斌郎煤礦高濃度氣體及突水災(zāi)害治理實(shí)踐

李光榮 唐 鋒 李 洪

(1.達(dá)竹煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司斌郎煤礦；2.山東科技大學(xué)泰安校區(qū))

1 工程概況

2 災(zāi)害氣體及突水治理

2.1 治理思路

根據(jù)川東石油集團(tuán)公司在本井田內(nèi)的天然氣鉆井資料，結(jié)合本區(qū)域含硫化氫天然氣藏的分布及地質(zhì)地層等資料，分析認(rèn)為0 m水平石門涌出的硫化氫和瓦斯氣體是通過裂隙來源于氣藏豐富的雷口坡巖層組的高含量硫化氫天然氣。因此，無法通過臨時(shí)抽放措施減少硫化氫及瓦斯涌出量，必須采取通風(fēng)、引排、吸收、分解等綜合措施降低巷道中的硫化氫濃度，保證人員安全，從而實(shí)施帷幕注漿工程封堵涌水和伴隨的硫化氫、瓦斯氣體[1]。

2.2 氣體治理措施

針對(duì)斌郎煤礦災(zāi)害氣體涌出的具體情況，提出了綜合治理方案，主要包括壓抽結(jié)合排除瓦斯和硫化氫；引導(dǎo)隔離排水，減少硫化氫釋放；吸收和分解空氣中殘留硫化氫；氧化還原處理流水，凈化水中硫化氫。

2.2.1 瓦斯和硫化氫壓抽結(jié)合排除

抽出式通風(fēng)是解決掘進(jìn)面硫化氫災(zāi)害最有效的手段，考慮到0 m石門同時(shí)存在瓦斯災(zāi)害，確定采用長(zhǎng)抽長(zhǎng)壓相結(jié)合的通風(fēng)方案。

經(jīng)測(cè)定，突水孔的瓦斯涌出量為1.71 m3/min，稀釋到安全濃度需要風(fēng)量為324 m3/min，因此，0 m石門局部通風(fēng)量確定為400 m3/min。由于隨著突水治理的開展，突水及瓦斯的流量會(huì)逐漸減少，需風(fēng)量也會(huì)降低，為便于增減風(fēng)量，安裝2臺(tái)壓入式風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量為200 m3/min。另外，突水點(diǎn)硫化氫涌出量為0.014 m3/min，稀釋到安全濃度需要的風(fēng)量為3 192 m3/min，斌郎煤礦0 m水平總回風(fēng)量達(dá)到5 200 m3/min，可以滿足稀釋硫化氫氣體的要求。因此，采用抽出式局部風(fēng)機(jī)把高濃度硫化氫抽到0 m 水平總回風(fēng)巷進(jìn)行稀釋，抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)量為400 m3/min。

當(dāng)硫化氫濃度超過10×10-6時(shí)，抽出式和壓入式風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟，為了保證巷道中有200 m3/min的風(fēng)量，壓入式風(fēng)機(jī)只開啟一臺(tái)；當(dāng)硫化氫濃度小于10×10-6，不開啟抽出式風(fēng)機(jī)，只開壓入式風(fēng)機(jī)，但如果瓦斯?jié)舛雀哂?%時(shí)，壓入式風(fēng)機(jī)開啟2臺(tái)，瓦斯?jié)舛刃∮?%時(shí)，壓入式風(fēng)機(jī)開啟1臺(tái)。壓抽結(jié)合的風(fēng)機(jī)安設(shè)布置見圖1。

圖1 局部風(fēng)機(jī)及水幕設(shè)置位置示意

2.2.2 硫化氫吸收

采用碳酸鈉溶液(蘇打水)噴霧的方法吸收空氣中殘留的硫化氫氣體[2]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，碳酸鈉溶液濃度取3%～5%，不僅對(duì)硫化氫吸收效果好且副反應(yīng)小。使用自動(dòng)配比箱按比例配制3%～5%的蘇打液，清水泵加壓噴霧。設(shè)置3道噴霧水幕，第一道設(shè)在掘進(jìn)巷道0 m水平石門中，第二道設(shè)置在抽出式風(fēng)機(jī)排風(fēng)口所處的總回風(fēng)巷中，第三道設(shè)置在東翼大巷中。水幕設(shè)置位置見圖1。

2.2.3 涌水的排出及凈化

2.2.3.1 涌水的引導(dǎo)排放

對(duì)涌水或滲水點(diǎn)設(shè)導(dǎo)水管，將水集中導(dǎo)入水溝；并在水溝蓋板下鋪設(shè)風(fēng)筒布進(jìn)行密封處理，蓋板密封后在其上鋪一層2 cm厚的石灰，如密封效果好，也可不鋪石灰。

2.2.3.2 排水的凈化

采取硫酸亞鐵結(jié)合雙氧水對(duì)排放水中溶解的硫化氫凈化處理[3]。

取60 kg硫酸亞鐵加入藥箱后加水至500 L，攪拌溶解，配制成12%硫酸亞鐵溶液；取60 L雙氧水加入藥箱并加水至500 L，配制成12%雙氧水溶液。

將配制好的硫酸亞鐵和雙氧水溶液以8 L/min流量均勻分散地加入到水溝中，加藥點(diǎn)位于石門涌水處，加入過程中不進(jìn)行攪拌，使其隨水流動(dòng)混合。

2.3 帷幕注漿堵水

由于涌水與災(zāi)害氣體有相伴性，堵水不僅能控制水害,亦能控制災(zāi)害氣體。為此提出帷幕注漿堵水方案，并以80 m為一探水注漿循環(huán)段距劃分為若干段，一個(gè)循環(huán)結(jié)束后恢復(fù)掘進(jìn)60 m，保留20 m的超前距。

2.3.1 鉆孔布置

為了保證巷道輪廓外圍加固圈厚5 m，設(shè)計(jì)3層鉆孔，第一層布置在掌子面上，鉆孔深80 m，布置11個(gè)；第二層布置在兩幫上，鉆孔深45 m，布置6個(gè)；第三層也布置在兩幫上，鉆層深25 m，布置6個(gè)。另外，每循環(huán)施工一個(gè)60 m檢測(cè)孔[4-5]。鉆孔布置見圖2。

圖2 鉆孔布置剖面

2.3.2 失控鉆孔的處理

要恢復(fù)掘進(jìn)必須處理好失控鉆孔，由于前期安裝的閘閥銹蝕無法使用，現(xiàn)場(chǎng)在失控鉆孔周邊再施工一個(gè)鉆孔進(jìn)行注漿試驗(yàn)。試驗(yàn)孔在38 m深度出水并伴有硫化氫氣體涌出，通過壓水試驗(yàn)可以看出，該孔與失控鉆孔的連通性較為通暢。開始采用水泥單液漿進(jìn)行注漿，但跑漿現(xiàn)象較為嚴(yán)重，失控鉆孔成為主要的漿液運(yùn)移通道，在共注入35 t水泥后，添加鋸末、海帶、海綿等軟骨料構(gòu)建裂隙通道的骨架，并改注水泥-水玻璃雙漿液，再注入60 t水泥，控制住跑漿，并且失控鉆孔出水也得到了控制。最后該孔向前施工至80 m深度未再見水，掘進(jìn)頭硫化氫氣體濃度也隨之降至6×10-6以下，掘進(jìn)頭恢復(fù)正常的壓入通風(fēng)方式，為下一步全斷面帷幕注漿堵水創(chuàng)造安全施工的環(huán)境。

2.3.3 帷幕注漿

鉆孔孔口直徑為127 mm，終孔直徑為70 mm，孔口管埋設(shè)長(zhǎng)度為14 m，注漿壓力為8 MPa。采用間隔施工的原則[5]，布置在掌子面上的第一層鉆孔向四周呈放射狀鉆進(jìn)，終孔位置為孔深80 m。鉆孔采用兩級(jí)孔徑、一路套管的結(jié)構(gòu)，套管試壓合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，采用下延式注漿方式，注漿后繼續(xù)鉆進(jìn)，如此反復(fù)直至設(shè)計(jì)位置，遇水旋轉(zhuǎn)防噴裝置，阻止災(zāi)害氣體逸出，連接注漿管注漿堵水。第二、第三層鉆孔在兩幫開辟鉆場(chǎng)，鉆孔終孔位置分別為前方25和45 m距離。

整個(gè)帷幕注漿堵水工程共實(shí)施6個(gè)循環(huán)，掘進(jìn)360 m。工程量見表1。

表1 帷幕注漿堵水工程量

2.4 鉆探防噴治理

由于涌水伴隨硫化氫及瓦斯氣體逸出，為了防止鉆探時(shí)遇水噴出災(zāi)害氣體，發(fā)生噴孔事故，開發(fā)加工了一種新型水氣害探測(cè)防噴封孔裝置(圖3)。該裝置由旋轉(zhuǎn)手柄、彈性膠圈及壓緊墊圈組成。工作時(shí)通過旋轉(zhuǎn)手柄向壓緊墊圈施加外力并傳遞給彈性膠圈，從而使耐壓膠圈和鉆桿完全密閉。在施工過程中突然發(fā)生噴孔現(xiàn)象時(shí)，不用退出鉆桿，通過旋轉(zhuǎn)手柄可輕松關(guān)閉封孔器，從而實(shí)現(xiàn)高壓水和氣體封堵。

圖3 φ127 mm防噴封孔裝置結(jié)構(gòu)示意

3 治理效果

項(xiàng)目實(shí)施后，巷道順利穿過了中山背斜富藏有硫化氫和瓦斯的雷口坡組灰?guī)r段和須家河組砂巖段含水層，保證了0 m生產(chǎn)水平的開拓延伸按期完成。

全斷面帷幕注漿共進(jìn)行了6個(gè)循環(huán)，注漿380 m，掘進(jìn)360 m，循環(huán)帷幕注漿過程中，使用自主開發(fā)的孔口防噴封孔裝置，雖多次鉆探遇水，但未發(fā)生一例硫化氫噴出及巷道超限事故，施工結(jié)束并經(jīng)壁后注漿，巷道四壁沒有明顯滲水點(diǎn)，也沒有硫化氫氣味。治理結(jié)束后對(duì)巷道中硫化氫和瓦斯進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 硫化氫和瓦斯檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)斌郎煤礦0 m水平石門巷道突水并伴隨硫化氫和瓦斯噴出的特點(diǎn)，結(jié)合該區(qū)域的水文地質(zhì)、含水構(gòu)造以及硫化氫和瓦斯氣藏條件，提出了“堵水治災(zāi)，水除氣消、根除隱患、保證安全”的治理方針。

(2)采用引導(dǎo)隔離排水、水源硫化氫凈化處理、長(zhǎng)抽長(zhǎng)壓聯(lián)合加強(qiáng)通風(fēng)以及3%～5%碳酸鈉水溶液水幕凈化吸收等措施，解決了失控鉆孔處理期間硫化氫災(zāi)害問題。

(3)開發(fā)研制的孔口防噴封孔裝置有效防止了水、氣順鉆桿涌出而造成硫化氫泄漏災(zāi)害。

(4)巷道實(shí)施了6個(gè)全斷面帷幕注漿循環(huán)，順利通過含有硫化氫、瓦斯等氣體的強(qiáng)含水層，巷道中無明顯的滲水點(diǎn)，亦未出現(xiàn)災(zāi)害氣體大量涌出的現(xiàn)象。