張輝元 李遠(yuǎn)知

（盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 六盤水 553529）

1 引言

煤層巷道瓦斯鉆孔干式鉆孔施工所產(chǎn)生的煤粉聚集達(dá)到一定濃度后，具有爆炸危險(xiǎn)性，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)和職工健康[1-4]。土城礦131203 回風(fēng)巷瓦斯鉆孔施工干式鉆孔作業(yè)時(shí)現(xiàn)采用的防塵措施為噴霧降塵，在鉆孔孔口下風(fēng)側(cè)200～300mm 處架設(shè)有三個(gè)噴嘴，正對(duì)孔口進(jìn)行噴霧降塵，供水壓力2.1MPa。在噴嘴正常產(chǎn)生水霧時(shí)，作業(yè)地點(diǎn)下風(fēng)向受鉆孔粉塵影響嚴(yán)重，能見度急劇下降，整條巷道粉塵濃度超限。因此，對(duì)粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而采取合理有效的降塵措施，對(duì)保證作業(yè)人員健康及鉆孔的安全施工具有重要意義。

2 工程概況

土城礦回采的12 號(hào)煤層厚度2.37～4.2m，平均3.1m，為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，常含1～2 層夾矸，分叉為12、12-2 號(hào)兩層煤。煤層屬于原生結(jié)構(gòu)煤，硬度f=1.54，瓦斯含量10.52m3/t，瓦斯壓力1.44MPa，屬煤與瓦斯突出煤層，具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤塵具有爆炸性。為實(shí)現(xiàn)安全回采，在131203 回風(fēng)巷施工期間采用ZYWL—4000 型煤礦用履帶式全液壓鉆機(jī)施工下行順層孔抽放瓦斯，降低煤層瓦斯含量及瓦斯壓力。鉆孔孔徑94mm，鉆桿直徑73mm，風(fēng)壓1.03MPa。131203 回風(fēng)巷順層鉆孔施工采取干式鉆孔作業(yè)，施工時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重影響作業(yè)人員健康。因此，為掌握施工鉆孔時(shí)粉塵污染情況并為制定降塵措施提供依據(jù)，需對(duì)作業(yè)地點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度及分散度測(cè)量。

2.1 粉塵濃度測(cè)量

131203 回風(fēng)巷測(cè)塵方法采用計(jì)重表示法，利用AKFC-92A 型本質(zhì)安全型礦用粉塵采樣器、Φ75mm濾膜對(duì)鉆孔作業(yè)下風(fēng)側(cè)為呼吸帶高度進(jìn)行粉塵濃度采樣，通過萬分之一（Mettler Toledo AE100）全自動(dòng)電子天平稱重。測(cè)塵點(diǎn)主要集中于人員活動(dòng)區(qū)域，即距回風(fēng)下幫1m、2m、3m，下風(fēng)側(cè)沿程測(cè)量位置距鉆孔5m、10m、15m……40m。粉塵濃度測(cè)量結(jié)果如圖1 所示。

圖1 鉆孔下風(fēng)側(cè)呼吸帶高度粉塵濃度沿程變化曲線

從圖1 可知：（1）塵源下風(fēng)側(cè)15m 范圍內(nèi)粉塵濃度下降趨勢(shì)明顯，說明干式鉆孔作業(yè)粉塵在距塵源15m 范圍內(nèi)快速運(yùn)移至其他空間，屬快速擴(kuò)散階段；（2）塵源下風(fēng)側(cè)5m 各空間呼吸帶高度粉塵濃度最高，距回風(fēng)巷下幫3m 處粉塵濃度達(dá)2754mg/m3，且與塵源橫向距離越遠(yuǎn)粉塵濃度越高，說明干式鉆孔作業(yè)所使用的壓縮空氣加劇粉塵橫向運(yùn)移；（3）塵源下風(fēng)側(cè)30m 之后范圍內(nèi)，各空間粉塵濃度下降速度緩慢，鉆孔粉塵向各空間擴(kuò)散已基本完成，至下風(fēng)側(cè)40m 處時(shí)，粉塵濃度仍超過700mg/m3。

2.2 粉塵分散度測(cè)量

粉塵的分散度即粉塵的粒徑分布，是各粒徑區(qū)間內(nèi)粉塵所占總粉塵的比例。將粉塵濃度取樣測(cè)量的各測(cè)塵點(diǎn)樣品溶于有機(jī)溶劑形成顆?；鞈乙海鞈乙簱u勻后進(jìn)行隨機(jī)抽樣制成標(biāo)本，利用顯微鏡測(cè)量出標(biāo)本中粉塵顆粒尺寸及分布數(shù)量，計(jì)算出各粒徑范圍內(nèi)粉塵數(shù)量所占比重。粉塵分散度測(cè)量結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可知：（1）在塵源下風(fēng)側(cè)20m 范圍內(nèi)，巷道各空間呼吸帶高度粉塵粒徑變化幅度明顯，大顆粒粉塵所占比例迅速下降，說明此階段內(nèi)，大顆粒粉塵受重力作用明顯，出現(xiàn)沉降趨勢(shì)。（2）鉆孔干式作業(yè)產(chǎn)生的粒徑小于10μm 的粉塵與塵源縱向距離越遠(yuǎn)所占比例逐漸升高，分散度不斷升高，至塵源下風(fēng)側(cè)20m 時(shí)，各空間呼吸帶高度粒徑5μm 以下的粉塵所占比例超過50%，對(duì)人體危害性較大且不易沉降。

圖2 鉆孔下風(fēng)側(cè)沿程粉塵分散度

3 鉆孔干式作業(yè)粉塵治理

根據(jù)對(duì)131203 回風(fēng)巷鉆孔干式作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度及分散度測(cè)量，鉆孔下風(fēng)側(cè)粉塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定，導(dǎo)致人員作業(yè)環(huán)境極為惡劣，現(xiàn)采取的鉆孔干式作業(yè)防塵措施難以滿足降塵需求。根據(jù)鉆孔干式作業(yè)粉塵運(yùn)移規(guī)律，控制鉆孔下風(fēng)側(cè)粉塵運(yùn)移的最佳范圍不應(yīng)超過粉塵快速擴(kuò)散階段，即在鉆孔下風(fēng)側(cè)5m 以內(nèi)，最遠(yuǎn)不應(yīng)超過下風(fēng)側(cè)15m；控制或減弱因壓縮空氣導(dǎo)致的粉塵橫向運(yùn)移，且加快了未被沉降的粉塵向人員作業(yè)擴(kuò)散，是鉆孔干式作業(yè)粉塵防治的重點(diǎn)之一；所產(chǎn)生的小粒徑粉塵，即10μm以下的粉塵所占比例較高，這部分粉塵難以在重力作用下沉降，是鉆孔干式作業(yè)粉塵防治的難點(diǎn)之一。為提高井下職工作業(yè)環(huán)境，降低職業(yè)病發(fā)病幾率及保證礦井的安全生產(chǎn)，該礦半坡采區(qū)自主設(shè)計(jì)煤礦專用鉆機(jī)孔口控塵降塵裝置[5]，該裝置如圖3 所示。

該降塵裝置主要由固定裝置、限塵裝置及降塵裝置三部分組成。其中限塵裝置由鉆孔內(nèi)套筒、三通件、尾部密封及與排渣口相連的排渣管路組成；降塵裝置由可調(diào)角度的成組高壓噴嘴、高壓噴霧筒及與排氣口相連接的排氣管路組成。飛揚(yáng)的較大粒徑粉塵在慣性及重力作用下通過排渣管路排放至指定地點(diǎn)，較小粒徑粉塵隨氣流進(jìn)入高壓噴霧區(qū)域，沉降后排放至巷道空間。

當(dāng)鉆孔開孔鉆進(jìn)1m 后，停止鉆進(jìn)工作，鉆孔內(nèi)鉆桿與鉆機(jī)分離，安設(shè)降塵裝置。鉆孔內(nèi)套筒放入鉆孔內(nèi)，通過固定裝置固定于煤壁上，從孔口處開始限制粉塵向巷道空間擴(kuò)散，并通過其尾部密封裝置阻止壓縮空氣攜帶粉塵運(yùn)移至人員作業(yè)區(qū)域，控制粉塵逸散，迫使含塵氣流流經(jīng)高壓噴霧區(qū)域進(jìn)行沉降，降低后續(xù)粉塵治理難度。

圖3 鉆機(jī)孔口控塵降塵裝置

被捕獲的粉塵粒徑及與之對(duì)應(yīng)的霧滴降塵對(duì)應(yīng)關(guān)系為D塵≈0.1D霧[6]。根據(jù)對(duì)鉆進(jìn)過程中粉塵分散度的測(cè)定結(jié)果確定選用PZB-2.5/70 型噴嘴，其口徑為2.5mm，噴霧擴(kuò)散角為70°，供水壓力為4MPa。因含塵氣流在高壓噴霧筒內(nèi)風(fēng)流速度較快，合適的噴霧角度可有效提高霧滴分散度，加快細(xì)微霧滴與粉塵顆粒結(jié)合，提高降塵效果，故在使用期間對(duì)噴霧角度進(jìn)行調(diào)整，使其與含塵氣流方向呈90°，同向夾角15°、30°、45°，逆向夾角15°、30°、45°，并對(duì)不同噴霧角度的降塵效果進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度測(cè)量，當(dāng)噴霧角度呈逆向夾角45°時(shí)，下風(fēng)側(cè)5m 處，降塵效果最優(yōu)，降塵率達(dá)94%，鉆孔干式作業(yè)過程中粉塵問題得到有效控制。

但該降塵裝置無法控制和沉降鉆孔開孔過程中的產(chǎn)塵，存在粉塵治理空白期，雖然產(chǎn)塵時(shí)間短，但產(chǎn)塵量極大。根據(jù)該裝置具有可拆卸、組裝特點(diǎn)，在開孔前將未連接排氣管的高壓噴霧筒與固定裝置通過內(nèi)置螺紋連接，固定于開孔位置，對(duì)開孔產(chǎn)塵進(jìn)行沉降?，F(xiàn)場(chǎng)使用后鉆孔下風(fēng)側(cè)5m 處呼吸帶高度開孔產(chǎn)塵粉塵濃度由2152mg/m3降至280mg/m3，降塵率達(dá)87%，開孔期間向人員作業(yè)空間擴(kuò)散的粉塵大幅度降低。

4 結(jié) 論

（1）結(jié)合土城礦131203 回風(fēng)巷鉆孔干式作業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了鉆孔干式作業(yè)產(chǎn)塵的運(yùn)移擴(kuò)散和分布規(guī)律。干式作業(yè)所使用的壓縮空氣加劇粉塵的橫向運(yùn)移，使其快速向人員作業(yè)區(qū)域擴(kuò)散，限制含塵氣流運(yùn)移是粉塵防治的關(guān)鍵。

（2）干式作業(yè)產(chǎn)生細(xì)微粉塵所占比例高，危害性極大，根據(jù)其粒徑分布特征合理選擇噴霧參數(shù)可有效提高粉塵防治效果。