉尘和水雾的团聚物，受重力作用而沉降[9-10]。干雾抑尘实际上还是喷雾降尘的一种。价格相对便宜，降尘率70%～80%。缺陷是由于干雾为更细更小的雾粒，更容易漂浮在空气中，水雾与粉尘结合需要时间，降尘速度较慢，雾化水粒会形成较重的水雾团，能见度很差，严重影响作业视线。且喷头容易阻塞、故障，更换频率高，需要购买多个专用雾化喷头以及用于自动调节气路和水路的控制系统，增加除尘费用。

1.3 泡沫抑尘除尘技术

泡沫高效抑尘除尘技术是利用井下的除尘水管和压风管路，通过发泡器将发泡剂、空气和水按照一定的配比，经充分均匀混合后产生大量均匀细腻的泡沫群，经管道输送，最后通过专用喷头直接喷洒到尘源上。喷射出的泡沫具有较高的动能，在与粉尘颗粒发生碰撞、覆盖、黏附、湿润等综合作用下，凭借泡沫及其液膜具有良好黏性、湿润性、隔绝性和弹性的优点，基本可以将与之相遇的所有粉尘捕集。泡沫高效抑尘除尘技术彻底打破了传统“被动降尘”的思想，从“主动降尘”的理念出发，利用泡沫的覆盖性对综掘机切割滚筒这一根本尘源进行全面包裹，从源头上抑制粉尘的产生[11-12]。它不但兼有一般喷雾降尘和化学抑尘的优点，而且还具有以下特点：①覆盖性能好——形成密集的泡沫体能够无空隙地罩住尘源，从根本上阻止粉尘向外界扩散。②掘进面迎头空间环境好、能见度高——由于泡沫体只在综掘机切割滚筒周围产生，能无空隙地罩住尘源，将产生的粉尘控制在较小的封闭空间内，从而有效阻止粉尘向外扩散，使得掘进面迎头空间环境好，能见度高，不影响作业人员的操作视线，能够降低安全隐患，提高工作效率。③接触面积大——液体形成泡沫后，泡沫群总体积和总表面积大幅度增大，增加了与尘粒的接触面积及碰撞几率，有效净化井下采掘面的工作环境。④润湿速度快——泡沫的液膜中含有增加粉尘亲水性能的特制表面活性剂，能迅速改变粉尘的湿润性能，增加粉尘被湿润的速度。⑤黏附性能好——泡沫具有很好的黏性，粉尘和泡沫接触后会迅速被泡沫黏附。⑥耗水量小——该技术与水喷雾技术相比，用水量可减少35%～80%，而降尘效率却比喷雾洒水高2～5倍。耗水量小，避免了水雾除尘耗水量大而引起的综掘机沉陷，提高工作效率[13]。⑦能够远程控制——通过防爆电磁阀来控制进水管路和压风管路，能够对装置的启停进行远程控制。

1.4 综合对比

抑尘剂+喷雾除尘价格较高，且迎头处雾气较大，能见度较低。干雾除尘相对便宜，但雾化喷头更换频率较高，会增加费用，降尘速度较慢，迎头雾气会很大，能见度很差，严重影响视线。泡沫除尘效率高，尤其对切割滚筒部位粉尘，迎头能见度高，视线清晰，费用适中，是一种理想的综掘面快速高效除尘方法。故推荐泡沫除尘技术。

2 远程遥控智能综掘面泡沫高效抑尘除尘技术

2.1 远程遥控智能综掘面泡沫除尘装置

传统泡沫除尘技术在发泡器前需配备用于将水和发泡剂混合的混合器，增加了成本和系统复杂度，且启停需人工操作，无法实现远程遥控。为适应远程遥控智能综掘工作面快速高效除尘的需要，在传统泡沫除尘工艺方法的基础上，将混合器与发泡器融为一体，降低了设备复杂度，同时增加智能控制系统，以提高除尘装置的自动化水平与远程操控能力。泡沫除尘装置如图1所示。发泡器为矿用泡沫降尘装置的关键设备，箱体容积0.08 m3，重95 kg，由箱体、混料和控料集成块、给水控制集成块、发泡集成块、给气控制集成块和发泡控制集成块等组成。发泡器通过磁力吸盘固定在掘进机平台上部，对其他装置不影响。分配器是对发泡介质的能量进一步储存与重新分析的装置，它由筒体、进泡入口接头、出泡出口接头、连接底座等组成。压力水要求进水压力≥0.5 MPa，压气要求进气压力≥0.4 MPa。

图1 泡沫除尘装置布置Fig.1 Layout of foam dust removal device

2.2 远程遥控智能综掘面泡沫除尘技术工艺

泡沫除尘技术工艺流程主要由远程遥控启动、混合、发泡、分配、喷射以及捕尘等环节构成，其工艺流程如图2所示。除尘装置启停由遥控台控制，与综掘机连锁，保证除尘装置及时启停，不浪费泡沫液。采用井下正常使用的压力管道输送的压力水和压力风作为泡沫除尘的水源和风源。发泡剂为专用绿色高效降尘泡沫发泡剂，以植物表面活性剂为基料耦合添加特制的聚合物，增强了泡沫液膜的黏度和强度，使得发泡剂的使用浓度降低且湿润能力提高，且成分无毒无刺激、生物可降解[6]。

图2 泡沫除尘工艺流程示意Fig.2 Foam dust removal process

3 现场应用及效果

3.1 综掘面概况

10-2011煤巷综掘面巷道掘进断面4 800 mm×4 100 mm(宽×高)，巷道净断面4 600 mm×4 000 mm(宽×高)。综掘机为天地煤机EBZ-260H型综掘机。综掘机位置风压0.5 MPa，水压2.5 MPa，能够满足泡沫除尘的需要。综掘面风筒直径为φ800 mm，风筒出风口风量为320 m3/min，出风口到掘进面距离小于10 m。煤质硬度2～3，为中等硬度煤层。

3.2 掘进巷道能见度

采用高清数码防爆相机对综掘面使用泡沫除尘前后掘进巷道不同位置空气环境进行了拍照，如图3～6所示。可以清楚地看到，使用泡沫除尘前，掘进期间巷道内各拍照点能见度较低，视线均比较模糊，尤其是工作面迎头处视线严重受阻，能见度很低，很难清楚地观察到迎头煤壁状况，严重影响司机割煤作业。使用泡沫除尘装置后，掘进期间巷道内环境能见度明显改观，工作面视觉效果良好，能见度由原来的2.6 m提高到4.1 m，工作面迎头均在可视范围内，视线清晰，能够清楚地观察到迎头煤壁状况。作业期间巷道内空气较为清洁，现场工人呼吸顺畅，鼻腔、喉咙无不适感，面部粉尘有效减少，特别是鼻孔处黏附粉尘降低60%左右。据综掘队工作人员反映，使用泡沫除尘装置后，掘进机前方视线非常开阔，能够很清晰地观察到迎头煤壁状况。随着工作面粉尘浓度降低，能见度大大提高，操作设备更加准确、方便、得心应手，减少了误操作，提高了设备的使用寿命，巷道成型显著提高。

图3 泡沫除尘使用前后掘进面迎头能见度情况Fig.3 Head-on visibility of the tunneling face before and after foam dedusting

图4 泡沫除尘使用前后综掘机摇臂处能见度情况Fig.4 Visibility at the rocker arm of the fully mechanized excavator before and after foam dedusting

图5 泡沫除尘使用前后综掘机附近能见度情况Fig.5 Visibility near the fully mechanized excavator before and after foam dedusting

图6 泡沫除尘使用前后掘进巷道能见度情况Fig.6 Visibility of the roadway before and after foam dedusting

3.3 粉尘浓度测试及分析

为了进一步明确泡沫除尘效果，对10-2011综掘面使用泡沫除尘先后粉尘浓度进行了跟踪测试，并开展了对比分析，为更准确测定泡沫除尘效果，使用泡沫除尘后进行了2次粉尘浓度测定。图7为粉尘测点布置图，图8为使用泡沫除尘前后粉尘浓度对比，图9为使用泡沫除尘后除尘效率。

1-截割头处(掘进面迎头处)；2-司机作业处；3-转载机尾部；4-伸缩皮带机下风侧；5-距掘进头100 m处；6-距掘进头200 m处图7 粉尘测点布置示意Fig.7 Layout of dust measuring points

由图8和图9可知，泡沫除尘技术对全尘的降尘效率均超过85%，最大为86%，对呼吸性粉尘的降尘效率均超过80%，最大为82.8%，说明泡沫除尘对呼吸性粉尘和全尘均具有很高的除尘率。能够满足《综掘工作面综合防尘技术规范》(MT/T 1189—2020)中“使用泡沫降尘后，总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率分别不低于85%和80%”的规定。

图8 使用泡沫除尘前后粉尘浓度对比Fig.8 Comparison of dust concentration before and after foam dedusting

图9 使用泡沫除尘后除尘效率Fig.9 Dust removal efficiency after foam dedusting

3.4 经济效益

机载喷雾是综掘面常用的除尘方式，一般采用掘进机的机载内、外喷雾进行水雾除尘，耗水量一般约为10 m3/h，而泡沫除尘的耗水量为0.75 m3/h，能够大量节约水资源。根据工作面泡沫除尘设备使用前后能见度对比，使用泡沫除尘后割煤期间巷道能见度显著提高，有利于掘进机司机割煤期间更好地控制巷道成型。10-2011工作面成型效果较使用前有了很大提升，缩短了刷底角时间，减少了人力投入。

4 结语

泡沫除尘技术采用“主动降尘法”，利用泡沫的覆盖性对综掘机切割滚筒这一根本尘源进行全面包裹，从源头上抑制粉尘的产生，使得粉尘不外扬，能够从根本上保证掘进面迎头的能见度，为远程遥控智能开采提供了视觉保障。该技术可以有效降低采掘面的粉尘浓度，极大地改善采掘工作面的工作环境，提高井下作业人员的工作效率和掘进速度，有效降低采掘一线职工尘肺病的发病率，为职工造福，为煤炭企业安全、绿色生产奠定坚实基础，具有显著的经济效益与社会效益。