＊寧建東

（山西沁新煤業(yè)有限公司 山西 046500）

引言

粉塵是煤礦作業(yè)主要災(zāi)害之一，也是導(dǎo)致煤礦職工患塵肺病的主要原因。鉆孔、爆破、采煤、掘進(jìn)等許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都會形成巨大的粉塵，因此科學(xué)有效地治理粉塵是煤礦作業(yè)重中之重。新源煤礦現(xiàn)有的降塵裝置存在成本高、效率低，存在高濃度粉塵和爆炸風(fēng)險。因此，設(shè)計(jì)了一種通過粉塵含量調(diào)控實(shí)現(xiàn)自動噴灑降塵的裝置。可以針對粉塵含量變動狀況實(shí)現(xiàn)合理高效的灑水降塵。

1.自動噴霧設(shè)計(jì)思路

新源煤礦鉆孔作業(yè)點(diǎn)防塵現(xiàn)狀：采用水氣聯(lián)動，形成噴霧降塵。當(dāng)產(chǎn)生較大粉塵時，人工打開水氣管路閥門，進(jìn)行噴霧降塵。采用這種防塵措施，噴霧不能根據(jù)井巷的粉塵自動打開降塵，降塵效率低，影響鉆孔作業(yè)。其次，不能及時關(guān)閉防塵供水，造成水資源浪費(fèi)。在原水氣聯(lián)動噴霧基礎(chǔ)上加裝一個粉塵濃度傳感器、一個主控單元和一對電磁閥，對粉塵濃度傳感器設(shè)定限制值，利用傳感器檢測現(xiàn)場空氣粉塵質(zhì)量濃度通過主控單元控制電磁閥開關(guān)水氣閥門，達(dá)到自動噴霧的效果。

2.安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動噴霧設(shè)計(jì)

(1)裝置結(jié)構(gòu)原理

該裝置由粉塵濃度傳感器、通用監(jiān)控分站、遠(yuǎn)程控制開關(guān)、電磁閥、多路電源、逆止閥、噴嘴和水氣管、電源及電纜線連接組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動噴霧設(shè)計(jì)電路原理，設(shè)計(jì)時采用煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，采用雙絞線將地面監(jiān)測控制主機(jī)與環(huán)網(wǎng)接入器相連接，再用信號電纜將環(huán)網(wǎng)接入器與分站連接，同時將粉塵傳感器與遠(yuǎn)程控制開關(guān)電源、信號接入分站內(nèi)，再將遠(yuǎn)程控制開關(guān)控制線與電磁閥連接。如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動噴霧電路原理圖

通過操作安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，設(shè)置粉塵傳感器報警控制上限值，并關(guān)聯(lián)相對應(yīng)的兩個遠(yuǎn)程控制開關(guān)，相當(dāng)于粉塵濃度不同時傳感器會分別處于斷電和復(fù)電兩種狀態(tài)，以控制遠(yuǎn)程控制開關(guān)動作。電磁閥連接遠(yuǎn)程控制開關(guān)，當(dāng)粉塵傳感器顯示值低于設(shè)定上限值，即現(xiàn)場粉塵濃度很小時，遠(yuǎn)程控制開關(guān)無動作，控制回路未接通；當(dāng)現(xiàn)場粉塵濃度較大，達(dá)到規(guī)定值時，遠(yuǎn)程控制開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，常開結(jié)點(diǎn)閉合，控制回路接通，電磁閥通電打開水氣，噴霧工作。為了防止水管中的水流入供氣管路中，設(shè)計(jì)在氣管上加接一個逆止閥，確保噴霧正常工作。

(2)測試及使用情況

經(jīng)過多次測試，通過操作安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，設(shè)置粉塵傳感器上限值為30mg/m3，遠(yuǎn)程控制開關(guān)為常閉控制方式（為保證粉塵傳感器輸出信號時遠(yuǎn)程控制開關(guān)動作打開電磁閥，遠(yuǎn)程控制開關(guān)需連接常開控制線，設(shè)置常閉控制方式），操作軟件手動修改傳感器顯示值模擬粉塵環(huán)境，達(dá)到30mg/m3時，水氣管路分別打開形成噴霧，降低顯示值時，電磁閥關(guān)閉，停止噴霧。

將設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)安裝于井下，在新源煤礦12212運(yùn)輸順槽11號鉆孔作業(yè)點(diǎn)對自動噴霧裝置進(jìn)行了測試，該順槽長度約1150m，11鉆孔位置距工作面約350m，在其下風(fēng)側(cè)10m處安設(shè)一組，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)噴霧降塵效果顯著，隨后將水氣噴霧串接，在第一組噴霧下風(fēng)側(cè)每隔5m安設(shè)一組，共安設(shè)五組，在作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)50m處分別對粉塵濃度進(jìn)行了測定。通過測試，安全監(jiān)控系統(tǒng)自動噴霧裝置設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，使用后巷道中粉塵濃度明顯下降，安設(shè)五組噴霧后，在下風(fēng)側(cè)測得全塵濃度約為26.9mg/m3，呼吸性粉塵濃度為17.3mg/m3，經(jīng)過降塵后，作業(yè)環(huán)境粉塵濃度達(dá)到了作業(yè)環(huán)境粉塵標(biāo)準(zhǔn)濃度。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)自動控制噴霧功能，但成本較高，如在礦井下大量使用，投資成本較高，不符合新源煤礦秉承的雙增雙節(jié)發(fā)展理念，決定使用成本相對較低的設(shè)備或元件來代替安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，采用三極管、繼電器改造控制電路以實(shí)現(xiàn)自動噴霧，同樣具有自動控制的功能。

3.自動噴霧結(jié)構(gòu)原理

該裝置由粉塵濃度傳感器、三極管、繼電器、電磁閥、電源模塊、逆止閥、噴嘴和水氣管、電源及電纜線連接組成。自動噴霧設(shè)計(jì)電路原理，先接通127V交流電，再利用電源模塊將輸出轉(zhuǎn)換成24V直流電，再串聯(lián)接入粉塵傳感器、三極管，粉塵傳感器輸出信號電流過低，信號線與三極管基極連接進(jìn)行放大，集電極流出連接繼電器供電控制觸點(diǎn)，最后回到電源形成控制回路。兩組繼電器常開觸點(diǎn)與電磁閥分別串接在127V交流電上，形成噴霧工作回路。

當(dāng)工作場所的粉塵含量超限（達(dá)到傳感器斷電點(diǎn)）時，粉塵傳感器輸出電壓信號，并通過三極管的電流控制繼電器閉合輸出回路，電磁閥得電打開水氣管路，通過自動噴灑裝置開始噴霧降塵，當(dāng)粉塵含量通過噴霧裝置減少至復(fù)電標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)后，通過輸出信號斷電控制電磁閥關(guān)閉水氣，噴霧停止工作。為了防止水管中的水流入供氣管路中，與第一種方案做了相同的設(shè)計(jì)，在氣管上加接一個逆止閥，確保噴霧正常工作[1]。

4.系統(tǒng)主要設(shè)備

(1)GCG1000粉塵濃度傳感器

GCG1000粉塵濃度傳感器用于測量煤礦井下空氣粉塵質(zhì)量濃度，是一種本質(zhì)安全型產(chǎn)品。其基本原理是利用發(fā)動機(jī)的負(fù)壓把外部的含塵氣體吸收到進(jìn)氣口,通過導(dǎo)流系統(tǒng)進(jìn)入檢測器暗室。通過光電轉(zhuǎn)換芯片采集固定角度內(nèi)的散射光，轉(zhuǎn)換成與光信號成正比的電壓信號，經(jīng)放大器放大后進(jìn)入CPU，從而計(jì)算出CPU中粉塵的質(zhì)量濃度。在設(shè)計(jì)裝置中用于檢測鉆孔作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度，達(dá)到上限值時輸出控制信號。使用環(huán)境溫度：0～40℃；平均相對濕度：不大于95% RH（25℃）；大氣壓力范圍：80～110kPa；環(huán)境噪音不大于70dB（A）。主要技術(shù)參數(shù)：工作電壓范圍：DC（12～24.5）V；最大啟動電流和最大工作電流：不大于100mA；測量范圍：0～1000mg/m3。

(2)3DD15D三極管

3DD15D是晶體三極管的一種，極性為NPN型（大功率管），有兩個引腳，管殼本身也是一個電極?；鶚Ob和發(fā)射極e為兩個引腳，集電極c為管殼。元件具有放大電流的作用，存在電流關(guān)系Ie=Ib+Ic，其含義就是，當(dāng)在基極加一個很小的Ib，就可以在集電極上獲得一個很大的Ic。在設(shè)計(jì)裝置中用于將粉塵濃度傳感器輸出的微小電流信號放大成可用的控制電流信號，滿足繼電器正常工作，接通供水、供氣回路[2]。

(3)IEC61810-1繼電器

IEC61810-1是一種小型直流繼電器，常用于電氣自動控制裝置，可以通過微小的電流作用控制較大電流回路的接通和斷開，能起到自動控制的作用。是自動噴霧裝置中接通和斷開工作回路的關(guān)鍵性電氣元件。

(4)DFB-20/10礦用隔爆型電磁閥

主要技術(shù)參數(shù)：額定控制電源電壓：AC127V，壓力適應(yīng)范圍：0～10MPa。

DFB-20/10礦用隔爆型電磁閥為直控二位二通常閉式結(jié)構(gòu)，閥體上部為特種電磁鐵裝置，為直接開閉閥門的主動力源。閥體的底部是閥座，由入口、出口、導(dǎo)向閥孔和移動芯等部件組成，在電磁效應(yīng)的作用下通電后，產(chǎn)生足夠大的升力以克服彈簧和介質(zhì)的壓力。將活動芯與導(dǎo)向閥孔分開，閥孔打開，介質(zhì)流通。反之，斷電時，在彈簧和介質(zhì)壓力的共同作用下，活動鐵芯將導(dǎo)水閥口關(guān)閉，介質(zhì)不能流通。通過動力端控制閥口開關(guān)，使水氣聯(lián)動形成自動噴霧。

(5)逆止閥

在介質(zhì)的作用下，當(dāng)介質(zhì)沿指定方向流動時，閥門自動打開；在介質(zhì)回流時，由于閥瓣自重及介質(zhì)反向作用力，閥瓣與閥座密封關(guān)閉，從而起到防止介質(zhì)回流的作用。在設(shè)計(jì)裝置中其作用主要是防止噴霧水壓過大時，水流入壓風(fēng)氣管中，影響噴霧正常使用。

5.現(xiàn)場測試

為正常投用，自動噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了井下各方面性能測試，將開關(guān)電源、三極管、繼電器等連接固定在防爆殼內(nèi)，在井下鉆孔作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)支保護(hù)良好，無滴水、無掉渣，便于觀察和維護(hù)的地方，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定吊掛粉塵濃度傳感器，設(shè)置粉塵上限值30mg/m3，當(dāng)傳感器檢測到作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度達(dá)到30mg/m3時，自動開啟噴霧；在30mg/m3以下時，噴霧自動停止。

在新源煤礦井下12212運(yùn)輸順槽14號鉆孔作業(yè)點(diǎn)對自動噴霧裝置進(jìn)行了測試，順槽長度約1150m，14鉆孔位置距工作面約455m，在其下風(fēng)側(cè)10m處安設(shè)一組，現(xiàn)場觀測該自動噴霧降塵效果與安全監(jiān)控系統(tǒng)控制自動噴霧不相上下，測得噴霧開啟前后該處粉塵濃度有明顯降低，隨后同樣在第一組噴霧水氣管路上依次串接4組進(jìn)行試驗(yàn)，在其下風(fēng)側(cè)每隔5m安設(shè)一組，共安設(shè)五組，在作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)50m處分別對粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了測定，并作出了比對分析如表1。

表1 使用自動噴霧裝置前后降塵效果對比表

從表1中可以直觀看出，采用該自動噴霧裝置后，噴霧效果未發(fā)生大的變化，作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)側(cè)巷道中粉塵濃度明顯下降，安設(shè)五組噴霧后，在相同位置測得全塵濃度約為26.9mg/m3，呼吸性粉塵濃度為17.3mg/m3，顯然經(jīng)過降塵后，作業(yè)環(huán)境粉塵濃度符合作業(yè)要求[3]。

6.裝置經(jīng)濟(jì)對比

第一種方案控制系統(tǒng)包括粉塵濃度傳感器、通用監(jiān)控分站、分站配套本安多路電源以及遠(yuǎn)程控制開關(guān)，總成本約122950元，而第二種設(shè)計(jì)方案控制模塊采用粉塵濃度傳感器、三極管、繼電器、24V開關(guān)電源，總成本主要為傳感器，其它元件成本極低，總成本約92210元。成本分析對比如表2所示，并且第二種控制系統(tǒng)設(shè)備輕便，更便于現(xiàn)場管理。

7.結(jié)論

投用后，對降塵效果及鉆孔進(jìn)度調(diào)研，現(xiàn)場粉塵達(dá)到設(shè)定上限值，噴霧裝置自動灑水降塵，濃度降低時噴霧自動停止，實(shí)現(xiàn)了自動噴霧降塵功能，解放了人工開關(guān)水氣閥門，也節(jié)約了防塵供水資源，減少了因降塵灑水導(dǎo)致的排水工作量。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)粉塵分析，使用自動噴霧裝置降塵能夠有效治理鉆孔作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵，同時能減少對鉆孔作業(yè)的影響，保障了員工的身體健康，為推進(jìn)綠色礦山建設(shè)做出貢獻(xiàn)。