瓦斯抽采钻孔孔口除尘装置的研究

瓦斯抽采钻孔孔口除尘装置的研究
摘要:煤矿施工瓦斯抽采钻孔采用风力排渣时产生大量粉尘,给矿
井安全生产及人员健康带来了隐患。为解决瓦斯抽采钻孔钻进所产生
的粉尘,设计提出一套和钻机相配套的新型孔口除尘装置,并进行了现
场应用实践。该装置对施工瓦斯抽采钻孔时产生的粉尘进行治理提供
了一种新的方法。

关键词:抽采钻孔 孔口除尘装置 煤矿施工 粉尘处理
随着开采深度的增加,煤与瓦斯突出强度越来越大,瓦斯治理难度
越来越大,因瓦斯抽放是防治煤与瓦斯突出事故的最有效措施之一,从
而使瓦斯抽采钻孔的数量急剧增加。煤矿瓦斯抽采钻孔施工主要采用
干式钻孔风力排渣,但其产生的大量粉尘对施工作业地点造成了极大
的污染,会影响视线造成施工人员误操作,导致发生安全事故,同时严
重危害作业人员身体健康,因此《煤矿安全规程》第一百五十四条(七)
规定:在煤、岩层中钻孔,应采取湿式钻孔。煤(岩)与瓦斯突出煤层或
软煤层中瓦斯抽放钻孔难以采取湿式钻孔时,可采取干式钻孔,但必须
采取捕尘、降尘措施,工作人员必须佩戴防尘保护用品。

目前钻孔排渣方式主要有水力排渣和风力排渣。水力排渣优点:(1)
作业地点不会产生粉尘,有利于安全生产。(2)有利于钻杆的降温,能有
效防止钻孔打钻着火。缺点:(1)冲蚀孔壁容易造成塌孔,影响抽采效
果。(2)钻进过程中煤泥包裹钻杆容易卡死钻杆。风力排渣优点:(1)钻
孔成型好,不容易塌孔,有利于瓦斯抽放。(2)孔内排渣干净,封孔方便。
缺点:(1)作业地点粉尘大,环境卫生差。(2)易造成职业病,影响职工身体
健康。

煤层钻孔施工现场大多数仅使用孔口喷雾及全断面水幕等简单
的降尘装置,钻孔施工地点煤尘飞扬,煤尘被巷道中风流吹起后充满整
个巷道断面,其回风流中的平均粉尘浓度高达400 mg/m3以上,远超出
《煤矿安全规程》的规定。为解决干式钻孔产生的粉尘污染问题,提
出利用高压气体引射原理设计一种湿法除尘器,即利用高压气流产生
负压抽吸含煤尘气流,并利用高压气流打散水滴雾化自吸入的煤尘,使
煤尘与水雾充分雾化后排出,进而达到除尘的效果。为检验孔口除尘
装置除尘效果,本文理论分析了孔口除尘装置的结构组成和工作原理,
并通过在瓦斯抽采钻场现场施工瓦斯抽采钻孔对孔口除尘装置的除
尘效果进行了实验。

1 孔口除尘装置
1.1 结构组成
该装置由引射除尘器、连接软管及孔口集尘装置三部分组成,如
图1所示。引射除尘器主要由吸入室、混合室、扩散管、喷头等结构
组成,该部分主要产生负压,将孔口的煤尘吸入管内并进行雾化除尘后
排出,吸入室直径为273 mm,长度为500 mm,混合室直径为146 mm,长
度为800 mm,扩散管直径为273 mm,长度为200 mm;孔口集尘装置呈
圆筒状,直径为315 mm,长度为800 mm,下部有出渣口,上部有出气口,
主要是将打钻的煤尘搜集在一个相对密闭的空间内;连接装置由一根
4 m长4寸钢丝软管组成,作为连接引射除尘器和孔口集尘装置的通道,
两端分别用卡子固定在除尘器和集尘装置上。

1.2 工作原理
瓦斯抽采钻孔施工过程中产生的粉尘在压风作用下,从孔底以高
速沿钻杆与煤壁之间的孔隙向外排出,进入孔口集尘装置,其中较大颗
粒的粉尘在重力作用下沉降下来,经下部出渣口排出,较小颗粒的粉尘
抽吸进入引射除尘装置。引射除尘装置是典型的文丘里管式除尘器,
其工作原理是喷嘴提供高压气体,使吸入室压力降低形成真空负压,将
集尘装置中较小颗粒的煤尘抽吸至吸入室。并与水流在喉管入口段及
喉管内混合,高压气体在喉口部位形成高速气流,由于高速气流的卷吸
能力极强,在喉管入口段及喉管内内多次卷吸含尘气流,含尘气流和水
滴在混合室内形成高度湍流状态,粉尘与水滴不断碰撞,导致粉尘与水
滴充分混合,形成除尘,经扩散管出口排出。

2 应用实践
2.1 工作面概况
焦作煤业集团公司方庄二矿为煤与瓦斯突出矿井,其主采二1煤
层为突出煤层。目前区域瓦斯治理巷道为25041上风道,该巷道长度
550 m,煤层顶板标高-522.5～ -546.3 m,煤层厚度5.2 m,煤层倾角200
左右,煤层稳定,结构简单。预抽煤层瓦斯措施为在巷道上、下帮施工
煤层抽采钻孔,钻孔布置方式为双排三花眼,间距1.0 m,排距0.6 m,孔
深80 m,钻孔直径94 mm,采用聚氨酯封孔,封孔深度15 m。巷道供风
量480 m3/min,平均风速0.66 m/s。钻孔施工采用ZDY-4000 S全液压
坑道钻机,风力排渣,水压2 MPa,风压0.5 MPa。

2.2 现场试验
孔口除尘器采用煤矿常用的Φ273 mm、Φ146 mm钢管焊制加工,
制作完成后进行了两次现场试验。第一次试验时除尘器吸气口产生了
很大的抽吸能力,但是孔口的煤尘并未被全部吸走,相当一部分从集尘
器周围扩散飘入巷道风流中。通过现场分析,主要原因是孔口集尘器
封闭不严密,因此对孔口集尘装置进行了改进。一是钻孔采用扩孔钻
头,将集尘器前端插入煤壁0.5 m,并在周围用黄泥封闭;二是在集尘器
另一端固定两道皮带皮,在皮带皮上开口让钻杆穿过,使皮带皮包裹钻
杆以起到封闭作用。第二次试验时在钻机钻进过程中大的煤颗粒从孔
口集尘装置下部排出,含尘气流被吸入除尘器,在除尘器扩散口经雾化
后成煤水状排出,达到了降尘效果。

2.3 数据采集及分析
粉尘测定仪器:CCX1000X型直读式测尘仪。
测定方法:在布置测点位置进行测定,直接读出粉尘浓度。因钻进
过程中粉尘忽高忽低,当钻头钻进时排粉量增加,而停止钻进时粉尘浓
度随着风流的稀释,粉尘浓度明显降低,故确定测定4次,取其平均值。

测点选择:粉尘颗粒从钻孔产生后纵向随风流在巷道内扩散,在孔
口处粉尘浓度最高,向外随风流逐渐降低,在距尘源10 m后扩散到巷
道全断面,因此测点设在钻孔下风侧10 m处,距巷道底板高度1.5 m。

数据采集:(1)在不安装除尘器的情况下在钻孔下风侧10 m测得
粉尘浓度分别为454.4 mg/m3、421.6 mg/m3、536.5 mg/m3、367.2
mg/m3,均值444.9 mg/m3。(2)在安装除尘器的情况下在钻孔下风侧10
m测得粉尘浓度分别为24.2 mg/m3、19.9 mg/m3、15.5 mg/m3、23.2
mg/m3,均值20.7 mg/m3。

数据分析:当不采用除尘措施时,粉尘质量浓度在400 mg/m3以上,
采用孔口除尘器后粉尘质量浓度仅为20 mg/m3,降尘效率高达95%。

2.4 存在问题
(1)开启除尘器后产生较大的噪音,形成噪音污染。
(2)集尘器上安装的皮带皮与钻杆相互摩擦,容易磨损,需经常更
换。钻机钻杆应通过集尘罩的中心位置,集尘罩要牢固固定,防止偏移
松动。

(3)连接软管采用4寸钢丝软管,避免煤尘堵塞。
(4)集尘器的安装工序复杂,占用劳动时间,影响钻孔施工工效。
(5)风、水管接口拆卸时避免进入杂物堵塞喷头,除尘器可采用法
兰连接,方便维修时拆卸。

(6)根据煤尘大小,通过阀门调节进水量,使除尘效果达到最佳。
3 结论
(1)基于引射原理设计了一种新型煤层钻孔孔口除尘装置,阐明了
工作原理和结构组成。

(2)通过在现场施工瓦斯钻孔,测得孔口除尘装置的除尘效率达到
95%,能够显著降低干式钻孔过程中产生的粉尘污染。

(3)孔口除尘器结构简单,搬运方便,维护简便;无需动力,可直接利
用井下风压、水压工作,适用范围较广;可根据需要随时调节水量大小,
使除尘效果达到最佳。

参考文献
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