齊慶杰1,2，董子文1,2，汪日生1,2，周新華1,2，楊  楨3

 （1．遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧阜新123000；

 2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000；

  3．遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105）

 摘要：考慮高負載皮帶輸煤巷中繼站粉塵濃度過高且塵源復(fù)雜的特點，以同忻礦主斜井中繼站為研究對象，采用現(xiàn)場實測和實驗分析相結(jié)合的方法對粉塵產(chǎn)生強度、濃度變化、粒徑分布等特性進行研究分析，設(shè)計研發(fā)了基于多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測的全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場。結(jié)果表明：中繼站內(nèi)粉塵產(chǎn)生強度高達3. 344×105 mg/min，且以呼吸性粉塵為主，污染嚴重；全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)的運行使得中繼站內(nèi)全塵和呼塵的質(zhì)量濃度均下降85%左右，降塵效果明顯，具有良好的實用推廣性。

 關(guān)鍵詞：中繼站；塵源特性；全自動；氣水霧化除塵系統(tǒng)；除塵效果

中圖分類號：X964 

0  引言

 近年來，采煤工藝和機械自動化程度的不斷提高，使得煤礦井下的產(chǎn)塵量不斷攀升，其中，皮帶輸煤巷是僅次于采掘工作面產(chǎn)塵量多的場所。皮帶輸煤巷中繼站是大中型礦井長距離斜井提升的重要環(huán)節(jié)之一，主要由中間卸載裝置和中間驅(qū)動單元設(shè)備組成，它源源不斷地為上下游皮帶提供運行動力，緩解了單一皮帶遠距離輸送帶來的驅(qū)動電機功率供應(yīng)不足和皮帶易被拉斷的問題。但由于中繼站空間布置的特殊性和設(shè)備的高強度運行，造成該處的粉塵濃度長時間處于嚴重超標狀態(tài)，不僅影響環(huán)境視線、磨損設(shè)備，還能引發(fā)塵肺病、煤塵自燃或爆炸等潛在危害。

 基于數(shù)值模擬和相似實驗手段，國內(nèi)外專家學者對煤礦井下皮帶輸煤巷粉塵分布規(guī)律、影響因素以及防治措施進行了大量的研究，提出煤層注水預(yù)濕、封閉塵源、加大通風、噴霧灑水、降低皮帶轉(zhuǎn)載點落差、減小皮帶運行速度等抑塵措施。但針對高載荷皮帶輸煤巷中繼站粉塵防治尚存在如下問題：缺乏塵源特性分析，如粒徑分布、產(chǎn)塵強度；對除塵措施與現(xiàn)場條件的適用性研究不夠；除塵工藝的智能自動化水平不高，粉塵濃度難以得到有效控制。

 本文以同忻礦主斜井中繼站為背景依托，通過分析研究其產(chǎn)塵機理和塵源特性，設(shè)計研發(fā)出全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場，為其他條件類似礦井皮帶巷粉塵的防治提供參考。

1  工程概況

 同忻礦是采用斜井提升的千萬噸現(xiàn)代化礦井，主斜井全長4550m，裝備了ST4500型阻燃鋼繩芯帶式輸送機，其運輸方式為頭部卸料、尾部受料。輸送機的輸送傾角為上運3. 080～5. 130，皮帶寬1.8m，運轉(zhuǎn)速度5 m/s，最大運載量4800t/h。由于運輸距離過長，如圖1所示，在主斜井設(shè)置中繼站進行運輸過渡，中繼站內(nèi)布置中間卸載裝置、中間驅(qū)動單元等設(shè)備，中間驅(qū)動單元采用功率配比為1:1:1的三滾筒三電機驅(qū)動。在轉(zhuǎn)載點下風向緊挨著皮帶設(shè)有長25m左右的高架橋，便于設(shè)備安裝和故障檢查。主斜井2080m處設(shè)有一普通噴霧水幕。

2  中繼站產(chǎn)塵原因與塵源特性研究

2.1  產(chǎn)塵原因分析

 中繼站的工況比較復(fù)雜，塵源分布廣，通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合理論分析，得出其高濃度粉塵含量主要由以下幾個原因造成：

 1)在皮帶轉(zhuǎn)載點上、下游皮帶端頭處及煤流拋擲下落過程中，形成牽引風流、誘導(dǎo)風流和正壓沖擊波風流，三者的共同作用促使煤流表面大量粉塵剝離飛揚。

 2)皮帶的滿載運行造成與之緊鄰的高架橋的振顫，致使高架橋上散落的碎煤破裂成更小的顆粒，并獲得起跳沖量進入風流中。

 3)供水管網(wǎng)水質(zhì)較差，加上轉(zhuǎn)載點高濃度粉塵的逆風擴散，造成2080m處原有的普通噴霧系統(tǒng)時常堵塞，抑塵效果不明顯。

 4)中繼站溫度高，巷道壁面干燥，游離態(tài)的粉塵難以被捕捉；沉降在機電設(shè)備表面的濕粉塵也會很快吸熱、脫水干燥，發(fā)生二次飛揚。 

 5)四、五、六聯(lián)巷兩端風流壓差不大，由主斜井一側(cè)向副斜井流動的風速很小，中繼站內(nèi)的粉塵難以向副斜井擴散。

2.2塵源特性研究

 引入宏觀特性指標和微觀特性指標的概念，對中繼站內(nèi)的塵源特性進行詳細分析：

2.2.1  塵源宏觀特性研究

 1)產(chǎn)塵強度的測算

 依次測定圖1中各斷面的粉塵濃度，則中繼站內(nèi)浮塵產(chǎn)塵強度可用式(1)進行計算：

 式中：Qfc為中繼站內(nèi)的產(chǎn)塵強度，mg／min, C i為第i個斷面的平均粉塵濃度，mg/m3；Q i為通過第i個斷面的平均風量，m3／rriin。

 現(xiàn)場實測時，根據(jù)《工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范》、《作業(yè)場所空氣中粉塵測定方法》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場測點布置的可行性，每個斷面選取3個測點，取其數(shù)據(jù)的平均值作為該斷面粉塵濃度，測點位置布置如圖2所示。測點粉塵濃度測定方法采用濾膜稱重法，所得統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1=

 將表1中各測定斷面的平均粉塵濃度和風量代入式(1)中，可得出中繼站內(nèi)的浮塵產(chǎn)塵強度為3. 344×105mg/min。

  2)粉塵濃度分布

  對皮帶正上方0. 3m處、以及人行道呼吸帶高度平面（距底板1. 5m）內(nèi)兩位置的全塵濃度進行詳細測定，其沿程分布如圖3所示。從圖中可看出：自轉(zhuǎn)載點下料口處產(chǎn)生大量粉塵，隨風流方向運移擴散，粉塵濃度先快速升高，在2115m位置附近達到最大值，后逐漸下降至平穩(wěn)，但濃度值仍處于較高水平：在呼吸帶高度平面內(nèi)，粉塵濃度場以皮帶為中心向巷道邊緣擴散，濃度值逐漸降低。

2.2.2  塵源微觀特性研究

 利用Rise - 3022粉塵形貌分散度測試儀對中繼站內(nèi)采集的粉塵樣品進行分析測試，其中，具有代表性的2100m斷面粉塵樣品粒徑頻率和累計分布分析結(jié)果如圖4所示。不同斷面粉塵粒徑沿程變化如圖5所示，其中D10指粒徑分布曲線上累計頻率達到10 %所對應(yīng)的粉塵粒徑，其它的依此類推。

 由圖4可知，中繼站2100m處浮塵最小粒徑為0.5 μm，最大粒徑為32 μm；粒徑在5μm以下的呼吸性粉塵顆粒數(shù)占全塵的85%左右二粉塵中位徑 D50 為1. 82μm，其比表面積Sp=3.3×104cm2／cm3。經(jīng)回歸分析發(fā)現(xiàn)粉塵粒徑分布較好地符合Rosin -Rammler分布，分布率如下：

 從圖5可看出，主斜井中繼站內(nèi)的粉塵粒徑較小，主要集中在0. 71~16μm，5μm以下的粉塵數(shù)量累積頻率達到60%以上，10μm以下的粉塵數(shù)量累積頻率達到90%以上。表明：中繼站區(qū)域內(nèi)粉塵污染主要以小粒徑為主，會給長期在此環(huán)境中工作的皮帶看護人員造成很大的身體傷害。

 采用浸潤速度法對中繼站塵樣的潤濕性進行檢測分析，測得其浸潤速度u20的范圍為2.59~2. 73 mm/min，介于中等親水性粉塵指標u20=2.5~8. 0mm/min，屬中等親水性粉塵。且中繼站內(nèi)粉塵以細小粒徑為主，噴霧能有效地促進其發(fā)生團聚效應(yīng)而加速沉降，故可考慮采取濕式除塵方法來降低中繼站內(nèi)的粉塵危害。

3全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)研究

 根據(jù)前述分析可知，主斜井中繼站產(chǎn)塵量大、濃度高，且以呼吸性粉塵為主，是重點防塵對象。而由于中繼站空間的復(fù)雜性，單相噴霧除塵應(yīng)用效果不佳。因此，本著裝置智能自動化、系統(tǒng)可靠實用、配件易于維護的研發(fā)理念，設(shè)計了適用于皮帶輸煤巷中繼站的全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)。

3.1  系統(tǒng)控制裝置的構(gòu)成及工作原理

3.1.1  系統(tǒng)的構(gòu)成元件

 全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)是一種以粉塵濃度傳感器作為環(huán)境監(jiān)測元件、觸控傳感器作為煤料檢測元件、紅外熱釋傳感器作為行人監(jiān)測元件，以電動球閥作為核心元件的新型噴霧除塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)的控制裝置主要有：隔爆本安不間斷電源、監(jiān)控分站、氣水混合箱、水質(zhì)過濾器、本安電動球閥1對、紅外熱釋光控傳感器1對、粉塵濃度傳感器、觸控傳感器、氣水兩相霧化噴霧器等。

 系統(tǒng)中，霧化噴嘴選用口徑為1. 2mm的PZF型氣水霧化噴嘴，如圖6所示。該噴嘴充分利用射流破碎原理以及噴嘴混合室末端高速低壓的特點，一定壓力的壓縮空氣，以高速沖擊速度較低的水，將其撕裂成細小的液滴，產(chǎn)生大量適合捕塵的霧滴群。

3.1.2  系統(tǒng)的工作原理

 全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)工作原理如圖7所示。當粉塵濃度傳感器監(jiān)測到巷道中的粉塵濃度超過設(shè)定的閾值會發(fā)出警鳴聲，并將信號傳給電動球閥引起噴霧響應(yīng)；當懸掛在皮帶正上方的觸控傳感器的觸桿被煤流有效撞擊后，振動傳感元件將高頻脈沖信號轉(zhuǎn)換成高電平信號輸出給電動球閥控制電路，開啟噴霧；當固定在巷道壁上的兩個紅外熱釋光控傳感器感應(yīng)到行人經(jīng)過時，將接收到的低電平紅外信號轉(zhuǎn)換成高電平感應(yīng)信號輸出，電動球閥接收到感應(yīng)信號后關(guān)閉噴霧，確保行人不被淋濕，行人離去后自動恢復(fù)噴霧。粉塵濃度傳感器感應(yīng)信號與觸控傳感器感應(yīng)信號之間為并集關(guān)系，它們兩各自與紅外熱釋傳感器感應(yīng)信號之間成交集關(guān)系，3種傳感器輸出的感應(yīng)信號邏輯響應(yīng)關(guān)系見圖8。

3.2全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)的安裝

 在粉塵濃度沿程分布的研究基礎(chǔ)上，論證確定了主斜井2080m斷面和2150m斷面作為全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)的合理安裝位置。一方面，2080m處霧化水幕濕潤轉(zhuǎn)載點的落煤揚塵，加速沉降，抑制其向下游飄移擴散，且能降低中繼站溫度；另一方面，2150m處霧化水幕能有效地隔斷上游中繼站內(nèi)浮塵的隨風運動，凈化下游風流，且提前濕潤煤流，減少轉(zhuǎn)載點落煤揚塵。

 其中，監(jiān)控分站安置在五聯(lián)巷電源箱附近；粉塵濃度傳感器迎風安裝在噴霧斷面下風向10m左右處；觸控傳感器安裝在噴霧斷面偏上位置處的皮帶正上方，觸桿末端距皮帶底15~25cm;兩紅外熱釋光控傳感器分別安裝在噴霧斷面上下側(cè)10m左右處的巷壁上；電動球閥分別安裝在壓風管路和消防水管接口附近巷壁上，一端接供風或供水管路，另一端接通氣水兩相霧化噴霧器；水質(zhì)過濾器安裝在供水管路和電動球閥中間，便于拆卸清洗；氣水兩相霧化噴霧器固定在皮帶上方的工字鋼橫梁上。

3.3現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

 系統(tǒng)安裝完畢后，選取皮帶運行穩(wěn)定、煤量均勻的時間段（出煤班）進行效果檢測。結(jié)果表明：全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)具有顯著的降塵效果；與原噴霧系統(tǒng)相比，氣水霧化液滴粒徑要小得多，明顯減小了耗水量，且微細霧滴的快速蒸發(fā)降低了中繼站內(nèi)的環(huán)境濕度，改善作業(yè)環(huán)境；實現(xiàn)了智能控制，節(jié)約了人工。氣水霧化噴霧水幕效果如圖9所示。

 為了進一步量化分析全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)的除塵效果，保持2150m斷面的噴霧處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟2080m斷面噴霧，在其下風側(cè)選取8個具有代表性的測點，測定噴霧開啟前后粉塵濃度，測定數(shù)據(jù)見表2。從表中數(shù)據(jù)分析可知：

 1)未開啟噴霧時，中繼站內(nèi)的粉塵濃度過大，最高可達200m/m3以上，呼塵質(zhì)量占全塵的70%左右，污染嚴重。

 2)開啟噴霧后，中繼站內(nèi)的粉塵在慣性碰撞、截留、布朗擴散和重力沉降等機理的作用下被霧滴捕獲，全塵濃度降至5~ 40mg/m3，呼塵濃度降至3—25 mg／m3；全塵和呼塵的除塵效率均高達85%左右，其中，呼塵的除塵效率高于全塵，說明選用的PZF型噴嘴霧化粒徑細小而均勻，霧化場對呼吸性粉塵具有更好的捕捉抑制作用。

 3)隨著測點離噴霧斷面距離的增加，除塵效率總體呈遞減趨勢，這主要是由于霧滴被風流帶走或水分蒸發(fā)，致使其與粉塵群的接觸機會減少。

 此外，在現(xiàn)場應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)，當噴嘴以一定的上揚角度逆風噴霧時，霧化效果更好，霧滴隨風流飄揚得更遠，除塵效率更高。

4結(jié)論

 1)基于現(xiàn)場實測和實驗分析可得，中繼站浮塵產(chǎn)塵強度高達3. 344×105mg/min，粉塵中位徑為1. 82μm，5μm以下呼吸性粉塵占全塵的60%以上，粉塵污染嚴重，應(yīng)重點采取措施進行防治。

  2)設(shè)計研發(fā)的全自動氣水霧化除塵系統(tǒng)以3 種傳感器監(jiān)測到的巷道空間工況為信息源，依據(jù)設(shè)定的邏輯判斷關(guān)系，以巷道中現(xiàn)有的高壓水和壓縮風流為動力，經(jīng)氣水霧化噴嘴充分混合，產(chǎn)生高性能霧滴，可使全、呼塵的濃度均降低85%左右，除塵效果明顯。

 3)全自動氣水霧化除塵技術(shù)既能有效抑制粉塵的擴散飛揚，又節(jié)約了水資源，改善了作業(yè)環(huán)境，保護了作業(yè)人員的身心健康，提高了工作效率，同時降低了塵肺病的發(fā)生概率，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。