泡沫降塵技術在鉆孔施工除塵中的應用

喻 建

（潞安集團和順一緣煤業，山西 和順 032799）

1 問題的提出

和順一緣煤業經鑒定屬于煤與瓦斯突出礦井，煤質比較松軟，f=0.25~0.46，煤層的瓦斯含量較高。因此二采區相應工作面進行回采前必須施工瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽，施工鉆孔數量多、深度大，鉆進工程量大。在鉆孔施工時，采用濕式鉆孔水力排渣易造成塌孔卡鉆、斷鉆桿，在成孔后常有塌孔、堵孔現象發生。經研究調整采用干式鉆孔風力排渣，解決了塌孔卡鉆和斷鉆桿的問題，但是產生的粉塵造成了嚴重的作業環境污染。數據檢測表明：實行風力排渣后，全塵的濃度上升到了850~1100mg/m3，污染了巷道作業空間，給井下開采帶來了嚴重的安全隱患。采用在孔口安設集塵罩，將井下的壓水管接通集塵罩上的噴嘴接頭，在集塵罩內噴水降塵，然后在巷道內打開防塵網進行降塵，因集塵罩收塵效率低，導致防塵網降塵的除塵效果不佳，因此這種方法不能有效的控制粉塵濃度。數據檢測表明鉆孔周圍煤塵濃度仍在400~630mg/m3之間，距離標準要求還有一定的差距。應用泡沫降塵技術可促使鉆孔產生的粉塵被大量泡沫覆蓋，與外界進行隔絕，防止了粉塵的逸散，能有效地降低鉆孔下風側的粉塵濃度，解決因鉆孔施工導致的粉塵濃度升高問題。

2 泡沫降塵機理及鉆孔泡沫降塵系統

2.1 泡沫降塵機理

將水和發泡劑按比例進行混合，產生大量的泡沫來對塵源進行覆蓋，可以讓剛產生的粉塵第一時間得到濕潤，然后進行沉積。將水和發泡劑進行比例混合后，利用發泡裝置射向塵源，泡沫體積的龐大增加了泡沫表面與塵粒的結合概率，起到隔絕塵源和潤濕最小的粉塵粒的雙重作用。泡沫之所以能捕集到粉塵，主要是靠慣性碰撞、截留和擴散。

當產生的粉塵粒徑不同時，泡沫降塵的作業機理也有所變化。當粉塵粒徑大于100μm 且運行速度不高時，表現為重力沉降效應；當粉塵粒徑大于10μm 小于50μm，且運行速度v>1cm/s 時，表現為截留和慣性碰撞效應；當粒徑小于10μm 的微小粉塵時，表現為擴散效應。黏附效應始終存在于降塵作用當中。如圖1 所示。

2.2 鉆孔泡沫降塵系統

集塵罩由兩個空心半圓柱體組成，中間通過合頁連接，套在鉆桿上比較方便，隨用隨套。集塵罩將鉆孔施工時產生的粉塵控制在相對密閉的空間內，罩內設有軟管，軟管上安有水噴嘴。側面設有兩個軟管連接接頭，連接軟管時，根據鉆孔泡沫抑塵器的位置，選擇連接其中的一個接頭。集塵罩下部設有排渣口，排出大的煤渣。如圖2 所示。

圖2 泡沫降塵裝置示意圖

鉆孔泡沫抑塵器主要由吸入箱、儲液箱、混合箱、管線箱、控制箱及泡沫引流管等組成。吸入箱內設有水霧噴嘴，泡沫引流管口安裝一個泡沫噴嘴，水霧噴嘴和泡沫噴嘴噴射后，形成負壓，將集塵罩內的粉塵吸出，在水和泡沫的雙重抑制作用下降低粉塵濃度。

3 鉆孔泡沫降塵系統的現場實踐應用

3.1 現場實踐應用

將鉆孔泡沫降塵技術在潞安集團和順一緣煤業3206 工作面和3505 工作面進行了實踐應用。設計的鉆孔泡沫降塵系統安裝示意圖見圖3 所示。在進行瓦斯預抽鉆孔施工當中，產生的粉塵經風力排渣作用進入集塵罩，集塵罩將其控制在相對密閉的空間內，為吸入箱利用負壓抽吸粉塵提供條件。較大顆粒的粉塵在自重下沉降，經下部出渣口排出，另一部分沿鉆桿軸向運動的較小顆粒的粉塵被控制在集塵罩內。噴嘴噴水進行初次降塵，然后吸入箱內的噴嘴和泡沫引流管內的泡沫噴嘴依次噴出水和泡沫，形成高速射流，使吸入箱和泡沫引流管內壓力依次降低形成負壓，將集塵罩中較小顆粒的煤塵依次抽吸至吸入箱和泡沫引流管，分別進行噴水和泡沫除塵后，經擴散管排出，從而結束除塵，將除塵后的氣體排入巷道。

圖3 鉆孔泡沫降塵應用示意圖

3.2 效果分析

本套泡沫防塵系統首先在3206 風巷現場應用，施工本煤層順層鉆孔，粉塵主要以煤塵為主。風巷高3.4m，寬4.6m，配風量為600m3/min，風壓大于0.4MPa，水壓大于0.6MPa。對全塵濃度作了統計，記錄數據分析后結果如圖4 所示。

圖4 3206 風巷水噴霧與泡沫降塵對全塵的降塵效率

在3206 風巷使用過程中發現一些問題。比如隨著鉆孔深度的增加，鉆桿的旋轉、推進及擾動等作用對鉆孔孔口處的煤壁破壞越來越強，集塵罩前端與煤壁間的間隙越來越大。在風力作用下，一部分粉塵通過間隙吹出，影響了集塵罩的集塵能力。集塵罩在后端設置三個水噴嘴，噴向鉆孔，在應用中發現噴嘴噴出的水壓和鉆孔內吹出的風壓在集塵罩內匯合，部分壓強在集塵罩內相互抵消，使進入吸塵軟管的負壓減小等。

針對以上問題，經過進一步優化設備的除塵性能，將優化過的設備在3505 風巷內進行鉆孔泡沫抑塵現場應用，施工本煤層順層鉆孔。經現場測塵，對全塵濃度作了統計，記錄數據分析后結果如圖5所示。

現場測試結果表明，水噴霧降塵雖然可對鉆機下風側粉塵濃度進行一定程度的降低，但整體效率仍較低，全塵濃度由937.5mg/m3下降到652.5mg/m3，平均降塵率僅為26%左右，粉塵超標依然嚴峻；采用泡沫降塵時，全塵濃度由937.5mg/m3下降到156.4mg/m3，平均降塵效率高達81.1%，是水噴霧降塵效率的3.12 倍，工作環境得到有效改善，保障了安全生產和職工的健康。

圖5 3505 風巷水噴霧與泡沫降塵對全塵的降塵效率

4 結論

（1）通過研究泡沫降塵機理，得出了針對不同的粉塵粒徑，泡沫除塵的機理不同，有時候是重力沉降起主要作用，有時是截留和慣性碰撞起主要作用，還有時是擴散效應起主導作用，但在整個過程中，黏附效應始終存在。

（2）通過現場試驗，確定了符合施工現場的操作工藝，并在鉆場現場進行了應用。應用結果表明，在鉆機下風側2m 處，使用泡沫降塵時，全塵濃度可下降到156.4mg/m3，降塵效率高達81.1%，是水噴霧的3.12 倍，顯著降低了粉塵濃度，為工人安全生產創造了條件。