煤巷综掘工作面喷雾除尘自动控制系统

煤巷综掘工作面喷雾除尘自动控制系统
赵杰;王丽;任思璟;张鹏南;董金波;穆秀春
【摘要】It is a serious problem that the dust pollution at driving face in coal road.The automatic control system of dust suppression by high-pressure spray in the coal roadway is designed.Dust sensor is monitoring dust concentration of working face in real time.The PIC16F877 processor is used to control the electromagnetic valve to open and shut off the spray device of high-pressure water supply pipeline according to the upper limit and lower limit thresholds of dust concentration.When the miners go through the spray zone human body signal is detected by pyroelectric infrared sensor and the spray stops tempora-rily.The automatic control system of high -pressure spray and dust reduction has significant effect in dust concentration and improves the efficiency of reducing dust and the environment of the coal face.%针对煤巷工作面粉尘治理的问题，设计煤巷高压喷雾除尘自动控制系统。

粉尘传感器及时监测工作面煤矿粉尘浓度，设置上限、下限两个动作阈值，采用PIC16 F877处理器控制电磁阀打开和关断高压供水管路喷雾装置，并可通过热释电红外传感器检测人体信号，在矿工通过喷雾区域时暂时停止喷雾。

该系统实现喷雾过程自动控制，高压喷雾装置有效地降低了工作面粉尘浓度，提高了除尘效率，改善了矿工工作环境。

【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】3页(P15-17)
【关键词】粉尘传感器;喷雾装置;热释电红外传感器;电磁阀;固态继电器
【作者】赵杰;王丽;任思璟;张鹏南;董金波;穆秀春
【作者单位】黑龙江科技大学，哈尔滨150022;黑龙江科技大学，哈尔滨150022;黑龙江科技大学，哈尔滨150022;黑龙江科技大学，哈尔滨150022;黑龙江科技
大学，哈尔滨150022;黑龙江科技大学，哈尔滨150022
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
随着煤巷工作面采掘机械化程度的不断提高，大量的煤矿粉尘产生。

这些煤尘使井下工作环境恶化，能见度变差，并严重危害了矿工的健康。

由于煤矿粉尘自身的理化特性,容易引发火灾、爆炸等危险性事故的发生，还会降低设备的使用寿命，成
为煤矿安全生产的重大隐患。

因此，在工作面巷道配备自动喷雾除尘系统，有效地降低煤矿粉尘浓度，对于改善矿工的工作环境，保障煤矿工人身体健康，确保煤矿安全生产具有重要意义。

喷雾除尘是向悬浮着煤尘颗粒的空气中喷射水雾，部分尘粒与雾状水珠粘结，形成含尘液滴，在随气流漂移过程中，继续与其他尘粒或液滴碰撞，粘结形成较大的颗粒，丧失或降低飞扬的能力，沉降下来，达到降尘的目的。

通常，喷雾降尘的效率主要与以下几个因素有关：雾化粒径是影响降尘效果的主要因素。

雾滴粒径大，则水的分散性差，在气流中的分散密度小，捕获煤尘的几率小；雾滴粒径过小，与尘粒粘结后质量仍然较小，难以沉降，并且易气化；雾化粒径适中，一般直径在50～150 μm之间，分布密度大，与尘粒的碰撞接触机会增加，
降尘效率高[1]。

水雾喷射速度高，与尘粒碰撞时动量大，有利于克服水的表面张
力而捕获尘粒，如果速度过低，降低了水雾与尘粒的碰撞几率，除尘效率较低，一
般水雾喷射速度为30 m/s时，降尘效率较高。

增大喷雾供水压力可以提高雾化程度、增大雾滴密度和雾滴运动速度，增加尘粒与水雾之间的碰撞几率和碰撞能量，此外，随着压力的增加，水雾的电荷密度加大，有利于捕获煤尘颗粒，提高降尘的效率[2]。

同时，考虑到供水管路的耐压能力，一般可采用10 MPa。

自动喷雾除尘系统由本安电源、控制电路、煤尘浓度检测、红外检测和高压喷雾装置组成。

2.1 高压喷雾装置
高压喷雾装置由供水管路、供水阀、水质过滤器、增压泵、电磁阀和喷嘴组成[3]，如图1所示。

供水管路的水由安装在喷嘴进水口的水质过滤器进行过滤，SKZFL型矿用水质过
滤器是全自动过滤器，能够除掉水中的泥沙及悬浮物，并自动进行反冲洗，保证水质符合煤矿井下防尘用水的要求。

增压泵是提供高压喷雾供水的主要部件，XRB125型是卧式三柱往复泵，由四极防爆电机驱动，工作液在泵头中经吸、排液阀吸入和排出，从而将电能转换成液压能，输出高压液体，流量为125 L/min，其电机功率为75 kW，电机转速为
1475 r/min。

过滤后的供水经加压后，供给喷雾装置。

DFB-20型矿用隔爆型电磁阀适用于煤矿井下恶劣环境，电磁阀的进水口内置有高效网状过滤器，能有效地阻挡介质中直径大于0.5 mm的杂质流经阀体，从而形
成了喷雾供水的二次过滤。

2.2 煤尘浓度检测装置
工作面监测选用GCG1000型粉尘浓度传感器，其原理如图2所示。

检测器外部
含尘空气在风扇的吸引下进入吸引口，经导流装置(遮掉外部光线)进入检测器暗室。

暗室内的平行光与受光部的视野成直角交叉构成灵敏区(图中斜线部分)，粉尘通过灵敏区时，其90°方向散射光透过狭缝射进来由光电倍增管接收并转换成光电流，
经光电流积分电路转换成与散射光成正比的电信号，通过放大电路和A/D转换电
路输入单片机，单片机计算出粉尘的质量浓度，显示并采用频率信号输出[4],测量
范围为0.1～1000 mg/m3，输出200～1000 Hz频率信号。

2.3 红外检测装置
当有矿工经过工作面时，采用热释电红外传感器非接触检测，将人体辐射信号转换成电信号。

选用热释电红外传感器RE200B，工作波长7~14 μm，视场
139°×126°。

通过菲涅尔透镜，红外信号聚焦到热释电红外传感器上，并将探测区分为若干个明区和暗区，从而使进入探测区域的移动红外辐射源能以温度变化的形式在PIR传
感元上产生连续变化的信号[5]。

采用BISS001进行信号处理，如图3所示，将热释电红外传感器的输出信号先进
行一级放大，然后由C3耦合给运算放大器进行二级放大，在经由双向鉴幅处理后，启动延时定时器，输出信号经晶体管放大后输出给控制器。

2.4 电磁阀控制装置
控制电路采用PIC16F877处理器，具有高速、低功耗的特点，20 MHz外部时钟，片内有8 K×14字Flash程序存储器，256B E2PROM数据存储器。

片内有10位多通道A/D转换器和3个定时器，2个捕捉器、比较器、PWM模块，9位USART和内部看门狗。

煤矿井下控制环境恶劣，固态继电器按3/4电流值选取，在留有足够的电压、电
流裕量的条件下，尽量避免过大的冲击电流和过电压损坏元器件。

电磁阀由欧姆龙G3NA-210B固态继电器SSR控制，如图4所示。

固态继电器是无触点继电器，
由输入电路、光电耦合器、驱动电路和缓冲电路构成，具有高速、高频率开关、电磁干扰小、灵敏度高及寿命长等特点。

为避免系统频繁动作，系统设置煤尘浓度上限和下限。

通过粉尘浓度检测装置及时
检测工作面煤尘浓度，当浓度超过设置上限值时，处理器驱动固态继电器，打开电磁阀，喷雾装置工作；当煤尘浓度降低并低于设置下限值，关断电磁阀，停止喷雾。

在喷雾过程中，如果有人经过喷雾区域，热释电红外传感器检测到信号后送入控制电路，可暂停喷雾，以免淋湿，当人离开该区域，继续喷雾降尘。

基于PIC16F877的煤巷综掘工作面喷雾除尘自动控制系统采用模块化软件设计，现场人员监控采用中断的方式，工作面煤尘监控采用定时扫描的方式，流程图如图5所示。

该系统结构简单，可靠性高，采用自动喷雾控制，能够根据煤矿粉尘浓度自动打开和关闭喷雾装置，有效地节约了用水量，避免煤质水分超标；采用高压喷雾除尘，由于雾化程度高，有效地降低了工作面的煤尘浓度，提高了除尘效率，改善了矿工的作业环境，保障了矿井作业安全。

【相关文献】
[1] 王兆喜,江兆利,周长超,等.煤矿粉尘在线监测及智能喷雾降尘技术[J].煤矿安全,2008(7):35-38.
[2] 杨国权.胶带输送机转载点除尘装置的设计与应用[J].中州煤炭,2011(8):33-37.
[3] 祖自银,刘涛.矿井综合防尘技术在山脚树矿的应用[J].煤,2007,1(16):18-20.
[4] 张全柱,黄成玉,邓永红.粉尘浓度传感器在煤矿井下的应用[J].物联网技术,2011(3):67-69.
[5] 王林泓,龚卫国,刘晓营,等.基于小波熵的低误报率人体热释电红外信号识别[J].仪器仪表学
报,2009,12(30):2485-2490.。