碎軟煤層干式定向鉆孔控塵技術研究

吳冬梅，龔小兵，魯 軻，邢鵬超

(1.永城職業技術學院，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.重慶科技學院，重慶 401331)

在我國煤礦瓦斯防治措施中，煤層長鉆孔預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時，鉆孔周圍細微粉塵擴散較為嚴重[13-17]，鉆場空間內粉塵污染嚴重，給礦井的安全生產及作業人員健康帶來隱患[18-20]。

針對碎軟煤層鉆孔粉塵質量濃度高、粉塵擴散嚴重的問題，提出一種鉆孔孔口非接觸式控塵方案，設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鍵工藝進行試驗研究，獲得了最佳控塵效果的工藝參數，現場應用效果較好，使用該集塵罩后控塵效率達到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提供動力，由于專用空氣壓縮機公稱壓力和流量較大，風力排渣時會導致鉆孔周圍粉塵擴散嚴重，故鉆場粉塵質量濃度較高[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位置的粉塵質量濃度進行測試，在不采取控塵措施時粉塵質量濃度達到了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生的鉆屑顆粒進行粒度分析測試，結果見圖1。

由圖1可見，碎軟煤層干式定向鉆孔鉆屑粒徑小于10 μm的顆粒質量分數達到19.72%，細微顆粒含量占比較大。因此，在碎軟煤層干式鉆孔鉆場環境中粉塵質量濃度高，粉塵中的細微顆粒較多，危害程度大。

2 干式鉆孔控塵技術方案

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污染作業環境，提出一種非接觸式控塵方案，設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。集塵罩結構如圖2所示，碎軟煤層干式定向鉆孔控除塵系統如圖3所示。

(a)剖面結構 (b)軸向結構

1—預埋抽采管；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；7—煤體。

集塵罩安裝法蘭與定向鉆孔預先埋設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生環形“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，以減小巷道內粉塵危害。

3 控塵關鍵參數研究

3.1 試驗系統建立及參數選取

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，設計了專用試驗平臺，如圖4所示。

1—螺桿發塵裝置；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。

試驗系統中的鉆桿外徑為75 mm，封孔管內徑為 150 mm，螺桿發塵裝置發塵量為6 kg/min，收塵管道上增加1.5 kPa負壓模擬干式除塵器產生的負壓，定向鉆機空氣壓縮機氣壓一部分用于鉆進作業，另一部分用于風力排渣。通過前期調研及試驗，用于風力排渣的壓力約為0.3 MPa，故試驗系統排渣壓力設定為0.3 MPa。在以上試驗條件下，對影響集塵罩控塵效果的有關參數進行試驗研究，粉塵質量濃度測試按照GB 5748—85《作業場所空氣中粉塵測定方法》中規定的測試方法，測試位置在鉆桿和集塵罩縫隙出風口下風側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的控塵效果測試結果見表1。

表1 間隙寬度對集塵罩控塵的影響測試結果

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。當間隙寬度為0.5 mm時，粉塵質量濃度為27 mg/m3。但試驗過程中發現，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，結果見表2。

表2 氣縫寬度對集塵罩控塵的影響測試結果

由表2可知，氣縫寬度越寬控塵效果越好。當氣縫寬度為0.2 mm時，粉塵質量濃度為50 mg/m3，氣縫寬度繼續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

根據間隙寬度、氣縫寬度對控塵效果的影響測試結果，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，結果見表3。

由表3可以發現，當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。當排渣壓力為0.3 MPa、控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，控塵效率達97.2%。

4 集塵罩現場應用技術研究

試驗研究結果表明，當間隙寬度為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。故選取以上參數進行現場應用試驗。

為了對集塵罩的控塵效果進行驗證，在青龍煤礦進行現場試驗。在井下定向鉆進作業過程中，空氣螺桿馬達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。調整控塵氣幕壓力，對不同壓力及鉆孔深度條件下的粉塵質量濃度進行測試，測點設在鉆桿和集塵罩縫隙出風口下風側0.5 m位置。現場設備布置如圖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—引射器供風管；11—布袋除塵器；12—旋風除塵器；13—瓦斯抽放管路；14—抽放系統連接管；15—除塵器供風管；16—礦車；17—螺桿馬達供風管路；18—風流方向；19—風門。

4.1 控塵氣幕壓力對應用現場控塵效果的影響

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時的粉塵質量濃度進行測試，結果見表4。

表4 現場粉塵質量濃度測試結果

由表4可見，當未采用控塵裝置(即控塵氣幕壓力為0 MPa)時，在鉆桿和集塵罩縫隙出風口0.5 m位置粉塵質量濃度達到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，粉塵質量濃度逐漸減小，當控塵氣幕壓力為0.5 MPa時，平均粉塵質量濃度降低到 67 mg/m3，控塵效率達到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口0.5 m位置的粉塵質量濃度進行測試，并對測試數據進行整理，結果見圖6。

圖6 不同鉆孔深度條件下鉆孔粉塵質量濃度

由圖6可見，未采用控塵裝置時，粉塵質量濃度達到了2 000 mg/m3以上，鉆孔的粉塵質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量濃度均有一定幅度減小。

根據鉆桿和集塵罩縫隙出風口0.5 m位置的粉塵質量濃度測試數據，計算得到不同鉆孔深度條件下的控塵效率，結果見圖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生影響，當控塵氣幕壓力由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 結論

1)通過對集塵罩控塵結構關鍵參數進行試驗研究，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律。研究結果表明，當間隙寬度為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，粉塵質量濃度由540 mg/m3降低到15 mg/m3，控塵效率達97.2%。

2)現場應用表明，采用集塵罩后，鉆孔粉塵擴散問題得到有效控制；當控塵氣幕壓力為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，結合高效除塵器組成的控除塵系統，能夠有效降低作業場所的粉塵質量濃度，改善了鉆場作業環境。