褚志偉

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

碎軟突出煤層在我國淮南、淮北、陽泉和貴州等煤礦區(qū)普遍分布，具有煤體結(jié)構(gòu)破碎，瓦斯含量高、壓力大，透氣性差等特征，瓦斯治理難度較大，煤與瓦斯事故多發(fā)，嚴(yán)重影響著礦井的安全高效生產(chǎn)[1]。利用定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采是防治碎軟煤層瓦斯事故，開發(fā)瓦斯清潔能源的有效技術(shù)途徑[2-3]。

碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)是煤礦井下近幾年快速發(fā)展和應(yīng)用的一種鉆進(jìn)技術(shù)，適用于碎軟煤層瓦斯抽采定向鉆孔施工。該技術(shù)以井下移動(dòng)式空壓機(jī)輸出壓風(fēng)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)帶動(dòng)定向鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，利用壓風(fēng)循環(huán)排出孔內(nèi)鉆渣，應(yīng)用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡，具有鉆孔軌跡可控、成孔深度大、鉆進(jìn)效率高和瓦斯治理效果好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4-5]。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)過程中煤渣產(chǎn)生量大，瓦斯伴隨涌出，會(huì)在孔口形成大量的煤塵，除塵難度大，現(xiàn)有除塵裝置不能滿足降塵要求。因此，急需設(shè)計(jì)開發(fā)一種適用于碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)孔口降塵的除塵裝置。

1 煤塵特性分析

1.1 空氣定向鉆進(jìn)特性

碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)以礦用移動(dòng)式防爆空壓機(jī)輸出壓風(fēng)為鉆進(jìn)動(dòng)力源和沖洗介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，對(duì)空氣螺桿馬達(dá)進(jìn)行降溫，并將鉆進(jìn)產(chǎn)生的煤渣帶出鉆孔；鉆進(jìn)過程中隨鉆測(cè)量裝置測(cè)量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達(dá)工具面向角參數(shù)，通過定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)力調(diào)整空氣螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)彎角朝向控制鉆進(jìn)方向以調(diào)整鉆孔軌跡；孔口壓風(fēng)監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供風(fēng)壓力、流量，并具備孔內(nèi)復(fù)雜工況應(yīng)急處置功能；孔口除塵裝置用于孔內(nèi)返出煤塵的降塵處理[6-8]。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)具有壓風(fēng)流量大、鉆進(jìn)速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。

1.2 煤塵特性和煤塵危害

基于碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)特有工況，分析孔口返出煤塵特性如下[9-11]：

1）產(chǎn)渣量大。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)利用空氣螺桿馬達(dá)碎巖鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度快并可控制鉆孔軌跡沿煤層長(zhǎng)距離延伸，煤渣產(chǎn)生量大；同時(shí)，由于碎軟煤層煤體松軟破碎，鉆孔成孔過程中和成孔后孔壁易坍塌，加大了產(chǎn)渣量。

2）煤塵流速快。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)以礦用移動(dòng)式防爆空壓機(jī)輸出壓風(fēng)為氣源，供風(fēng)風(fēng)量可達(dá)17m3/min，煤渣運(yùn)移速度快，同時(shí)螺旋鉆桿對(duì)運(yùn)移過程中的煤渣進(jìn)行二次破碎，使煤渣顆粒變得細(xì)小，由壓風(fēng)輸送至孔口后以較高速度噴出，形成流速較高的煤塵。在具有通風(fēng)風(fēng)流情況下，粒徑大于1.5 mm的煤渣迅速沉降，其余大部分游離煤塵迅速從孔口向外擴(kuò)散充滿巷道并沿風(fēng)流方向運(yùn)動(dòng)，由于風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)，粉塵運(yùn)動(dòng)到其它方向，總體上可分為鉆桿徑向和軸向2個(gè)方向。

3）瓦斯含量高。碎軟突出煤層具有瓦斯含量高（相對(duì)瓦斯涌出量≥10m3/t）、壓力大（瓦斯壓力≥0.74MPa）等特征，空氣定向鉆進(jìn)過程中會(huì)涌出大量瓦斯，如孔口密封不嚴(yán)且不及時(shí)進(jìn)行抽吸，易造成鉆場(chǎng)瓦斯超限，對(duì)安全施工造成威脅。

碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)產(chǎn)生煤塵的危害主要體現(xiàn)在以下方面：①煤塵顆粒細(xì)小，長(zhǎng)期吸入會(huì)引發(fā)塵肺病等呼吸系統(tǒng)疾病，危害井下工作人員的身體健康；②煤塵在空間中達(dá)到一定濃度時(shí)具有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，爆炸威力大、波及范圍廣，極易造成井下安全事故；③污染井下巷道，降低了巷道和井下工作環(huán)境的能見度，影響施工人員正常行進(jìn)和施工作業(yè)；④影響井下機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加速機(jī)械設(shè)備的磨損和老化，降低機(jī)械的使用壽命。

2 負(fù)壓抽吸分級(jí)凈化除塵裝置

針對(duì)碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)產(chǎn)生煤塵的特性，基于負(fù)壓抽吸慣性干式除塵原理，設(shè)計(jì)了煤塵處理流程，研制了碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)的除塵裝置。

2.1 除塵原理

除塵裝置采用了負(fù)壓抽吸慣性干式除塵原理，即除塵過程中不使用水降塵，利用鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生煤渣粒度不同而慣性力不同實(shí)現(xiàn)分級(jí)處理，同時(shí)利用煤渣慣性力大于含瓦斯氣體的慣性力而使煤渣與含瓦斯氣體分離，除塵原理圖如圖1。

圖1 除塵原理圖Fig.1 The schematic of dust removal

孔口煤塵進(jìn)入除塵裝置后以一定的速度撞擊擋板，由于擋板的阻擋作用而改變流動(dòng)方向，其中具有較大慣性的大顆粒煤渣運(yùn)動(dòng)方向變化最為明顯，向除塵器下方運(yùn)動(dòng)，被除塵器主體收集；中等顆粒煤渣慣性力僅次于大顆粒煤渣，因而主要沿著水平方向運(yùn)動(dòng)，被除塵布袋收集；小顆粒煤渣和含瓦斯氣體由于慣性力較小，向上運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入下一級(jí)除塵器進(jìn)行分離，下一級(jí)除塵器可采用擋板的形式繼續(xù)改變小顆粒煤渣的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)小顆粒煤渣與含瓦斯氣體的分離。

2.2 除塵裝置

碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)用除塵裝置（以下簡(jiǎn)稱除塵裝置）用于碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)過程中孔口煤塵處理，主要由孔口集塵器、一級(jí)除塵器、二級(jí)除塵器、除塵布袋和配套管路等組成。除塵裝置組成圖如圖2。

圖2 除塵裝置組成圖Fig.2 The composition of dust removal device

其工作原理為：孔口集塵器收集孔口返出煤渣和含瓦斯氣體并向一級(jí)除塵器輸送；一級(jí)除塵器分離中等、大顆粒煤渣，并向二級(jí)除塵器輸送小顆粒煤渣和含瓦斯氣體；二級(jí)除塵器利用井下瓦斯抽采負(fù)壓主動(dòng)抽吸煤塵中的含瓦斯氣體，小顆粒煤渣由二級(jí)除塵器安裝的空濾進(jìn)行過濾，沉積在二級(jí)除塵器筒體內(nèi)。

1）孔口集塵器?？卓诩瘔m器的作用是在孔口套管處形成密封，以收集并向下一級(jí)除塵組件輸送孔口返出的煤塵和瓦斯，主要包括套管連接端、瓦斯抽采端、密封連接端、煤塵排出端等，孔口集塵器組成圖如圖3。套管連接端用于連接孔口套管，以支撐和固定孔口四通；瓦斯抽采端利用井下管路負(fù)壓抽吸孔口返出瓦斯；密封連接端采用盤根填料密封方式對(duì)孔口鉆桿進(jìn)行密封，防止煤塵和瓦斯的外漏；煤塵排出端用于向下一級(jí)除塵組件輸送孔口返出的煤塵和瓦斯。

圖3 孔口集塵器組成圖Fig.3 The composition of orifice dust collector

2）一級(jí)除塵器。一級(jí)除塵器主要作用是將大顆粒和中顆粒煤渣分別進(jìn)行收集和除塵，將小顆粒煤渣和瓦斯從氣流中分離處理，并向下一級(jí)除塵器輸送，主要由一級(jí)除塵器筒體、煤塵輸入口a、煤塵輸出口、清洗口a、煤塵排出口a、支撐座、煤塵排出口b和法蘭蝶閥a組成，一級(jí)除塵器組成圖如圖4。其內(nèi)部安裝有擋板，可以改變煤塵的運(yùn)動(dòng)方向。

圖4 一級(jí)除塵器組成圖Fig.4 The composition of primary dust collector

3）二級(jí)除塵器。二級(jí)除塵器作用是將小顆粒煤渣和瓦斯分離，進(jìn)行小顆粒煤渣的除塵，并通過井下瓦斯抽采管路負(fù)壓抽吸煤塵中的瓦斯，主要由二級(jí)除塵器筒體、煤塵輸入口b、清洗口b、瓦斯排出口、法蘭蝶閥b、支撐座、煤塵排出口c、法蘭蝶閥c組成，二級(jí)除塵器組成圖如圖5。其內(nèi)部安裝有擋板，可以改變煤塵的運(yùn)動(dòng)方向。

圖5 二級(jí)除塵器組成圖Fig.5 The composition of secondary dust collector

4）除塵布袋。除塵布袋主要作用是收集中等顆粒煤渣，并向外排出煤塵氣流中的非瓦斯氣體。除塵布袋選用防靜電阻燃濾布材質(zhì)編織物制作，其作用原理是塵粒在繞過濾布織物時(shí)因慣性力作用與織物碰撞而被攔截。

3 除塵裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)礦井概況

1）礦井概況。試驗(yàn)礦井選取貴州黔西能源開發(fā)有限公司青龍煤礦，礦井為高瓦斯礦井[12]。礦井應(yīng)用碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備在二采區(qū)16#煤層中施工順煤層定向鉆孔，以實(shí)現(xiàn)超前掩護(hù)巷道掘進(jìn)和煤層瓦斯預(yù)抽。16#煤普氏硬度系數(shù)為0.37 ，最大瓦斯壓力1.73MPa，平均透氣性系數(shù)7.61m2/（MPa·d），為碎軟突出煤層，鉆孔施工過程中會(huì)在孔口產(chǎn)生大量的煤塵，除塵難度較大[13]。

2）礦井除塵現(xiàn)狀。礦井應(yīng)用氣水射流除塵裝置進(jìn)行孔口煤塵的降塵處理。應(yīng)用該裝置進(jìn)行孔口除塵存在以下幾點(diǎn)問題：①除塵過程中使用井下管路靜壓水，煤渣和水混合后清理不便，且造成井下水資源的浪費(fèi)；②孔口集塵器單純使用水噴霧處理煤塵效果不理想，煤塵會(huì)通過孔口集塵器下部排渣口外漏，造成鉆場(chǎng)煤塵超標(biāo)；③瓦斯通過孔口集塵器下部排渣口外泄，易造成鉆場(chǎng)瓦斯超限，帶來安全隱患。

3.2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試除塵裝置的除塵效果，在青龍煤礦21608運(yùn)輸巷南段順煤層定向鉆孔施工過程中進(jìn)行了試驗(yàn)性應(yīng)用。

1）鉆孔施工方案。試驗(yàn)鉆場(chǎng)位于二采區(qū)西南翼21608運(yùn)輸巷南段，試驗(yàn)在16#煤中開展，煤層傾角+4°左右，區(qū)域內(nèi)瓦斯含量高、壓力大，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。井下防爆空壓機(jī)放置在主進(jìn)風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，距離試驗(yàn)鉆場(chǎng)80m，供風(fēng)距離短，壓風(fēng)損失小，供風(fēng)參數(shù)滿足氣動(dòng)定向鉆進(jìn)長(zhǎng)距離成孔需要。試驗(yàn)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工9個(gè)氣動(dòng)定向鉆孔，設(shè)計(jì)軌跡沿16#煤走向延伸，目標(biāo)孔深300m，間距4.5m，以覆蓋300m待掘巷道及兩側(cè)15m范圍內(nèi)瓦斯抽采區(qū)域。

2）試驗(yàn)結(jié)果。自2020年4月11日開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，至5月29日完成9個(gè)氣動(dòng)定向長(zhǎng)鉆孔施工，300 m以上成孔率67%。鉆孔施工過程中全程使用除塵裝置進(jìn)行孔口降塵，孔口集塵器密封良好，煤塵和瓦斯無外泄現(xiàn)象，鉆場(chǎng)煤塵濃度顯著降低，降塵效率可達(dá)到96%以上，降塵效果良好，有效改善了鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境；同時(shí)，降塵過程中不需要使用水，煤渣通過一級(jí)除塵器、二級(jí)除塵器和除塵布袋的排渣口向外排出，煤渣清理方便、快捷，節(jié)約水資源。

4 結(jié) 語

1）基于負(fù)壓抽吸慣性干式除塵原理，設(shè)計(jì)了適用于碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)孔口除塵用負(fù)壓抽吸分級(jí)凈化除塵裝置，可以實(shí)現(xiàn)煤塵和含瓦斯氣體的分級(jí)凈化處理，除塵效率高。

2）在青龍煤礦碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工過程中應(yīng)用負(fù)壓抽吸分級(jí)凈化除塵裝置進(jìn)行孔口除塵，完成了9個(gè)定向鉆孔孔口除塵，降塵效率在96%以上，改善了鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境，降塵過程中不需要使用水，煤渣清理方便、快捷，節(jié)約水資源。

3）負(fù)壓抽吸分級(jí)凈化除塵裝置由孔口集塵器、一級(jí)除塵器、二級(jí)除塵器、除塵布袋和配套管路等零散部件連接而成，組成部分多，組裝和運(yùn)輸不便，后期可將除塵裝置各組成部分集成到履帶車體上，避免重復(fù)組裝，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)運(yùn)。