安家岭露天矿牙轮钻机干式除尘系统改造方案

齐玉俊

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036000）

大型露天矿山的主要穿孔设备为矿用牙轮钻机，穿孔作业过程中产生的粉尘仅次于采装、运输等环节，产尘量位居重要生产环节的第3 位。经测算，1台牙轮钻机钻速达到0.025 m／s 时，产生的粉尘量直径可达到10～15 mm，粉尘质量每秒可达到2～3.5 kg。穿孔过程中产生的大量粉尘，吸附到机器各部件上时会影响钻机各部件的正常运行，同时加速了钻具的损坏，缩短了钻头的使用寿命。作业场所产生的粉尘如果不加以有效控制，将危害职工的身心健康、降低机器设备使用寿命及破坏作业环境，还会造成大气污染[1]。

安家岭矿拥有5 种型号13 台牙轮钻机，分别为4 台CDM75E 电钻、1 台DM50 油钻、1 台D245S 油钻、6 台衡阳YZ35C 电钻、1 台KY250 电钻，所有型号钻机均使用干式除尘装置除尘。主要为2 级除尘，第1 级使用旋流除尘装置，作用是除去空气中粒径中等及以下的粉尘；第2 级使用滤芯过滤器，作用是用来捕集微细粒径粉尘。该除尘系统在改造之前，除尘效率低下，作业区域内的空气质量无法满足当前环保要求。

1 干式除尘

干式除尘指不需要用水作为除尘介质，占所有除尘系统的90%以上，不受气候环境限制，技术成熟。最主要的特点就是通过一整套机械设备将排出孔外的岩粉将其捕获收集起来，而且捕集的粉尘为干粉状，重点解决的问题是捕集和清除细小的粉尘。具有占地面积小，使用范围广，除尘效率高的特点，被广泛应用于大型清灰除尘中。常见的干式除尘技术主要有重力沉降器、惯性除尘器、静电除尘器、声波除尘器等。缺点是设备构造复杂，维护检修不方便，捕集后的粉尘落在地上会形成二次污染源，且不能除去粉尘中的有毒、有害气体[2]。具体为:①重力除尘效果＜50%，适应的粉尘粒经为50 μm；②惯性除尘效果50%～70%，适应的粉尘粒经为20～50 μm；③旋风除尘效果60%～70%，适应的粉尘粒经为5～30 μum；④声波除尘效果80%～90%，适应的粉尘粒经为0.5～100 μm，其在使用过程中会产生很大噪音，且耗能较大；⑤静电除尘效果90%～95%，适应的粉尘粒经为0.5～1 μm，但其结构复杂，设备庞大，投入较高。

2 CDM 示例钻机干式除尘系统及工作原理

2.1 CDM 系列钻机干式除尘集尘原理

CDM75E 钻机除尘系统主要由除尘马达、风叶、集尘桶、滤芯、吸尘风筒、挡尘帘、隔尘罩、衬套、落尘袋、脉冲阀、计时器、挡尘帘、挡尘帘收缩油缸等部件组成的。

CDM 系列钻机干式除尘系统为“无可视尘粒”二级真空除尘，第1 级为气流旋流除尘，第2 级为滤芯过滤除尘[3]。

1）干式除尘系统的工作原理是除尘马达工作，利用捕尘罩、沉降箱、除尘器等设备将钻进过程中产生的粉尘通过吸尘风管吸入集尘桶内，然后强大的气流使粉尘形成旋流，粒径较大的粉尘被甩到桶壁上，由于重力作用向下流入落尘袋。颗粒较小的粉尘随着气流通过滤芯时，被滤芯阻挡吸附积存，排风口随后排出过滤后较为干净达标的空气。脉冲电磁阀间歇工作，将滤芯上的积尘吹落，积尘落入落尘袋，进入落尘袋的粉尘较多时，粉尘会因自重较大打开落尘袋口排出。

2）集尘器主要技术参数：该装置为气旋式，高3.53 m，直径1.37 m，入口直径0.3 m；9 个“无可视排放物”褶皱纸质滤芯，气动冲洗，安装在集尘器侧调平千斤顶的顶部；容量为3.3 m3；液压叶轮马达风扇，固定排量2.44×10－5m3/r，运转压力2.11×106kg/m2；集尘器吸尘管和过滤器之间内置挡板；防尘罩矩形，带有各自分高的隔尘帘，前侧隔尘帘可通过液压驱动方式收缩。

3.2 CDM 系列钻机影响粉尘因素

钻机的技术性能、钻具的材质结构、岩石的物理机械性质、穿孔技术参数、岩石的可钻性、作业人员的操作经验及技术水平（风量、进给压力、旋转速度）等与钻进过程中产生的粉尘量有直接关系，大致可以分为4 个阶段[4]：

1）当进给压力小于临界值时，钻机钻进速度低，而比功耗却很大。这个阶段岩石破碎仅仅具有表面研磨的特性，产生的岩渣基本是粉尘。

2）当进给压力大于临界值时，钻机钻进速度缓慢提升，比功耗显著下降。这个阶段岩石进入破碎疲劳过渡期，颗粒状岩渣增多，粉尘产生量开始减少。

3）当岩石的抗压强度小于进给压力迫使钻头施加在岩石上的压力时，钻头开始破碎岩石，切割厚度和钻进速度跟进给压力呈线性关系上升。这个阶段颗粒状岩渣持续增多，粉尘持续减少，该阶段粉尘产生量最少，称之为钻销破岩阶段。

4）当进给压力大于某极限值时，钻进速度达到最大值，不增反降，比功耗开始增加。这个阶段钻头磨损加快，粉尘增加，颗粒状岩渣减少，这个阶段称为阻塞阶段。

2.3 CDM 系列钻机干式除尘应用优缺点

CDM 系列钻机“无可视尘粒”除尘系统是一种有相当用途的除尘装置，同时具备干式除尘和湿式除尘的优点，尤其在高寒、缺水地区的钻孔作业是非常适用的[5]。优点具体为：①净化效率高、动作稳定，同时起到除尘和净化气体的作用，在一定程度上减少了粉尘的“二次”污染;②捕尘罩结构比较简单，除尘效率高，粉尘沉降效果好，能满足严格的环保要求;③比一般的干式除尘器除尘效率高、除尘效果明显，不仅对粒径大的粉尘有良好的沉降作用，而且对微细粒径的粉尘有较强的阻挡捕获吸附能力，可捕集小至0.1 μm 的细小粉尘颗粒;④不使用水作为介质来除尘降尘，在减少耗水量的同时可使钻孔内壁和孔底保持干燥，会保持钻具的原有设计使用寿命;⑤该除尘系统设备构造比较简单，对管道堵塞现象有明显的监控指示，隔离集成器系统故障可以通过压力表的指示位置来判断。所以通过在集成器外壳上部和下部的真空部位接头上进行单独测量，根据测量出的数值来验证是否正常，以方便通过目录来查询故障代码、排出故障。

该干式除尘方式也有缺点，安家岭矿CDM75E 钻机陆续运行以来，干式除尘一直不好，远远无法满足现行环保要求，甚至影响现场的作业安全和生产效率。捕尘罩下部集尘空间狭小；捕尘罩悬挂连接部位立轴强度不够，经常断裂；空压机排量大，降低滤芯使用寿命，马达故障率高，除尘装置故障频繁；隔尘罩和挡尘帘为易损品；挡尘帘升降油缸易损坏。上述情况导致大量粉尘溢出，粉尘倒流，回填钻孔，减小钻孔深度，甚至夹杆，严重影响钻机作业效率[6]。当钻孔穿到含水层时，开启除尘装置不仅起不到除尘效果，而且容易使含水粉尘黏结、堵塞除尘滤芯、除尘管、钻头等部件，缩短钻具的使用寿命。该除尘装置为侧悬挂式圆筒结构，频繁更换除尘滤芯，操作不方便，需要进一步进行改进。

3 除尘系统改造方案

1）更换挡尘帘材质及结构。安家岭露天矿原钻机挡尘帘为硬质胶皮材质，为了提高挡尘帘的使用寿命和增强其挡尘效果，将原硬质胶皮材质设计成软硬帘相结合的材质，即上方采用硬质胶皮挡尘帘，下方采用软质帆布挡尘帘。在软质挡尘帘中部增加一圈钢筋骨架，防止挡尘帘内部产生的负压吸瘪挡尘帘。软挡尘帘下部安装比较重的沉铁，目的是使挡尘帘下垂，封挡接触面，保证软挡尘帘的接地密封性[7]。

2）加大挡尘帘内部区域的空间。在现有钻机挡尘帘的基础上，以钻机作业平台下方区域为参考，尽可能做全方位扩大延伸，增大挡尘帘内部空间，让钻孔所产生的粉尘能够在较大的空间内进行最大量沉降，从而缓解集成器对粉尘的吸入量及降低粉尘从挡尘帘四周缝隙的溢出量。

3）更换隔层罩材质。隔尘罩主要由于钻杆在钻进过程中，钻杆、稳杆器提升在隔层罩位置时受到不同方向的磨损破坏，降低了使用寿命。根据现场使用和维修情况，选用牛筋材质隔层罩，牛筋材质隔层罩比我们日常使用的胶质隔层罩韧性好，不易发生脆性断裂，使用寿命长久。

4）加装物理过滤器。该干式除尘装置原先采用二级干式过滤除尘，在此基础上加装1 套粉尘沉降装置，即在较大粒径粉尘通过除尘滤芯过滤前加装1套物理沉降装置。这样可以使空气中的较大粒径粉尘在通过除尘滤芯前发生二次沉降，而除尘滤芯只针对粒径细小的粉尘进行过滤，从而提高了滤芯的使用寿命，降低了维修成本，节约了维修时间[8]。

5）用除尘布袋替换除尘滤芯。参考国内其他露天矿山使用情况，布袋除尘装置广泛应用于消除粉尘污染、改善环境等，对粉尘的过滤精度、过滤强度、维修保养更加方便快捷。为了增加集成器对粉尘的储存容量，可以通过增加布袋子数量来完成。CDM75E 系列钻机干式除尘滤芯装置改造为布袋子，除尘效果高达99%，适应的粉尘粒经为1～1 000 μm，具有结构简单、维护操作方便、使用灵活、运行比较稳定、初期投资较少、管理方便等特点。目前，布袋除尘已经成为干式除尘中应用最广泛的一种除尘装置[9]。

4 结语

从CDM75E 系列牙轮钻机在平朔安家岭露天矿的现场使用效果来看，在“无可视尘粒”干式除尘装置的基础上进行的一系列改造，改造后各项技术性能稳定，大幅提升除尘效率，提高了作业场所的空气质量，满足环保要求的最低粉尘排放浓度，对企业的持续健康发展具有重要意义。改造后的干式除尘装置适用于多种牙轮钻机使用，尤其适合在干燥寒冷、缺水的北方地区使用。