遠(yuǎn)程遙控智能綜掘面高效泡沫除塵技術(shù)*

張文浩，王志軍，黃傳波

(1.霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.鄭宏恒泰(新密)煤業(yè)有限公司，河南 新密 452376)

0 引言

煤炭智能化開(kāi)采是煤炭工業(yè)技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要內(nèi)容，近年來(lái)已成為煤炭開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。加快煤礦智能化發(fā)展，建設(shè)智能化礦井是煤炭工業(yè)的戰(zhàn)略方向，也是時(shí)代潮流和國(guó)家戰(zhàn)略[1]。為扎實(shí)推進(jìn)“智慧礦山”建設(shè)，加快礦井信息化、數(shù)字化、智能化改造升級(jí)，近期木瓜煤礦引進(jìn)了綜掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控操作可視化技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)視頻圖像和狀態(tài)信息遠(yuǎn)程監(jiān)視及遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)綜掘機(jī)工況多角度可視化遠(yuǎn)程截割遙控，該技術(shù)的實(shí)施能夠降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)危險(xiǎn)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提升工作效率，推動(dòng)礦井智能化、少人化，提高礦井安全生產(chǎn)水平。

為配合綜掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控可視化技術(shù)的實(shí)施，確保遠(yuǎn)程遙控可視化攝像儀的高清晰圖像，急需提高綜掘面迎頭在掘進(jìn)期間的能見(jiàn)度。然而，當(dāng)前綜掘面配備的噴霧降塵+除塵器集塵的除塵方法由于除塵效率偏低已無(wú)法滿足快速掘進(jìn)引起的大產(chǎn)塵量帶來(lái)的除塵要求，故需引進(jìn)新的快速高效除塵方法。為解決遠(yuǎn)程遙控綜掘面高效除塵難題，查閱和調(diào)研國(guó)內(nèi)外資料，在綜合分析對(duì)比目前常用除塵方法的基礎(chǔ)上，提出適用于遠(yuǎn)程遙控智能綜掘工作面快速高效除塵的泡沫除塵技術(shù)并進(jìn)行應(yīng)用。

1 綜掘面除塵方案綜合對(duì)比及選擇

目前，綜掘面除塵方法主要有抑塵劑+噴霧降塵、干霧除塵和泡沫抑塵除塵技術(shù)[2-3]。

1.1 抑塵劑+噴霧降塵

抑塵劑+噴霧降塵方法，是在傳統(tǒng)噴霧降塵的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加抑塵劑降低水表面張力，改善水對(duì)煤的潤(rùn)濕能力，把粉塵由疏水性變?yōu)橛H水性，使粉塵快速濕潤(rùn)而被捕獲[4-6]。相對(duì)傳統(tǒng)噴霧降塵，降塵效率有所增加，但對(duì)呼吸性粉塵效果欠佳。用于綜掘面降塵的缺陷是迎頭處?kù)F氣較大，能見(jiàn)度低，嚴(yán)重影響作業(yè)視線[7-8]。還需配備抑塵劑自動(dòng)添加裝置實(shí)現(xiàn)抑塵劑的自動(dòng)添加，以及購(gòu)買專用抑塵劑。

1.2 干霧抑塵

干霧抑塵又叫做氣霧抑塵，其原理基于歐美科學(xué)家的研究理論成果，即“水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時(shí)，吸附、過(guò)濾、凝結(jié)的概率最大”。通過(guò)“云霧”化的水霧來(lái)捕捉粉塵，因水霧顆粒與粉塵大小一致、比重相近，在空氣中滯留時(shí)間相等，充分讓水霧與空氣中的粉塵顆粒結(jié)合，形成粉塵和水霧的團(tuán)聚物，受重力作用而沉降[9-10]。干霧抑塵實(shí)際上還是噴霧降塵的一種。價(jià)格相對(duì)便宜，降塵率70%～80%。缺陷是由于干霧為更細(xì)更小的霧粒，更容易漂浮在空氣中，水霧與粉塵結(jié)合需要時(shí)間，降塵速度較慢，霧化水粒會(huì)形成較重的水霧團(tuán)，能見(jiàn)度很差，嚴(yán)重影響作業(yè)視線。且噴頭容易阻塞、故障，更換頻率高，需要購(gòu)買多個(gè)專用霧化噴頭以及用于自動(dòng)調(diào)節(jié)氣路和水路的控制系統(tǒng)，增加除塵費(fèi)用。

1.3 泡沫抑塵除塵技術(shù)

泡沫高效抑塵除塵技術(shù)是利用井下的除塵水管和壓風(fēng)管路，通過(guò)發(fā)泡器將發(fā)泡劑、空氣和水按照一定的配比，經(jīng)充分均勻混合后產(chǎn)生大量均勻細(xì)膩的泡沫群，經(jīng)管道輸送，最后通過(guò)專用噴頭直接噴灑到塵源上。噴射出的泡沫具有較高的動(dòng)能，在與粉塵顆粒發(fā)生碰撞、覆蓋、黏附、濕潤(rùn)等綜合作用下，憑借泡沫及其液膜具有良好黏性、濕潤(rùn)性、隔絕性和彈性的優(yōu)點(diǎn)，基本可以將與之相遇的所有粉塵捕集。泡沫高效抑塵除塵技術(shù)徹底打破了傳統(tǒng)“被動(dòng)降塵”的思想，從“主動(dòng)降塵”的理念出發(fā)，利用泡沫的覆蓋性對(duì)綜掘機(jī)切割滾筒這一根本塵源進(jìn)行全面包裹，從源頭上抑制粉塵的產(chǎn)生[11-12]。它不但兼有一般噴霧降塵和化學(xué)抑塵的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有以下特點(diǎn)：①覆蓋性能好——形成密集的泡沫體能夠無(wú)空隙地罩住塵源，從根本上阻止粉塵向外界擴(kuò)散。②掘進(jìn)面迎頭空間環(huán)境好、能見(jiàn)度高——由于泡沫體只在綜掘機(jī)切割滾筒周圍產(chǎn)生，能無(wú)空隙地罩住塵源，將產(chǎn)生的粉塵控制在較小的封閉空間內(nèi)，從而有效阻止粉塵向外擴(kuò)散，使得掘進(jìn)面迎頭空間環(huán)境好，能見(jiàn)度高，不影響作業(yè)人員的操作視線，能夠降低安全隱患，提高工作效率。③接觸面積大——液體形成泡沫后，泡沫群總體積和總表面積大幅度增大，增加了與塵粒的接觸面積及碰撞幾率，有效凈化井下采掘面的工作環(huán)境。④潤(rùn)濕速度快——泡沫的液膜中含有增加粉塵親水性能的特制表面活性劑，能迅速改變粉塵的濕潤(rùn)性能，增加粉塵被濕潤(rùn)的速度。⑤黏附性能好——泡沫具有很好的黏性，粉塵和泡沫接觸后會(huì)迅速被泡沫黏附。⑥耗水量小——該技術(shù)與水噴霧技術(shù)相比，用水量可減少35%～80%，而降塵效率卻比噴霧灑水高2～5倍。耗水量小，避免了水霧除塵耗水量大而引起的綜掘機(jī)沉陷，提高工作效率[13]。⑦能夠遠(yuǎn)程控制——通過(guò)防爆電磁閥來(lái)控制進(jìn)水管路和壓風(fēng)管路，能夠?qū)ρb置的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.4 綜合對(duì)比

抑塵劑+噴霧除塵價(jià)格較高，且迎頭處?kù)F氣較大，能見(jiàn)度較低。干霧除塵相對(duì)便宜，但霧化噴頭更換頻率較高，會(huì)增加費(fèi)用，降塵速度較慢，迎頭霧氣會(huì)很大，能見(jiàn)度很差，嚴(yán)重影響視線。泡沫除塵效率高，尤其對(duì)切割滾筒部位粉塵，迎頭能見(jiàn)度高，視線清晰，費(fèi)用適中，是一種理想的綜掘面快速高效除塵方法。故推薦泡沫除塵技術(shù)。

2 遠(yuǎn)程遙控智能綜掘面泡沫高效抑塵除塵技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程遙控智能綜掘面泡沫除塵裝置

傳統(tǒng)泡沫除塵技術(shù)在發(fā)泡器前需配備用于將水和發(fā)泡劑混合的混合器，增加了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，且啟停需人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。為適應(yīng)遠(yuǎn)程遙控智能綜掘工作面快速高效除塵的需要，在傳統(tǒng)泡沫除塵工藝方法的基礎(chǔ)上，將混合器與發(fā)泡器融為一體，降低了設(shè)備復(fù)雜度，同時(shí)增加智能控制系統(tǒng)，以提高除塵裝置的自動(dòng)化水平與遠(yuǎn)程操控能力。泡沫除塵裝置如圖1所示。發(fā)泡器為礦用泡沫降塵裝置的關(guān)鍵設(shè)備，箱體容積0.08 m3，重95 kg，由箱體、混料和控料集成塊、給水控制集成塊、發(fā)泡集成塊、給氣控制集成塊和發(fā)泡控制集成塊等組成。發(fā)泡器通過(guò)磁力吸盤(pán)固定在掘進(jìn)機(jī)平臺(tái)上部，對(duì)其他裝置不影響。分配器是對(duì)發(fā)泡介質(zhì)的能量進(jìn)一步儲(chǔ)存與重新分析的裝置，它由筒體、進(jìn)泡入口接頭、出泡出口接頭、連接底座等組成。壓力水要求進(jìn)水壓力≥0.5 MPa，壓氣要求進(jìn)氣壓力≥0.4 MPa。

圖1 泡沫除塵裝置布置Fig.1 Layout of foam dust removal device

2.2 遠(yuǎn)程遙控智能綜掘面泡沫除塵技術(shù)工藝

泡沫除塵技術(shù)工藝流程主要由遠(yuǎn)程遙控啟動(dòng)、混合、發(fā)泡、分配、噴射以及捕塵等環(huán)節(jié)構(gòu)成，其工藝流程如圖2所示。除塵裝置啟停由遙控臺(tái)控制，與綜掘機(jī)連鎖，保證除塵裝置及時(shí)啟停，不浪費(fèi)泡沫液。采用井下正常使用的壓力管道輸送的壓力水和壓力風(fēng)作為泡沫除塵的水源和風(fēng)源。發(fā)泡劑為專用綠色高效降塵泡沫發(fā)泡劑，以植物表面活性劑為基料耦合添加特制的聚合物，增強(qiáng)了泡沫液膜的黏度和強(qiáng)度，使得發(fā)泡劑的使用濃度降低且濕潤(rùn)能力提高，且成分無(wú)毒無(wú)刺激、生物可降解[6]。

圖2 泡沫除塵工藝流程示意Fig.2 Foam dust removal process

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

3.1 綜掘面概況

10-2011煤巷綜掘面巷道掘進(jìn)斷面4 800 mm×4 100 mm(寬×高)，巷道凈斷面4 600 mm×4 000 mm(寬×高)。綜掘機(jī)為天地煤機(jī)EBZ-260H型綜掘機(jī)。綜掘機(jī)位置風(fēng)壓0.5 MPa，水壓2.5 MPa，能夠滿足泡沫除塵的需要。綜掘面風(fēng)筒直徑為φ800 mm，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量為320 m3/min，出風(fēng)口到掘進(jìn)面距離小于10 m。煤質(zhì)硬度2～3，為中等硬度煤層。

3.2 掘進(jìn)巷道能見(jiàn)度

采用高清數(shù)碼防爆相機(jī)對(duì)綜掘面使用泡沫除塵前后掘進(jìn)巷道不同位置空氣環(huán)境進(jìn)行了拍照，如圖3～6所示?？梢郧宄乜吹剑褂门菽龎m前，掘進(jìn)期間巷道內(nèi)各拍照點(diǎn)能見(jiàn)度較低，視線均比較模糊，尤其是工作面迎頭處視線嚴(yán)重受阻，能見(jiàn)度很低，很難清楚地觀察到迎頭煤壁狀況，嚴(yán)重影響司機(jī)割煤作業(yè)。使用泡沫除塵裝置后，掘進(jìn)期間巷道內(nèi)環(huán)境能見(jiàn)度明顯改觀，工作面視覺(jué)效果良好，能見(jiàn)度由原來(lái)的2.6 m提高到4.1 m，工作面迎頭均在可視范圍內(nèi)，視線清晰，能夠清楚地觀察到迎頭煤壁狀況。作業(yè)期間巷道內(nèi)空氣較為清潔，現(xiàn)場(chǎng)工人呼吸順暢，鼻腔、喉嚨無(wú)不適感，面部粉塵有效減少，特別是鼻孔處黏附粉塵降低60%左右。據(jù)綜掘隊(duì)工作人員反映，使用泡沫除塵裝置后，掘進(jìn)機(jī)前方視線非常開(kāi)闊，能夠很清晰地觀察到迎頭煤壁狀況。隨著工作面粉塵濃度降低，能見(jiàn)度大大提高，操作設(shè)備更加準(zhǔn)確、方便、得心應(yīng)手，減少了誤操作，提高了設(shè)備的使用壽命，巷道成型顯著提高。

圖3 泡沫除塵使用前后掘進(jìn)面迎頭能見(jiàn)度情況Fig.3 Head-on visibility of the tunneling face before and after foam dedusting

圖4 泡沫除塵使用前后綜掘機(jī)搖臂處能見(jiàn)度情況Fig.4 Visibility at the rocker arm of the fully mechanized excavator before and after foam dedusting

圖5 泡沫除塵使用前后綜掘機(jī)附近能見(jiàn)度情況Fig.5 Visibility near the fully mechanized excavator before and after foam dedusting

圖6 泡沫除塵使用前后掘進(jìn)巷道能見(jiàn)度情況Fig.6 Visibility of the roadway before and after foam dedusting

3.3 粉塵濃度測(cè)試及分析

為了進(jìn)一步明確泡沫除塵效果，對(duì)10-2011綜掘面使用泡沫除塵先后粉塵濃度進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，并開(kāi)展了對(duì)比分析，為更準(zhǔn)確測(cè)定泡沫除塵效果，使用泡沫除塵后進(jìn)行了2次粉塵濃度測(cè)定。圖7為粉塵測(cè)點(diǎn)布置圖，圖8為使用泡沫除塵前后粉塵濃度對(duì)比，圖9為使用泡沫除塵后除塵效率。

1-截割頭處(掘進(jìn)面迎頭處)；2-司機(jī)作業(yè)處；3-轉(zhuǎn)載機(jī)尾部；4-伸縮皮帶機(jī)下風(fēng)側(cè)；5-距掘進(jìn)頭100 m處；6-距掘進(jìn)頭200 m處圖7 粉塵測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.7 Layout of dust measuring points

由圖8和圖9可知，泡沫除塵技術(shù)對(duì)全塵的降塵效率均超過(guò)85%，最大為86%，對(duì)呼吸性粉塵的降塵效率均超過(guò)80%，最大為82.8%，說(shuō)明泡沫除塵對(duì)呼吸性粉塵和全塵均具有很高的除塵率。能夠滿足《綜掘工作面綜合防塵技術(shù)規(guī)范》(MT/T 1189—2020)中“使用泡沫降塵后，總粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率分別不低于85%和80%”的規(guī)定。

圖8 使用泡沫除塵前后粉塵濃度對(duì)比Fig.8 Comparison of dust concentration before and after foam dedusting

圖9 使用泡沫除塵后除塵效率Fig.9 Dust removal efficiency after foam dedusting

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

機(jī)載噴霧是綜掘面常用的除塵方式，一般采用掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載內(nèi)、外噴霧進(jìn)行水霧除塵，耗水量一般約為10 m3/h，而泡沫除塵的耗水量為0.75 m3/h，能夠大量節(jié)約水資源。根據(jù)工作面泡沫除塵設(shè)備使用前后能見(jiàn)度對(duì)比，使用泡沫除塵后割煤期間巷道能見(jiàn)度顯著提高，有利于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)割煤期間更好地控制巷道成型。10-2011工作面成型效果較使用前有了很大提升，縮短了刷底角時(shí)間，減少了人力投入。

4 結(jié)語(yǔ)

泡沫除塵技術(shù)采用“主動(dòng)降塵法”，利用泡沫的覆蓋性對(duì)綜掘機(jī)切割滾筒這一根本塵源進(jìn)行全面包裹，從源頭上抑制粉塵的產(chǎn)生，使得粉塵不外揚(yáng)，能夠從根本上保證掘進(jìn)面迎頭的能見(jiàn)度，為遠(yuǎn)程遙控智能開(kāi)采提供了視覺(jué)保障。該技術(shù)可以有效降低采掘面的粉塵濃度，極大地改善采掘工作面的工作環(huán)境，提高井下作業(yè)人員的工作效率和掘進(jìn)速度，有效降低采掘一線職工塵肺病的發(fā)病率，為職工造福，為煤炭企業(yè)安全、綠色生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。