张辉元 李远知

（盘江精煤股份有限公司土城矿，贵州 六盘水 553529）

1 引言

煤层巷道瓦斯钻孔干式钻孔施工所产生的煤粉聚集达到一定浓度后，具有爆炸危险性，严重威胁矿井的安全生产和职工健康[1-4]。土城矿131203 回风巷瓦斯钻孔施工干式钻孔作业时现采用的防尘措施为喷雾降尘，在钻孔孔口下风侧200～300mm 处架设有三个喷嘴，正对孔口进行喷雾降尘，供水压力2.1MPa。在喷嘴正常产生水雾时，作业地点下风向受钻孔粉尘影响严重，能见度急剧下降，整条巷道粉尘浓度超限。因此，对粉尘运移规律进行分析，进而采取合理有效的降尘措施，对保证作业人员健康及钻孔的安全施工具有重要意义。

2 工程概况

土城矿回采的12 号煤层厚度2.37～4.2m，平均3.1m，为简单结构煤层，常含1～2 层夹矸，分叉为12、12-2 号两层煤。煤层属于原生结构煤，硬度f=1.54，瓦斯含量10.52m3/t，瓦斯压力1.44MPa，属煤与瓦斯突出煤层，具有煤与瓦斯突出危险性，煤尘具有爆炸性。为实现安全回采，在131203 回风巷施工期间采用ZYWL—4000 型煤矿用履带式全液压钻机施工下行顺层孔抽放瓦斯，降低煤层瓦斯含量及瓦斯压力。钻孔孔径94mm，钻杆直径73mm，风压1.03MPa。131203 回风巷顺层钻孔施工采取干式钻孔作业，施工时产生大量粉尘，严重影响作业人员健康。因此，为掌握施工钻孔时粉尘污染情况并为制定降尘措施提供依据，需对作业地点进行粉尘浓度及分散度测量。

2.1 粉尘浓度测量

131203 回风巷测尘方法采用计重表示法，利用AKFC-92A 型本质安全型矿用粉尘采样器、Φ75mm滤膜对钻孔作业下风侧为呼吸带高度进行粉尘浓度采样，通过万分之一（Mettler Toledo AE100）全自动电子天平称重。测尘点主要集中于人员活动区域，即距回风下帮1m、2m、3m，下风侧沿程测量位置距钻孔5m、10m、15m……40m。粉尘浓度测量结果如图1 所示。

图1 钻孔下风侧呼吸带高度粉尘浓度沿程变化曲线

从图1 可知：（1）尘源下风侧15m 范围内粉尘浓度下降趋势明显，说明干式钻孔作业粉尘在距尘源15m 范围内快速运移至其他空间，属快速扩散阶段；（2）尘源下风侧5m 各空间呼吸带高度粉尘浓度最高，距回风巷下帮3m 处粉尘浓度达2754mg/m³，且与尘源横向距离越远粉尘浓度越高，说明干式钻孔作业所使用的压缩空气加剧粉尘横向运移；（3）尘源下风侧30m 之后范围内，各空间粉尘浓度下降速度缓慢，钻孔粉尘向各空间扩散已基本完成，至下风侧40m 处时，粉尘浓度仍超过700mg/m³。

2.2 粉尘分散度测量

粉尘的分散度即粉尘的粒径分布，是各粒径区间内粉尘所占总粉尘的比例。将粉尘浓度取样测量的各测尘点样品溶于有机溶剂形成颗粒混悬液，混悬液摇匀后进行随机抽样制成标本，利用显微镜测量出标本中粉尘颗粒尺寸及分布数量，计算出各粒径范围内粉尘数量所占比重。粉尘分散度测量结果如图2 所示。

从图2 可知：（1）在尘源下风侧20m 范围内，巷道各空间呼吸带高度粉尘粒径变化幅度明显，大颗粒粉尘所占比例迅速下降，说明此阶段内，大颗粒粉尘受重力作用明显，出现沉降趋势。（2）钻孔干式作业产生的粒径小于10μm 的粉尘与尘源纵向距离越远所占比例逐渐升高，分散度不断升高，至尘源下风侧20m 时，各空间呼吸带高度粒径5μm 以下的粉尘所占比例超过50%，对人体危害性较大且不易沉降。

图2 钻孔下风侧沿程粉尘分散度

3 钻孔干式作业粉尘治理

根据对131203 回风巷钻孔干式作业现场粉尘浓度及分散度测量，钻孔下风侧粉尘浓度远远超过规定，导致人员作业环境极为恶劣，现采取的钻孔干式作业防尘措施难以满足降尘需求。根据钻孔干式作业粉尘运移规律，控制钻孔下风侧粉尘运移的最佳范围不应超过粉尘快速扩散阶段，即在钻孔下风侧5m 以内，最远不应超过下风侧15m；控制或减弱因压缩空气导致的粉尘横向运移，且加快了未被沉降的粉尘向人员作业扩散，是钻孔干式作业粉尘防治的重点之一；所产生的小粒径粉尘，即10μm以下的粉尘所占比例较高，这部分粉尘难以在重力作用下沉降，是钻孔干式作业粉尘防治的难点之一。为提高井下职工作业环境，降低职业病发病几率及保证矿井的安全生产，该矿半坡采区自主设计煤矿专用钻机孔口控尘降尘装置[5]，该装置如图3 所示。

该降尘装置主要由固定装置、限尘装置及降尘装置三部分组成。其中限尘装置由钻孔内套筒、三通件、尾部密封及与排渣口相连的排渣管路组成；降尘装置由可调角度的成组高压喷嘴、高压喷雾筒及与排气口相连接的排气管路组成。飞扬的较大粒径粉尘在惯性及重力作用下通过排渣管路排放至指定地点，较小粒径粉尘随气流进入高压喷雾区域，沉降后排放至巷道空间。

当钻孔开孔钻进1m 后，停止钻进工作，钻孔内钻杆与钻机分离，安设降尘装置。钻孔内套筒放入钻孔内，通过固定装置固定于煤壁上，从孔口处开始限制粉尘向巷道空间扩散，并通过其尾部密封装置阻止压缩空气携带粉尘运移至人员作业区域，控制粉尘逸散，迫使含尘气流流经高压喷雾区域进行沉降，降低后续粉尘治理难度。

图3 钻机孔口控尘降尘装置

被捕获的粉尘粒径及与之对应的雾滴降尘对应关系为D尘≈0.1D雾[6]。根据对钻进过程中粉尘分散度的测定结果确定选用PZB-2.5/70 型喷嘴，其口径为2.5mm，喷雾扩散角为70°，供水压力为4MPa。因含尘气流在高压喷雾筒内风流速度较快，合适的喷雾角度可有效提高雾滴分散度，加快细微雾滴与粉尘颗粒结合，提高降尘效果，故在使用期间对喷雾角度进行调整，使其与含尘气流方向呈90°，同向夹角15°、30°、45°，逆向夹角15°、30°、45°，并对不同喷雾角度的降尘效果进行对比。经现场粉尘浓度测量，当喷雾角度呈逆向夹角45°时，下风侧5m 处，降尘效果最优，降尘率达94%，钻孔干式作业过程中粉尘问题得到有效控制。

但该降尘装置无法控制和沉降钻孔开孔过程中的产尘，存在粉尘治理空白期，虽然产尘时间短，但产尘量极大。根据该装置具有可拆卸、组装特点，在开孔前将未连接排气管的高压喷雾筒与固定装置通过内置螺纹连接，固定于开孔位置，对开孔产尘进行沉降。现场使用后钻孔下风侧5m 处呼吸带高度开孔产尘粉尘浓度由2152mg/m³降至280mg/m³，降尘率达87%，开孔期间向人员作业空间扩散的粉尘大幅度降低。

4 结 论

（1）结合土城矿131203 回风巷钻孔干式作业生产实际，根据现场实测分析了钻孔干式作业产尘的运移扩散和分布规律。干式作业所使用的压缩空气加剧粉尘的横向运移，使其快速向人员作业区域扩散，限制含尘气流运移是粉尘防治的关键。

（2）干式作业产生细微粉尘所占比例高，危害性极大，根据其粒径分布特征合理选择喷雾参数可有效提高粉尘防治效果。