高地壓堅硬厚煤層采掘面硫化氫及粉塵職業(yè)危害防治成套技術(shù)研究

崗戰(zhàn)偉 叱超

摘要：煤礦生產(chǎn)作為高危行業(yè)之一，在采掘面生產(chǎn)中存在著諸多危險因素。煤礦開采中會生成大量的粉塵和硫化氫，嚴(yán)重影響煤礦開采安全和人身健康，如煤塵爆炸、塵肺病等。基于此，本文首先提出高地壓堅硬厚煤層采掘面硫化氫、粉塵的治理現(xiàn)狀，進而提出硫化氫及粉塵職業(yè)危害防治成套技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高地壓堅硬厚煤層;硫化氫;粉塵;職業(yè)危害;防治成套技術(shù)

Abstract：Coal mine production， as one of the high-level industries， has many risk factors in mining production. A large amount of dust and hydrogen sulfide will be produced in coal mining， which will seriously affect the safety and personal health of coal mining， such as coal dust explosion， pneumoconiosis and so on. Based on this， this paper first puts forward the status quo of treatment of hydrogen sulfide and dust in mining face of high pressure hard and thick coal seam， and then puts forward the complete set of technology of prevention and control of hydrogen sulfide and dust occupational hazard.

Key words：High ground pressure hard thick coal seam;Hydrogen sulfide;Dust;Occupational hazards;Control complete set of technology

高地壓堅硬厚煤層采掘活動中會產(chǎn)生大量的硫化氫、粉塵，這些物質(zhì)一方面增加了煤礦開采爆炸風(fēng)險，另一方面大大增加了塵肺病等職業(yè)病發(fā)生率。每年我國煤炭行業(yè)都會增加成千上萬名塵肺病患者，死亡人數(shù)數(shù)以千計。我國在21世紀(jì)以來煤礦爆炸案件多達(dá)20多起，造成了上千人死亡，社會影響十分惡劣。硫化氫同樣作為一種有毒有害氣體，毒性非常強，高濃度硫化氫會讓人產(chǎn)生五官感覺失靈，甚至?xí)a(chǎn)生痙攣、死亡?？梢姡旱V開采風(fēng)險很大，很容易對生產(chǎn)工人帶來職業(yè)危害，如果不做好治理工作，會嚴(yán)重影響開采企業(yè)的市場形象、降低煤礦生產(chǎn)綜合效益。

1 工程概況

通過調(diào)查顯示，山東能源淄礦集團下屬的陜西省亭南煤業(yè)、正通煤業(yè)采掘面的粉塵、硫化氫危害很嚴(yán)重。亭南煤業(yè)采掘面硫化氫濃度為66ppm以上，正通煤業(yè)綜掘掘進工作面硫化氫涌出濃度達(dá)到101ppm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)濃度（6.6ppm）15倍以上，粉塵濃度達(dá)到了500mg/m?以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合正通煤業(yè)綜掘掘進工作面硫化氫涌出濃度，可以推出回采工作面硫化氫涌出濃度可以達(dá)到150-200ppm之間，粉塵濃度不低于3 000mg/m?[1]。由此可見，山東能源淄礦集團下屬的陜西省煤礦采掘面粉塵、硫化氫嚴(yán)重超標(biāo)，不僅會增加爆炸風(fēng)險，同時還會給井下工作人員健康帶來極大的威脅，必須要提前采取相應(yīng)的處理措施和方案。

2 煤礦采掘面硫化氫和粉塵的治理現(xiàn)狀

2.1 硫化氫危害治理現(xiàn)狀

硫化氫作為一種有毒有害氣體，礦井之前使用通風(fēng)稀釋、注堿吸收、石灰反應(yīng)等方法治理，雖然起到了一定的效果，但沒有綜合考慮硫化氫的成因、生成規(guī)律、影響因素、分布情況，監(jiān)測工作不到位。在整個治理過程中也嘗試了很多方法，如硫化氫吸收液自動配比技術(shù)、煤層注吸收液等，技術(shù)設(shè)備選擇存在盲目性、缺乏科學(xué)性，沒有形成一套可以全方位治理硫化氫的配套工藝，并且最終的硫化氫治理結(jié)果不夠理想，對礦井生產(chǎn)安全幫助不大。

2.2 粉塵危害治理現(xiàn)狀

在粉塵治理方面，礦井應(yīng)用了風(fēng)流凈化水幕、除塵風(fēng)機、低壓噴霧等方案。其中，低壓噴霧方案主要是治理支架放煤、采煤機割煤所產(chǎn)生的粉塵。但在去除粉塵中受到低壓噴霧設(shè)備性能的影響，噴出的水霧無法完全捕捉灰塵，再加上噴嘴設(shè)計不合理，使用中很容易產(chǎn)生噴嘴堵塞等問題，進一步降低了噴嘴使用性能，因此實際除塵、降塵的效果不夠理想。

3 設(shè)計思路與目標(biāo)

3.1 設(shè)計思路

考慮到采掘面硫化氫分布不均、涌出濃度高等特殊性，通過設(shè)置硫化氫監(jiān)測技術(shù)，分析硫化氫產(chǎn)生原因、附存、涌出影響、分布規(guī)律等進行綜合分析，這樣為后續(xù)采用防治成套技術(shù)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持?？紤]到正通煤業(yè)煤質(zhì)較硬、地應(yīng)力高等特點，設(shè)計主動式綜掘面迎頭“三壓帶”分段式中高壓預(yù)注吸收液、利用綜放面超前應(yīng)力相關(guān)成套技術(shù)體系，這樣在回采前即可將煤層浸濕，降低回采過程中硫化氫和粉塵濃度。工作面回采過程中，采用硫化氫集聚點抽取凈化工藝，可以直接抽取凈化掘進巷道與隅角的硫化氫、粉塵。而高壓外噴霧、掘進機外泡沫吸收治理成套技術(shù)，可以加強治理設(shè)備移動的靈活性，針對性治理采掘面涌出的硫化氫、粉塵。這些成套技術(shù)在實際應(yīng)用中，有效降低了硫化氫、粉塵的濃度，減少煤礦開采的危害，改善了礦井開采條件，確保人身健康安全。

3.2 目標(biāo)

通過對硫化氫、粉塵防治成套技術(shù)的立項研究，形成可以降低或消除硫化氫、粉塵的工藝配套設(shè)施，為后期制定硫化氫、粉塵防治方案提供科學(xué)依據(jù)。在采用分段式封孔注液、噴射泡沫覆蓋、高壓外噴吸收液等技術(shù)，要將硫化氫濃度降低80%以上、粉塵濃度降低90%以上。在綜采面采用煤層預(yù)注吸收液、涌出硫化氫外噴吸收液、硫化氫集中抽取凈化等配套技術(shù)后，要求煤機司機及其周圍、支架放煤、上隅角和回風(fēng)巷等區(qū)域，硫化氫、粉塵降低率要達(dá)到80%以上。

4 高地壓堅硬厚煤層綜掘面硫化氫及粉塵防治成套技術(shù)

4.1 “三壓帶”分布規(guī)律研究

結(jié)合煤礦工程地質(zhì)條件特性，要掌握高地壓、堅硬厚煤層的硫化氫及粉塵治理要求，根據(jù)實驗室具體的數(shù)據(jù)模擬、現(xiàn)場鉆孔取樣測試等結(jié)果，測試分析綜掘面迎頭煤體注水后的“三壓帶”分布情況，為后期分段預(yù)注吸收液防治硫化氫及粉塵提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 “三壓帶”分段式注液防治技術(shù)

由于綜掘面煤質(zhì)具有高地壓、堅硬的特點，在能夠掌握“三壓帶”分布規(guī)律基礎(chǔ)上，采用分段中壓注水和分段高壓注水方案，在同一鉆孔當(dāng)中向卸壓帶、應(yīng)力集中帶、原巖應(yīng)力帶注入相應(yīng)量的吸收液，加速煤體中硫化氫在割煤前的吸收量，這樣即可在掘進切割時減少硫化氫及粉塵釋放量。先對掘進頭位置的“三壓帶”進行單孔注水試驗工作，測試不同注水流量、時間、壓力等進行分析，水分增量標(biāo)準(zhǔn)為1.5%，判定煤體濕潤半徑，確定注水的具體工藝參數(shù)。從斷面尺寸、煤體濕潤半徑進行比較，從中判定注水孔布設(shè)方案、數(shù)據(jù)參數(shù)。根據(jù)上述確定的參數(shù)信息，測試分析不同預(yù)注量的吸收液對硫化氫與粉塵治理效果，測出各項注水參數(shù)的效率值。

4.3 掘進機高壓外噴吸收液治理技術(shù)

在得出綜掘面硫化氫分布規(guī)律條件下，根據(jù)綜掘機的結(jié)構(gòu)、斷面布設(shè)噴向截齒頭正向高壓噴霧裝置，這樣在割煤區(qū)域會形成一個噴霧包圍圈，在截齒頭割煤過程就可以將硫化氫反應(yīng)、攔截[2]。掘進機兩側(cè)通過布置噴向迎頭頂?shù)装宸轿桓邏和鈬娧b置，開啟后形成水霧用作吸收硫化氫，可以減少煤體垮落、星輪轉(zhuǎn)動部位的硫化氫生成量，從而實現(xiàn)硫化氫控制的目標(biāo)。

4.4 掘進機外噴泡沫吸收液治理技術(shù)

結(jié)合綜掘機結(jié)構(gòu)、斷面條件，在掘進機前增設(shè)噴射泡沫吸收裝置，通過噴出的泡沫吸收掘進機運作中產(chǎn)生的硫化氫及粉塵，從而起到控制硫化氫及粉塵的目標(biāo)。該技術(shù)剩余原理與4.3的技術(shù)原理類似，在此不做多贅述。

4.5 防治集成化移動式處理技術(shù)

考慮到在采掘面處理硫化氫及粉塵需要用到水箱、水泵、吸收液添加設(shè)施，這些設(shè)備在實際使用中移動十分不便，甚至?xí)ΜF(xiàn)場處理硫化氫及粉塵帶來負(fù)面效果。因此要做好綜掘面巷道結(jié)構(gòu)尺寸分析、設(shè)備布設(shè)調(diào)控基礎(chǔ)上，對常用的處理設(shè)備性能進行分析，做好水泵、水箱、吸收液添加裝置的外形設(shè)計、重量設(shè)計，采用履帶式行走結(jié)構(gòu)集成這些設(shè)備，提高處理設(shè)備的移動便捷性。正通煤業(yè)采用的移動裝置長寬高分別為4.5m、1.2m、1.8m，總重量控制在5t以內(nèi)，電壓等級為660V/1 140V，運行功率最高不超過60kW，適應(yīng)爬坡度在16°以內(nèi)[3]。

5 高地壓堅硬厚煤層綜放面硫化氫及粉塵防治成套技術(shù)

5.1 綜放面支撐壓力分布

結(jié)合綜放面開采特性，先是通過實驗室模擬、現(xiàn)場觀測、工程類比等方法分析工作面開采中前方支承壓分布狀況，為后續(xù)煤層預(yù)注吸收液防治硫化氫及粉塵提供有效依據(jù)。

5.2 超前應(yīng)力影響區(qū)預(yù)注吸收液防治成套技術(shù)

由于本礦綜放面具有煤質(zhì)硬、應(yīng)力大等特點，增加了長鉆孔施工難度，所以在施工中可以借助超前應(yīng)力影響區(qū)域應(yīng)力釋放、裂縫發(fā)育且張量不大特性，在該區(qū)域中鉆孔并注水，研究超前工作面預(yù)注吸收液防治技術(shù)，這樣可以有效控制超前應(yīng)力影響區(qū)硫化氫及粉塵的產(chǎn)生。具體要根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果判定是采用單巷注水還是雙巷注水。

在進行試驗研究當(dāng)中，可以根據(jù)工作面承壓力分布情況計算出支承壓力分布范圍，并在確定范圍內(nèi)進行可注性試驗、注水封孔、煤層注水濕潤半徑等研究工作，從而得出綜放面濕潤半徑、注水工藝參數(shù)。結(jié)合得出的濕潤半徑數(shù)值、注水參數(shù)、綜放面煤層厚度、工作面推進速度、順槽斷面尺寸、鉆孔技術(shù)等，從而得出注水鉆孔布設(shè)區(qū)域和施工參數(shù)。根據(jù)不同的注水工藝參數(shù)，考察不同濃度吸收液在硫化氫及粉塵防治的情況，綜合考慮成本、效果、便捷性等因素，即可得出最佳的成套技術(shù)參數(shù)。

5.3 噴灑吸收液治理采煤機割煤擾動工藝技術(shù)

通過分析綜放面采煤機滾筒割煤時產(chǎn)生的硫化氫分布特性、濃度，根據(jù)采煤機結(jié)構(gòu)尺寸、高度、支架結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，可以分別在采煤機上下風(fēng)側(cè)面、滾筒上方設(shè)置噴灑吸收液裝置，這樣在滾筒割煤當(dāng)中就會形成吸收液噴霧包圍圈，降低割煤中產(chǎn)生的硫化氫及粉塵?？紤]到依然可能溢出的硫化氫及粉塵，可以在支架上增設(shè)跟蹤噴射吸收液裝置，跟著風(fēng)流擴散噴霧范圍，從而實現(xiàn)硫化氫及粉塵的攔截，進一步加強了硫化氫及粉塵的治理效果[4]。綜放面試驗當(dāng)中，借助硫化氫檢測儀、測塵儀等設(shè)備，測試不同吸收液壓力、濃度下的硫化氫及粉塵數(shù)據(jù)信息，將所得數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)環(huán)境，從而得出最優(yōu)的工藝參數(shù)。

5.4 噴灑吸收液治理支架放煤擾動工藝技術(shù)

結(jié)合支架放煤產(chǎn)生硫化氫及粉塵釋放規(guī)律、空間布局情況，分別在支架尾梁千斤頂上下部位安裝中壓吸收液裝置、高壓吸收液裝置，通過裝置噴灑噴霧包裹放煤口空間，這樣才硫化氫及粉塵產(chǎn)生源頭位置即可實現(xiàn)吸收和消除。對于依然溢出的硫化氫及粉塵，可以在支架尾梁下端增設(shè)噴灑吸收液裝置，攔截支架隨風(fēng)擴散的硫化氫及粉塵，降低上隅角、回風(fēng)順槽的硫化氫及粉塵濃度。在支架放煤試驗當(dāng)中，主要使用檢測儀器對不同吸收液流量、壓力、濃度下的處理效果進行分析，根據(jù)現(xiàn)場實際情況、處理性能，得出最優(yōu)的硫化氫及粉塵處理工藝數(shù)據(jù)[5]。

5.5 開采擾動涌出硫化氫的集中抽取凈化技術(shù)

分析綜放面U型通風(fēng)時風(fēng)流運動情況，通常在綜放面回采中，上隅角部位會聚集大量的硫化氫氣體，所以要結(jié)合每層預(yù)注吸收液治理技術(shù)，進一步采用抽取凈化技術(shù)加強治理效果。對綜放面上隅角硫化氫濃度、風(fēng)量、空間等信息，根據(jù)除塵器設(shè)計原理設(shè)計上隅角集中凈化抽取裝置。根據(jù)回風(fēng)順槽斷面尺寸、設(shè)備布置情況，借助超前支架空間，設(shè)置硫化氫抽取凈化設(shè)施，跟著超前支架前移而移動。通過增設(shè)抽取凈化設(shè)施、上隅角部位的負(fù)壓風(fēng)筒，這樣即可將上隅角涌出硫化氫集中抽入到凈化裝置中，達(dá)到上隅角硫化氫凈化處理的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

高地壓堅硬厚煤層采掘面硫化氫及粉塵會極大地影響人體健康、設(shè)備性能，增加安全隱患，本文針對硫化氫及粉塵治理提出了集中硫化氫及粉塵防治成套技術(shù)，包括“注—噴—抽”等治理技術(shù)，通過事先的試驗分析，從成分、效果、可操作性等方面出發(fā)，從而得出最優(yōu)的設(shè)計方案，有效提高了硫化氫及粉塵的治理效果，保證了高地壓堅硬厚煤層開采的安全性。

參考文獻

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[5]王曉晨.煤層開采硫化氫涌出影響因素研究[J].中國科技博覽，2015（17）：316-317.

收稿日期：2020-05-17

作者簡介：崗戰(zhàn)偉（1987-），男，漢族，助理工程師，研究方向為煤礦開采。