煤矿粉尘智能防控技术及装备现状及背景

中煤科工集团重庆研究院有限公司（以下简称重庆研究院），根据《煤矿作业场所职业危害防治规定》《煤矿智能化建设指南》及《智能化示范煤矿验收管理办法》等文件要求，依据最新防尘理论、工程经验，在实现煤矿粉尘有效治理的基础上，研究煤矿粉尘智能管控模型，基于现代网络通信、智能感知、大数据、人工智能、自动控制等技术，通过对矿井作业场所粉尘浓度、防尘装备及其运行工艺等参数的智能感知、智能分析、智能调控，自主研发了煤矿粉尘智能防控系统，实现粉尘精准监测与预警、防尘装备智能诊断与智能运行，实现煤矿粉尘的有效治理和智能管控。煤矿粉尘智能管控系统由大采高综采面智能降尘、大断面快速掘进面智能降尘、综掘面智能降尘、运输巷智能降尘以及粉尘智能管控平台等子系统构成，有效解决了大采高综采面、快速掘进面、综掘面及主要巷道的粉尘污染问题。粉尘智能管控系统如图1所示。

煤矿粉尘智能防控技术及装备关键技术

（1） 大采高综采面智能降尘子系统

大采高综采面智能降尘子系统由采煤机尘源智能跟踪降尘、采煤机跟机高效控降尘、采煤机机载除尘、支架智能“雾炮”、液压支架自适应封闭捕尘及转载机、破碎机非接触式喷雾降尘等技术与装备组成。该子系统针对大采高综采面粉尘防治难题，创新性地实现了大采高工作面“喷雾抑尘+喷雾控降尘+机载除尘+支架导尘+雾炮风流净化/防护网顺风引射喷雾”的粉尘综合治理。采煤机尘源智能跟踪降尘及采煤机跟机高效控降尘技术，利用多点粉尘浓度自动检测并依靠高精算法，实现了高浓度粉尘区域的精确定位；基于综采面粉尘浓度管理限值，智能调整系统运行参数，实现对大采高工作面高浓度粉尘区域尘源持续的“三维立体”包络喷雾，以及对高浓度粉尘区域高效控降尘；采煤机机载除尘实现在采煤机上风侧滚筒割煤产尘及垮落冲击产尘高浓度尘源的高效抽尘净化；支架智能“雾炮”技术针对采场空间上部粉尘分布、扩散、沉降规律，基于粉尘监测数据，智能抽吸净化采场空间上部细微粉尘，同时利用出口引射全覆盖喷雾沉降出风远端细微粉尘；液压支架自适应封闭捕尘技术，通过对降柱移架粉尘的有效封闭、引导，阻止降柱移架粉尘进入工作风流中，实现了支架降柱移架粉尘的有效治理。在曹家滩煤矿，采煤机割煤时，总粉尘浓度由1 316.7 mg/m3 降至18.6 mg/m3， 降尘效率98.59%，呼吸性粉尘浓度由148.8 mg/m3降至12.5 mg/m3，降尘效率91.60%。大采高综采面智能降尘子系统如图2 所示。

（2） 大断面快速掘进面智能降尘子系统

大断面快速掘进面智能降尘子系统，由密闭隔尘、机载立体多维喷雾封闭抑降尘或泡沫降尘、轻质柔性风流调控、定制一体化机载高效除尘等技术及装备组成。该子系统针对快掘工作面掘进速度快、断面大、粉尘污染严重等难题，通过密闭隔尘阻止风流对截割产尘的扰动影响，阻止粉尘快速扩散；通过机载立体多维喷雾封闭抑降尘技术实现截割滚筒全方位、立体交叉全覆盖喷雾，实现尘源点降尘及高浓度粉尘弥漫区域高效控降尘；通过轻质柔性风流调控实现工作面粉尘有效控制，配合一体化机52载高效除尘技术实现对工作面产尘高浓度尘流的高效抽尘净化。 在曹家滩煤矿应用效果良好，大断面快速掘进面司机位置的总粉尘浓度由473.1 mg/m3降至22.5 mg/m3，降尘效率95.24%，呼吸性粉尘浓度由145.7 mg/m3 降至10.1 mg/m3，降尘效率93.07%。大断面快速掘进面智能降尘子系统如图3 所示。

（3） 综掘面智能降尘子系统

综掘面智能降尘子系统由掘进机全覆盖高效密闭喷雾降尘、智能高效控降尘、巷道全断面自动喷雾降尘等技术及装备组成。该系统采用全覆盖高效密闭喷雾，实现截割头尘源点降尘及摇臂范围高浓度粉尘密集区域的高效降尘；通过实时监测工作面环境参数及除尘设备运行工况等关键状态参数，围绕最佳工艺参数的控制策略，通过压抽风量等配套工艺参数的智能调控，保证机载高效除尘系统实时处于最佳工艺运行状态，实现综掘面粉尘智能防控。在小保当煤矿、霄云矿煤矿、黄陵集团等的应用表明，司机位置粉尘浓度可降至10 mg/m3以下，综合降尘效率95%以上，解决了综掘面粉尘污染问题。综掘面智能降尘子系统如图4 所示。

（4） 运输巷智能降尘子系统

运输巷智能降尘子系统由输送带沿程煤体润湿、回程喷雾清洁、无动力输送带清刮、转载点非接触式喷雾、巷道全断面自动喷雾、感应式自清洁捕尘网等技术及装备组成。该子系统可独立使用，也可组网运行。可根据使用条件选择有线或无线方式。在曹家滩煤矿，主斜井井底输送带转载点，总粉尘浓度由37.6 mg/m3 降至6.5 mg/m3， 降尘效率82.71%，呼吸性粉尘浓度由17.3 mg/m3降至4.8 mg/m3，降尘效率72.25%。运输巷智能降尘子系统如图5所示。

（5） 粉尘智能管控平台

粉尘智能管控平台由感知层、传输层、决策层、执行层组成，感知层包括总粉尘浓度传感器、呼吸性粉尘传感器、流量压力传感器等感知设备，传输层包括监控分站、网络交换机等传输设备，决策层包括专家决策系统等，执行层包括开停传感器、变频器、水压调节器、电磁起动器等执行元件。粉尘智能管控平台具有数据采集、粉尘超限预警、自诊断、报警与控制、人机交互、外接数据等功能，可通过该平台实现各防降尘子系统的智能化管控。粉尘智能管控平台如图6所示。

结 语

煤矿粉尘智能管控系统，通过平台感知层实现对环境参数及各防降尘子系统运行状态的智能监测，采集数据由传输层传输至管控平台，平台通过专家决策系统进行分析并做出决策，同时下发决策指令到执行层，执行层按照指令调整各防降尘子系统运行参数，保证实现最优防降尘效果。大采高综采面智能降尘、大断面快速掘进面智能降尘、综掘面智能降尘及运输巷智能降尘等子系统与粉尘智能管控平台相融合，构成全矿井粉尘防治的闭环管控系统，实现全矿井粉尘职业危害的智能防控。目前，煤矿粉尘智能管控系统已在国家能源三道沟、黄玉川煤矿、陕煤集团曹家滩、小保当煤矿、黄陵集团、济矿霄云矿等十余对矿井推广应用。