“三软”煤层顺层钻孔煤尘收集处理装备研究及应用

李守振

摘 要：针对郑州矿区“三软”煤层顺层钻孔施工过程中煤尘飞扬导致的职工工作环境差、钻孔施工效率低、机械设备损耗大等问题，文章通过调查国内防尘装备研究及应用现状，结合郑州矿区实际煤层赋存条件，分析煤尘产生原因及特点，利用惯性碰撞及湿式除尘等综合除尘原理，研制适合郑州矿区“三软”煤层顺层钻孔煤尘收集处理装备，该装备主要由孔口收集装置、一级煤尘分离装置、二级水煤瓦斯分离装置组成，有效减少顺层钻孔施工过程中巷道风流内粉尘浓度。经现场应用，降尘率达到90%以上。

关键词：“三软”煤层；顺层钻孔；煤尘；降尘

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）09-0069-01

郑煤集团所主采的山西组二1煤层属于“三软”煤层，具有煤尘爆炸危险性，当煤尘浓度过高时有可能会发生煤尘爆炸[1-2]。同时，人体肺部如果吸入大量的粉尘也会增加人体患尘肺病的概率。2005年我国新增尘肺病9 173例，其中来自煤炭行业4 477例，尘肺病正在逐渐威胁煤矿工人的健康和生命。郑州矿区目前共有直管矿井14对（个），生产能力1 200万t/a，直管矿井多数为突出矿井。矿区年施工本煤层钻孔将近200万m，打钻产生的粉尘远远超过《煤矿安全规程》规定的作业地点全尘浓度10 mg/m3，顺层钻孔施工时，作业场所煤尘飞扬，并有发生瓦斯超限事故的可能[3]，扬起的粉尘还降低工作场所的能见度，提高职工误操作及工伤事故的发生概率。同时，煤尘还能加快机械的磨损，缩短精密仪器的寿命等。控制煤矿产生的危害已成为煤炭行业极其重要的事情，而要控制这种危害，最有效的措施就是大力降低作业场所空气中的粉尘浓度。

1 煤尘特点及降尘研究现状

据统计，浮游煤尘中85%以上比例的尘粒直径在40 μm以下，10～75 μm粒径的煤尘爆炸性最强，煤矿中的浮游煤尘的粒径刚好在爆炸性最强的范围之内，因此具有极大的爆炸危险性[3]。

煤粉排出钻孔孔口后，颗粒较大的煤粉会直接落地，较小的煤粉而在风流的作用下迅速扩散到巷道中。对于同一作业地点，粉尘的产生量随着钻进工艺的不同而不同。经现场测试发现，钻机速度快比速度慢时出粉量大，上行钻孔比下行钻孔出粉量大，钻孔孔径大则出粉量大，螺旋钻孔、三角形钻杆比圆形钻杆在钻进时出粉量大。

目前，煤矿打钻主要有有干式和湿式两种除尘方式，各有优缺点。

1.1 干式除尘

干式除尘装备利用煤尘重力自降原理，一般由沉降室、捕尘罩、布袋除尘器以及通风机等组成。优势是孔底排渣好，成孔率比较高。其缺点是设备后期维修困难，产生的粉尘浓度较大，容易导致粉尘二次飞扬。对于高瓦斯突出煤层或软煤层钻孔，湿式打钻实施难度大，只能采用干式除尘配合干式打钻。

1.2 湿式除尘

湿式除尘装备由供水装备、孔口排渣装备和风水混合装备等组成。湿式除尘大都采用水雾除尘，将水通过风力压送入钻孔内，使得钻头处的煤尘与水雾结合变得湿润，然后经过钻杆与煤壁间的空隙排出，湿润的煤尘排出后更容易沉积。

这种除尘装备缺点是：

一方面要求合理控制风水混合物，而风量和水量难以控制，很容易造成堵塞现象；

另一方面由于排出的煤尘湿度难以控制，导致部分煤尘会飘扬；另外由于孔底容易湿化，导致排渣条件差，钻头使用寿命低，影响钻机穿孔速度。

2 “三软”煤层顺层钻孔煤尘收集处理装备研究

根据郑州矿区“三软”突出煤层特点及干式、湿式除尘优缺点，结合顺层钻孔施工工艺，利用将煤尘收集处理装备分为3部分：孔口收集器、一级水煤分离器、二级气水煤分离器。

2.1 一级水煤分离器

一级分离装置采用碰撞惯性和湿式除尘原理，顺层钻孔施工时产生的粉尘及煤块在瓦斯抽放管路的负压作用下，经输尘连接管线进入一级分离装置，较大煤尘颗粒经过碰撞改变运行轨迹，如图1所示，在湿式除尘和惯性碰撞、重力沉降的综合作用下自动下落，经自动排渣装备排出。

2.2 二级水煤分离器

未经过一级分离装备分离的细微颗粒粉尘（一般直径在5～20 um之间，极少数微尘在5 um以下），在负压作用下经连接管进入二级分离装置。利用水射流喷雾将未分离的煤尘水雾进行物理加速，使其充分混合后产生惯性碰撞，改变其运动轨迹形成多次摩擦降尘，并且增加自动过滤功能，提高降尘效果。煤尘和水雾在力的作用下形成尘水混合物向四壁下落，经自动排渣装备排出，瓦斯气体则进入瓦斯抽放管直接排出。

3 现场应用

在郑煤集团白坪煤业13 051下顺槽、21 041上顺槽进行应用。防尘装备使用情况如下：

①使用该设备施工钻孔总数：36个；

②使用该设备施工钻孔总进尺：3 082 m；

③使用该设备总班数：135班。

在使用防尘装备后，使用专业仪器对回风流中的全尘浓度进行测量，对比使用前后回风流中的全尘浓度可以发现，该装备的降尘率达到90%以上。具体情况见表1。

4 结 语

①该套装备采用惯性沉降、湿式除尘等综合除尘机理，一级煤粉分离装置分离出较大颗粒煤粉及煤块，二级水、煤、瓦斯分离装置则分离颗粒较小的微尘、水和瓦斯，除尘机理适合郑煤集团“三软”煤层顺层钻孔施工要求，现场除尘效果好，达到90%以上。

②该套设备有效封堵钻孔，将打钻产生的煤与瓦斯引导至煤尘处理装置内，将瓦斯直接抽入瓦斯抽放管路内，避免将瓦斯排入巷道风流，防止瓦斯超限事故发生，保证职工工作环境安全。

③该套装备安装、移动方便，操作简便易学，对提高职工工作效率有极大帮助。

参考文献：

[1] 张建华，范付恒.水射流负压钻孔除尘技术的应用[J].煤矿安全，2011，（3）.

[2] 杨金德，傅清青，陈剑锋.厦门地区石材企业粉尘对工人健康的危害[J].职业与健康，2011，（4）.

[3] 张景钢，张小洁，原征岚.煤矿职业性危害因素的研究[J].中国矿业，2010，（2）.