孙军要 王国帅 张曙光
摘要：作为煤矿五大灾害之一的粉尘，除了极大威胁井下的安全生产外，还对井下工人的身体健康造成了严重的危害。采用合理的防尘技术，可以有效地预防因粉尘而造成的煤矿事故。煤矿除尘水幕是矿井生产中用于灭尘的一种方法，其使用效果对煤矿安全生产和矿工的身体健康影响较大。针对除尘水幕在使用中存在的问题，通过技术改造后，实现了除尘水幕的自动控制，不仅净化了空气，还进一步提高了防尘效果。
关键词：煤矿 粉尘 除尘水幕
1 概述
煤炭粉尘是城市空气质量的“主要杀手”。作为煤矿五大灾害之一的粉尘，除了极大威胁井下的安全生产外，还对井下工人的身体健康造成了严重的危害。根据卫生部的通报，中国累计的尘肺病患者截止2005年已有60多万病例，其中来自煤炭行业的病人约占50%，由于尘肺病，每年造成的直接经济损失高达200亿元，此数据还是不包括地方和乡镇煤矿在内的仅是国有大型煤矿的病例数。目前，全国的矿工中，患有不同程度尘肺病的人数达到了100多万，此外，每年仍旧以112-115万人的速度增加。 一边是发展，一边是环保和百姓的健康，以牺牲环境的代价换取发展早晚要顶到天花板。减少粉尘危害最有效的途径除了严格控制粉尘浓度并最大限度的降低作业人员接触粉尘量外，还应当减少矿井空气中呼吸性粉尘的浓度。
2 矿井下粉尘的产生及特性
2.1 井下粉尘的产生 在煤矿的生产过程中，能够将大量粉尘排放到井下空气中的除了贮存和运输外，还包括巷道的掘进等环节，并且，排出的粉尘量会随着作业场所风速的增加而增加。采煤工作面在煤矿中属于产尘最多的作业场所，在矿井的产尘量中，约有60%的粉尘来自采煤工作面。采煤工作面不仅是预防瓦斯和煤尘爆炸等恶性事故发生以及有效改善矿井劳动卫生条件的重点，更是防治矿尘的重点。随着我国越来越普及机采工作面，产尘的浓度正逐渐高升。机采工作面的四大产尘源主要包括采煤机割煤、支架移架、放煤口放煤以及破碎机破煤，其产尘量分别约占60%、20%、10%以及10%左右。为了达到综合治理粉尘的目的，必须针对采煤工作面的尘源采取相应的治理措施以做好采煤工作面的粉尘防治工作，以有效降低粉尘的浓度。
2.2 井下粉尘的特性与危害 煤矿井下粉尘是在煤矿生产过程中产生微细粉尘和岩尘的总称，具有以下特点：与回风道的粉尘相比，采掘工作面产生的新鲜粉尘更容易带电；如果粉尘表面吸附了一层空气薄膜，就会阻碍粉尘间或水滴与粉尘间的凝聚沉降；吸附在粉尘表面的氧分子会随着粉尘分散度的增加而增加，这样就会加快粉尘的氧化分解过程；细微岩尘具有的加大表面积使得游离在岩尘中的二氧化硅易溶解于人体的肺细胞内。粉尘具有的这些特征，不仅容易引发尘肺和导致燃烧爆炸，此外，机械在高浓度粉尘下会加速磨损从而缩短了精密仪器的使用寿命。
3 粉尘防治技术
通过实践我们发现，不管是何种防尘技术都很难将粉尘降低到《煤矿安全规程》规定的范围以内，因此，根据井下的实际情况对煤尘进行综合治理是维护井下作业环境的必要措施。具体来说，其防治措施主要是：第一，掘进前为了降低煤岩体产尘，应当洒水以提高煤岩体的润湿性。第二，利用相关除尘技术或设备，及时过滤或排除产生的粉尘。防风抑尘网可以将风速降低到起尘风速以下，能够粘住微小的煤炭颗粒，有效地控制煤炭场地的扬尘，减少冬春两季风大给防尘工作带来的影响。第三，利用特定的防尘技术在开采过程中对尘源进行控制，从而使得粉尘存在于特定的空间而得不到进一步扩散。水幕除尘作为一种有效的灭尘方法已经在煤矿生产中得到了广泛应用，但是也存在以下问题：
3.1 使用中存在的问题 第一，对水资源不能够很好的利用；第二，如果操作不及时，在行人或车辆通行时会淋湿行人、车辆等；第三，需要人工对空气中的粉尘含量进行判别而缺乏科学性；第四，由于不具备自动控制功能，对水幕的开停需要专人操作；第五，时而存在的漏开现象会由于影响除尘效果而降低空气质量。
3.2 技术改造的设计思路 第一，为了降低改造成本，应当充分利用原除尘水幕的部分设备；第二，为了在行人车辆通过时，除尘水幕能够自动关闭，在有行人车辆通过时能够自动开启，应当对其增加行人或车辆通过的检测功能；第三，增加手动强制开闭除尘水幕的功能供特殊情况下使用；第四，为了避免人工对水幕进行随意开闭，应当将传感器检测技术与集成运算放大器进行结合，使其具备自动控制功能；第五，利用固态继电器和电磁法对水幕开闭进行控制；第六，为了实现根据空气质量自动开闭除尘水幕，可以增加实时检测空气中粉尘的功能，从而对矿井空气中的浑浊度进行科学判断。
3.3 改造后系统的工作电路 经过技术改造的煤矿除尘水幕由振荡器电路、行人或车辆通行检测与自锁电路、工作状态只是部分、逻辑控制与执行电路以及空气粉尘检测电路和电源电路组成。
电源电路中的双输出变压器能够提供两种所需的电压；三端稳压器能够保证输出高稳定的电压；输出的±12V和5V直流电压分别保证了各个电路能够稳定的工作。
所谓振荡器电路，是能够为行人车辆通行检测和自锁能力提供振荡信号的电路，此电路除了可以由阻容原件与LM555共同连接成的多谐方振荡器实现，也可以由其他电路实现，其中，多谐方振荡器的设置频率为1kHz左右。
为了保证电路工作安全可靠，由传感器和集成运算放大器等元件共同组成了空气成分含量测量器，集成运放在较为清洁的空气中会输出低电平促使控制电路复位，从而使除尘水幕不工作；当空气混浊时就会输出高电平而促使除尘水幕喷雾除尘。
光电检测电路和自锁电路共同组成了行人或车辆通行检测与自锁电路，两组发光管和光电三极管共同组成了光电检测电路，其不仅可以采用高亮度的发光二极管或激光二极管，还可根据巷道宽度采用多个发光二极管并联使用。
检测空气中煤尘或岩尘含量的即空气煤尘测量电路，当含量超过调定值时，除了输出信号喷雾除尘外，还指示工作状态。
自锁电路由D触发器、与非门和反相器等组成。其原理为：当行人车辆通过X1时，X1将变换电位传给自锁电路，通过X2时，由X2传输，但只有X1、X2全部转换后才回到原始状态，从而防止通过行人或车辆时喷雾水幕淋湿行人或车辆，反之亦然。
行人（车辆）通行自锁电路中D触发器的次态方程和输出方程为：
四输入与非门、电磁阀以及固态继电器等共同组成了逻辑控制与执行电路。此电路对于行人或车辆检测与自锁电力、空气粉尘含量检测电路等输出的信号能够进行可靠的接收，而后经过综合分析后产生相应动作。由于固态继电器能够有效隔离交直流电路、高低压电力和实现无触点控制，因此，能够避免出现干扰现象和接触火花，同时脉冲吸收回路由于能有效避免电磁干扰的产生而保证了电路的稳定性。
在除尘水幕的两侧分别安装检测电路采用的两套发光二极管和光电管，距离除尘水幕～5m，距巷道地板0.8～1m。为了增加发光的强度，在巷道较宽或空气混浊的时候应当采用多发光管并联的形式。在除尘水幕上风口的巷道壁上安装空气粉尘含量测量电路中的传感器部分，距离除尘水幕3m，距巷道地板1.5m，传感头和接收器相距30～50cm。
由于执行电路试用了固态继电器控制电磁阀，因此，能够很好的实现交直流隔离、无触点控制以及高低压隔离等。此电路之所以能够保持长时间的稳定工作，是因为其具有高低压隔离、调试简单以及灵敏度高等特点。此电路除了能够在采煤掘进工作面以及回风巷等需要除尘部分进行便捷的安装外，还能够有效清除空气中的烟雾。
4 结束语
作为煤矿五大灾害之一的粉尘，除了极大威胁井下的安全生产外，还对井下工人的身体健康造成了严重的危害。煤炭生产中用苫布苫盖并不现实，比较好的方法就是洒水淋湿煤炭，防止起尘。另外，采用合理的防尘技术，可以有效地预防因粉尘而造成的煤矿事故。
煤矿除尘水幕是井下巷道灭火的一种方法，其使用效果对煤矿安全生产和矿工的身体健康影响较大。针对除尘水幕在使用中存在的问题，通过技术改造，实现除尘水幕的自动控制，不仅净化了空气，而且进一步提高了防尘效果，大大提高了井下作业的安全系数。
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