郝亞兵

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西 太原 030024）

引言

我國一直以來都是煤炭消耗大國，并且隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，煤炭需求量越來越大，相應(yīng)的開采量也與日俱增。煤礦開采中鉆孔是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而鉆孔施工又分兩種，干式鉆孔和濕式鉆孔。由于干式鉆孔條件較濕式鉆孔易滿足且成孔率高，鉆進(jìn)過程也容易進(jìn)行，因此一般開采施工中比較常用的是干式鉆孔。干式鉆孔過程中會(huì)產(chǎn)生煤粉、瓦斯等有害物質(zhì)，通過壓縮空氣它們被排至孔外，會(huì)造成作業(yè)環(huán)境中粉塵、氣體彌漫，影響視線且存在爆炸的危險(xiǎn)，同時(shí)會(huì)給作業(yè)人員的健康帶來危害等，因此在鉆進(jìn)過程中除塵必不可少，目前相關(guān)除塵措施有噴霧除塵、旋風(fēng)除塵以及一些專業(yè)除塵設(shè)備等，但在實(shí)際應(yīng)用中效果不是很好，因此需要深入分析干式鉆進(jìn)中產(chǎn)生大量粉塵的原因規(guī)律，并對(duì)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)進(jìn)行剖析，從而設(shè)計(jì)出在干式鉆進(jìn)中既能有效排渣，又能有效除塵的綜合裝置[1]。

1 實(shí)際煤礦案例分析

1.1 地質(zhì)概況

為了更加準(zhǔn)確具體地分析煤礦產(chǎn)塵的特點(diǎn)、現(xiàn)有的除塵裝置和它存在的問題與不足，從而設(shè)計(jì)出更加滿足實(shí)際使用的除塵裝置，本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)際考察，調(diào)研了某礦業(yè)集團(tuán)煤礦相關(guān)方面的情況。該煤礦煤層地質(zhì)簡(jiǎn)單、泥巖，煤層厚2～12 m，打鉆地點(diǎn)為62114風(fēng)巷，打C13煤層，采用KQJ120潛孔鉆機(jī)，鉆孔深35 m，直徑110 mm，鉆孔角度為48°。

1.2 產(chǎn)塵特點(diǎn)

該煤礦鉆孔采用干式鉆工方式，在煤礦打鉆施工中，鉆孔孔口會(huì)產(chǎn)生大量的鉆屑、粉塵，無論對(duì)人還是作業(yè)都會(huì)產(chǎn)生很大危害。目前其除塵方式是噴霧除塵，即使除塵設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，除塵效果仍然很差，而且這些粉塵和鉆屑還會(huì)隨著風(fēng)流飄散至整個(gè)巷道，作業(yè)環(huán)境非常差。粉塵在距孔口下風(fēng)側(cè)5 m處濃度最大，在孔口下風(fēng)側(cè)15 m處呼吸性粉塵質(zhì)量濃度最大，達(dá)到約476 800 mg/m3的強(qiáng)度。

2 新型除塵裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果，確定新型礦用干式鉆孔除塵裝置的結(jié)構(gòu)由四部分構(gòu)成：密閉封孔裝置、重力除塵裝置、旋風(fēng)除塵裝置和噴霧降塵裝置。其中旋風(fēng)除塵和噴霧降塵是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

2.1 旋風(fēng)除塵裝置的設(shè)計(jì)

旋風(fēng)除塵主要作用是利用離心力分離氣流中的固體顆?；蛞旱?。該裝置由入口、筒體、錐體、排氣管、排灰斗組成。除塵效果會(huì)隨著各組成部分尺寸的變化而變化，本次設(shè)計(jì)需先確定除塵器要處理的風(fēng)量Q和風(fēng)在入口處的速度v。根據(jù)實(shí)際調(diào)研可知Q=900 m3/h，v=12 m/s。采用切向進(jìn)口的入口方式，根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)速，初步確定除塵裝置參數(shù)，見表1，結(jié)構(gòu)圖見圖1。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算可確定其壓力損失為743Pa、除塵效率為97%。

表1 旋風(fēng)除塵裝置參數(shù)表 mm

圖1 旋風(fēng)除塵裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 重力除塵裝置的設(shè)計(jì)

重力除塵裝置主要作用是利用重力沉降使氣體和粉塵分離，這一過程在重力沉降室內(nèi)完成，重力沉降室一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、阻力低，氣體出入口存在壓力損失，除塵效率在40%～50%，適用于除去顆粒和密度比較大的粉塵。通過分析重力沉降室工作原理，可知通過降低室內(nèi)含塵氣流速度、增加室內(nèi)水平距離、減小沉降高度以及在室內(nèi)設(shè)置特定的擋板和噴霧裝置可有效提高其除塵效率，結(jié)合空間因素制約，本文設(shè)計(jì)的重力除塵裝置主要利用重力分離器分離粉塵中的塊狀煤渣，除塵部分由一個(gè)孔口三通分離裝置和一個(gè)密封性能較好的重力積集布袋組成，如圖2所示。

圖2 重力除塵裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 噴霧降塵裝置的設(shè)計(jì)

噴霧降塵是濕式降塵，通過在除塵器上部設(shè)計(jì)多個(gè)噴頭使其向下噴霧，從而收集從旋風(fēng)除塵裝置出來的粉塵，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。噴霧除塵結(jié)構(gòu)包括噴嘴、沉降室及管路等，沉降室左下為進(jìn)氣口、右上為出氣口、右下為排污口。工作時(shí)，前一階段出來的含塵氣流經(jīng)管道從噴霧除塵器左下進(jìn)氣口流入，噴嘴此時(shí)打開，由上至下開始噴霧，氣流中所含粉塵經(jīng)霧滴作用被陳降下來，由右下排污口排出，經(jīng)過凈化后的氣流通過右上出氣口流出，回到作業(yè)環(huán)境中[3-4]。

圖3 噴霧降塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 密閉封孔裝置的設(shè)計(jì)

在孔口使用密閉封孔裝置是為了更加有效地將含塵氣流收集到旋風(fēng)除塵器中，防止含塵氣流擴(kuò)散到作業(yè)巷道中去。本文設(shè)計(jì)的封孔裝置選用機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)為螺旋式封孔器。螺旋式封孔器由帶螺桿的內(nèi)管、外管、螺母膠筒、旋轉(zhuǎn)手柄等部分組成。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄，使螺母旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外管相互運(yùn)動(dòng)經(jīng)托盤使橡膠壓縮膨脹，封住孔隙。鉆桿通過封孔器內(nèi)管進(jìn)入鉆孔，鉆孔完成后，松開螺母，膠筒恢復(fù)原形，拿出鉆孔。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 密閉封孔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)測(cè)試及參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)測(cè)試在專業(yè)的粉塵實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，可以相對(duì)真實(shí)地模擬實(shí)際煤礦鉆孔作業(yè)環(huán)境。

1）采用DFS-2發(fā)塵器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、YYT-2000測(cè)壓計(jì)、O024-J風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備；

2）試驗(yàn)粉塵采用滑石粉，硬度1，密度2.7 g/cm3；

3）試驗(yàn)大氣參數(shù)，大氣壓力767.8 mmHg，干球溫度13.6℃，濕球溫度13.2℃。

3.2 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

試驗(yàn)主要測(cè)定粉塵粒子分散度、旋風(fēng)除塵器出入口粉塵質(zhì)量濃度、壓力損失和工作效率。經(jīng)測(cè)定，粉塵小于2μm的顆粒占54%，在2～5μm的占25%，大于20μm的占2%，有較好的分散度。通入不同濃度的粉塵至除塵裝置入口，得到不同的除塵效率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出濃度效率關(guān)系圖如圖5所示。可知，粉塵質(zhì)量濃度為250～400 mg/m3時(shí)，除塵效率在65%～90%。另有測(cè)得入口風(fēng)速、出入口壓力、壓力損失及效率結(jié)果如下頁表2所示。

表2 新型除塵裝置風(fēng)速、壓損、效率數(shù)據(jù)表

圖5 新型除塵裝置入口粉塵質(zhì)量濃度與效率關(guān)系圖

可知，入口風(fēng)速越大，壓力損失越大、除塵效率也越大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出最佳入口速度，從而確定最佳入口斷面面積，進(jìn)而計(jì)算確定除塵裝置其他參數(shù)，對(duì)文章開始設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳除塵裝置設(shè)計(jì)方案。最終參數(shù)如表3所示。同時(shí)改變進(jìn)口形式為蝸殼進(jìn)口，有效降低壓損，提高除塵效率。

表3 旋風(fēng)除塵裝置最優(yōu)參數(shù)表 mm

4 結(jié)論

本文通過實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)某煤礦鉆孔作業(yè)中粉塵現(xiàn)象嚴(yán)重、除塵裝置效果不明顯，進(jìn)而研究設(shè)計(jì)了一種新型礦用干式鉆孔除塵裝置。主要完成了以下幾項(xiàng)工作：

1）實(shí)際調(diào)研某煤礦地質(zhì)概況、產(chǎn)塵特點(diǎn)、提出除塵裝置結(jié)構(gòu)方案；

2）根據(jù)實(shí)際參數(shù)初步確定除塵裝置具體參數(shù)，詳細(xì)介紹各部分設(shè)計(jì)方案；

3）設(shè)計(jì)完成后，對(duì)裝置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出效率最佳的參數(shù)組合，進(jìn)一步對(duì)所設(shè)計(jì)的除塵裝置進(jìn)行優(yōu)化，完成新型礦用干式鉆孔除塵裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì)。最終設(shè)計(jì)的除塵裝置具有合理的尺寸結(jié)構(gòu)、較小的壓力損失和較高的除塵效率，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。