泡沫降塵技術(shù)在鉆孔施工除塵中的應(yīng)用

喻 建

（潞安集團和順一緣煤業(yè)，山西 和順 032799）

1 問題的提出

和順一緣煤業(yè)經(jīng)鑒定屬于煤與瓦斯突出礦井，煤質(zhì)比較松軟，f=0.25~0.46，煤層的瓦斯含量較高。因此二采區(qū)相應(yīng)工作面進行回采前必須施工瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預(yù)抽，施工鉆孔數(shù)量多、深度大，鉆進工程量大。在鉆孔施工時，采用濕式鉆孔水力排渣易造成塌孔卡鉆、斷鉆桿，在成孔后常有塌孔、堵孔現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)研究調(diào)整采用干式鉆孔風(fēng)力排渣，解決了塌孔卡鉆和斷鉆桿的問題，但是產(chǎn)生的粉塵造成了嚴(yán)重的作業(yè)環(huán)境污染。數(shù)據(jù)檢測表明：實行風(fēng)力排渣后，全塵的濃度上升到了850~1100mg/m3，污染了巷道作業(yè)空間，給井下開采帶來了嚴(yán)重的安全隱患。采用在孔口安設(shè)集塵罩，將井下的壓水管接通集塵罩上的噴嘴接頭，在集塵罩內(nèi)噴水降塵，然后在巷道內(nèi)打開防塵網(wǎng)進行降塵，因集塵罩收塵效率低，導(dǎo)致防塵網(wǎng)降塵的除塵效果不佳，因此這種方法不能有效的控制粉塵濃度。數(shù)據(jù)檢測表明鉆孔周圍煤塵濃度仍在400~630mg/m3之間，距離標(biāo)準(zhǔn)要求還有一定的差距。應(yīng)用泡沫降塵技術(shù)可促使鉆孔產(chǎn)生的粉塵被大量泡沫覆蓋，與外界進行隔絕，防止了粉塵的逸散，能有效地降低鉆孔下風(fēng)側(cè)的粉塵濃度，解決因鉆孔施工導(dǎo)致的粉塵濃度升高問題。

2 泡沫降塵機理及鉆孔泡沫降塵系統(tǒng)

2.1 泡沫降塵機理

將水和發(fā)泡劑按比例進行混合，產(chǎn)生大量的泡沫來對塵源進行覆蓋，可以讓剛產(chǎn)生的粉塵第一時間得到濕潤，然后進行沉積。將水和發(fā)泡劑進行比例混合后，利用發(fā)泡裝置射向塵源，泡沫體積的龐大增加了泡沫表面與塵粒的結(jié)合概率，起到隔絕塵源和潤濕最小的粉塵粒的雙重作用。泡沫之所以能捕集到粉塵，主要是靠慣性碰撞、截留和擴散。

當(dāng)產(chǎn)生的粉塵粒徑不同時，泡沫降塵的作業(yè)機理也有所變化。當(dāng)粉塵粒徑大于100μm 且運行速度不高時，表現(xiàn)為重力沉降效應(yīng)；當(dāng)粉塵粒徑大于10μm 小于50μm，且運行速度v>1cm/s 時，表現(xiàn)為截留和慣性碰撞效應(yīng)；當(dāng)粒徑小于10μm 的微小粉塵時，表現(xiàn)為擴散效應(yīng)。黏附效應(yīng)始終存在于降塵作用當(dāng)中。如圖1 所示。

2.2 鉆孔泡沫降塵系統(tǒng)

集塵罩由兩個空心半圓柱體組成，中間通過合頁連接，套在鉆桿上比較方便，隨用隨套。集塵罩將鉆孔施工時產(chǎn)生的粉塵控制在相對密閉的空間內(nèi)，罩內(nèi)設(shè)有軟管，軟管上安有水噴嘴。側(cè)面設(shè)有兩個軟管連接接頭，連接軟管時，根據(jù)鉆孔泡沫抑塵器的位置，選擇連接其中的一個接頭。集塵罩下部設(shè)有排渣口，排出大的煤渣。如圖2 所示。

圖2 泡沫降塵裝置示意圖

鉆孔泡沫抑塵器主要由吸入箱、儲液箱、混合箱、管線箱、控制箱及泡沫引流管等組成。吸入箱內(nèi)設(shè)有水霧噴嘴，泡沫引流管口安裝一個泡沫噴嘴，水霧噴嘴和泡沫噴嘴噴射后，形成負(fù)壓，將集塵罩內(nèi)的粉塵吸出，在水和泡沫的雙重抑制作用下降低粉塵濃度。

3 鉆孔泡沫降塵系統(tǒng)的現(xiàn)場實踐應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場實踐應(yīng)用

將鉆孔泡沫降塵技術(shù)在潞安集團和順一緣煤業(yè)3206 工作面和3505 工作面進行了實踐應(yīng)用。設(shè)計的鉆孔泡沫降塵系統(tǒng)安裝示意圖見圖3 所示。在進行瓦斯預(yù)抽鉆孔施工當(dāng)中，產(chǎn)生的粉塵經(jīng)風(fēng)力排渣作用進入集塵罩，集塵罩將其控制在相對密閉的空間內(nèi)，為吸入箱利用負(fù)壓抽吸粉塵提供條件。較大顆粒的粉塵在自重下沉降，經(jīng)下部出渣口排出，另一部分沿鉆桿軸向運動的較小顆粒的粉塵被控制在集塵罩內(nèi)。噴嘴噴水進行初次降塵，然后吸入箱內(nèi)的噴嘴和泡沫引流管內(nèi)的泡沫噴嘴依次噴出水和泡沫，形成高速射流，使吸入箱和泡沫引流管內(nèi)壓力依次降低形成負(fù)壓，將集塵罩中較小顆粒的煤塵依次抽吸至吸入箱和泡沫引流管，分別進行噴水和泡沫除塵后，經(jīng)擴散管排出，從而結(jié)束除塵，將除塵后的氣體排入巷道。

圖3 鉆孔泡沫降塵應(yīng)用示意圖

3.2 效果分析

本套泡沫防塵系統(tǒng)首先在3206 風(fēng)巷現(xiàn)場應(yīng)用，施工本煤層順層鉆孔，粉塵主要以煤塵為主。風(fēng)巷高3.4m，寬4.6m，配風(fēng)量為600m3/min，風(fēng)壓大于0.4MPa，水壓大于0.6MPa。對全塵濃度作了統(tǒng)計，記錄數(shù)據(jù)分析后結(jié)果如圖4 所示。

圖4 3206 風(fēng)巷水噴霧與泡沫降塵對全塵的降塵效率

在3206 風(fēng)巷使用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題。比如隨著鉆孔深度的增加，鉆桿的旋轉(zhuǎn)、推進及擾動等作用對鉆孔孔口處的煤壁破壞越來越強，集塵罩前端與煤壁間的間隙越來越大。在風(fēng)力作用下，一部分粉塵通過間隙吹出，影響了集塵罩的集塵能力。集塵罩在后端設(shè)置三個水噴嘴，噴向鉆孔，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)噴嘴噴出的水壓和鉆孔內(nèi)吹出的風(fēng)壓在集塵罩內(nèi)匯合，部分壓強在集塵罩內(nèi)相互抵消，使進入吸塵軟管的負(fù)壓減小等。

針對以上問題，經(jīng)過進一步優(yōu)化設(shè)備的除塵性能，將優(yōu)化過的設(shè)備在3505 風(fēng)巷內(nèi)進行鉆孔泡沫抑塵現(xiàn)場應(yīng)用，施工本煤層順層鉆孔。經(jīng)現(xiàn)場測塵，對全塵濃度作了統(tǒng)計，記錄數(shù)據(jù)分析后結(jié)果如圖5所示。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，水噴霧降塵雖然可對鉆機下風(fēng)側(cè)粉塵濃度進行一定程度的降低，但整體效率仍較低，全塵濃度由937.5mg/m3下降到652.5mg/m3，平均降塵率僅為26%左右，粉塵超標(biāo)依然嚴(yán)峻；采用泡沫降塵時，全塵濃度由937.5mg/m3下降到156.4mg/m3，平均降塵效率高達(dá)81.1%，是水噴霧降塵效率的3.12 倍，工作環(huán)境得到有效改善，保障了安全生產(chǎn)和職工的健康。

圖5 3505 風(fēng)巷水噴霧與泡沫降塵對全塵的降塵效率

4 結(jié)論

（1）通過研究泡沫降塵機理，得出了針對不同的粉塵粒徑，泡沫除塵的機理不同，有時候是重力沉降起主要作用，有時是截留和慣性碰撞起主要作用，還有時是擴散效應(yīng)起主導(dǎo)作用，但在整個過程中，黏附效應(yīng)始終存在。

（2）通過現(xiàn)場試驗，確定了符合施工現(xiàn)場的操作工藝，并在鉆場現(xiàn)場進行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，在鉆機下風(fēng)側(cè)2m 處，使用泡沫降塵時，全塵濃度可下降到156.4mg/m3，降塵效率高達(dá)81.1%，是水噴霧的3.12 倍，顯著降低了粉塵濃度，為工人安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。