碎軟煤層干式定向鉆孔控塵技術(shù)研究

吳冬梅，龔小兵，魯 軻，邢鵬超

(1.永城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 永城 476600； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

在我國煤礦瓦斯防治措施中，煤層長鉆孔預(yù)抽瓦斯是治理煤層瓦斯的有效措施之一[1-4]。目前，煤層長鉆孔主要有濕式鉆孔和干式鉆孔2種施工方式[5-7]。濕式鉆孔施工方式粉塵危害較小，但采用濕式鉆孔時卡鉆、塌孔、污水排放問題較難解決[8-9]；干式鉆孔施工方式，特別是采用空氣定向鉆進技術(shù)進行煤層鉆孔施工，具有施工周期短、成本低、瓦斯抽采效果好等顯著優(yōu)勢，故在煤巷瓦斯抽采鉆孔施工中被廣泛采用[10-12]。但是，在碎軟煤層中采用空氣定向鉆進技術(shù)時，鉆孔周圍細(xì)微粉塵擴散較為嚴(yán)重[13-17]，鉆場空間內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重，給礦井的安全生產(chǎn)及作業(yè)人員健康帶來隱患[18-20]。

針對碎軟煤層鉆孔粉塵質(zhì)量濃度高、粉塵擴散嚴(yán)重的問題，提出一種鉆孔孔口非接觸式控塵方案，設(shè)計了一種具有密封功能的集塵罩對鉆孔孔口粉塵進行控制，以解決鉆孔孔口粉塵擴散的問題。通過對影響集塵罩控塵效果的關(guān)鍵工藝進行試驗研究，獲得了最佳控塵效果的工藝參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，使用該集塵罩后控塵效率達(dá)到98.3%。

1 煤層干式定向鉆孔粉塵危害特點

在煤層干式定向鉆孔施工過程中，使用專用空氣壓縮機為空氣螺桿馬達(dá)提供動力，由于專用空氣壓縮機公稱壓力和流量較大，風(fēng)力排渣時會導(dǎo)致鉆孔周圍粉塵擴散嚴(yán)重，故鉆場粉塵質(zhì)量濃度較高[15]。對青龍煤礦碎軟煤層干式定向鉆孔鉆進過程中距鉆孔1 m位置的粉塵質(zhì)量濃度進行測試，在不采取控塵措施時粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到了2 000 mg/m3以上。由于鉆孔鉆進過程中碎軟煤層煤體容易破碎，導(dǎo)致鉆屑顆粒中小粒徑顆粒含量較多，為此，對青龍煤礦碎軟煤層干式定向鉆孔施工過程中產(chǎn)生的鉆屑顆粒進行粒度分析測試，結(jié)果見圖1。

由圖1可見，碎軟煤層干式定向鉆孔鉆屑粒徑小于10 μm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到19.72%，細(xì)微顆粒含量占比較大。因此，在碎軟煤層干式鉆孔鉆場環(huán)境中粉塵質(zhì)量濃度高，粉塵中的細(xì)微顆粒較多，危害程度大。

2 干式鉆孔控塵技術(shù)方案

針對碎軟煤層干式定向鉆孔的粉塵危害特點，為了降低煤層鉆孔鉆進過程中的粉塵危害，避免粉塵擴散到巷道空間內(nèi)污染作業(yè)環(huán)境，提出一種非接觸式控塵方案，設(shè)計了一種具有密封功能的集塵罩，利用該集塵罩對鉆孔中排出的粉塵進行收集，同時設(shè)計控塵裝置對集塵罩與鉆桿之間的間隙進行密封，防止粉塵擴散。集塵罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，碎軟煤層干式定向鉆孔控除塵系統(tǒng)如圖3所示。

(a)剖面結(jié)構(gòu) (b)軸向結(jié)構(gòu)

1—預(yù)埋抽采管；2—集塵罩；3—鉆桿；4—收塵管路；5—干式除塵器；6—鉆孔控塵系統(tǒng)；7—煤體。

集塵罩安裝法蘭與定向鉆孔預(yù)先埋設(shè)的抽采管路法蘭盤連接，壓縮空氣通過集塵罩中密封裝置的氣縫產(chǎn)生環(huán)形“氣幕”對集塵罩與鉆桿之間的間隙進行非接觸式密封，防止粉塵擴散到巷道中，以減小巷道內(nèi)粉塵危害。

3 控塵關(guān)鍵參數(shù)研究

3.1 試驗系統(tǒng)建立及參數(shù)選取

為了研究集塵罩與鉆桿間隙寬度、密封裝置氣縫寬度、控塵氣幕壓力對集塵罩控塵效果的影響，設(shè)計了專用試驗平臺，如圖4所示。

1—螺桿發(fā)塵裝置；2—封孔管路；3—集塵罩；4—控塵裝置；5—鉆桿；6—KJ25接口；7—空氣壓縮機；8—收塵管道。

試驗系統(tǒng)中的鉆桿外徑為75 mm，封孔管內(nèi)徑為 150 mm，螺桿發(fā)塵裝置發(fā)塵量為6 kg/min，收塵管道上增加1.5 kPa負(fù)壓模擬干式除塵器產(chǎn)生的負(fù)壓，定向鉆機空氣壓縮機氣壓一部分用于鉆進作業(yè)，另一部分用于風(fēng)力排渣。通過前期調(diào)研及試驗，用于風(fēng)力排渣的壓力約為0.3 MPa，故試驗系統(tǒng)排渣壓力設(shè)定為0.3 MPa。在以上試驗條件下，對影響集塵罩控塵效果的有關(guān)參數(shù)進行試驗研究，粉塵質(zhì)量濃度測試按照GB 5748—85《作業(yè)場所空氣中粉塵測定方法》中規(guī)定的測試方法，測試位置在鉆桿和集塵罩縫隙出風(fēng)口下風(fēng)側(cè)0.5 m處。

3.2 集塵罩與鉆桿間隙寬度對控塵效果的影響

在排渣壓力、控塵氣幕壓力固定不變，集塵罩中密封裝置氣縫寬度(以下簡稱為“氣縫寬度”)為 0.2 mm 的條件下，集塵罩與鉆桿間隙寬度(以下簡稱為“間隙寬度”)為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的控塵效果測試結(jié)果見表1。

表1 間隙寬度對集塵罩控塵的影響測試結(jié)果

由表1可見，間隙寬度會影響集塵罩控塵效果，間隙越小控塵效果越好。當(dāng)間隙寬度為0.5 mm時，粉塵質(zhì)量濃度為27 mg/m3。但試驗過程中發(fā)現(xiàn)，受到鉆桿與集塵罩控塵裝置的同軸度影響，較小的間隙寬度會造成控塵裝置磨損，最終選取間隙寬度為2.0 mm進行下一步試驗研究。

3.3 氣縫寬度對控塵效果的影響

在排渣壓力、控塵氣幕壓力固定不變，間隙寬度為2.0 mm的條件下，分別對氣縫寬度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm時的控塵效果進行測試，結(jié)果見表2。

表2 氣縫寬度對集塵罩控塵的影響測試結(jié)果

由表2可知，氣縫寬度越寬控塵效果越好。當(dāng)氣縫寬度為0.2 mm時，粉塵質(zhì)量濃度為50 mg/m3，氣縫寬度繼續(xù)增大控塵效果變化已不明顯。

3.4 控塵氣幕壓力對控塵效果的影響

根據(jù)間隙寬度、氣縫寬度對控塵效果的影響測試結(jié)果，綜合考慮選取間隙寬度為2.0 mm、氣縫寬度為0.2 mm，分別對不同排渣壓力和控塵氣幕壓力條件下的控塵效果進行測試，結(jié)果見表3。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隙寬度和氣縫寬度固定時，控塵氣幕壓力增大會顯著提高控塵效果；控塵氣幕壓力與排渣壓力大小相近時，控塵效果普遍較好。當(dāng)排渣壓力為0.3 MPa、控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，控塵效率達(dá)97.2%。

4 集塵罩現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)研究

試驗研究結(jié)果表明，當(dāng)間隙寬度為2.0 mm、氣縫寬度為0.2 mm、排渣壓力為0.3 MPa、控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，控塵效果最佳。故選取以上參數(shù)進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

為了對集塵罩的控塵效果進行驗證，在青龍煤礦進行現(xiàn)場試驗。在井下定向鉆進作業(yè)過程中，空氣螺桿馬達(dá)使用的空壓機公稱壓力為1.25 MPa，公稱流量為17 m3/min；使用井下壓縮空氣管路為集塵罩提供氣壓，最大壓力為0.5 MPa。試驗過程中，空壓機總供氣壓力為1.25 MPa，其中用于鉆孔排渣的氣壓約為0.3 MPa。調(diào)整控塵氣幕壓力，對不同壓力及鉆孔深度條件下的粉塵質(zhì)量濃度進行測試，測點設(shè)在鉆桿和集塵罩縫隙出風(fēng)口下風(fēng)側(cè)0.5 m位置。現(xiàn)場設(shè)備布置如圖5所示。

1—定向鉆機；2—鉆桿；3—集塵罩；4—封孔套管；5—壓氣密封裝置；6—排渣管；7—KJ25膠管；8—鉆機司機位置；9—儲氣罐；10—引射器供風(fēng)管；11—布袋除塵器；12—旋風(fēng)除塵器；13—瓦斯抽放管路；14—抽放系統(tǒng)連接管；15—除塵器供風(fēng)管；16—礦車；17—螺桿馬達(dá)供風(fēng)管路；18—風(fēng)流方向；19—風(fēng)門。

4.1 控塵氣幕壓力對應(yīng)用現(xiàn)場控塵效果的影響

在鉆孔深度20 m條件下，分別對控塵氣幕壓力為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa時的粉塵質(zhì)量濃度進行測試，結(jié)果見表4。

表4 現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度測試結(jié)果

由表4可見，當(dāng)未采用控塵裝置(即控塵氣幕壓力為0 MPa)時，在鉆桿和集塵罩縫隙出風(fēng)口0.5 m位置粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到3 907 mg/m3；采用控塵裝置后，鉆孔處粉塵擴散情況得到一定控制，隨著控塵氣幕壓力提高，粉塵質(zhì)量濃度逐漸減小，當(dāng)控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，平均粉塵質(zhì)量濃度降低到 67 mg/m3，控塵效率達(dá)到98.3%。

4.2 不同鉆孔深度條件下的控塵效果

分別對鉆孔深度為20、40、60、80、100 m時的控塵效果進行考察，對鉆桿和集塵罩縫隙出風(fēng)口0.5 m位置的粉塵質(zhì)量濃度進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果見圖6。

圖6 不同鉆孔深度條件下鉆孔粉塵質(zhì)量濃度

由圖6可見，未采用控塵裝置時，粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到了2 000 mg/m3以上，鉆孔的粉塵質(zhì)量濃度隨著鉆孔深度的增加而減小；采用控塵裝置后，鉆孔周圍粉塵擴散情況得到改善，不同鉆孔深度粉塵質(zhì)量濃度均有一定幅度減小。

根據(jù)鉆桿和集塵罩縫隙出風(fēng)口0.5 m位置的粉塵質(zhì)量濃度測試數(shù)據(jù)，計算得到不同鉆孔深度條件下的控塵效率，結(jié)果見圖7。

圖7 不同鉆孔深度條件下的控塵效率

由圖7可見，控塵氣幕壓力會對控塵效率產(chǎn)生影響，當(dāng)控塵氣幕壓力由0.1 MPa增加到0.5 MPa時，控塵效率逐漸增高，在控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，各鉆孔深度的控塵效率均在95%以上，控塵效果較好。

5 結(jié)論

1)通過對集塵罩控塵結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進行試驗研究，得到了間隙寬度、氣縫寬度和控塵氣幕壓力對控塵效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，當(dāng)間隙寬度為2.0 mm、氣縫寬度為0.2 mm、排渣壓力為0.3 MPa、控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，粉塵質(zhì)量濃度由540 mg/m3降低到15 mg/m3，控塵效率達(dá)97.2%。

2)現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用集塵罩后，鉆孔粉塵擴散問題得到有效控制；當(dāng)控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，整個鉆進過程中鉆孔控塵效率均在95%以上。

3)研制的集塵罩可以有效控制碎軟煤層干式定向鉆孔粉塵擴散，結(jié)合高效除塵器組成的控除塵系統(tǒng)，能夠有效降低作業(yè)場所的粉塵質(zhì)量濃度，改善了鉆場作業(yè)環(huán)境。