煤礦井下負壓抽吸分級凈化除塵裝置應用研究

褚志偉

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

碎軟突出煤層在我國淮南、淮北、陽泉和貴州等煤礦區普遍分布，具有煤體結構破碎，瓦斯含量高、壓力大，透氣性差等特征，瓦斯治理難度較大，煤與瓦斯事故多發，嚴重影響著礦井的安全高效生產[1]。利用定向鉆孔進行瓦斯抽采是防治碎軟煤層瓦斯事故，開發瓦斯清潔能源的有效技術途徑[2-3]。

碎軟煤層空氣定向鉆進技術是煤礦井下近幾年快速發展和應用的一種鉆進技術，適用于碎軟煤層瓦斯抽采定向鉆孔施工。該技術以井下移動式空壓機輸出壓風為動力，驅動空氣螺桿馬達帶動定向鉆頭回轉碎巖，利用壓風循環排出孔內鉆渣，應用隨鉆測量系統實時監測鉆孔軌跡，具有鉆孔軌跡可控、成孔深度大、鉆進效率高和瓦斯治理效果好的技術優勢[4-5]。碎軟煤層空氣定向鉆進過程中煤渣產生量大，瓦斯伴隨涌出，會在孔口形成大量的煤塵，除塵難度大，現有除塵裝置不能滿足降塵要求。因此，急需設計開發一種適用于碎軟煤層空氣定向鉆進孔口降塵的除塵裝置。

1 煤塵特性分析

1.1 空氣定向鉆進特性

碎軟煤層空氣定向鉆進以礦用移動式防爆空壓機輸出壓風為鉆進動力源和沖洗介質，驅動空氣螺桿馬達回轉碎巖鉆進，對空氣螺桿馬達進行降溫，并將鉆進產生的煤渣帶出鉆孔；鉆進過程中隨鉆測量裝置測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達工具面向角參數，通過定向鉆機回轉動力調整空氣螺桿馬達結構彎角朝向控制鉆進方向以調整鉆孔軌跡；孔口壓風監控裝置實時監測供風壓力、流量，并具備孔內復雜工況應急處置功能；孔口除塵裝置用于孔內返出煤塵的降塵處理[6-8]。碎軟煤層空氣定向鉆進具有壓風流量大、鉆進速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。

1.2 煤塵特性和煤塵危害

基于碎軟煤層空氣定向鉆進特有工況，分析孔口返出煤塵特性如下[9-11]：

1）產渣量大。碎軟煤層空氣定向鉆進利用空氣螺桿馬達碎巖鉆進，鉆進速度快并可控制鉆孔軌跡沿煤層長距離延伸，煤渣產生量大；同時，由于碎軟煤層煤體松軟破碎，鉆孔成孔過程中和成孔后孔壁易坍塌，加大了產渣量。

2）煤塵流速快。碎軟煤層空氣定向鉆進以礦用移動式防爆空壓機輸出壓風為氣源，供風風量可達17m3/min，煤渣運移速度快，同時螺旋鉆桿對運移過程中的煤渣進行二次破碎，使煤渣顆粒變得細小，由壓風輸送至孔口后以較高速度噴出，形成流速較高的煤塵。在具有通風風流情況下，粒徑大于1.5 mm的煤渣迅速沉降，其余大部分游離煤塵迅速從孔口向外擴散充滿巷道并沿風流方向運動，由于風流的運動，粉塵運動到其它方向，總體上可分為鉆桿徑向和軸向2個方向。

3）瓦斯含量高。碎軟突出煤層具有瓦斯含量高（相對瓦斯涌出量≥10m3/t）、壓力大（瓦斯壓力≥0.74MPa）等特征，空氣定向鉆進過程中會涌出大量瓦斯，如孔口密封不嚴且不及時進行抽吸，易造成鉆場瓦斯超限，對安全施工造成威脅。

碎軟煤層空氣定向鉆進產生煤塵的危害主要體現在以下方面：①煤塵顆粒細小，長期吸入會引發塵肺病等呼吸系統疾病，危害井下工作人員的身體健康；②煤塵在空間中達到一定濃度時具有爆炸的風險，爆炸威力大、波及范圍廣，極易造成井下安全事故；③污染井下巷道，降低了巷道和井下工作環境的能見度，影響施工人員正常行進和施工作業；④影響井下機械的正常運轉，加速機械設備的磨損和老化，降低機械的使用壽命。

2 負壓抽吸分級凈化除塵裝置

針對碎軟煤層空氣定向鉆進產生煤塵的特性，基于負壓抽吸慣性干式除塵原理，設計了煤塵處理流程，研制了碎軟煤層空氣定向鉆進的除塵裝置。

2.1 除塵原理

除塵裝置采用了負壓抽吸慣性干式除塵原理，即除塵過程中不使用水降塵，利用鉆進過程中產生煤渣粒度不同而慣性力不同實現分級處理，同時利用煤渣慣性力大于含瓦斯氣體的慣性力而使煤渣與含瓦斯氣體分離，除塵原理圖如圖1。

圖1 除塵原理圖Fig.1 The schematic of dust removal

孔口煤塵進入除塵裝置后以一定的速度撞擊擋板，由于擋板的阻擋作用而改變流動方向，其中具有較大慣性的大顆粒煤渣運動方向變化最為明顯，向除塵器下方運動，被除塵器主體收集；中等顆粒煤渣慣性力僅次于大顆粒煤渣，因而主要沿著水平方向運動，被除塵布袋收集；小顆粒煤渣和含瓦斯氣體由于慣性力較小，向上運動而進入下一級除塵器進行分離，下一級除塵器可采用擋板的形式繼續改變小顆粒煤渣的運動方向，實現小顆粒煤渣與含瓦斯氣體的分離。

2.2 除塵裝置

碎軟煤層空氣定向鉆進用除塵裝置（以下簡稱除塵裝置）用于碎軟煤層空氣定向鉆進過程中孔口煤塵處理，主要由孔口集塵器、一級除塵器、二級除塵器、除塵布袋和配套管路等組成。除塵裝置組成圖如圖2。

圖2 除塵裝置組成圖Fig.2 The composition of dust removal device

其工作原理為：孔口集塵器收集孔口返出煤渣和含瓦斯氣體并向一級除塵器輸送；一級除塵器分離中等、大顆粒煤渣，并向二級除塵器輸送小顆粒煤渣和含瓦斯氣體；二級除塵器利用井下瓦斯抽采負壓主動抽吸煤塵中的含瓦斯氣體，小顆粒煤渣由二級除塵器安裝的空濾進行過濾，沉積在二級除塵器筒體內。

1）孔口集塵器。孔口集塵器的作用是在孔口套管處形成密封，以收集并向下一級除塵組件輸送孔口返出的煤塵和瓦斯，主要包括套管連接端、瓦斯抽采端、密封連接端、煤塵排出端等，孔口集塵器組成圖如圖3。套管連接端用于連接孔口套管，以支撐和固定孔口四通；瓦斯抽采端利用井下管路負壓抽吸孔口返出瓦斯；密封連接端采用盤根填料密封方式對孔口鉆桿進行密封，防止煤塵和瓦斯的外漏；煤塵排出端用于向下一級除塵組件輸送孔口返出的煤塵和瓦斯。

圖3 孔口集塵器組成圖Fig.3 The composition of orifice dust collector

2）一級除塵器。一級除塵器主要作用是將大顆粒和中顆粒煤渣分別進行收集和除塵，將小顆粒煤渣和瓦斯從氣流中分離處理，并向下一級除塵器輸送，主要由一級除塵器筒體、煤塵輸入口a、煤塵輸出口、清洗口a、煤塵排出口a、支撐座、煤塵排出口b和法蘭蝶閥a組成，一級除塵器組成圖如圖4。其內部安裝有擋板，可以改變煤塵的運動方向。

圖4 一級除塵器組成圖Fig.4 The composition of primary dust collector

3）二級除塵器。二級除塵器作用是將小顆粒煤渣和瓦斯分離，進行小顆粒煤渣的除塵，并通過井下瓦斯抽采管路負壓抽吸煤塵中的瓦斯，主要由二級除塵器筒體、煤塵輸入口b、清洗口b、瓦斯排出口、法蘭蝶閥b、支撐座、煤塵排出口c、法蘭蝶閥c組成，二級除塵器組成圖如圖5。其內部安裝有擋板，可以改變煤塵的運動方向。

圖5 二級除塵器組成圖Fig.5 The composition of secondary dust collector

4）除塵布袋。除塵布袋主要作用是收集中等顆粒煤渣，并向外排出煤塵氣流中的非瓦斯氣體。除塵布袋選用防靜電阻燃濾布材質編織物制作，其作用原理是塵粒在繞過濾布織物時因慣性力作用與織物碰撞而被攔截。

3 除塵裝置現場應用

3.1 試驗礦井概況

1）礦井概況。試驗礦井選取貴州黔西能源開發有限公司青龍煤礦，礦井為高瓦斯礦井[12]。礦井應用碎軟煤層空氣定向鉆進技術與裝備在二采區16#煤層中施工順煤層定向鉆孔，以實現超前掩護巷道掘進和煤層瓦斯預抽。16#煤普氏硬度系數為0.37 ，最大瓦斯壓力1.73MPa，平均透氣性系數7.61m2/（MPa·d），為碎軟突出煤層，鉆孔施工過程中會在孔口產生大量的煤塵，除塵難度較大[13]。

2）礦井除塵現狀。礦井應用氣水射流除塵裝置進行孔口煤塵的降塵處理。應用該裝置進行孔口除塵存在以下幾點問題：①除塵過程中使用井下管路靜壓水，煤渣和水混合后清理不便，且造成井下水資源的浪費；②孔口集塵器單純使用水噴霧處理煤塵效果不理想，煤塵會通過孔口集塵器下部排渣口外漏，造成鉆場煤塵超標；③瓦斯通過孔口集塵器下部排渣口外泄，易造成鉆場瓦斯超限，帶來安全隱患。

3.2 試驗方案和試驗結果

為了測試除塵裝置的除塵效果，在青龍煤礦21608運輸巷南段順煤層定向鉆孔施工過程中進行了試驗性應用。

1）鉆孔施工方案。試驗鉆場位于二采區西南翼21608運輸巷南段，試驗在16#煤中開展，煤層傾角+4°左右，區域內瓦斯含量高、壓力大，地質構造相對復雜。井下防爆空壓機放置在主進風巷聯絡巷內，距離試驗鉆場80m，供風距離短，壓風損失小，供風參數滿足氣動定向鉆進長距離成孔需要。試驗鉆場設計施工9個氣動定向鉆孔，設計軌跡沿16#煤走向延伸，目標孔深300m，間距4.5m，以覆蓋300m待掘巷道及兩側15m范圍內瓦斯抽采區域。

2）試驗結果。自2020年4月11日開始現場試驗，至5月29日完成9個氣動定向長鉆孔施工，300 m以上成孔率67%。鉆孔施工過程中全程使用除塵裝置進行孔口降塵，孔口集塵器密封良好，煤塵和瓦斯無外泄現象，鉆場煤塵濃度顯著降低，降塵效率可達到96%以上，降塵效果良好，有效改善了鉆孔施工現場的作業環境；同時，降塵過程中不需要使用水，煤渣通過一級除塵器、二級除塵器和除塵布袋的排渣口向外排出，煤渣清理方便、快捷，節約水資源。

4 結 語

1）基于負壓抽吸慣性干式除塵原理，設計了適用于碎軟煤層空氣定向鉆進孔口除塵用負壓抽吸分級凈化除塵裝置，可以實現煤塵和含瓦斯氣體的分級凈化處理，除塵效率高。

2）在青龍煤礦碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工過程中應用負壓抽吸分級凈化除塵裝置進行孔口除塵，完成了9個定向鉆孔孔口除塵，降塵效率在96%以上，改善了鉆孔施工現場的作業環境，降塵過程中不需要使用水，煤渣清理方便、快捷，節約水資源。

3）負壓抽吸分級凈化除塵裝置由孔口集塵器、一級除塵器、二級除塵器、除塵布袋和配套管路等零散部件連接而成，組成部分多，組裝和運輸不便，后期可將除塵裝置各組成部分集成到履帶車體上，避免重復組裝，實現快速轉運。