河津腾晖煤业智能化降尘技术实践

时间：2024-07-28

李国强

（霍州煤电河津腾晖煤业有限责任公司，山西运城 043300）

煤尘的大量积聚容易引发尘爆灾害，煤尘落在采煤装备的关键部位会加速设备磨损，煤尘的大量扩散会挡视线引发误操作，还会导致长期接触煤尘的工人患职业病（尘肺病）。随着河津腾晖煤业智能化开采的推进，智能化开采给粉尘防治工作带来以下问题：遮挡视线影响开采空间的判断和定位；造成设备磨损；降低设备工作性能和智能传感探测精度；煤尘的积聚给智能化开采工作面带来了极大的安全隐患。因此必须针对智能化工作面开采的需求，对煤尘治理进行顶层设计，努力实现防尘降尘的智能化，进一步提升采煤工作面智能化开采水平。

1 降尘技术智能化控制关键技术分析

1.1 智能传感技术

传感器的创新或改进往往能够引起相关智能控制的变革。智能化降尘系统的应用需要有能提升其智能感知能力的传感装置，包括高可靠性和灵敏度的粉尘传感器、低功耗动作感知传感器、无线定位传感器和煤流监测传感器等。一方面需要提升现有传感器的感知能力，另一方面要研发一批新的智能传感器，其主要特点包括无线、抗干扰、低功耗、高可靠性、自定位和小型化，最重要的是能支持物联网接入技术。在河津腾晖煤业智能化降尘系统中，应用了天地科技研发的一种能够支持物联网接入技术的自定位无线压力开关，可用来感应液压类开关操作，并将操作位置和操作点发送出去。传感器还支待非接触调试和检修技术，方便设备调试及维护检稳。

1.2 互联网+物联网的井下信息传输技术

互联网+物联网是整个智能化开采的中枢，应用于智能化降尘系统，在信息传输的顶层设计中设计了智能化降尘系统的信息传输网络，包括数据接口、传输协议、通信方式和相互间的数据交换和动作协调等。充分发挥网络优势，从数据流高效传输和利用的角度规划智能化降尘控制系统。

1.3 机器学习与智能化控制软件

从煤矿地质条件和开采条件的情况出发，基于降尘要求和技术细节的差别，加上井下实地测试的困难和对生产的影响，该矿智能化除尘系统需要能够实现自动检测和智能决策控制，并能够进行清晰明了的远程显示和简单可靠的远程干预。因此，智能化除尘系统要引入机器学习技术，要求现有智能化降尘系统不仅能够实现智能控制，还要能够进行现场关键要素的收集、智能控制经验的自积累、降尘效果的评价等，并能进行数据的关联学习，进而实现真正智能控制。该矿采用了“综采工作面智能喷雾控制软件”，通过该软件可以简单地收集工作面支架数、采煤机运行参数、支架操作状态参数等，并能实现跟机自动喷雾、降架、移架喷雾、采煤机间隔多架支架进行喷雾、多架同时喷雾，延时喷雾等多种功能。该软件还可以与采煤机等综合控制装置进行通信，实现联动智能控制。

2 智能化降尘系统在降尘喷雾点优化布置方案

智能化降尘系统完成设计后，在河津腾晖煤业公司的1514、1524、1517、1523四个工作面进行工业性试验。其降尘喷雾点优化布置方案设计如下。

从河津腾晖煤业公司井下尘源情况可知，综掘工作面和综采工作面是最大的产尘点，尤以综采（综放）工作面产尘量最大，治理最困难。在众多的除尘方法中，喷雾降尘以其布置简单、易于实现智能控制、除尘效果好而应用最为广泛。传统除尘多为针对粉尘扩散过程进行的治理，而要达到更好的效果，并将粉尘的危害降至最低，需变“过程除尘”为“原位除尘”，即以煤尘的最少产生和扩散为治理目标而不仅仅是将煤尘降下来。通过长期对该煤矿井下粉尘观测和治理实践，制定了以下优化布置方案，如图1所示。

图1 综采工作面总体降尘方案

2.1 液压支架智能喷雾

降架、移架过程主要通过布置在液压支架两侧的扇形喷雾进行除尘。在液压支架每侧布置3～4个扇形喷头向顶板及采空区方向喷雾，一是对顶板煤层进行预混，二是阻止煤上沿液压支架缝隙飘散，从而达到除尘的目的。

由于采煤机是运动的，因此要求喷雾系统具有跟机喷雾的功能。同时因为煤尘会飘散，扩散范围较大，因此喷雾的位置、喷雾持续的时间等需要优化设置。通过大量的研究和优化设计，单支架的跟机喷雾点设置如图2所示。喷雾点共设置4个喷头，前部两个锥形喷头，后部两个扇形喷头。锥形喷头主要向煤壁和采煤机喷雾，主要作用是预湿煤壁和阻止采煤机割煤产生煤尘的扩散。扇形喷头会沿割煤方向形成两道水雾帘，主要作用是阻止细小煤尘向液压支架行人空间的扩散。

图2 液压支架智能喷雾单支架布置方案

2.2 采煤机内外喷雾

采煤机内外喷雾如图3所示。首先在采煤机截割滚筒上布置内喷雾，它既起到预湿煤壁的作用，又对细小煤尘具有初步的沉降作用，还减缓了中粒径煤尘的动能，有利于后续的除尘作业。其次设置采煤机外喷雾，外喷雾距离截割滚筒的距离要适当，太近会因中粒径煤尘动能仍然较大而难以达到很好的捕尘效果，太远则容易造成煤尘的扩散，且雾粒的速度又会降低，同样达不到好的降尘效果。本方案中设置了左右摇臂可调外喷雾，增强了喷雾系统对现场降尘的适应性，能起到更好的降尘作用。

图3 采煤机内外喷雾

2.3 转载、破碎点喷雾

在转载机入口、破碎机前后、转载机桥部、转载机卸载点各安装一组喷雾（每组锥形喷嘴，直径1.2mm，流量3～5L/min），智能检测设备的启停以及煤流状态，自动喷雾。如图4所示。

图4 转载、破碎点喷雾示意图

2.4 工作面巷道喷雾

运输巷主要以风流带入的粉尘为主，多为粒径较小的细小煤尘，飘散距离远，浓度不高但难以彻底清除。根据其在运输巷的分布和沉降规律，运输巷安装3道自动风流净化水幕和2道捕尘帘（每道5个扇形陶瓷喷嘴），第1道距工作面30m，第2道在带式输送机机头以里50m处，第3道在全风压汇合点以里50m处，捕捉风流中粉尘。如图5所示。

3 应用效果分析

从智能喷雾降尘系统在河津腾晖煤业1514、1524、1517、1523四个工作面的应用效果来看，该系统整体运行稳定，能适应工作面智能化开采的要求，智能化控制水平高，降尘效果理想。从以上应用的四个工作面来看，既有综采工作面又有综放工作面，工作面高度2.2～8m，该智能化降尘系统的应用包括采煤机除尘系统、液压支架智能除尘系统、转载破碎除尘系统、顺槽除尘系统。后期专门针对8m大采高工作面开发了刮板输送机智能喷雾除尘系统，该系统实现了与综采智能控制系统的联动控制，可与综采智能控制系统融为一体，为智能化开采条件下的群组协同工作奠定了基础。