首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 煤矿气水喷雾降尘的可拓工程方法

煤矿气水喷雾降尘的可拓工程方法

2025-03-08 46 上传者：管理员

摘要：煤矿降尘是一项关系生产安全和员工健康的极为重要的长期性工作，以智能化煤尘综合治理为目标，可拓工程方法为基础，通过物元、事元模型，清晰表述物件及事件，进而应用拓展分析及可拓变换方法，对所表示的物元和事元进行变换，实现煤矿喷雾除尘方案的生成。利用可拓工程方法的基元模型对降尘方式等特征进行建模、拓展，并针对矿井中不同阶段、场景进行粉尘浓度检测与预测，通过对降尘方式的组合与拓展，在煤矿作业中应用智能化技术喷雾降尘，使气水喷雾降尘的效果得到显著提升。通过在矿井采煤中的粉尘降尘为例，初步实现了降尘方案的生成，验证了可拓工程方法与人工智能技术结合的降尘方式的有效性。

关键词：
可拓学
可拓工程
喷雾降尘
气水喷雾
煤矿降尘
加入收藏

中国是世界上煤炭产量最大的国家,也是煤炭消费最多的国家,煤炭为相关行业提供了大量的就业机会,解决了部分人员的就业难题｡中国的综合实力提高,国家科技水平的不断提升,也离不开煤炭产业的发展｡绿色低碳背景下,采煤场､选煤厂的智能化建设与发展值得重视｡

在煤炭挖掘及运输､处理的过程中,粉尘产生是不可避免的问题,不及时有效地处理,将有更多的不良后果产生｡文献[1]､文献[2]显示,选煤厂的粉尘浓度,存在超标现象,粉尘浓度超标对人类生活造成极大影响｡目前,煤矿技术也有了进一步研究,邱观华[3]对煤岩巷道掘进面粉尘污染问题进行研究,并有效降低了掘进面粉尘浓度｡袁安详[4]对采煤机远程控制系统进行优化,有效提高了煤矿生产安全｡在煤矿安全方面,胡杰[5]研究并实现了对煤矿安全的有效监测,保障了工作面生产安全｡矿井降尘问题也是研究重点,杨永波等[6]以解决综采工作面粉尘浓度过高为目标,分析湿润剂溶液在高压喷雾降尘中的效果,与矿井水等进行对比,结果表明,其降尘效果相比其他有显著提升｡郑豪等[7]通过优化喷雾雾化特性提高矿井喷雾降尘效率,同时对矿井水治理有着重要意义｡聂文等[8]针对传统喷雾降尘剂溶液黏稠不易雾化导致综采工作面降尘效果较差问题,研制了新型喷雾降尘剂并得到较好的降尘效果｡对于选煤厂煤尘防治也已有研究,栗轩华[9]在煤尘治理中,结合智能化选煤厂建设以煤尘综合治理为目标,使用高压雾化喷雾系统进行降尘,实现工作环境改善｡姚春波等[10]对气水喷雾喷头内部结构进行研究,将研究应用于选煤厂,发现喷头的内部结构直接影响流体特性｡解兴智等[11]为解决选煤厂中煤尘积聚等问题,研究一套粉尘治理方案,并对气水喷雾降尘装置进行参数计算,实现粉尘浓度的降低｡

实现智能化煤尘综合治理的目标,首先要解决多场景下煤矿粉尘浓度较高的问题｡传统解决方向是比较随机的,不同方案的产生较为复杂,且难以表示,没有形式化的语言模型表示多源碎片化信息｡本文利用可拓学中的基元理论,建立能够清晰表示选煤厂信息的模型,并实施拓展和变换,为除尘策略的智能生成及动态控制提供新方法｡

1、可拓工程用于煤矿除尘的主要思路及模型构建

可拓学[12]创始人蔡文教授以解决矛盾问题出发,创立了可拓学｡可拓工程已广泛应用于许多领域并取得较大成效,结合可拓学相关知识,寻找解决矛盾问题的可行方案｡

1.1煤矿粉尘基础信息整理

煤矿粉尘主要有煤尘､岩尘､喷射混凝土尘､游离态二氧化硅､金属､类金属粒子及其化合物等｡矿井的粉尘来源主要在掘进工作面的爆破､破煤､装煤､装卸､运载､锚喷等环节｡在大多数情况下,岩巷掘进工作面中各个环节所产生粉尘的主要成分是游离的二氧化硅,而在煤巷掘进工作面中产生的粉尘以煤尘为主｡

采煤工作面是产尘量最大的煤矿生产地点｡采煤工作面的产尘主要发生在破煤､落煤､装卸､运载等环节｡可以将这些产尘环节具体划分为抛落及摩擦2种明显机制,因摩擦机制产生的粉尘数量多､颗粒大,而抛落容易产生呼吸性粉尘｡

文献[13]中显示,从矿井中开采出来的原煤通过运输来到选煤厂,除了在巷道中运输产生煤尘,到达选煤厂后通过带式输送机运输也会产生煤尘,其产生煤尘的原因主要是采用带式输送机时,存在高度差｡

开采完的原煤运输到选煤厂后,根据原煤的颗粒大小会进行划分不同类型的种类,对于颗粒较大的原煤,需要对其进行破碎处理,机器对原煤进行处理,实现原煤粉碎的同时,也会带来煤尘飞扬现象,故破碎阶段也是选煤厂煤尘产生的一个主要阶段｡

降尘技术方面的信息包括加湿原煤除尘､超高压静电除尘､气水喷雾降尘等类型及其特征｡加湿原煤除尘是将未经加工的煤,加水湿润后形成湿态颗粒物,以减少颗粒物的飞扬,提高空气质量,降低空气中粉尘的浓度｡加湿原煤能够降低粉尘飞扬,改善工作环境,适用性较广且操作简单快捷,但使用此方法耗水量大,可能形成泥浆而导致工作环境恶化｡

超高压静电除尘是一种高效的方式,常用于高尘､高污染环境中,该技术的原理是通过利用电场的力量,实现就地净化,防止粉尘外溢｡超高压静电除尘效果好,且可以处理多种类型的颗粒物,但其需要产生和维持极高电压,因此能耗较大,且相对加湿原煤除尘其所需的设备仪器复杂且昂贵,高压环境下,同时也对人身安全造成威胁｡

气水喷雾降尘是一种新型､高效､低能耗的技术,主要原理是利用专用雾化喷嘴将高压水和高速空气流混合雾化形成高压水,高压水将水雾化成更微细水滴,形成比传统更细小的水雾,喷射到空中与浮尘碰撞接触,尘粒黏附与水滴或与湿润尘粒凝集成更大的颗粒,从而实现降尘｡

对领域内容的调研及汇总后,可通过基元理论建立其初始模型,以简洁客观的形式进行对比,选择更合适的方式｡

1.2基础信息模型的建立

针对矿井及选煤厂的相关数据,建立其相关的类物元基础模型,可为后续模型提供基础,矿井及选煤厂的类物元模型如下:

其中,降尘方式M3,M4,M5及采煤工具M11的基元模型分别论述如下｡

降尘技术模型的建立,主要是如下初始物元模型:

对于煤矿作业情况,首先考虑的是人员的安全性问题,气水喷雾降尘技术与超高压静电除尘技术对比下,气水喷雾具有较大优势｡原煤加湿技术与气水喷雾降尘技术及超高压静电除尘技术相比,其优点在于方便快捷,技术难度较低,气水喷雾降尘的技术相比原煤加湿､超声降尘等方式,在新颖性､能耗等方面有较大优势｡

目前,对于矿井及选煤厂工作各个部分的描述,较为复杂,故利用可拓学中的基元模型进行表示,实现对其工作模式及状态的表示,以形式化模型描述,更加清晰准确｡

矿井的物元模型建立主要结合降尘方式､工作位置､绿色经济等综合因素,矿井的初始物元模型如下:

不同矿井有其独特的煤矿环境,故对于每个煤矿中物元模型的建立,一般都有各自的特点,面对不同环境下问题的处理,物元模型的优势就能够得以体现,建立目标矿井的物元模型,找出实现方案中的瓶颈,并进行针对性地改进｡

煤矿采掘中保障人身安全是首要目标,煤矿工人尘肺现象､煤矿爆炸事件时有发生,其主要原因是煤尘浓度过高｡故降低煤矿粉尘浓度是避免煤矿事故发生的必要手段,降尘行为可采用可拓学中的事元模型表达:

2、降尘的可拓策略生成

基元模型的建立为可拓变换打下基础｡文献[14]矿井中降尘大部分在采掘后通过帷幕式喷雾降尘等方式进行,以下通过矿井中降尘事元模型的拓展分析及可拓变换,说明其对降尘模式产生的影响｡以变换矿井降尘阶段为例:

对于矿井降尘的创新策略生成,以往考虑创新的方向会偏向于事件发生后再进行处理,对于矿井煤尘过高的问题,一般考虑的方向都是以煤尘产生后,再对其进行技术研究,及如何在煤尘产生后进行降尘计划的制定｡以建立矿井的物元模型及事元模型为基础,以降尘事元作为切入点,对其拓展､变换并生成创新策略｡

降尘事元所表示的是降尘这一动作及其所处状态｡对于上述模型A1所表示的是采掘煤炭后在矿井的综采工作面,采用矿井水溶液的气水喷雾降尘方法进行降尘处理,此种方法通过人工操作,且除尘率高｡在A1的基础上,利用可拓学中的拓展分析,对降尘阶段进行拓展｡A1所表示的是采掘煤炭时在矿井的综采工作面,采用跟踪喷雾降尘控制器和矿井水溶液的气水喷雾降尘方法,对其进行降尘处理,其智能化程度高且除尘效果有效提升｡A1所表示的是采掘前在矿井的综采工作面,利用钻机工具对煤矿进行钻孔处理,进而使用原煤加湿方法对煤炭进行处理,此方式需要人工操作,且其降尘率较低｡

根据以上事元的拓展,以降尘阶段的预处理增加变换为例,分析降尘前及降尘中2个不同阶段的状态数据,对不同阶段的降尘方式进行预处理和整合,通过分阶段多技术融合实现智能降尘的整体目标｡

通过对降尘阶段的细分,整合不同类型的降尘方式,对初始事元模型及变换后的模型进行增加变换,实现矿井中不同场景的智能降尘,从防尘及除尘两方面相结合,对矿井粉尘浓度过高问题进行智能感知与处理｡针对选煤厂降尘问题,建立基元模型并利用可拓变换等方法,也可实现不同场景下的智能喷雾降尘｡

本文以察哈素煤矿为例,以A1方案进行工作,即在采掘过程中,采用跟踪喷雾降尘控制器,实现气水喷雾降尘系统的智能运行｡通过记录并分析相关数据发现,上述气水喷雾降尘方案A1可达到平均降尘效率接近80%的效果,可实现大部分粉尘的浓度预测和智能处理,效率有较大提高｡若以A1方案作为煤矿降尘方案,即对采掘前､采掘时､采掘后3个时间段实施煤尘防治及煤尘处理,其降尘效率将会更为显著,但成本会有所增加｡

3、结语

将人工智能技术与可拓学相结合,在数据采集､处理､挖掘的基础上,利用可拓学中基元建模､拓展及可拓变换,实现矿井中不同位置､不同状态下的粉尘预测与智能降尘,并试用于实际生产中,取得较为显著的效果｡这一可拓智能除尘方式,采用基元模型表示矿井及选煤厂的工作方式及工作状态,以形式化模型表示并集成多源碎片化信息,解决了以往难以智能感知,并预测矿井及选煤厂粉尘状态的问题,同时基元建模也为通过可拓变换生成应急处理策略打下基础｡基元及其复合模型可以从不同角度对矿井及选煤厂降尘进行描述,拓展分析与变换可启发更多研究者深入挖掘并产生更智能化､绿色化的实用性新技术｡煤矿粉尘处理的模型构建与智能拓展仍有许多工作需要开展,例如基元模型的计算与推理､煤矿安全策略的智能化生成与预警等｡在建立更加完善､更具安全性的降尘系统方面,可拓集合及其关联函数也提供了广阔的研究方向,包括评估､预测和转化等领域的深入探索｡

参考文献:

[1]周婷,刘寅超,常志强,等.某洗选煤厂职业病危害关键岗位及防控措施分析[J].中国工业医学杂志,2023,36(2):181-183

[3]邱观华,马帅帅,刘喜亮,等.机械通风参数对半煤岩巷道掘进面粉尘扩散特性的影响[J].煤矿机械,2024,45(9):43-46.

[4]袁安祥.采煤机远程控制系统中的智能化控制方法与应用研究[J].煤矿机械,2024,45(2):139-141.

[5]胡杰.煤巷掘进突出危险声发射监测效果考察与应用[J].中国煤炭,2024,50(1):36-41.

[6]杨永波,邢鹏超,鲁轲.两性/阴离子复配湿润剂高压雾化降尘[J].浙江大学学报(工学版),2023,57(9):1824-1831,1842.

[7]郑豪,高亚斌,曹敬,等.矿井水钠钾离子浓度对喷雾雾化特性影响研究[J].矿业研究与开发,2023,43(5):162-168.

[8]聂文,许长炜,彭慧天,等.矿井新型增润促凝喷雾降尘剂的研制与抑尘性能研究[J].材料导报,2023,37(15):264-272.

[9]栗轩华.榆家梁选煤厂煤尘治理[J].洁净煤技术,2023,29(S1):215-218.

[10]姚春波,弓培林,郭建珠,等.基于涡旋效应的雾化喷头及其在选煤厂的应用[J].煤炭工程,2021,53(9):154-159.

[11]解兴智,许红杰,孙龙浩,等.转载点密闭自发电气水喷雾系统[J].煤矿安全,2019,50(7):157-160.

[12]杨春燕,蔡文.可拓学[M].北京:科学出版社,2014.