新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统煤尘综合治理方案

2023-11-06郭新安陈学栋

露天采矿技术 2023年5期

田野，郭新安，陈学栋

（1.新疆天池能源有限责任公司，新疆昌吉 831100；2.新疆露天矿智能生产与管控重点实验室，新疆昌吉 831100）

随着“碳中和、碳达峰”相关政策的实施，我国能源结构正逐步调整，但煤炭整体消费比重仍占50%以上[1]。露天开采具有生产规模大、资源回收率高和劳动作业条件好等优点，在我国煤炭资源的开采中所占的比重逐年上升，目前煤炭资源露天开采比重已超过20%[2]，从长期发展来看，新疆、内蒙古等露天开采比例还将进一步增大。

但随着露天开采规模及开采强度的不断加大，露天矿粉尘污染已成为矿山发展的突出问题。近年粉尘引起火灾爆炸频发，严重威胁人民生命财产安全。据统计，2005—2015 年，我国共发生粉尘爆炸事故72 起，死亡262 人，受伤634 人，且尘肺病高发，严重威胁矿工生命安全。据国家统计局统计：截止2020 年底，我国累计报告职业病97.5 万例，其中职业性尘肺病87.3 万例，约占职业病病例总数的90%。

露天开采暴露面积大，产尘源头多，且属于开放式采掘模式，粉尘的产生与移运受外界因素干扰明显[3]。众多学者对露天矿的多个产尘源头穿孔、爆破采装及运输等环节均进行了粉尘污染及治理研究[4-7]，取得了较为可观的研究成果，且在国内多个露天矿山应用显著降低各环节粉尘排放。但现有研究主要针对露天矿各作业环节，鲜有对露天矿运输系统粉尘治理进行研究[8]。在露天矿开采工艺中，连续开采工艺及半连续开采工艺以其良好的经济性广泛应用于各大露天矿[9-10]，作为连续工艺及半连续开采工艺的重要组成部分，露天矿输煤廊道及地面系统的粉尘产尘机理及粉尘污染防治对露天矿粉尘治理具有重要意义，是露天矿山绿色矿山和生态文明建设的重要一环。为此，针对新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统有效开展粉尘治理，改善员工作业环境，降低职业病风险，降低爆炸风险，提升源头安全性和降低员工劳动强度。

1 矿山及地面生产系统概况

1.1 南露天煤矿概况

新疆天池能源南露天煤矿位于准东煤田大井矿区，矿区内地表无常年水流，夏季降雨形成的暂时性水流多向南排泄于沙漠中，部分在低洼地汇集蒸发，形成平坦的淤积泥板地。东疆石油开发生产基地位于矿区西北部，有1 个深层地下水供水站为火烧山石油基地生活区近3 000 人提供清洁的地下水，该水站保障了勘查施工生产、生活用水。216 国道上的五彩湾一带因地下水水位较高水质差，只能作为一般生产、生活用水。五彩湾再向南东25 km 处还有另1处石油部门的深层地下水供水站，可为矿山抑尘方案的开展提供水源。

1.2 地面生产系统

新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统由一次破碎站、二次破碎间、储煤仓、给煤机、火车快速装车站、带式输送机、刮板机等组成，新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统示意图如图1。

图1 新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统示意图

新疆天池能源南露天煤矿采煤为单斗－卡车－半移动式破碎站－带式输送机半连续开采工艺。根据煤炭销售需求，露天煤矿地面系统以输煤廊道、铁路和公路运输方式外销粒度为＜50 mm 的原煤。采煤工作面以单斗挖掘机采掘，由自卸卡车自坑内运输至半移动式一次破碎站，一次破碎站生产能力3 000 t/h，将煤破碎至粒度300 mm 以下。破碎后的煤由带式输送机提升至地面上并运输进入二次破碎间。二次破碎间内安装有2 台生产能力2 000 t/h 的双齿辊破碎机，将原煤破碎至粒度≤50 mm。破碎后的产品煤经过带式输送机运至储煤仓上的配仓走廊，配仓走廊内有2 台配仓刮板输送机。

2 南露天煤矿地面生产系统粉尘治理现状

2.1 产尘原因

2017 年，地面系统夏季视线不清、冬季黏料严重，粉尘浓度严重时达到100 mg/m3以上，粉尘浓度大。2018—2019 年，新疆天池能源南露天煤矿输煤系统进行粉尘治理，改善很大，但是仍然超标，治理效果不连续，达到20 mg/m3以上。在矿山的安全风险分级及管控连续2 年被辨识评价为重大风险。

新疆天池能源南露天煤矿地面系统在煤炭运输期间容易产生粉尘，原因主要可划分为来煤自身理化因素和外部客观因素2 个方面。

自身因素包括来煤水分含量低，来煤中细小颗粒过多，其所运送的煤炭为31 号不黏煤，由于该品种煤的理化性质，细微煤粉颗粒在运输中转过程中不能附着在大颗粒上，易从其表面脱落、分离出来而形成空气中飘浮的煤尘。新疆天池能源南露天煤矿在采矿过程中粉尘会伴随整个过程，生产的主要环节如采煤、掘进、运输、提升、地面煤泥干燥等几乎所有作业工序都不同程度地产生煤尘。

外部因素主要来源为落料口未采取有效抑尘措施或带式输送机的机头及机尾的高落差落煤和输送带运行速度过大等。通过收集信息、数据分析、专家调研等，发现设备缺陷所导致的粉尘问题占比高达60%，设备缺陷引起的产尘原因主要有：①输送带跑偏引起的撒料扬尘；②输送带回程面黏料振动引起的粉尘扩散；③带式输送机除尘清扫系统积灰斗卸灰产生的粉尘问题；④带式输送机承载面运煤过程中紊流气体引发的煤尘扩散。

2.2 改造前除尘系统不足

现有降尘抑尘系统依靠现场巡检人员通过环境观察，根据粉尘浓度大小，手动抵达现场控制带式输送机旁球阀大小从而调节喷淋、喷雾量大小。因人为未能及时把控水量，易导致带式输送机湿滑从而引发局部跑偏、护皮外翻、磨损，甚至重载跳机等现象。人为因素的参与更是加剧了不安全因素的危险。现有粉尘治理系统维护表现在日常的维护及运行过程中的巡检。喷嘴堵塞、压力不足、水量大小、设备各类运行状态、参数等有效信息，集控中心人员无法通过上位机画面或智能化平台第一时间把控，紧急情况下，更无法远程主观急停设备，避免事故危害范围扩大。被动的维护及检修严重地影响了环境治理进程，给降尘抑尘系统管理带来了巨大挑战。

3 露天煤矿地面生产系统粉尘综合治理

3.1 抑尘原理

微米级干雾抑尘装置是由压缩空气驱动声波震荡器，通过高频声波的音爆作用在喷头共振室处将水高度雾化，产生10 μm 以下的微细水雾颗粒（直径10 μm 以下的雾称干雾）喷向起尘点，使水雾颗粒与粉尘颗粒相互碰撞、黏结、聚结增大，并在自身重力作用下沉降，达到抑尘的作用。

当粒径较大的雾滴与粉尘颗粒接触时，粉尘由下向上运动，水雾颗粒由上向下运动，在运动过程中大粉尘与大的水雾颗粒，小粉尘与小的水雾颗粒相结合。

当水雾颗粒的粒径小于10 μm，达到干雾级的时候，滴的表面张力减小，粒子之间的黏力就会越来越大，所以，以粉尘粒子为核的“微细粉尘颗粒-微细水雾颗粒”二相流中，粒子与粒子之间很容易结合在一起，从而使整个粒子不停地变大，最终沉降下来，达到除去粉尘粒子的目的。

综上所述，当水雾颗粒的粒径与粉尘颗粒的粒径大小相近，且雾量较大时，空气中的水蒸气迅速饱和，饱和的水蒸气与粉尘碰撞、接触并凝聚在一起，达到一定的重量后沉降下来。这就是微米级干雾抑尘技术的除尘原理。

3.2 治理方案

新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统重点区域已完成自主安装喷雾、喷淋共计25 套，控制方式均为就地手动控制。在原有基础上，新增40 套粉尘治理设备，通过引入罗克韦尔AB 系列逻辑控制实现同类型主系统间信息交互，达成利用带式输送机、煤流监测、粉尘传感器等感应参数，实现自动化降尘控制系统根本目标。提供基础数据支撑，借助在建综合预警平台开发，完成“粉尘治理1 张图”智能化发展建设。新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统通过增补49 套除尘喷淋喷雾设施，改造原有25 套降尘设备，建成共计74 套遍布廊道机头、机尾物料落料口、转载点等粉尘浓度较高、重点防范区域的专业抑尘、降尘设备。具体实施方案如下：

1）现场设备改造布控。带式输送机机头、机尾部分绿色点位表示双流体喷雾抑尘装置，安装于机头溜槽输送带承载面，有效阻碍物料飞溅、下落扬尘。单流体喷淋装置主要安装于机头回程面及来料方向卸灰点处，有效把控二次扬尘，位于输送带下方的洗带装置，用于彻底清除输送带回程面黏煤。

2）自动化升级改造布控。采用同主系统一致的AB1756 系列PLC 当主站，控制分站采用1734 系列，单独设CPU 进行信号处理，利用主输送带满速信号、煤流检测信号、粉尘检测实时浓度信号等多重联合条件作为降尘系统多级动作条件，实现自动化连锁粉尘治理基础需求。搭配3 类电气施工方案、树状式网络构架，建造总体以罗克韦尔AB 系列大型PLC为控制系统平台。实现高度自动化抑尘降尘系统。

3）建设粉尘监测独立网络系统。网络建设部分以1/2 配电室为主站，其余各分站短距离利用超5类双绞线，长距离利用光缆配合光纤收发器、交换机等构成树状网络架构，高效配合主系统粉尘实时浓度收集74 处系统内重点区域各类降尘、抑尘装置反馈动作参数。

3.3 治理效果

在采用粉尘综合治理措施后，新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统粉尘监测系统自动化程度大幅提升，可根据不同带式输送机易产生煤尘的实际现场勘察情况，展开针对性连锁措施治理。以独立建设粉尘治理系统为抓手，打造多点多源自动化抑尘降尘手段；系统可靠性提升，整体系统以1 个CPU核心、多个现场分站，通过自组网有线连接技术打造稳定输出，精准反馈的基础目标；智能化程度稳步提高，借助综合预警平台强大背景，统筹统建“粉尘治理1 张图”，达成多区域，高精度实时动态自动降尘显示与追踪功能。整个粉尘治理过程达成无人化操作，远端式监控，输煤系统粉尘治理效果。

同时系统安全风险降低，通过粉尘治理项目建设，有效减轻现场工作人员职业病危害威胁。加强了现场精细化设备应用时长，从而进一步提升设备利用率。