基于壓氣控塵-環(huán)縫引射技術(shù)的鉆孔干式除塵裝置研究

龔小兵

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

我國(guó)煤礦中約50%以上煤層屬于碎軟煤層，隨著煤層開(kāi)采深度加深，高瓦斯碎軟煤層比例越來(lái)越大。煤層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯是防治瓦斯超限和煤與瓦斯突出的一項(xiàng)非常有效的措施[1-3]。目前鉆孔主要有濕式和干式2種工藝，其中濕式鉆孔采用水力排渣，粉塵污染較小，但是濕式鉆孔長(zhǎng)度較短，直接影響單孔的瓦斯抽防量，對(duì)于碎軟煤層還存在塌孔卡鉆、斷鉆桿、成孔后堵孔等問(wèn)題[4-7]。干式鉆孔采用風(fēng)力排渣是一種提高順層鉆孔孔深的有效方式[8-9]，特別是采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備進(jìn)行碎軟煤層鉆孔施工，具有鉆孔施工周期短、成本低、瓦斯抽采效果好等顯著優(yōu)勢(shì)，故在煤巷鉆孔施工中被廣泛采用[10]。但風(fēng)力排渣時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，給礦井安全生產(chǎn)及人員健康帶來(lái)隱患[11]。干式鉆孔目前常見(jiàn)的有孔口噴霧、全斷面噴霧、泡沫降塵等措施，但都存在降塵效果不理想，通常只有50%左右的降塵效率，孔口周?chē)杂懈哌_(dá)600 mg/m3以上的粉塵濃度[4]。遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的粉塵時(shí)間加權(quán)平均濃度限值4 mg/m3要求[12]。針對(duì)目前煤礦碎軟煤層定向鉆孔存在產(chǎn)塵量大，治理難的問(wèn)題，在分析碎軟煤層鉆孔產(chǎn)塵特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用孔口壓氣控塵、旋風(fēng)及環(huán)縫引射干式除塵的綜合降塵方案，對(duì)壓氣控塵結(jié)構(gòu)和參數(shù)、除塵器動(dòng)力部件及分級(jí)除塵技術(shù)進(jìn)行研究。研制了1種新型的碎軟煤層定向鉆孔除塵裝置，解決了干式鉆孔粉塵量大、控除塵難等問(wèn)題，改善了操作工人作業(yè)環(huán)境。

1 碎軟煤層鉆孔產(chǎn)塵特點(diǎn)

對(duì)某礦碎軟煤層鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆屑顆粒進(jìn)行采樣并進(jìn)行粒度分析。現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆屑顆粒較大，顆粒粒徑大小范圍超出了MD-1粒度分布儀的測(cè)試量程（粉塵粒度分布測(cè)定范圍0～150μm），通過(guò)150μm篩網(wǎng)將粒徑小于150μm和大于150μm的顆粒區(qū)分開(kāi)，分別進(jìn)行粒度分布測(cè)試，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行匯總。由測(cè)試結(jié)果分析可知，碎軟煤層鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的較大粒徑鉆屑顆粒較多，鉆屑顆粒粒徑大于2 000μm顆粒占比較多，達(dá)到32.23%。

碎軟煤層定向鉆孔施工過(guò)程中，采用壓縮空氣將鉆孔內(nèi)的鉆屑排出，鉆孔中的大量鉆屑在高壓氣體的作用下由鉆孔噴出到巷道中，導(dǎo)致鉆孔周?chē)@屑顆粒擴(kuò)散嚴(yán)重，粉塵濃度較高，實(shí)測(cè)某礦碎軟煤層定向鉆孔施工過(guò)程中距鉆孔1 m位置處粉塵濃度達(dá)到了2 000 mg/m3以上，粉塵危害嚴(yán)重。

2 碎軟煤層鉆孔降塵思路

在分析碎軟煤層鉆孔產(chǎn)塵特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用孔口壓氣控塵、旋風(fēng)及環(huán)縫引射干式除塵的綜合降塵方案，通過(guò)采用具有壓氣控塵結(jié)構(gòu)的集塵罩對(duì)粉塵進(jìn)行控制，避免粉塵擴(kuò)散；采用“旋風(fēng)+布袋”分級(jí)處理方式對(duì)鉆屑顆粒進(jìn)行分級(jí)處理，對(duì)碎軟煤層鉆孔粉塵進(jìn)行治理。碎軟煤層鉆孔除塵系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 碎軟煤層鉆孔除塵系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling dust removal system in broken soft coal seam

集塵罩通過(guò)法蘭與預(yù)埋封孔管道連接，集塵罩采用壓風(fēng)密封裝置對(duì)鉆桿與集塵罩之間的縫隙進(jìn)行密封，鉆進(jìn)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑在風(fēng)壓作用下進(jìn)入集塵罩，大顆粒鉆屑通過(guò)旋風(fēng)除塵器被過(guò)濾下來(lái)，小顆粒鉆屑通過(guò)管道進(jìn)入布袋除塵進(jìn)一步處理，處理過(guò)后的潔凈空氣直接排入巷道或抽放系統(tǒng)。

3 控除塵裝置的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 集塵罩控塵裝置

為了對(duì)碎軟煤層鉆進(jìn)過(guò)程中的粉塵進(jìn)行有效控制，設(shè)計(jì)了1種具有壓氣控塵結(jié)構(gòu)的集塵罩，集塵罩示意圖如圖2。

圖2 集塵罩示意圖Fig.2 Schematic diagram of dust collecting cover

集塵罩通過(guò)法蘭與抽放管路連接，鉆孔中鉆屑顆粒隨壓縮空氣進(jìn)入集塵罩腔體內(nèi)由集塵罩出口排出到管道內(nèi)，通過(guò)壓氣控塵裝置對(duì)集塵罩與鉆桿之間的間隙進(jìn)行密封，壓縮空氣通過(guò)壓氣控塵裝置中的氣縫產(chǎn)生的正壓作用與集塵罩腔體內(nèi)的正壓作用相互抵消，最終達(dá)到密封集塵罩與鉆桿之間的間隙的目的。通過(guò)建立的試驗(yàn)系統(tǒng)，分別對(duì)不同氣縫寬度和壓力條件下的集塵罩控塵效果進(jìn)行了研究。集塵罩控塵裝置試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3。

圖3 集塵罩控塵裝置試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system for dust control device of dust collecting cover

3.1.1 氣縫寬度對(duì)集塵罩控塵效果的影響

分別對(duì)氣縫寬度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm時(shí)的控塵效果進(jìn)行試驗(yàn)，氣縫寬度對(duì)集塵罩控塵影響試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氣縫寬度對(duì)集塵罩控塵影響試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of influence of air gap width on dust control of dust collecting cover

由表1可知，排渣壓力和控塵裝置壓力會(huì)影響集塵罩的控塵效果，氣縫寬度越寬控塵效果越好，氣縫寬度為0.2 mm時(shí)粉塵濃度為50 mg/m3,氣縫寬度繼續(xù)增大控塵效果變化已不明顯。

3.1.2 壓力對(duì)對(duì)集塵罩控塵效果的影響

根據(jù)氣縫寬度對(duì)集塵罩控塵影響試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，選取氣縫寬度為0.2 mm，分別對(duì)不同排渣壓力和控塵裝置壓力條件下的控塵效果進(jìn)行試驗(yàn)，排渣壓力為0.1、0.2、0.3 MPa的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表2～表4。

表2 排渣壓力為0.1 MPa的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of slag discharge pressure of 0.1 MPa

由表2～表4可以發(fā)現(xiàn)，控塵壓力增大會(huì)顯著提高控塵效果，控塵裝置壓力與排渣壓力大小一致時(shí)，控塵普遍較好，當(dāng)排渣壓力為0.3 MPa，控塵壓力為0.5 MPa時(shí)，控塵效率達(dá)99.61%。

表3 排渣壓力為0.2 MPa的測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of slag discharge pressure of 0.2 MPa

表4 排渣壓力為0.3 MPa的測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of slag discharge pressure of 0.3 MPa

3.2 旋風(fēng)除塵裝置

旋風(fēng)除塵裝置在碎軟煤層定向鉆孔除塵系統(tǒng)中的作用是對(duì)含塵氣流中的大顆粒粉塵進(jìn)行過(guò)濾。為了考察設(shè)計(jì)的旋風(fēng)除塵裝置對(duì)定向鉆孔產(chǎn)塵中較大顆粒的過(guò)濾效果，通過(guò)采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法進(jìn)行研究。

3.2.1 旋風(fēng)除塵裝置數(shù)值模擬

對(duì)旋風(fēng)除塵裝置的主要外形參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，旋風(fēng)除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 旋風(fēng)除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of cyclone dust removal device

參照旋風(fēng)除塵裝置外形參數(shù)，建立模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，旋風(fēng)除塵器模型示意圖如圖5。

圖5 旋風(fēng)除塵器模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of cyclone dust collector model

風(fēng)流入口采用速度入口邊界條件，風(fēng)流入口速度為9.45 m/s，上部風(fēng)流出口和下部風(fēng)流出口采用壓力出口邊界條件，筒體采用壁面邊界條件。將模型導(dǎo)入軟件后，設(shè)置求解器類型、湍流模型和求解類型等參數(shù)[13-15]，模型參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表5。

表5 模型參數(shù)設(shè)定Table 5 Setting of model parameters

計(jì)算風(fēng)流流場(chǎng)直至收斂，分別設(shè)置離散相粒子直徑為100、500、1 000、2 000、3 000μm，加入離散相噴射源粒子進(jìn)行耦合計(jì)算直至流場(chǎng)最終收斂，不同粒子直徑條件下粉塵濃度分布云圖如圖6。由圖6可知，粉塵粒子直徑為100μm時(shí)，粒子主要集中在旋風(fēng)除塵器中上部，粉塵粒子直徑增大，在重力作用下大顆粒粒子聚集區(qū)向旋風(fēng)除塵器中下部移動(dòng)，最終底部風(fēng)流出口捕捉，沉積在旋風(fēng)除塵裝置底部。

圖6 不同粒子直徑條件下粉塵濃度分布云圖Fig.6 Cloud charts of dust concentration distribution under different particle diameters

3.2.2 旋風(fēng)除塵裝置試驗(yàn)

對(duì)旋風(fēng)除塵裝置的過(guò)濾效率和阻力進(jìn)行測(cè)試，旋風(fēng)除塵裝置性能測(cè)試示意圖如圖7，旋風(fēng)除塵裝置過(guò)濾效率測(cè)試見(jiàn)表6，旋風(fēng)除塵裝置阻力測(cè)試見(jiàn)表7。

表6 旋風(fēng)除塵裝置過(guò)濾效率測(cè)試Table 6 Filtration efficiency test of cyclone dust collector

表7 旋風(fēng)除塵裝置阻力測(cè)試Table 7 Resistance test of cyclone dust collector

圖7 旋風(fēng)除塵裝置性能測(cè)試示意圖Fig.7 Schematic diagram of performance test of cyclone dust collector

由表6、表7可知，旋風(fēng)除塵裝置的過(guò)效率達(dá)到了92.9%以上，阻力≤620 Pa。

3.3 布袋除塵裝置

布袋除塵以壓氣引射器為動(dòng)力，以解決布袋除塵器處理風(fēng)量中瓦斯含量高可能存在的安全問(wèn)題；以氣動(dòng)高頻振動(dòng)布袋清灰方式，解決布袋過(guò)濾中黏接阻力大的問(wèn)題。布袋除塵器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖8。對(duì)影響布袋除塵性能的壓氣壓力、處理風(fēng)量、過(guò)濾阻力、進(jìn)口靜壓等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

圖8 布袋除塵器性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Performance test system of bag filter

3.3.1 壓氣壓力與引射風(fēng)量的關(guān)系

通過(guò)調(diào)節(jié)不同的壓縮空氣進(jìn)氣壓力，測(cè)試不同壓氣壓力下的除塵器進(jìn)口引風(fēng)量，壓氣壓力與引射風(fēng)量的關(guān)系曲線如圖9。

從圖9可以看出，除塵裝置的引射風(fēng)量隨著壓氣壓力的增大而增大。當(dāng)壓氣壓力從0.3 MPa升高到0.6 MPa時(shí)，引射風(fēng)量也從17.3 m3/min增到24.5 m3/min。

圖9 壓氣壓力與引射風(fēng)量的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between pressure of compressed air and injection air volume

3.3.2 引射風(fēng)量與進(jìn)口負(fù)壓的關(guān)系

通過(guò)在不同壓氣壓力下，在除塵器前端管道中逐漸增加阻力的方法，測(cè)試不同條件下的引射風(fēng)量和進(jìn)口負(fù)壓。進(jìn)口靜壓與引射風(fēng)量的關(guān)系如圖10。

圖10 進(jìn)口靜壓與引射風(fēng)量的關(guān)系Fig.10 Relationship between inlet static pressure and injection air volume

由圖10可知，進(jìn)口負(fù)壓和引射風(fēng)量均隨壓氣工作壓力的增大而增加，當(dāng)工作壓力一定時(shí)，進(jìn)口負(fù)壓與引射風(fēng)量成反比。除塵器在0.5 MPa下，當(dāng)風(fēng)量在11.2 m3/min時(shí)，其進(jìn)口負(fù)壓達(dá)到2 450 Pa以上，經(jīng)過(guò)擬合得出該壓力下引射風(fēng)量Q與進(jìn)口負(fù)壓p基本呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 7，回歸方程為：

3.3.3 處理風(fēng)量與除塵器阻力的關(guān)系

通過(guò)測(cè)試不同處理風(fēng)量下除塵器前、后端管道測(cè)點(diǎn)的全壓差進(jìn)行除塵器阻力測(cè)試。處理風(fēng)量和除塵器阻力的關(guān)系如圖11。

從圖11可以看出，除塵器阻力隨著處理風(fēng)量的增加而增大。在處理風(fēng)量為11.3 m3/min時(shí)，除塵器阻力為1 045.5 Pa。

圖11 處理風(fēng)量和除塵器阻力的關(guān)系Fig.11 Relationship between air flow rate and resistance of dust collector

3.3.4 過(guò)濾風(fēng)速與除塵效率的關(guān)系

通過(guò)調(diào)節(jié)不同的壓縮空氣進(jìn)氣壓力，測(cè)試不同過(guò)濾風(fēng)速下除塵器的除塵效率，過(guò)濾風(fēng)速與除塵效率關(guān)系如圖12。

圖12 過(guò)濾風(fēng)速與除塵效率關(guān)系Fig.12 Relationship between filtration wind speed and dust removal efficiency

從圖12可以看出，隨著除塵器過(guò)濾風(fēng)速增加除塵效率逐步降低，但過(guò)濾在速在1.1 m/s以下時(shí)除塵效率降低緩慢，除塵效率都在99.95%以上。當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速超過(guò)1.1 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，除塵效率降低較快。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果考察

為了對(duì)碎軟煤層定向鉆孔控除塵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)效果經(jīng)行考察，在貴州青龍煤礦軌道順槽煤層定向鉆孔施工作業(yè)地點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不采取任何防塵措施和應(yīng)用碎軟煤層定向鉆孔控除塵系統(tǒng)時(shí)距鉆孔1 m位置處的粉塵濃度使用CCZ-20型粉塵濃度采樣器進(jìn)行采樣測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Table 8 Field test results

由表8可知，應(yīng)用碎軟煤層定向鉆孔控除塵系統(tǒng)后現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度有效降低，降塵效率達(dá)到了99.3%以上，取得了較好的降塵效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)集塵罩壓氣控塵結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了氣縫寬度和壓力對(duì)控塵效果的影響規(guī)律，研究表明，當(dāng)排渣壓力為0.3 MPa，控塵壓力為0.5 MPa時(shí)，控塵效率達(dá)99.61%。

2）通過(guò)采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法對(duì)旋風(fēng)除塵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，旋風(fēng)除塵裝置的過(guò)效率達(dá)到了92.9%以上，阻力≤620 Pa。

3）通過(guò)對(duì)布袋除塵器的動(dòng)力參數(shù)、處理風(fēng)量、過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：過(guò)濾風(fēng)速在1.1 m/s時(shí)，除塵效率達(dá)99.95%。

4）通過(guò)碎軟煤層定向鉆孔控除塵技術(shù)在貴州青龍礦的應(yīng)用，其降塵效率高達(dá)99.3%以上，大大降低了巷道中的粉塵濃度，改善了鉆孔施工工作環(huán)境，為今后推廣碎軟煤層干式鉆孔工藝奠定了基礎(chǔ)。