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。