马脊梁矿回风巷道云喷雾降尘系统设计

2023-11-10张艳军王秋冬叶家根

山西大同大学学报(自然科学版) 2023年5期

张艳军，王秋冬，叶家根

（1.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003；2.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

粉尘治理是世界性难题[1-3]。粉尘浓度过高会导致工作空间内能见度降低，严重降低工作效率[4-8]。密闭空间粉浓度过高容易引起爆炸，对煤矿安全生产和井下工人的生命安全构成严重威胁。有效控制粉尘、改善井下工作环境，是煤矿安全生产的重要环节[9-14]。

许多学者对喷雾降尘做了大量的研究，井巷粉尘浓度基本得到控制。例如：Ren[15]等在采煤机摇臂处安装降尘设备，测试实验的降尘效果明显；赵晓亮[16]将高压注水和喷雾配合应用，降尘效果显著；雷庆海[17]将高压喷雾装置和负压降尘装置结合起来，提出了一种综合降尘系统，降尘效果得到了有效的提升；闫克楠[18]采用了牵引式喷雾降尘，效率显著提高，用水量相对减少；陈凤娇[19]对采煤机的负压二次降尘装置的参数和结构进行了优化，提出一种新的采煤机喷雾降尘系统，降尘效果提升了50%；郭增乐[20]等搭建实验平台对旋流芯式喷嘴进行实验，降尘效果得到提升。由于目前井下降尘设备性能单一不稳定，自动化程度低，适应性差，故达不到智慧矿山建设的要求。为此，以快速、智能、绿色为理念设计一种云喷雾降尘方案，可以满足智慧矿山建设的要求。

1 降尘技术概述

降尘总体思路大致分为三种：①从源头减少粉尘的扩散。比如煤层注水，原理是给煤层打孔并利用水压使煤层湿润使其产尘减弱，同时使煤层的塑性性能增强，降低煤尘的扩散；缺点是随着工作面采掘深度的增大，对煤层注水质量提高了要求，斜孔的施工难度难以达到设计要求，导致煤层注水降尘效果不理想。②采用通风设备去除已有的粉尘。比如通风降尘，原理是采用通风的方法将产生的粉尘浓度降低并将粉尘通过风流排出；缺点是对风流速度、方向以及风量提出了较高的要求，而且短期内除尘效果不明显。③采用物理的方法加快大气中粉尘的沉降速度。比如泡沫除尘，原理是在水里参杂表面活性剂，充分反应后，通过发泡机产生泡沫，泡沫粘附粉尘，加速粉尘的沉降；缺点是实际操作过程较为复杂，降尘的成本较高。再如喷雾降尘，原理是通过特定喷嘴将纯水或者添加表面活性剂的水转换为雾气，与粉尘结合，达到拦截捕尘的目的，加快沉降速度；优点是操作简单可行，降尘成本相对较低，短期降尘效果相对明显。

在综合成本、操作、降尘效果等多方面因素，结合智慧矿山建设的要求，采用云喷雾方法开展降尘研究较为可行。

2 云喷雾降尘系统工作原理

云喷雾降尘是将喷雾设备与智能控制相结合进行降尘。云喷雾降尘方案如图1，系统包括控制箱、控制线、供水泵、供水管、过滤系统、冷雾机组、信号线、高压管道、粉尘感应器以及喷头等部分，地面工作人员可通过安装在巷道两帮的粉尘传感器实时监测井下某工作面巷道内的粉尘浓度。工作时，可预设一粉尘浓度阈值，当达到阈值时，传感器将信号通过A/D 电路转换输出给控制柜，控制柜发出控制命令，启动供水泵通过高压供水管向喷雾装置供水，喷雾装置开始降尘；当低于某一阈值时，工作人员可停止云喷雾系统运行。为了防止长时间运行时水中的杂质堵塞喷嘴，设计时加入过滤系统，过滤完的井下水进入到冷雾机组对水进行加压，通过合适的高压雾化，实现喷雾降尘的目的。

图1 智能喷雾降尘装置示意图

3 智能喷雾装置控制系统仿真与分析

3.1 控制系统硬件总体框图

智能喷雾降尘系统是以AT89C51 单片机为控制系统核心，由粉尘传感器模块、单片机模块、显示器模块、喷雾降尘模块等组成，总体框图如图2。粉尘浓度传感器通过单片机发送的信号，输出降尘信号，同时驱动供水泵信号，可以24 小时全天候对巷道内粉尘浓度进行监测，达到喷雾装置的完全智能化控制的目的。

图2 控制系统总框图

3.2 控制系统仿真设计

Proteus 是一款用于单片机开发的仿真软件，元器件种类多，仿真效果好。智能喷雾降尘系统的控制系统用Proteus 软件进行仿真，由粉尘浓度传感器模块、AT89C51 单片机模块、喷雾泵模块、A/D 转换器模块、报警器模块以及控制电路模块组成，原理如图3。粉尘浓度传感器检测的数值信号通过A/D 转换器，由和单片机连接的LED 灯显示出来。当单片机反馈的数据值超出预设的数据值时，报警器发出报警信号，传递给单片机，控制喷雾泵开始喷雾降尘；当粉尘浓度传感器监测到粉尘浓度低于单片机预设值时，单片机控制喷雾泵停止工作。

3.3 仿真结果与分析

实验室用Proteus 软件对喷雾装置的控制系统进行仿真。预先给单片机设定100 mg/m3，运行系统，此时粉尘浓度传感器开始监测，单片机显示器上的数值慢慢增加；当显示器上数值为100 mg/m3时，报警器开始发出报警响声，单片机发出控制信号，喷雾泵开始运行。结果说明，控制效果较好，即通过单片机将粉尘浓度传感器和喷雾装置智能关联，可以实现喷雾装置的智能化控制，验证了方案的可行性。