5G智能喷淋技术在露天矿山抑尘中的应用

任 艺，于 琴

（天津矿山工程有限公司，天津 300073）

露天开采过程中的凿岩、爆破、矿石（废石）堆场和运输等作业环节会产生大量的粉尘。粉尘会影响矿区周边空气质量，危害人体健康和生命安全[1-2]。并且，随着露天开采深度不断增加，粉尘的扩散会更加困难，矿山开采作业条件也逐渐恶化[3]。随着国家经济的发展，国内外的露天矿山粉尘问题日益凸显[4-5]。因此，为把露天矿山粉尘污染降到最低限度，制定科学切实可行的粉尘防治措施，采取更加有效的降尘抑尘措施势在必行。目前，控制粉尘的方法有喷水抑尘法、水雾降尘法[6-7]、抑制剂法、超声雾化抑尘除尘、超声波除尘技术[8-9]等。其中，喷水抑尘法简便易行，但是因为传统的喷水方式和喷水效率的限制，不能精细控制和计算喷水量，效果一直差强人意。因此，若要增强喷水抑尘的效果，使之符合矿山粉尘控制的要求，仍需探索新的喷水抑尘方式。喷淋系统在矿山抑尘中已经有过研究和应用[10-12]。

1 工程概况

惠州市光大水泥企业有限公司上窝石场开采工程由天津矿山工程有限公司承建，开采规模960×104t/a。矿岩主要为黄土状粉土与剥离物砂岩组成，表面风化强烈，上有黄土覆盖，地形破碎，冲沟极为发育。矿山地处北回归线附近，属亚热带季风气候，年平均温度20.8℃。日极端最高气温出现在7月份，为39.9℃；日平均极端最低气温出现在1月份，为-4.4℃。风向具有明显的季节性，夏、秋两季多东风和东南风，且常有台风袭扰，最大风力达11～12 级，冬春两季以西北风为主。由于空气干燥、水蒸发量极大，该矿区极易发生扬沙和浮尘天气。

上窝石场矿山（图1）采用露天开采，汽车运输方式。在矿山开采过程中，常采用洒水车、雾炮等传统方式进行降尘，存在下列不足：

图1 上窝石场全貌

（1）作业现场设备近400 台套，运输道路车流密度大、气温高，因此洒水挥发快，不能满足降尘的需要。

（2）该方法对于挖装、爆破工序降尘效果不明显或受现场条件限制无法使用。

（3）施工现场扬沙和浮尘极为严重，能见度低，尤其是夜间，影响交通安全，极易出现交通事故，还会影响现场作业人员的身体健康。

2 5G智能喷淋系统的应用

采用传统的喷水降尘方法无法达到控尘的目的，亦不能满足环保督察的要求。为此，“5G 智能喷淋系统”新工艺可为矿区的粉尘控制提供新的解决方案。

2.1 5G智能喷淋系统介绍

上窝石场矿区采用的5G 智能喷淋系统采取高压喷淋方式，由自动旋转的喷枪将水喷洒在指定的道路、平台，并且通过粉尘传感器的控制，实现全方位的喷淋智能监控。上窝石场矿区所采用的5G 喷淋中央控制系统，装机功率为450kW，安装有大喷枪20 个，小喷头231 个。单个喷枪覆盖直径达160m，整个喷淋系统可覆盖全部2.6km2矿区和6km 运矿道路。该5G 智能喷淋系统功能如下：

（1）程序顺序控制功能。该功能主要控制喷头布置、喷射时间等参数的设定，可在“本地模式”、“自动巡演模式”中切换。其中，自动巡演模式按照预设的“巡演时间”，每一组或每一个喷头、喷枪自动依次喷淋、“巡演”。而本地模式则是按照预设的“本地时间”，根据现场实际需要，按需手动控制喷淋过程。

（2）监测与控制功能。在手机、电脑及遥控面板上设有转换界面，可实现点对点控制、在线温度监测、水池水位报警、运行状态、定时控制、环境粉尘浓度监测等功能。

（3）粉尘浓度实时在线控制功能。根据现场捕捉粉尘测定PM值，一旦超标，该系统会自动开启喷淋。

（4）超压报警及水流故障报警功能。当管道堵塞或喷枪阀门不能正常启动、水泵不运转、压力传感器或流量传感器超过额定值时，喷淋系统会自动停机报警，并在故障处理后自动恢复正常运转。

（5）无线变频控制功能。当作业面转移时，基于5G技术的无线模拟量反馈信号传输与控制系统可在手机或电脑操控界面按需变频（0~50Hz），按需调整角度，保证喷淋范围覆盖整个作业区域。

2.2 5G智能喷淋系统参数配置

（1）喷淋参数的设定。主要的喷淋参数包括喷淋强度和喷淋时间。喷淋强度设定为4.8mm/h，日最大喷淋量根据日最大蒸发强度确定。喷淋时间设定为每30min喷淋一次，每次喷淋作业运行10min。

（2）采准平台喷枪设计。根据矿区面积、采区分布、开采规模、喷枪射程等条件，该喷淋系统共计布置20 把喷枪。已知喷枪的射程为80m，每平米的单日最大蒸发量为13.94mm/d。若按每日工作9h 算，根据前述喷淋参数的设定，单个喷枪每日累计喷淋的时间为3h。根据已知量，计算喷枪和水泵参数如下：

单个喷枪最大有效覆盖面积为：3.14×80m×80m=20096m2

单个喷枪日需喷水量为：20096m2×13.94mm/d=280.14m3/d

喷淋洒水系统每小时最大流量：280.14m3/d÷3h/d=93.38m3/h，按照80%的有效功率计算，考虑一定的富余量，选定水泵的流量应不小于93.38/80%=116.73m3/h。

根据上述计算结果，喷枪和水泵的参数配置如表1所示。

表1 采准平台喷枪和水泵参数表

（3）道路喷头设计。根据现场道路的尺寸，选定喷头射程为10m、间距为15m，单个喷头覆盖角度为0°~180°。根据现场实际情况，选定每500m（即33个喷头）为一组，逐组运行。相应运行参数计算如下：

每组喷头最大有效覆盖面积：33×3.14×10m×10m/2=5181m2

每组喷头每日需喷水量为：5181m2×13.94mm/d=72.2m3/d

喷淋洒水系统每小时最大流量：72.2m3/d÷3h/d=24.1m3/h，按照80%的有效功率计算，考虑一定的富余量，选定水泵的流量应不小于24.1/80%=30.13m3/h。

根据上述计算结果，以及可供选择的水泵型号、喷枪和水泵的参数配置如表2所示。

表2 道路喷头和水泵参数表

3 5G智能喷淋系统的降尘效果

喷淋系统的每个喷头、喷枪上均装有粉尘捕捉仪，一旦粉尘超标，就会自动喷淋。据统计和观察，在采用该5G智能喷淋系统后，每天的用水量近800m3，现场基本达到无尘生产，实现了全工序控尘、清洁生产。具体效果图展示如图2~图4所示。

图2 5G智能喷淋系统使用前后挖装作业对比照片

图3 5G智能喷淋系统使用前后爆破作业对比照片

图4 5G智能喷淋系统使用前后道路运输对比照片

4 结论

5G智能喷淋系统自运行以来，降尘效果明显，为矿山带来了良好的经济效益、环境效益和社会效益，得到了当地政府部门的好评。目前，该系统已在公司内部和行业内推广应用。

目前，该喷淋系统的智能化主要体现在基于5G通信技术的喷淋作业智能启动、运行和调整。该系统未来的研究将集中在根据不同的粉尘特征、气候条件以及开采条件，系统参数配置的智能化。