杜海剛 宋建偉 江光波 彭英華 謝君

(1 六盤水師范學(xué)院，貴州六盤水553001；2 兗礦集團(tuán)、貴州五輪山煤業(yè)有限公司，貴州畢節(jié)551700；3 山東科技大學(xué)，山東青島266590）

在井下施工鉆孔時(shí)，因排渣方式不同主要分為干式鉆孔和濕式鉆孔。由于實(shí)施濕式鉆孔技術(shù)會(huì)導(dǎo)致鉆孔內(nèi)積水，堵塞瓦斯排放通道，且鉆屑不易排出，對(duì)于低透氣煤層，煤層遇水后易變松軟，失穩(wěn)，鉆孔時(shí)發(fā)生卡鉆、埋鉆等鉆機(jī)事故，影響鉆進(jìn)速率及破壞鉆頭等；而干式鉆孔的空氣介質(zhì)對(duì)孔的沖擊力小，塌孔、卡孔事故減少，成孔率高，但干式鉆進(jìn)存在施工區(qū)域粉塵濃度大、瓦斯容易超限等問(wèn)題，既影響礦井安全生產(chǎn)，又威脅操作人員的身體健康。呂有廠等［1-5]運(yùn)用水射流負(fù)壓、引射、射流泵等理論，設(shè)計(jì)并制作了鉆孔孔口除塵裝置，數(shù)值分析了其影響因素并實(shí)踐了除塵效果。張慧［6]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了干式粉塵鉆孔產(chǎn)塵模型并初步設(shè)計(jì)了一體式的除塵裝置，但未應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)。李海戰(zhàn)［7-12]等也對(duì)孔口除塵裝置進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)并應(yīng)用，取得了一定的效果，但其設(shè)計(jì)的裝置過(guò)于復(fù)雜，不利于井下工人使用。丁旭東［13]對(duì)干式鉆孔粉塵擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究，并認(rèn)為煤塵性質(zhì)和風(fēng)速是影響粉塵擴(kuò)散的主要因素，粉塵濃度與煤的硬度成反比，而與風(fēng)速成正比，鉆進(jìn)過(guò)程的除塵重點(diǎn)應(yīng)放在孔口下風(fēng)側(cè)8 m 以內(nèi)。牛國(guó)慶［14]利用FLUENT數(shù)值模擬鉆孔風(fēng)力排渣過(guò)程，得到不同固氣比對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)速，計(jì)算了風(fēng)力排渣的壓力損失。喻建［15-17]等采用泡沫降塵技術(shù)在鉆孔施工除塵中的應(yīng)用并取得了良好的效果，但系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。基于此，研究設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、除塵效率高的孔口除塵裝置對(duì)于風(fēng)水聯(lián)動(dòng)干式鉆孔十分必要，從而解決干式鉆進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度高和瓦斯易超限的問(wèn)題，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證裝置實(shí)際除塵及排瓦斯的效果。

1 干式鉆孔產(chǎn)塵機(jī)理及擴(kuò)散模型

干式鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中由于旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆頭破壞煤巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著鉆頭的不斷延伸破碎煤體，造成空間內(nèi)的煤巖顆粒多次擾動(dòng)碎屑化，破碎的煤巖在壓縮空氣氣流的作用下排出鉆桿，排除孔口的碎屑化煤巖粉塵在質(zhì)量力、分子作用力、粒子間的作用力下形成立體空間沉降和擴(kuò)散，其中層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)的擴(kuò)散粉塵濃度可由下述模型計(jì)算［4]。

層流擴(kuò)散：

紊流擴(kuò)散：

式中，q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)粉塵質(zhì)量，kg/s；Q：粉塵顆粒質(zhì)量，kg；μ：粉塵流動(dòng)速度m/s；D：粉塵顆粒的擴(kuò)散系數(shù)，m2s；c：是粉塵顆粒的擴(kuò)散濃度，kg/m3。

2 新型除塵裝置設(shè)計(jì)

除塵裝置應(yīng)盡可能防止噴孔，誘導(dǎo)煤與瓦斯突出，最大限度收集因鉆孔風(fēng)力排出的煤巖渣、煤巖塵與瓦斯，較好密封除塵裝置與連接管路、鉆桿與孔口集塵裝置、孔口集塵裝置與煤壁，防止煤巖塵逸散，同時(shí)，應(yīng)搬運(yùn)方便，操作靈活且拆卸方便，在較好除塵的同時(shí)，能夠減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆孔效率。基于上述設(shè)計(jì)原則，筆者在調(diào)研基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型干式鉆孔除塵裝置。新型干式鉆孔除塵裝置由孔口三通、連接管路、集渣捕塵和綜合控制臺(tái)四個(gè)部分組成。在高壓風(fēng)力的作用下，鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑、粉塵通過(guò)孔口三通和連接管路進(jìn)入布袋除塵裝置，鉆屑在布袋除塵裝置內(nèi)沉積，經(jīng)布袋除塵裝置過(guò)濾、沉淀，氣體從布袋孔隙中排出，粉塵沉積后由布袋微端流入霧化槽，從而達(dá)到除塵效果。在布袋除塵裝置下風(fēng)側(cè)連接管路上安裝傳感器，則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)CH4和CO 的濃度變化情況。若在施鉆過(guò)程中煤層著火，可通過(guò)綜合控制臺(tái)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)裝置及時(shí)向孔內(nèi)注水滅火。若CH4超限，可及時(shí)將臨時(shí)抽放閥門打開與抽放主管路實(shí)行聯(lián)抽，直至其濃度達(dá)到安全范圍，從而保證鉆孔施工的安全性，其裝置示意圖如圖1所示。

圖1 新型干式鉆孔除塵裝置

為了實(shí)踐該裝置的有效性，加工完畢后，在青龍煤礦、五輪山煤礦等多地煤礦井下進(jìn)行了應(yīng)用，并對(duì)裝置的配件進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 新型干式鉆孔除塵裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3 新型裝置除塵效應(yīng)分析

3.1 煤巖仰孔應(yīng)用

仰孔實(shí)踐地點(diǎn)為1601 運(yùn)順措施巷，主要對(duì)1601 運(yùn)順措施巷前方5 m 法距以外6-1、6-2、6-3、6-4上中下煤層進(jìn)行抽放消突，降低巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出量，鉆孔簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)見圖3 所示。其中6-1、6-2、6-3、6-4煤層位于K3下標(biāo)志層之下2.00~19.70 m，平均7.57 m。煤層厚0~7.18 m，平均2.21 m，其中主采中厚6-3煤層。一般含0~3 層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層頂板為泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，底板為泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖。

圖3 仰孔防突鉆孔設(shè)計(jì)

通過(guò)有無(wú)除塵裝置進(jìn)行鉆孔除塵效果統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表1。從表1 可知，在施工仰孔過(guò)程中，當(dāng)無(wú)除塵裝置時(shí)，下風(fēng)側(cè)最高全塵濃度可達(dá)168.99 mg/m3，呼塵濃度最高達(dá)35.83 mg/m3；當(dāng)使用新型除塵裝置后，下風(fēng)側(cè)最高全塵濃度只有9.75 mg/m3，呼塵濃度最高只有2.42 mg/m3，對(duì)比可得全塵除塵效率最高達(dá)94.23%，呼塵除塵效率最高達(dá)94.06%。隨著取樣點(diǎn)的距離增加，全塵和呼塵濃度增大，因?yàn)殂@孔施工巷道風(fēng)速總體較為穩(wěn)定，而鉆孔孔口粉塵粒徑大小不一，分散度也不同?？卓诜蹓m在重力、慣性力、布朗擴(kuò)散力、分子脈動(dòng)湍流力、粉塵之間碰撞力、吸附力的綜合作用下隨回風(fēng)風(fēng)流擴(kuò)散和沉降。隨距離增加，大顆粒的煤巖粉塵首先沉降，而小顆粒的小粉塵比表面積增大，粉塵顆粒的化學(xué)活性、與空氣溶解性和吸附周邊有害氣體能力會(huì)大幅度增強(qiáng)，則粉塵顆粒在空氣中飄浮的時(shí)間會(huì)越久，沉降時(shí)間越長(zhǎng)，這樣在取樣點(diǎn)遠(yuǎn)端濃度增大。當(dāng)增加了新型除塵裝置后，其除塵效率逐漸增大，因?yàn)殂@孔孔口粉塵在裝置中重復(fù)碰撞，并在霧化槽噴霧外在做功，導(dǎo)致絕大多數(shù)粉塵顆粒在垂向和水平方向上受力平衡沉降，只有部分粉塵顆粒隨風(fēng)流擴(kuò)散。另外，在無(wú)新型除塵裝置時(shí)，鉆孔下風(fēng)側(cè)2 m 位置處瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)0.78%，平均值達(dá)0.4735%，有新型除塵裝置時(shí)瓦斯最大濃度只有0.23%，平均值只有0.062%。對(duì)比可得使用新型除塵裝置時(shí)，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約7.6倍，見圖4所示。除塵裝置不能消除或積存瓦斯，但使用新裝置后，霧化槽上的瓦斯數(shù)值明顯升高，則鉆孔工人立即打開瓦斯連抽閥門，對(duì)鉆孔內(nèi)的高瓦斯進(jìn)行連抽，從而降低鉆孔周圍及下風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛取?/p>

表1 煤巖仰孔不同取樣點(diǎn)粉塵濃度及除塵效率統(tǒng)計(jì)

圖4 煤巖仰孔鉆孔下風(fēng)側(cè)2m位置處瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)

3.2 煤巖俯孔應(yīng)用

俯孔實(shí)踐地點(diǎn)為1813運(yùn)抽巷，主要對(duì)1813運(yùn)順實(shí)施穿層鉆孔進(jìn)行區(qū)域防突，鉆孔簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)見圖5 所示。其中8 煤厚預(yù)計(jì)1.6 m，沿掘進(jìn)方向煤層傾角約10°上升，左右傾為3°~4°，煤層左高右低。煤層呈黑色，似金屬光澤，半亮型，塊狀構(gòu)造，屬較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，煤層厚度較穩(wěn)定。1813 運(yùn)抽巷距1811運(yùn)順平距法向距離8 m，其8煤頂板分別為粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖。

通過(guò)有無(wú)除塵裝置進(jìn)行鉆孔除塵效果統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表2所示。從表2可知，在施工俯孔過(guò)程中，當(dāng)無(wú)除塵裝置時(shí)，下風(fēng)側(cè)最高全塵濃度可達(dá)125.76 mg/m3，呼塵濃度最高達(dá)30.85 mg/m3；當(dāng)使用新型除塵裝置后，全塵濃度只有9.56 mg/m3，呼塵濃度最高只有2.88 mg/m3，對(duì)比可得全塵除塵效率最高達(dá)92.89%，呼塵除塵效率最高達(dá)92.79%。無(wú)新型除塵裝置時(shí)，鉆孔下風(fēng)側(cè)2 m 位置處瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)0.66%，平均值達(dá)0.481%，有新型除塵裝置時(shí)瓦斯最大濃度只有0.23%，平均值只有0.0775%。對(duì)比可得使用新型除塵裝置時(shí)，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約6.8倍，見圖6所示。

圖5 俯孔防突鉆孔設(shè)計(jì)

表2 煤巖俯孔不同取樣點(diǎn)粉塵濃度及除塵效率統(tǒng)計(jì)

圖6 煤巖俯孔鉆孔下風(fēng)側(cè)2m位置處附近瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)

3.3 順層鉆孔應(yīng)用

順層鉆孔實(shí)踐地點(diǎn)為1809回采工作面，8煤層瓦斯含量14.47 m3/t，實(shí)測(cè)瓦斯壓力最大值高達(dá)3.0 MPa，f最小值0.52，屬不易自燃煤層，煤塵無(wú)爆炸性，有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，其鉆孔傾角0°～5°，可視為全煤近水平施工。鉆孔簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)見圖7 所示。通過(guò)有無(wú)除塵裝置進(jìn)行鉆孔除塵效果統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表3。從表3可知，在施工全煤順層鉆孔過(guò)程中，當(dāng)無(wú)除塵裝置時(shí)，下風(fēng)側(cè)最高全塵濃度可達(dá)150.21 mg/m3，呼塵濃度最高達(dá)29.75 mg/m3；當(dāng)使用新型除塵裝置后，全塵濃度只有9.17 mg/m3，呼塵濃度最高只有2.36 mg/m3，對(duì)比可得全塵除塵效率最高達(dá)94%，呼塵除塵效率最高達(dá)92.55%。無(wú)新型除塵裝置時(shí)，鉆孔下風(fēng)側(cè)2 m位置處瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)0.98%，平均值達(dá)0.7595%，有新型除塵裝置時(shí)瓦斯最大濃度只有0.25%，平均值只有0.093%。對(duì)比可得使用新型除塵裝置時(shí)，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約8.1倍，見圖8所示。對(duì)比煤巖仰孔、煤巖俯孔和全煤順層孔，所有參數(shù)都呈現(xiàn)相似特征。無(wú)除塵裝置時(shí)，各參數(shù)濃度大小關(guān)系為：煤巖仰孔＞全煤順層孔＞煤巖俯孔（全塵濃度）、煤巖仰孔＞煤巖俯孔＞全煤順層孔（呼塵濃度）、全煤順層孔＞煤巖俯孔＞煤巖仰孔（瓦斯?jié)舛龋挥谐龎m裝置時(shí)，煤巖仰孔＞煤巖俯孔＞全煤順層孔（全塵濃度）、煤巖俯孔＞全煤順層孔＞煤巖仰孔（呼塵濃度）、全煤順層孔＞煤巖俯孔＞煤巖仰孔（瓦斯?jié)舛龋⒚簬r仰孔＞全煤順層孔＞煤巖俯孔（全塵除塵效率）、煤巖仰孔＞煤巖俯孔＞全煤順層孔（呼塵除塵效率）?？赡茉?yàn)槭┕ぱ隹讜r(shí)，由于鉆孔孔口粉塵顆粒在風(fēng)壓和自身重力的作用下更容易進(jìn)入除塵裝置，而俯孔則為了能夠更有效地壓出粉塵，則會(huì)增大風(fēng)壓，導(dǎo)致細(xì)小的粉塵從孔口和除塵中逸散，同時(shí)，除塵裝置雖然不能消除和長(zhǎng)時(shí)間積存瓦斯，但卻能夠?yàn)殂@孔工人提供準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，從而防止高瓦斯涌出頻繁采取措施，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高瓦斯抽采效率。

表3 全煤順層鉆孔不同取樣點(diǎn)粉塵濃度及除塵效果統(tǒng)計(jì)

圖7 全煤順層防突鉆孔設(shè)計(jì)

圖8 全煤順層鉆孔下風(fēng)側(cè)2m位置處附近瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)

綜上，新型干式鉆孔除塵裝置的應(yīng)用，有效地解決了干式鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生大量粉（煤）塵，極大地提高了瓦斯的抽采效率，提高了礦井生產(chǎn)的安全性；而且還解決了因注水導(dǎo)致的巷幫和底板外鼓、凸起，避免了因水而造成的偏幫、巷道底鼓等安全隱患的發(fā)生，提高了礦井的巷道維護(hù)安全性，降低了巷道的維護(hù)成本，減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，減少了粉塵對(duì)工人健康的危害。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了由孔口三通、連接管路、集渣捕塵和綜合控制臺(tái)四個(gè)部分組成的新型干式鉆孔除塵裝置。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)煤巖仰孔、煤巖俯孔、全煤順層孔的應(yīng)用，可得出：三者的應(yīng)用效果都呈現(xiàn)相似特征，其中仰孔全塵除塵效率最高達(dá)94.23%，呼塵除塵效率最高達(dá)94.06%，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約7.6倍；俯孔全塵除塵效率最高達(dá)92.89%，呼塵除塵效率最高達(dá)92.79%，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約6.8 倍；順層孔全塵除塵效率最高達(dá)94%，呼塵除塵效率最高達(dá)92.55%，鉆孔附近區(qū)域瓦斯?jié)舛葴p小了約8.1倍。

新型干式鉆孔除塵裝置的應(yīng)用，有效地解決了干式鉆孔施工過(guò)程中產(chǎn)生大量粉（煤）塵的問(wèn)題，極大地提高了瓦斯的抽采效率，提高了礦井生產(chǎn)的安全性，減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，減少了粉塵對(duì)工人健康的危害。