薄煤層采煤工作面自動化噴霧降塵系統推廣與應用

苗雄 侯俊才 張鵬飛 劉東

摘 要 隨著礦井產量的增大及機械化程度的提高，在生產、運輸等過程中，均可產生大量粉塵。粉塵具有很大的危害性，輕則污染作業場所工作環境，引起職業病，重則可引發井下煤塵爆炸，直接危及員工的身體健康及生命安全。望田煤業13108工作面為集團公司首個薄煤層自動化采煤工作面，如何提升工作面綜合防塵自動化水平，進一步降低作業地點空氣中的粉塵濃度成為我們新的研究課題。

關鍵詞 薄煤層 礦井 噴霧降塵

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0031-03

1 礦井概況

1.1 井田概況

1.1.1 位置、面積

望田煤業位于保德縣城東南6km處腰莊鄉路家溝村、講家溝村、趙家峁村、楊家溝村一帶，行政區劃隸屬保德縣腰莊鄉管轄。井田地理坐標為：東經111°06′32″～111°09′11″，北緯38°59′03″～39°00′22″。礦井井田東西長3.94km，南北寬2.43km，井田面積為7.9564km2。

1.1.2 地形、地貌

礦井地處黃河東岸，山西黃土高原的西北邊緣，屬低中山區。井田內溝谷切割嚴重，地形總體南高北低，最高點位于井田西南部，海拔1129.40m，最低點位于井田北部溝谷，海拔906.00m，最大相對高差223.40m。區內大部為黃土覆蓋，以黃土沖溝、峁、梁地貌為主。由于強烈的侵蝕切割，形成多條沖溝，其上游呈“V”字型，下游是“U”字型，雨季時洪水分別沿各溝谷排出井田。

1.1.3 地面水系

井田主要河流為腰莊河，其位于井田東部，腰莊河發源于腰莊鄉莊頭和王家里一帶，屬季節性河流，旱季水量微小，甚至干涸，雨季水量增大。井田內其它溝谷只有雨季才有短時匯水流過，沿溝排泄，輾轉匯入腰莊河，于郭家灘匯入黃河，屬黃河流域。

1.1.4 氣象條件

本區屬典型的大陸性氣候，四季分明，氣候干燥，晝夜溫差大，據該區2011-2017年的氣象觀測統計資料，全年平均氣溫9.8℃，1月份最冷，氣溫-11.6℃，極端最低氣溫為-27℃;七月份最熱，氣溫25℃，極端最高氣溫為38℃。降水期多集中于6～8月，占年降水量的44%～73%，年平均降水量452mm。年蒸發量在1675mm～1862mm之間，平均為1760mm左右，5～7月之間，月蒸發量可達330mm，年蒸發量約是降水量的4倍。霜凍結冰期從11月中旬至翌年3月中旬，最大凍土深度1.44m，無霜期180天。3～4月多風，風力一般在3～4級，最大風速21m/s。

1.1.5 瓦斯、自然發火、煤塵爆炸性鑒定

2018年鑒定結果：礦井絕對瓦斯涌出量為2.93m3/min，相對瓦斯涌出量為1.18m3/t;絕對二氧化碳涌出量為4.40m3/min，相對二氧化碳涌出量為1.77m3/t，礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井。

1.2 礦井開拓布置

1.2.1 礦井開拓

礦井采用斜井開拓，全井田共布置3個井筒開采全井田，分別為主斜井、副斜井、回風斜井。其中主斜井：落底于13號煤層，斷面為三心拱，凈寬4.0m，凈高3.03m，凈斷面12.42m2，傾角20.5°。延深后井筒長度662m，每隔40m設有躲避硐室，井筒一側安裝1000的膠帶輸送機，一側按設檢修道、行人臺階及扶手。擔負全礦井提煤和設備檢修任務，兼作進風井及安全出口。副斜井落底于13號煤層，斷面為半圓拱，凈寬5.0m，凈高4.1m，凈斷面17.8m2，傾角19°，長422m，井筒一側鋪設600mm的軌道，井口安裝提升絞車，一側安設架空乘人器及臺階、扶手。擔負全礦井的人員、提矸、下料、設備等輔助提升任務，兼作進風井及安全出口?；仫L斜井落底于13號煤層，斷面為半圓拱，凈寬4.5m，凈高4.85m，凈斷面19.65m2，傾角22°，長337m，井筒安設臺階、扶手，擔負礦井的回風任務兼作安全出口。

1.2.2 采區巷道布置

13#煤層分為2個采區，以三條大巷為界，東側為一采區，西側為二采區。一采區為單翼采區，初設定為依托13#煤層三條大巷布置傾向工作面俯采。由于沖刷帶的影響，設計修改為在采區南部沿13#煤層布置一采區回風上山、一采區軌道上山及一采區運輸上山三條上山。在一采區上山中部布置一采區避難硐室及一采區變電所。二采區為雙翼采區，在采區中部沿13#煤層東西向布置二采區回風下山、二采區軌道下山及二采區運輸下山。在三條下山下部軌道下山與回風下山之間布置二采區變電所，在二采區運輸及軌道下山之間布置采區避難硐室，在三條下山底部布置采區排水泵房及內外水倉。

1.3 通風系統

全礦井共布置主斜井、副斜井及回風斜井三個井筒，礦井采用中央分列式通風系統，通風方式為機械抽出式，礦井采用兩進一回，即主斜井、副斜井進風，回風斜井回風?；仫L斜井安裝2臺FBCDZ-8-№24B型防爆對旋軸流式通風機，一臺工作，一臺備用。每臺風機配2臺250kW礦用防爆型電動機。

1.4 防塵灑水系統

地面消防給水與生活、生產用水合用一個管路系統。井下消防、灑水采用合流制系統，水源來自處理后的井下排水。井下消防水從礦井水處理站清水池（500m3）經主斜井井筒引入井下，主斜井、軌道大巷及運輸大巷南段主供水管徑均為Ф159×4.5mm，運輸大巷北段、回風大巷、采區下山及順槽供水管徑均為Ф108×4mm。

2 13108工作面基本情況

2.1 工作面位置及四鄰關系

13108工作面位于一采區，東部為未開發區，西部為講家溝村保護煤柱及望田煤業副斜井井底車場保護煤柱，北部為13104、13105工作面采空區，南部為一采回風上山保護煤柱;上部為8煤采空區。

2.2 工作面煤層頂底板

老頂泥質砂巖，厚度4.86～5.75m，平均5.31m，淺灰色中粒泥質砂巖，局部方解石充填;直接頂泥巖，厚度3.30～3.75m，平均3.50m，灰黑色泥巖，水平層理，局部夾粉砂巖條帶，中下部夾煤線;直接底砂質泥巖，厚度2.20～2.42m，平均2.31m，淺灰色，含沙，泥質膠結，致密。

2.3 煤塵情況

根據山西省煤炭工業廳綜合測試中心2017年11月鑒定13#煤層火焰長度>400mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量75%，揮發分為35.8%，煤塵爆炸性為有爆炸性。

3 13108工作面粉塵的成因及分布

3.1 采煤機作業粉塵成因及分布

采煤機在回采作業過程中，采煤機滾筒對煤壁進行破煤切割時，切割過程中會產生很多煤塵。一般情況下，產生的煤塵的來源有以下幾點：（1）截割破煤時產生煤塵;（2）落煤被二次截割產生的煤塵;（3）截割后的煤被拋出產生的煤塵;（4）割煤時由于截齒較鈍，截齒與煤體摩擦產生的煤塵[1]。

3.2 移架作業粉塵成因及分布

液壓支架移架時也產生煤塵。移架時產生煤塵的多少與頂板強度有關，松軟的頂板產生的煤塵較多，堅硬的頂板產生的煤塵較少;與工作面上覆頂板巖層厚度有關，頂板巖層越厚，產生的煤塵越多;在移架過程中，操作步驟不同產生的煤塵也不相同[2]。

3.3 工作面通風對粉塵分布的影響

當工作面運輸系統采用逆向風流，即工作面煤流方向與風流方向相反，工作面的進風流有揚塵的作用，產塵較多;反之順煤流通風則產塵較少。同時，工作面進風揚塵程度還與風速有關，風速大，揚塵多，反之則少。13108工作面設計采用逆煤流方向通風，產塵量較大，是工作面粉塵形成的原因之一[3]。

4 13108工作面自動降塵系統研制與改造

4.1 研究思路

為及時完成13108工作面綜合防塵自動化控制系統的研制與改造工作，望田煤業成立了以總工程師為組長，通風副總為副組長，通防、機電、信息、生產等相關專業技術人員為成員的項目科研攻關領導小組，攻關小組多次召開專題會議，并根據13108工作面設備布置情況，與三一重工設備有限公司、德國瑪珂北京分公司、淄博德貝爾設備有限公司、濟南沃爾菲斯設備有限公司及陜西斯達防爆安全股份有限公司反復進行探討溝通、調研、對比綜合防塵設備、設施。最終確定以德國瑪珂北京分公司PM32型采煤機內外噴霧自動控制及采煤機隨機電液控移架自動噴霧為主的總控制系統、淄博德貝爾設備有限公司ZP127型轉載噴霧控制系統和濟南沃爾菲斯ZP127型紅外線自動風流凈化控制系統為輔助的綜合自動化防塵系統總體實施方案。經不斷改進，最終在13108工作面建成了以地面調度遠程一鍵啟動和現場操控臺遠程控制相結合的綜合防塵自動化控制系統。

4.2 自動化降塵系統研制具體方案

4.2.1 采煤機內外噴霧自動控制系統

將采煤機內外噴霧控制系統設置在工作面運輸巷采煤機智能化操控臺處，采煤機啟動前，一鍵啟動13108運輸巷門子口處的BRW-31.5/10型高壓噴霧泵，噴霧泵聯動采煤機內、外噴霧自動開啟，實現噴霧泵與采煤機噴霧的自動聯動閉鎖。

4.2.2 移架噴霧自動控制系統

在工作面每部液壓支架上安裝PM32型電液控自動裝置，在工作面采煤機中部安設一個位置控制傳感器，在采煤機割煤運行過程中，采煤機位置控制傳感器通過信號傳輸控制采煤機前、后滾筒上、下側3部支架移架噴霧自動開啟，噴霧時長30秒，實現了采煤機對噴霧的隨機自動控制噴灑降塵。

4.2.3 轉載點噴霧自動控制系統

工作面皮帶、溜子、轉載機噴霧采用淄博德貝爾設備有限公司生產的ZP127型轉載點噴霧控制裝置，噴霧開關與皮帶、溜子、轉載機饋電開關實現自動聯鎖，皮帶、溜子、轉載機啟動后，噴霧系統同步自動運行，實現了噴霧與運煤設備同步聯動開關噴灑的功能。

4.2.4 巷道風流紅外線自動控制凈化系統

在13108進、回風順槽各安設3道ZP127型紅外線自動風流凈化水幕控制裝置，凈化水幕兩端各20米位置設紅外感應傳感器，實現人體紅外感應停噴功能，生產期間該裝置處于常噴狀態，當有人員通行時裝置停噴30秒，當人員通過后裝置繼續噴霧降塵，實現巷道風流粉塵凈化。

5 取得的成效

1.13108工作面自動化降塵系統使用前工作面最高粉塵濃度為60mg/m3，自動化降塵系統改造應用后，工作面粉塵濃度最高為6.5mg/m3，已經基本達到國家標準衛生濃度要求，為員工創造了良好的工作環境，保護了員工的人身安全，降低了塵肺病的發病率。

2.工作面防塵、降塵系統由現在的一鍵聯動自動化控制系統代替了原來的手工開啟操作，實現了綜合防塵技術新的突破，為企業“內涵提升，高質量發展”注入了新的活力。

6 結語

本文對煤礦噴霧降塵系統進行了分析，介紹了該系統的主要組成結構與工作特點，并根據連續跟蹤，證實了系統確實能夠對礦井重點粉塵超限區域起到有效的監控和治理，并且運行效果良好，值得廣泛推廣和應用。

參考文獻：

[1] 孟李軍.綜采面無線一體化噴霧降塵系統研究[J].自動化應用，2020（01）：90-105.

[2] 張浩璐.基于PLC的采煤機噴霧降塵系統研究[J].自動化應用，2019（09）：6-8.

[3] 盧劍波.煤礦自動化智能噴霧降塵系統研究與應用[J].山東煤炭科技，2018（07）：140-142.