煤矿井下负压抽吸分级净化除尘装置应用研究

褚志伟

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

碎软突出煤层在我国淮南、淮北、阳泉和贵州等煤矿区普遍分布，具有煤体结构破碎，瓦斯含量高、压力大，透气性差等特征，瓦斯治理难度较大，煤与瓦斯事故多发，严重影响着矿井的安全高效生产[1]。利用定向钻孔进行瓦斯抽采是防治碎软煤层瓦斯事故，开发瓦斯清洁能源的有效技术途径[2-3]。

碎软煤层空气定向钻进技术是煤矿井下近几年快速发展和应用的一种钻进技术，适用于碎软煤层瓦斯抽采定向钻孔施工。该技术以井下移动式空压机输出压风为动力，驱动空气螺杆马达带动定向钻头回转碎岩，利用压风循环排出孔内钻渣，应用随钻测量系统实时监测钻孔轨迹，具有钻孔轨迹可控、成孔深度大、钻进效率高和瓦斯治理效果好的技术优势[4-5]。碎软煤层空气定向钻进过程中煤渣产生量大，瓦斯伴随涌出，会在孔口形成大量的煤尘，除尘难度大，现有除尘装置不能满足降尘要求。因此，急需设计开发一种适用于碎软煤层空气定向钻进孔口降尘的除尘装置。

1 煤尘特性分析

1.1 空气定向钻进特性

碎软煤层空气定向钻进以矿用移动式防爆空压机输出压风为钻进动力源和冲洗介质，驱动空气螺杆马达回转碎岩钻进，对空气螺杆马达进行降温，并将钻进产生的煤渣带出钻孔；钻进过程中随钻测量装置测量钻孔倾角、方位角和空气螺杆马达工具面向角参数，通过定向钻机回转动力调整空气螺杆马达结构弯角朝向控制钻进方向以调整钻孔轨迹；孔口压风监控装置实时监测供风压力、流量，并具备孔内复杂工况应急处置功能；孔口除尘装置用于孔内返出煤尘的降尘处理[6-8]。碎软煤层空气定向钻进具有压风流量大、钻进速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。

1.2 煤尘特性和煤尘危害

基于碎软煤层空气定向钻进特有工况，分析孔口返出煤尘特性如下[9-11]：

1）产渣量大。碎软煤层空气定向钻进利用空气螺杆马达碎岩钻进，钻进速度快并可控制钻孔轨迹沿煤层长距离延伸，煤渣产生量大；同时，由于碎软煤层煤体松软破碎，钻孔成孔过程中和成孔后孔壁易坍塌，加大了产渣量。

2）煤尘流速快。碎软煤层空气定向钻进以矿用移动式防爆空压机输出压风为气源，供风风量可达17m3/min，煤渣运移速度快，同时螺旋钻杆对运移过程中的煤渣进行二次破碎，使煤渣颗粒变得细小，由压风输送至孔口后以较高速度喷出，形成流速较高的煤尘。在具有通风风流情况下，粒径大于1.5 mm的煤渣迅速沉降，其余大部分游离煤尘迅速从孔口向外扩散充满巷道并沿风流方向运动，由于风流的运动，粉尘运动到其它方向，总体上可分为钻杆径向和轴向2个方向。

3）瓦斯含量高。碎软突出煤层具有瓦斯含量高（相对瓦斯涌出量≥10m3/t）、压力大（瓦斯压力≥0.74MPa）等特征，空气定向钻进过程中会涌出大量瓦斯，如孔口密封不严且不及时进行抽吸，易造成钻场瓦斯超限，对安全施工造成威胁。

碎软煤层空气定向钻进产生煤尘的危害主要体现在以下方面：①煤尘颗粒细小，长期吸入会引发尘肺病等呼吸系统疾病，危害井下工作人员的身体健康；②煤尘在空间中达到一定浓度时具有爆炸的风险，爆炸威力大、波及范围广，极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环境的能见度，影响施工人员正常行进和施工作业；④影响井下机械的正常运转，加速机械设备的磨损和老化，降低机械的使用寿命。

2 负压抽吸分级净化除尘装置

针对碎软煤层空气定向钻进产生煤尘的特性，基于负压抽吸惯性干式除尘原理，设计了煤尘处理流程，研制了碎软煤层空气定向钻进的除尘装置。

2.1 除尘原理

除尘装置采用了负压抽吸惯性干式除尘原理，即除尘过程中不使用水降尘，利用钻进过程中产生煤渣粒度不同而惯性力不同实现分级处理，同时利用煤渣惯性力大于含瓦斯气体的惯性力而使煤渣与含瓦斯气体分离，除尘原理图如图1。

图1 除尘原理图Fig.1 The schematic of dust removal

孔口煤尘进入除尘装置后以一定的速度撞击挡板，由于挡板的阻挡作用而改变流动方向，其中具有较大惯性的大颗粒煤渣运动方向变化最为明显，向除尘器下方运动，被除尘器主体收集；中等颗粒煤渣惯性力仅次于大颗粒煤渣，因而主要沿着水平方向运动，被除尘布袋收集；小颗粒煤渣和含瓦斯气体由于惯性力较小，向上运动而进入下一级除尘器进行分离，下一级除尘器可采用挡板的形式继续改变小颗粒煤渣的运动方向，实现小颗粒煤渣与含瓦斯气体的分离。

2.2 除尘装置

碎软煤层空气定向钻进用除尘装置（以下简称除尘装置）用于碎软煤层空气定向钻进过程中孔口煤尘处理，主要由孔口集尘器、一级除尘器、二级除尘器、除尘布袋和配套管路等组成。除尘装置组成图如图2。

图2 除尘装置组成图Fig.2 The composition of dust removal device

其工作原理为：孔口集尘器收集孔口返出煤渣和含瓦斯气体并向一级除尘器输送；一级除尘器分离中等、大颗粒煤渣，并向二级除尘器输送小颗粒煤渣和含瓦斯气体；二级除尘器利用井下瓦斯抽采负压主动抽吸煤尘中的含瓦斯气体，小颗粒煤渣由二级除尘器安装的空滤进行过滤，沉积在二级除尘器筒体内。

1）孔口集尘器。孔口集尘器的作用是在孔口套管处形成密封，以收集并向下一级除尘组件输送孔口返出的煤尘和瓦斯，主要包括套管连接端、瓦斯抽采端、密封连接端、煤尘排出端等，孔口集尘器组成图如图3。套管连接端用于连接孔口套管，以支撑和固定孔口四通；瓦斯抽采端利用井下管路负压抽吸孔口返出瓦斯；密封连接端采用盘根填料密封方式对孔口钻杆进行密封，防止煤尘和瓦斯的外漏；煤尘排出端用于向下一级除尘组件输送孔口返出的煤尘和瓦斯。

图3 孔口集尘器组成图Fig.3 The composition of orifice dust collector

2）一级除尘器。一级除尘器主要作用是将大颗粒和中颗粒煤渣分别进行收集和除尘，将小颗粒煤渣和瓦斯从气流中分离处理，并向下一级除尘器输送，主要由一级除尘器筒体、煤尘输入口a、煤尘输出口、清洗口a、煤尘排出口a、支撑座、煤尘排出口b和法兰蝶阀a组成，一级除尘器组成图如图4。其内部安装有挡板，可以改变煤尘的运动方向。

图4 一级除尘器组成图Fig.4 The composition of primary dust collector

3）二级除尘器。二级除尘器作用是将小颗粒煤渣和瓦斯分离，进行小颗粒煤渣的除尘，并通过井下瓦斯抽采管路负压抽吸煤尘中的瓦斯，主要由二级除尘器筒体、煤尘输入口b、清洗口b、瓦斯排出口、法兰蝶阀b、支撑座、煤尘排出口c、法兰蝶阀c组成，二级除尘器组成图如图5。其内部安装有挡板，可以改变煤尘的运动方向。

图5 二级除尘器组成图Fig.5 The composition of secondary dust collector

4）除尘布袋。除尘布袋主要作用是收集中等颗粒煤渣，并向外排出煤尘气流中的非瓦斯气体。除尘布袋选用防静电阻燃滤布材质编织物制作，其作用原理是尘粒在绕过滤布织物时因惯性力作用与织物碰撞而被拦截。

3 除尘装置现场应用

3.1 试验矿井概况

1）矿井概况。试验矿井选取贵州黔西能源开发有限公司青龙煤矿，矿井为高瓦斯矿井[12]。矿井应用碎软煤层空气定向钻进技术与装备在二采区16#煤层中施工顺煤层定向钻孔，以实现超前掩护巷道掘进和煤层瓦斯预抽。16#煤普氏硬度系数为0.37 ，最大瓦斯压力1.73MPa，平均透气性系数7.61m2/（MPa·d），为碎软突出煤层，钻孔施工过程中会在孔口产生大量的煤尘，除尘难度较大[13]。

2）矿井除尘现状。矿井应用气水射流除尘装置进行孔口煤尘的降尘处理。应用该装置进行孔口除尘存在以下几点问题：①除尘过程中使用井下管路静压水，煤渣和水混合后清理不便，且造成井下水资源的浪费；②孔口集尘器单纯使用水喷雾处理煤尘效果不理想，煤尘会通过孔口集尘器下部排渣口外漏，造成钻场煤尘超标；③瓦斯通过孔口集尘器下部排渣口外泄，易造成钻场瓦斯超限，带来安全隐患。

3.2 试验方案和试验结果

为了测试除尘装置的除尘效果，在青龙煤矿21608运输巷南段顺煤层定向钻孔施工过程中进行了试验性应用。

1）钻孔施工方案。试验钻场位于二采区西南翼21608运输巷南段，试验在16#煤中开展，煤层倾角+4°左右，区域内瓦斯含量高、压力大，地质构造相对复杂。井下防爆空压机放置在主进风巷联络巷内，距离试验钻场80m，供风距离短，压风损失小，供风参数满足气动定向钻进长距离成孔需要。试验钻场设计施工9个气动定向钻孔，设计轨迹沿16#煤走向延伸，目标孔深300m，间距4.5m，以覆盖300m待掘巷道及两侧15m范围内瓦斯抽采区域。

2）试验结果。自2020年4月11日开始现场试验，至5月29日完成9个气动定向长钻孔施工，300 m以上成孔率67%。钻孔施工过程中全程使用除尘装置进行孔口降尘，孔口集尘器密封良好，煤尘和瓦斯无外泄现象，钻场煤尘浓度显著降低，降尘效率可达到96%以上，降尘效果良好，有效改善了钻孔施工现场的作业环境；同时，降尘过程中不需要使用水，煤渣通过一级除尘器、二级除尘器和除尘布袋的排渣口向外排出，煤渣清理方便、快捷，节约水资源。

4 结 语

1）基于负压抽吸惯性干式除尘原理，设计了适用于碎软煤层空气定向钻进孔口除尘用负压抽吸分级净化除尘装置，可以实现煤尘和含瓦斯气体的分级净化处理，除尘效率高。

2）在青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工过程中应用负压抽吸分级净化除尘装置进行孔口除尘，完成了9个定向钻孔孔口除尘，降尘效率在96%以上，改善了钻孔施工现场的作业环境，降尘过程中不需要使用水，煤渣清理方便、快捷，节约水资源。

3）负压抽吸分级净化除尘装置由孔口集尘器、一级除尘器、二级除尘器、除尘布袋和配套管路等零散部件连接而成，组成部分多，组装和运输不便，后期可将除尘装置各组成部分集成到履带车体上，避免重复组装，实现快速转运。