田 野，郭新安，陳學(xué)棟

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；2.新疆露天礦智能生產(chǎn)與管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 昌吉 831100）

隨著“碳中和、碳達(dá)峰”相關(guān)政策的實(shí)施，我國能源結(jié)構(gòu)正逐步調(diào)整，但煤炭整體消費(fèi)比重仍占50%以上[1]。露天開采具有生產(chǎn)規(guī)模大、資源回收率高和勞動(dòng)作業(yè)條件好等優(yōu)點(diǎn)，在我國煤炭資源的開采中所占的比重逐年上升，目前煤炭資源露天開采比重已超過20%[2]，從長期發(fā)展來看，新疆、內(nèi)蒙古等露天開采比例還將進(jìn)一步增大。

但隨著露天開采規(guī)模及開采強(qiáng)度的不斷加大，露天礦粉塵污染已成為礦山發(fā)展的突出問題。近年粉塵引起火災(zāi)爆炸頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005—2015 年，我國共發(fā)生粉塵爆炸事故72 起，死亡262 人，受傷634 人，且塵肺病高發(fā)，嚴(yán)重威脅礦工生命安全。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)：截止2020 年底，我國累計(jì)報(bào)告職業(yè)病97.5 萬例，其中職業(yè)性塵肺病87.3 萬例，約占職業(yè)病病例總數(shù)的90%。

露天開采暴露面積大，產(chǎn)塵源頭多，且屬于開放式采掘模式，粉塵的產(chǎn)生與移運(yùn)受外界因素干擾明顯[3]。眾多學(xué)者對露天礦的多個(gè)產(chǎn)塵源頭穿孔、爆破采裝及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)均進(jìn)行了粉塵污染及治理研究[4-7]，取得了較為可觀的研究成果，且在國內(nèi)多個(gè)露天礦山應(yīng)用顯著降低各環(huán)節(jié)粉塵排放。但現(xiàn)有研究主要針對露天礦各作業(yè)環(huán)節(jié)，鮮有對露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)粉塵治理進(jìn)行研究[8]。在露天礦開采工藝中，連續(xù)開采工藝及半連續(xù)開采工藝以其良好的經(jīng)濟(jì)性廣泛應(yīng)用于各大露天礦[9-10]，作為連續(xù)工藝及半連續(xù)開采工藝的重要組成部分，露天礦輸煤廊道及地面系統(tǒng)的粉塵產(chǎn)塵機(jī)理及粉塵污染防治對露天礦粉塵治理具有重要意義，是露天礦山綠色礦山和生態(tài)文明建設(shè)的重要一環(huán)。為此，針對新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)有效開展粉塵治理，改善員工作業(yè)環(huán)境，降低職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)，降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)，提升源頭安全性和降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 礦山及地面生產(chǎn)系統(tǒng)概況

1.1 南露天煤礦概況

新疆天池能源南露天煤礦位于準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)地表無常年水流，夏季降雨形成的暫時(shí)性水流多向南排泄于沙漠中，部分在低洼地匯集蒸發(fā)，形成平坦的淤積泥板地。東疆石油開發(fā)生產(chǎn)基地位于礦區(qū)西北部，有1 個(gè)深層地下水供水站為火燒山石油基地生活區(qū)近3 000 人提供清潔的地下水，該水站保障了勘查施工生產(chǎn)、生活用水。216 國道上的五彩灣一帶因地下水水位較高水質(zhì)差，只能作為一般生產(chǎn)、生活用水。五彩灣再向南東25 km 處還有另1處石油部門的深層地下水供水站，可為礦山抑塵方案的開展提供水源。

1.2 地面生產(chǎn)系統(tǒng)

新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)由一次破碎站、二次破碎間、儲(chǔ)煤倉、給煤機(jī)、火車快速裝車站、帶式輸送機(jī)、刮板機(jī)等組成，新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

新疆天池能源南露天煤礦采煤為單斗－卡車－半移動(dòng)式破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝。根據(jù)煤炭銷售需求，露天煤礦地面系統(tǒng)以輸煤廊道、鐵路和公路運(yùn)輸方式外銷粒度為＜50 mm 的原煤。采煤工作面以單斗挖掘機(jī)采掘，由自卸卡車自坑內(nèi)運(yùn)輸至半移動(dòng)式一次破碎站，一次破碎站生產(chǎn)能力3 000 t/h，將煤破碎至粒度300 mm 以下。破碎后的煤由帶式輸送機(jī)提升至地面上并運(yùn)輸進(jìn)入二次破碎間。二次破碎間內(nèi)安裝有2 臺(tái)生產(chǎn)能力2 000 t/h 的雙齒輥破碎機(jī)，將原煤破碎至粒度≤50 mm。破碎后的產(chǎn)品煤經(jīng)過帶式輸送機(jī)運(yùn)至儲(chǔ)煤倉上的配倉走廊，配倉走廊內(nèi)有2 臺(tái)配倉刮板輸送機(jī)。

2 南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)粉塵治理現(xiàn)狀

2.1 產(chǎn)塵原因

2017 年，地面系統(tǒng)夏季視線不清、冬季黏料嚴(yán)重，粉塵濃度嚴(yán)重時(shí)達(dá)到100 mg/m3以上，粉塵濃度大。2018—2019 年，新疆天池能源南露天煤礦輸煤系統(tǒng)進(jìn)行粉塵治理，改善很大，但是仍然超標(biāo)，治理效果不連續(xù)，達(dá)到20 mg/m3以上。在礦山的安全風(fēng)險(xiǎn)分級及管控連續(xù)2 年被辨識(shí)評價(jià)為重大風(fēng)險(xiǎn)。

新疆天池能源南露天煤礦地面系統(tǒng)在煤炭運(yùn)輸期間容易產(chǎn)生粉塵，原因主要可劃分為來煤自身理化因素和外部客觀因素2 個(gè)方面。

自身因素包括來煤水分含量低，來煤中細(xì)小顆粒過多，其所運(yùn)送的煤炭為31 號(hào)不黏煤，由于該品種煤的理化性質(zhì)，細(xì)微煤粉顆粒在運(yùn)輸中轉(zhuǎn)過程中不能附著在大顆粒上，易從其表面脫落、分離出來而形成空氣中飄浮的煤塵。新疆天池能源南露天煤礦在采礦過程中粉塵會(huì)伴隨整個(gè)過程，生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)如采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、提升、地面煤泥干燥等幾乎所有作業(yè)工序都不同程度地產(chǎn)生煤塵。

外部因素主要來源為落料口未采取有效抑塵措施或帶式輸送機(jī)的機(jī)頭及機(jī)尾的高落差落煤和輸送帶運(yùn)行速度過大等。通過收集信息、數(shù)據(jù)分析、專家調(diào)研等，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷所導(dǎo)致的粉塵問題占比高達(dá)60%，設(shè)備缺陷引起的產(chǎn)塵原因主要有：①輸送帶跑偏引起的撒料揚(yáng)塵；②輸送帶回程面黏料振動(dòng)引起的粉塵擴(kuò)散；③帶式輸送機(jī)除塵清掃系統(tǒng)積灰斗卸灰產(chǎn)生的粉塵問題；④帶式輸送機(jī)承載面運(yùn)煤過程中紊流氣體引發(fā)的煤塵擴(kuò)散。

2.2 改造前除塵系統(tǒng)不足

現(xiàn)有降塵抑塵系統(tǒng)依靠現(xiàn)場巡檢人員通過環(huán)境觀察，根據(jù)粉塵濃度大小，手動(dòng)抵達(dá)現(xiàn)場控制帶式輸送機(jī)旁球閥大小從而調(diào)節(jié)噴淋、噴霧量大小。因人為未能及時(shí)把控水量，易導(dǎo)致帶式輸送機(jī)濕滑從而引發(fā)局部跑偏、護(hù)皮外翻、磨損，甚至重載跳機(jī)等現(xiàn)象。人為因素的參與更是加劇了不安全因素的危險(xiǎn)?，F(xiàn)有粉塵治理系統(tǒng)維護(hù)表現(xiàn)在日常的維護(hù)及運(yùn)行過程中的巡檢。噴嘴堵塞、壓力不足、水量大小、設(shè)備各類運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等有效信息，集控中心人員無法通過上位機(jī)畫面或智能化平臺(tái)第一時(shí)間把控，緊急情況下，更無法遠(yuǎn)程主觀急停設(shè)備，避免事故危害范圍擴(kuò)大。被動(dòng)的維護(hù)及檢修嚴(yán)重地影響了環(huán)境治理進(jìn)程，給降塵抑塵系統(tǒng)管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3 露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)粉塵綜合治理

3.1 抑塵原理

微米級干霧抑塵裝置是由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)聲波震蕩器，通過高頻聲波的音爆作用在噴頭共振室處將水高度霧化，產(chǎn)生10 μm 以下的微細(xì)水霧顆粒（直徑10 μm 以下的霧稱干霧）噴向起塵點(diǎn)，使水霧顆粒與粉塵顆粒相互碰撞、黏結(jié)、聚結(jié)增大，并在自身重力作用下沉降，達(dá)到抑塵的作用。

當(dāng)粒徑較大的霧滴與粉塵顆粒接觸時(shí)，粉塵由下向上運(yùn)動(dòng)，水霧顆粒由上向下運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中大粉塵與大的水霧顆粒，小粉塵與小的水霧顆粒相結(jié)合。

當(dāng)水霧顆粒的粒徑小于10 μm，達(dá)到干霧級的時(shí)候，滴的表面張力減小，粒子之間的黏力就會(huì)越來越大，所以，以粉塵粒子為核的“微細(xì)粉塵顆粒-微細(xì)水霧顆粒”二相流中，粒子與粒子之間很容易結(jié)合在一起，從而使整個(gè)粒子不停地變大，最終沉降下來，達(dá)到除去粉塵粒子的目的。

綜上所述，當(dāng)水霧顆粒的粒徑與粉塵顆粒的粒徑大小相近，且霧量較大時(shí)，空氣中的水蒸氣迅速飽和，飽和的水蒸氣與粉塵碰撞、接觸并凝聚在一起，達(dá)到一定的重量后沉降下來。這就是微米級干霧抑塵技術(shù)的除塵原理。

3.2 治理方案

新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)重點(diǎn)區(qū)域已完成自主安裝噴霧、噴淋共計(jì)25 套，控制方式均為就地手動(dòng)控制。在原有基礎(chǔ)上，新增40 套粉塵治理設(shè)備，通過引入羅克韋爾AB 系列邏輯控制實(shí)現(xiàn)同類型主系統(tǒng)間信息交互，達(dá)成利用帶式輸送機(jī)、煤流監(jiān)測、粉塵傳感器等感應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化降塵控制系統(tǒng)根本目標(biāo)。提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，借助在建綜合預(yù)警平臺(tái)開發(fā)，完成“粉塵治理1 張圖”智能化發(fā)展建設(shè)。新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)通過增補(bǔ)49 套除塵噴淋噴霧設(shè)施，改造原有25 套降塵設(shè)備，建成共計(jì)74 套遍布廊道機(jī)頭、機(jī)尾物料落料口、轉(zhuǎn)載點(diǎn)等粉塵濃度較高、重點(diǎn)防范區(qū)域的專業(yè)抑塵、降塵設(shè)備。具體實(shí)施方案如下：

1）現(xiàn)場設(shè)備改造布控。帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾部分綠色點(diǎn)位表示雙流體噴霧抑塵裝置，安裝于機(jī)頭溜槽輸送帶承載面，有效阻礙物料飛濺、下落揚(yáng)塵。單流體噴淋裝置主要安裝于機(jī)頭回程面及來料方向卸灰點(diǎn)處，有效把控二次揚(yáng)塵，位于輸送帶下方的洗帶裝置，用于徹底清除輸送帶回程面黏煤。

2）自動(dòng)化升級改造布控。采用同主系統(tǒng)一致的AB1756 系列PLC 當(dāng)主站，控制分站采用1734 系列，單獨(dú)設(shè)CPU 進(jìn)行信號(hào)處理，利用主輸送帶滿速信號(hào)、煤流檢測信號(hào)、粉塵檢測實(shí)時(shí)濃度信號(hào)等多重聯(lián)合條件作為降塵系統(tǒng)多級動(dòng)作條件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連鎖粉塵治理基礎(chǔ)需求。搭配3 類電氣施工方案、樹狀式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，建造總體以羅克韋爾AB 系列大型PLC為控制系統(tǒng)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化抑塵降塵系統(tǒng)。

3）建設(shè)粉塵監(jiān)測獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部分以1/2 配電室為主站，其余各分站短距離利用超5類雙絞線，長距離利用光纜配合光纖收發(fā)器、交換機(jī)等構(gòu)成樹狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高效配合主系統(tǒng)粉塵實(shí)時(shí)濃度收集74 處系統(tǒng)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域各類降塵、抑塵裝置反饋動(dòng)作參數(shù)。

3.3 治理效果

在采用粉塵綜合治理措施后，新疆天池能源南露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化程度大幅提升，可根據(jù)不同帶式輸送機(jī)易產(chǎn)生煤塵的實(shí)際現(xiàn)場勘察情況，展開針對性連鎖措施治理。以獨(dú)立建設(shè)粉塵治理系統(tǒng)為抓手，打造多點(diǎn)多源自動(dòng)化抑塵降塵手段；系統(tǒng)可靠性提升，整體系統(tǒng)以1 個(gè)CPU核心、多個(gè)現(xiàn)場分站，通過自組網(wǎng)有線連接技術(shù)打造穩(wěn)定輸出，精準(zhǔn)反饋的基礎(chǔ)目標(biāo)；智能化程度穩(wěn)步提高，借助綜合預(yù)警平臺(tái)強(qiáng)大背景，統(tǒng)籌統(tǒng)建“粉塵治理1 張圖”，達(dá)成多區(qū)域，高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)降塵顯示與追蹤功能。整個(gè)粉塵治理過程達(dá)成無人化操作，遠(yuǎn)端式監(jiān)控，輸煤系統(tǒng)粉塵治理效果。

同時(shí)系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)降低，通過粉塵治理項(xiàng)目建設(shè)，有效減輕現(xiàn)場工作人員職業(yè)病危害威脅。加強(qiáng)了現(xiàn)場精細(xì)化設(shè)備應(yīng)用時(shí)長，從而進(jìn)一步提升設(shè)備利用率。

4 結(jié)語

1）新疆天池能源南露天煤礦煤質(zhì)理化特性為水分含量低，來煤中細(xì)小顆粒過多，地面生產(chǎn)系統(tǒng)易產(chǎn)生粉塵，且因原有除塵裝置缺陷，粉塵監(jiān)測和治理效果差，粉塵總量持續(xù)超標(biāo)。

2）在原有基礎(chǔ)上，新增40 套粉塵治理設(shè)備，通過引入羅克韋爾AB 系列邏輯控制實(shí)現(xiàn)同類型主系統(tǒng)間信息交互，達(dá)成利用帶式輸送機(jī)、煤流監(jiān)測、粉塵傳感器等感應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化降塵控制系統(tǒng)根本目標(biāo)，完成“粉塵治理1 張圖”系統(tǒng)建設(shè)。

3）在地面生產(chǎn)系統(tǒng)采用微米級干霧抑塵為主的粉塵綜合治理措施后，系統(tǒng)自身的可編程邏輯控制器（PLC）可根據(jù)現(xiàn)場情況自動(dòng)控制，整個(gè)粉塵治理過程達(dá)成無人化操作，遠(yuǎn)端式監(jiān)控，減少現(xiàn)場操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度且除塵效果明顯。