長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫技術(shù)研究

孫小巖，賀永亮，高明仕，3，張志聰

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

礦井有害氣體的溢出嚴(yán)重影響煤礦的安全、高效開采及工作人員的健康。硫化氫氣體是一種劇毒、酸性極強的有害氣體。同時，硫化氫氣體對井下設(shè)備存在較大的危害，容易引發(fā)硫化氫煤礦事故。針對硫化氫氣體對井下的危害，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，主要采用的治理措施有加大巷道及工作面通風(fēng)量、噴灑水或堿性液體、用石灰粉吸收、進行抽放等[1]。以上方法對井下硫化氫氣體的防治取得了一定的效果，但效果不理想。為了確保巷道掘進機工作面開采過程中的安全高效生產(chǎn)，對硫化氫的形成機理、影響因素和防治措施進行了研究，并在礦井進行了一系列的實踐[2]。

巍山煤礦主采13#、15#煤層，13104、15107工作面回采時，受采動影響硫化氫氣體涌出異常。工作面割煤滲出的硫化氫氣體排出緩慢，引起工作面、進風(fēng)巷及回風(fēng)巷中硫化氫氣體濃度高，15107工作面回風(fēng)巷硫化氫氣體濃度高達2×10-5～6×10-5，局部位置可達9×10-5，遠(yuǎn)大于《煤礦安全規(guī)程》中硫化氫氣體允許最大濃度6.6×10-6[3]。工人在工作面回采巷道中可聞到臭雞蛋味甚至刺激喉嚨粘膜、眼結(jié)膜，危害礦工人身安全，礦井機電設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，損耗大。巍山煤礦工作面回采時伴隨硫化氫氣體大量涌出。針對巍山煤礦煤層硫化氫涌出異常的現(xiàn)狀，需要深入研究煤層硫化氫涌出異常時強化防治技術(shù)方案[4]。通過采用長短鉆孔注堿吸硫技術(shù)，有效防止了硫化氫氣體的溢出，降低硫化氫氣體對主采工作面開采影響[5]，保障工作面人員安全和礦井高效、快速、安全生產(chǎn)，對煤礦井下硫化氫有害氣體的防治技術(shù)研究具有重要意義。

1 長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫機理分析

長短鉆孔注堿吸硫原理：注堿鉆孔長度控制堿液注入煤體深度，而堿液在工作面煤體內(nèi)浸潤滲透能力有限，為達到工作面硫化氫防治效果，需保證注堿鉆孔長度覆蓋工作面整個煤層。注堿鉆孔長度過長往往導(dǎo)致工作面煤層同一鉆孔深部及淺部堿液滲透浸潤效果存在差異，造成工作面注堿管端頭處煤層硫化氫完全中和而遠(yuǎn)離注堿管煤層硫化氫氣體不能充分吸收現(xiàn)狀。此時，若加大注堿量往往造成堿液浪費，若停止注堿則達不到預(yù)期效果，給現(xiàn)場施工帶來極大難題。采用長短鉆孔注堿吸硫技術(shù)則很好解決了這個難題。工作面煤層布置長鉆孔擴大堿液浸透濕潤范圍，有效中和工作面深部煤層硫化氫氣體；工作面煤層布置短鉆孔，有效中和工作面淺部煤層硫化氫氣體。

脈沖高壓注堿技術(shù)原理：煤體在脈沖高壓水作用下，內(nèi)部裂隙充分發(fā)育貫通，極大增大煤體結(jié)構(gòu)滲透率。堿液在脈沖高壓作用下，壓入煤體原生裂隙中，并在分子及虹吸作用下滲透浸潤到煤層新生裂隙中，構(gòu)成煤體堿液吸硫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。脈沖高壓注堿技術(shù)特點在于壓力可控且呈脈動狀，既可在強高壓作用下使煤體裂隙充分發(fā)育，同時由于注堿壓力可控，可最大程度上降低注堿破壞煤層圍巖強度，也可在脈沖動壓力作用下將堿液推入煤體吸硫網(wǎng)架裂隙結(jié)構(gòu)中[6]，如圖1所示。

圖1 工作面煤層脈沖動壓注堿技術(shù)原理

MKZ型注堿系統(tǒng)噴射脈沖動壓水射流，脈沖高壓注堿技術(shù)壓力可控且呈脈動狀，煤體受脈動狀注堿壓力影響，產(chǎn)生周期性“水劈”效應(yīng)，煤層中原生裂隙注堿發(fā)育貫通，新生裂隙發(fā)育擴展；在可控高壓作用下，堿液滲透浸潤到煤體裂隙中，并在分子及虹吸作用下滲透浸潤到煤層新生裂隙中，構(gòu)成煤體堿液吸硫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。其中煤體注堿量可在水表中讀出記錄。2BZ-40/12型脈沖動壓泵站部分參數(shù)：流量：0～40L/min；強度：0～12MPa；功率：12kW；頻率：0～1460次/min；電壓：380/660V。

2 長短鉆孔脈沖動壓注堿參數(shù)確定

2.1 注堿溶質(zhì)

煤礦井下治理硫化氫多采用化學(xué)法治理?；瘜W(xué)法防治硫化氫的核心在于溶液溶質(zhì)的選取。煤礦井下化學(xué)法防治硫化氫原則：①溶液溶質(zhì)對人身無毒無害無味；②溶液溶質(zhì)與硫化氫反應(yīng)后生成物無毒無害無污染；③溶液溶質(zhì)在水中溶解率大，易于注入煤體及噴射；④溶液溶質(zhì)與硫化氫反應(yīng)速度快；⑤溶液溶質(zhì)產(chǎn)量大，易獲取，價格低。煤礦井下化學(xué)法防治硫化氫常用堿液：碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液石灰水及三者混合液等。鑒于三者自身特性及礦井井下特殊生產(chǎn)條件，我國煤礦井下常用碳酸鹽溶液中和吸收煤層中硫化氫氣體。碳酸鈉溶液化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于保存運輸，同等質(zhì)量的碳酸鈉溶液吸收硫化氫能力遠(yuǎn)大于碳酸氫鈉溶液，反應(yīng)生成物無毒無害。氫氧化鈣溶液在水中溶解性小，不適用于礦井井下煤層硫化氫大量涌出現(xiàn)狀。綜合考慮，選擇使用碳酸鈉溶液防治煤層硫化氫氣體。碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液及石灰水防治硫化氫化學(xué)方程式如下：

Ca(OH)2+H2S=CaS↓+2H2O

(1)

Na2CO3+H2S=NaHS+NaHCO3

(2)

NaHCO3+H2S=NaHS+H2O+CO2

(3)

2.2 煤層鉆孔布置參數(shù)

2.2.1 鉆孔長度

基于巍山礦15#煤層工作面煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通情況及注堿防治可注性，結(jié)合15#煤層含硫現(xiàn)狀及注堿溶液溶質(zhì)參數(shù)，巍山礦15107工作面長度180m，15107工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷注堿鉆孔采用長短鉆孔交錯布置。注堿長鉆孔為15107工作面長度一半，即90m；注堿短鉆孔為長鉆孔一半，即45m，均與工作面巷幫垂直，沿煤層傾向鉆進，具體需經(jīng)過現(xiàn)場試驗適時調(diào)整注堿鉆孔長度。

2.2.2 鉆孔間距

煤層注水滲透半徑公式[7]：

B=2.2R=5h

(4)

式中，B為注堿鉆孔間距，m；R為滲透半徑，m；h為煤厚，m。

基于巍山礦15#煤層賦存及煤質(zhì)特征、地質(zhì)水文特征，結(jié)合注堿鉆孔設(shè)備等現(xiàn)場施工條件，參考煤層注水滲透半徑公式，計算出礦井15#煤層注堿鉆孔間距。具體分析：①巍山礦15#煤層厚1.97～7.15m，平均厚度為5.81m，理論計算得注堿鉆孔間距30m；②15#煤層硫分2.02%～3.66%，平均2.43%，屬于中高硫-高硫貧煤；③《煤礦安全規(guī)程》中硫化氫氣體允許最大濃度0.00066%；④我國礦井鉆孔注水布置間距規(guī)定10～25m。巍山礦采用長短鉆孔梯次脈沖動壓注堿防治技術(shù)，若由于采用長短鉆孔交替布置導(dǎo)致堿液浸潤煤體范圍變小，影響注堿吸硫效果，此時可以適當(dāng)減小注堿鉆孔間距。巍山礦15#煤層滲透半徑大于10m，15107工作面長短梯次鉆孔布置間距取20m，具體需經(jīng)過現(xiàn)場試驗適時調(diào)整注堿鉆孔間距。

2.2.3 鉆孔直徑

巍山礦15#煤層煤樣試件全水分測試結(jié)果可知，進口壓力(注水壓力)不變，軸壓(即地層壓力)越大，滲透率隨之減小，即注水壓力不變，煤(巖)層圍壓越大滲透率越小，越不易注入?；诹黧w及彈性力學(xué)理論，結(jié)合巍山礦15#煤層滲透率規(guī)律，采用大直徑注堿鉆孔，工作面煤體圍壓充分釋放，堿液滲透率越大，注堿吸硫效果更好。若注堿鉆孔直徑過大，將大大增強對鉆孔設(shè)備及封孔技術(shù)等條件的要求。因此綜合考慮注堿防治效果及現(xiàn)場施工條件，巍山礦注堿鉆孔孔徑采用60mm，具體需經(jīng)過現(xiàn)場試驗適時調(diào)整注堿鉆孔孔徑。

2.3 煤層注堿參數(shù)

2.3.1 注堿壓力

礦井工作面埋深及注堿壓力關(guān)系[8]：

P0=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(5)

式中，P0為注堿壓力，MPa；H為埋深，m。

參考巍山礦15#煤層賦存條件可知，注堿壓力計算得：5.52MPa。巍山礦15#煤體內(nèi)裂隙發(fā)育，15#煤層煤樣試件實驗室滲透率測定值偏低，因此，現(xiàn)場采用低、中注堿壓力，具體需經(jīng)過現(xiàn)場試驗適時調(diào)整注堿壓力。

2.3.2 注堿量

鉆孔注堿量由噸煤硫化氫含量確定，每個鉆孔所需碳酸鈉質(zhì)量計算：

mJ=1.284y

(6)

式中，mJ為每個鉆孔所需碳酸氫鈉質(zhì)量，kg；y為巷道中硫化氫濃度，%。

2.3.3 鉆孔注水量

煤體最大注水量定義：煤體到達飽和吸水率時的注水量。由于礦井煤層在成煤時期便含有一定水分，因此煤體最大注水量一般很小。鉆孔最大注水量[9]：

Q=B·L·m·γ·(w1-w0)·K

(7)

式中，Q為鉆孔最大注水量，m3；B為鉆孔間距，取20m；L為鉆孔長度，長鉆孔取90m，短鉆孔取45m；m為煤厚，取5.81m；γ為煤容重，取1.34t/m3；w1為注水后煤體水分，取1.51%；w0為煤體原水分，取0.81%；K為鉆孔注水不均勻系數(shù)，取1.4。

參考巍山礦15#煤層賦存條件，經(jīng)計算長鉆孔注水量14.11m3；短鉆孔注水量7.06m3。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 工程條件及注堿工藝

本次現(xiàn)場試驗選于巍山礦15#煤層15107工作面兩條回采巷道，主要用于15107工作面運輸、通風(fēng)及行人等任務(wù)。工作面長度180m，推進長度1250m，煤厚1.91～6.95m，平均5.81m，傾角5°～8°，平均6°，巷道沿煤層頂板掘進，掘進區(qū)間揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造少，煤層賦存條件穩(wěn)定，回采期間巷道圍巖變形量小，可滿足工作面正常回采使用。巍山礦長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫技術(shù)主要參數(shù)包括：注堿長鉆孔90m，注堿短鉆孔45m；注堿鉆孔孔徑采用60mm；鉆孔布置間距取20m；水力膨脹式封孔器封孔，封孔長度4m；堿液溶質(zhì)碳酸鈉，濃度為0.5%～1%；煤層注堿量平均每個鉆孔所需碳酸鈉質(zhì)量375kg；長鉆孔注水量14.11m3；短鉆孔注水量7.06m3；注堿壓力5.52MPa，如圖2所示。

圖2 15107工作面注堿鉆孔布置(m)

3.2 煤層硫化氫注堿防治應(yīng)急預(yù)案

巍山礦15107工作面回采巷道采用工作面煤層長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫技術(shù)、堿幕捕捉、加大通風(fēng)及個體防護硫化氫綜合治理方案。若采取上述措施工作面煤層硫化氫涌出仍異常時，則必須采取回采工作面淺孔注堿吸硫，以降低工作面割煤硫化氫異常涌出濃度?；夭晒ぷ髅鏈\孔注堿吸硫：沿15107工作面走向于煤壁斜向上布置一排淺鉆孔，采用注液泵沿鉆孔注堿，堿液隨煤層內(nèi)部裂隙滲透浸潤，中和煤體中硫化氫，達到注堿吸硫效果，保證工作面順利回采及工人人身安全[10]。

基于巍山礦15#煤層煤質(zhì)賦存特征及生產(chǎn)條件，沿15107工作面走向于煤壁斜向上間距10m布置一排淺鉆孔，排距5m，距離底板2.5m，仰角3°，淺孔深度5m，鉆孔直徑?42mm，距進風(fēng)巷及回風(fēng)巷10m范圍內(nèi)不布置鉆孔，工作面循環(huán)進尺1.6m，排距5m(3個循環(huán))，采用分組(5個/組)注堿，具體需經(jīng)過現(xiàn)場試驗適時調(diào)整工作面煤層鉆孔布置參數(shù)，如圖3所示。

圖3 15107工作面煤壁淺鉆孔施工工序

3.3 煤層硫化氫注堿防治效果

15105工作面未注堿煤層硫化氫濃度及15107工作面煤層注堿后硫化氫濃度如圖4所示。從圖中可以看出，15105工作面未實施注堿防治硫化氫方案，工作面硫化氫濃度最大為5.64×10-5，最小為2.14×10-5，平均為3.89×10-5；15107工作面采取長短鉆孔梯次脈沖動壓注堿技術(shù)后，工作面硫化氫最大濃度為5.6×10-6，最小為5×10-7，平均為3.2×10-6，大大降低了工作面硫化氫濃度[11-15]。

圖4 注堿前后工作面硫化氫濃度變化示意圖

長短鉆孔梯次布置優(yōu)點：①有效解決了注堿鉆孔長度過長導(dǎo)致工作面煤層深部及淺部堿液滲透浸潤效果存在差異問題；②減小了工作面注堿鉆孔施工量，減輕了工人勞動強度；③減少了堿液使用量，達到注堿吸硫效果，降低注堿防治成本。

4 結(jié) 論

1)巍山礦長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫技術(shù)：在15107工作面回采巷道中，超前工作面垂直煤幫向工作面內(nèi)平行布置長短注堿鉆孔，采用脈動注液泵沿鉆孔注堿，堿液隨煤層內(nèi)部裂隙滲透浸潤，中和煤體中硫化氫，達到注堿吸硫效果，保證工作面順利回采及工人人身安全。

2)巍山礦長短鉆孔脈沖動壓注堿吸硫技術(shù)主要參數(shù)包括：注堿長鉆孔90m，注堿短鉆孔45m；注堿鉆孔孔徑采用60mm；鉆孔布置間距取20m；水力膨脹式封孔器封孔，封孔長度4m；堿液溶質(zhì)碳酸鈉，濃度為0.5%～1%；煤層注堿量平均每個鉆孔所需碳酸鈉質(zhì)量375kg；長鉆孔注水量14.11m3；短鉆孔注水量7.06m3；注堿壓力計算得：5.52MPa。

3)15107工作面采取長短鉆孔梯次脈沖動壓注堿技術(shù)后，工作面硫化氫最大濃度為5.6×10-6，最小為5×10-7，平均為3.2×10-6，大大降低了工作面硫化氫濃度。