泡沫降尘技术在钻孔施工除尘中的应用

喻 建

（潞安集团和顺一缘煤业，山西 和顺 032799）

1 问题的提出

和顺一缘煤业经鉴定属于煤与瓦斯突出矿井，煤质比较松软，f=0.25~0.46，煤层的瓦斯含量较高。因此二采区相应工作面进行回采前必须施工瓦斯抽放钻孔进行瓦斯预抽，施工钻孔数量多、深度大，钻进工程量大。在钻孔施工时，采用湿式钻孔水力排渣易造成塌孔卡钻、断钻杆，在成孔后常有塌孔、堵孔现象发生。经研究调整采用干式钻孔风力排渣，解决了塌孔卡钻和断钻杆的问题，但是产生的粉尘造成了严重的作业环境污染。数据检测表明：实行风力排渣后，全尘的浓度上升到了850~1100mg/m3，污染了巷道作业空间，给井下开采带来了严重的安全隐患。采用在孔口安设集尘罩，将井下的压水管接通集尘罩上的喷嘴接头，在集尘罩内喷水降尘，然后在巷道内打开防尘网进行降尘，因集尘罩收尘效率低，导致防尘网降尘的除尘效果不佳，因此这种方法不能有效的控制粉尘浓度。数据检测表明钻孔周围煤尘浓度仍在400~630mg/m3之间，距离标准要求还有一定的差距。应用泡沫降尘技术可促使钻孔产生的粉尘被大量泡沫覆盖，与外界进行隔绝，防止了粉尘的逸散，能有效地降低钻孔下风侧的粉尘浓度，解决因钻孔施工导致的粉尘浓度升高问题。

2 泡沫降尘机理及钻孔泡沫降尘系统

2.1 泡沫降尘机理

将水和发泡剂按比例进行混合，产生大量的泡沫来对尘源进行覆盖，可以让刚产生的粉尘第一时间得到湿润，然后进行沉积。将水和发泡剂进行比例混合后，利用发泡装置射向尘源，泡沫体积的庞大增加了泡沫表面与尘粒的结合概率，起到隔绝尘源和润湿最小的粉尘粒的双重作用。泡沫之所以能捕集到粉尘，主要是靠惯性碰撞、截留和扩散。

当产生的粉尘粒径不同时，泡沫降尘的作业机理也有所变化。当粉尘粒径大于100μm 且运行速度不高时，表现为重力沉降效应；当粉尘粒径大于10μm 小于50μm，且运行速度v>1cm/s 时，表现为截留和惯性碰撞效应；当粒径小于10μm 的微小粉尘时，表现为扩散效应。黏附效应始终存在于降尘作用当中。如图1 所示。

2.2 钻孔泡沫降尘系统

集尘罩由两个空心半圆柱体组成，中间通过合页连接，套在钻杆上比较方便，随用随套。集尘罩将钻孔施工时产生的粉尘控制在相对密闭的空间内，罩内设有软管，软管上安有水喷嘴。侧面设有两个软管连接接头，连接软管时，根据钻孔泡沫抑尘器的位置，选择连接其中的一个接头。集尘罩下部设有排渣口，排出大的煤渣。如图2 所示。

图2 泡沫降尘装置示意图

钻孔泡沫抑尘器主要由吸入箱、储液箱、混合箱、管线箱、控制箱及泡沫引流管等组成。吸入箱内设有水雾喷嘴，泡沫引流管口安装一个泡沫喷嘴，水雾喷嘴和泡沫喷嘴喷射后，形成负压，将集尘罩内的粉尘吸出，在水和泡沫的双重抑制作用下降低粉尘浓度。

3 钻孔泡沫降尘系统的现场实践应用

3.1 现场实践应用

将钻孔泡沫降尘技术在潞安集团和顺一缘煤业3206 工作面和3505 工作面进行了实践应用。设计的钻孔泡沫降尘系统安装示意图见图3 所示。在进行瓦斯预抽钻孔施工当中，产生的粉尘经风力排渣作用进入集尘罩，集尘罩将其控制在相对密闭的空间内，为吸入箱利用负压抽吸粉尘提供条件。较大颗粒的粉尘在自重下沉降，经下部出渣口排出，另一部分沿钻杆轴向运动的较小颗粒的粉尘被控制在集尘罩内。喷嘴喷水进行初次降尘，然后吸入箱内的喷嘴和泡沫引流管内的泡沫喷嘴依次喷出水和泡沫，形成高速射流，使吸入箱和泡沫引流管内压力依次降低形成负压，将集尘罩中较小颗粒的煤尘依次抽吸至吸入箱和泡沫引流管，分别进行喷水和泡沫除尘后，经扩散管排出，从而结束除尘，将除尘后的气体排入巷道。

图3 钻孔泡沫降尘应用示意图

3.2 效果分析

本套泡沫防尘系统首先在3206 风巷现场应用，施工本煤层顺层钻孔，粉尘主要以煤尘为主。风巷高3.4m，宽4.6m，配风量为600m3/min，风压大于0.4MPa，水压大于0.6MPa。对全尘浓度作了统计，记录数据分析后结果如图4 所示。

图4 3206 风巷水喷雾与泡沫降尘对全尘的降尘效率

在3206 风巷使用过程中发现一些问题。比如随着钻孔深度的增加，钻杆的旋转、推进及扰动等作用对钻孔孔口处的煤壁破坏越来越强，集尘罩前端与煤壁间的间隙越来越大。在风力作用下，一部分粉尘通过间隙吹出，影响了集尘罩的集尘能力。集尘罩在后端设置三个水喷嘴，喷向钻孔，在应用中发现喷嘴喷出的水压和钻孔内吹出的风压在集尘罩内汇合，部分压强在集尘罩内相互抵消，使进入吸尘软管的负压减小等。

针对以上问题，经过进一步优化设备的除尘性能，将优化过的设备在3505 风巷内进行钻孔泡沫抑尘现场应用，施工本煤层顺层钻孔。经现场测尘，对全尘浓度作了统计，记录数据分析后结果如图5所示。

现场测试结果表明，水喷雾降尘虽然可对钻机下风侧粉尘浓度进行一定程度的降低，但整体效率仍较低，全尘浓度由937.5mg/m3下降到652.5mg/m3，平均降尘率仅为26%左右，粉尘超标依然严峻；采用泡沫降尘时，全尘浓度由937.5mg/m3下降到156.4mg/m3，平均降尘效率高达81.1%，是水喷雾降尘效率的3.12 倍，工作环境得到有效改善，保障了安全生产和职工的健康。

图5 3505 风巷水喷雾与泡沫降尘对全尘的降尘效率

4 结论

（1）通过研究泡沫降尘机理，得出了针对不同的粉尘粒径，泡沫除尘的机理不同，有时候是重力沉降起主要作用，有时是截留和惯性碰撞起主要作用，还有时是扩散效应起主导作用，但在整个过程中，黏附效应始终存在。

（2）通过现场试验，确定了符合施工现场的操作工艺，并在钻场现场进行了应用。应用结果表明，在钻机下风侧2m 处，使用泡沫降尘时，全尘浓度可下降到156.4mg/m3，降尘效率高达81.1%，是水喷雾的3.12 倍，显著降低了粉尘浓度，为工人安全生产创造了条件。