急傾斜特厚煤層硫化氫氣體抽放效果分析

劉俊，趙凱，劉奎

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)， 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3.神華新疆能源有限責任公司，新疆自治區(qū)烏魯木齊市，830011)

硫化氫(H2S)作為煤礦開采環(huán)節(jié)中的一種有毒有害氣體，嚴重影響著礦井生產工作的順利進行，不僅增加了煤礦的開采成本，也給礦工的生命帶來了巨大的威脅[1-4]。

為了確保井下生產工作順利進行，國內外眾多學者對硫化氫的形成及控制措施等進行了大量研究，并在不同礦區(qū)開展了硫化氫治理的工程實踐工作[5-7]。LIU[4]、HUANG[8]等分析了硫化氫的形成機理，通過與現場數據的綜合分析，得出了煤層硫化氫的運移機制；張廣太[9]、劉奎[10]、王坤[11]、LUPTAKOVA等[12]對不同地區(qū)的煤層硫化氫涌出規(guī)律做出分析，提出了相應的防治技術；胡夫[13]通過試驗手段探究了風速、噴霧流量等因素對硫化氫吸收效率的影響；蔣新軍[14]通過現場測試與數值模擬的手段研究了受采動影響的煤層硫化氫運移特征；胡全宏等[15]通過理論分析及現場觀測，確定了廢棄油井影響區(qū)域煤層瓦斯和硫化氫的分布及受采動涌出的特征。

神華新疆能源有限責任公司烏東煤礦屬高瓦斯礦井，位于烏魯木齊市米東區(qū)，主采的43、45號煤層均為急傾斜特厚煤層，煤層傾角平均45，煤層平均可采厚度27.06 m。烏東煤礦主采煤層開采過程中均存在硫化氫嚴重超標問題，影響礦井的安全高效開采。烏東煤礦鉆孔涌出硫化氫濃度超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定值(0.000 66%)700倍左右，采煤機割煤涌出硫化氫超標達70倍以上，上隅角涌出硫化氫超標達140倍左右，掘進割煤涌出硫化氫超標達30倍以上，據現場接觸硫化氫的作業(yè)人員反映，經常出現眼睛刺痛、流淚以及頭暈等癥狀；在2010年+620 m水平45號煤層東翼工作面回采期間，由于硫化氫氣體涌出量突然增大，曾出現過硫化氫氣體傷人事故。

針對高濃度硫化氫所帶來的嚴重危害，烏東煤礦采掘面曾經嘗試人工向巷道和工作面灑石灰粉的措施治理硫化氫危害。現場應用表明，此種防治措施費時費力，實際治理效果較差，未能推廣應用。目前主要防治措施是通過增加工作面通風量的辦法來稀釋硫化氫、煤層注碳酸鈉吸收液反應吸收煤體中的硫化氫等。實踐表明，采取上述防治措施起到一定的降低硫化氫涌出濃度作用，但在掘進機割煤、采煤機割煤、支架放煤擾動時涌出的硫化氫濃度依然較大，嚴重超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的上限值0.000 66%。

針對烏東煤礦硫化氫的嚴重危害，借鑒煤體瓦斯抽放工藝技術，通過在烏東煤礦5754501試驗工作面開展煤體硫化氫抽放工藝技術研究，掌握烏東煤礦煤層硫化氫抽放半徑、負壓、流量、抽放濃度等工藝參數以及抽放后硫化氫的治理效果，為烏東煤礦急傾斜厚煤層高賦存硫化氫煤體是否適合開展煤體硫化氫抽放提供科學依據。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

烏東煤礦5754501工作面位于+575 m水平，上部為+600 m水平東翼工作面采空區(qū)，下部為+550 m水平東翼原煤層，西部為+575 m水平45號煤層西翼采空區(qū)，南部為45號煤層頂板，北部為45號煤層底板。烏東煤礦主采43、45號煤層，45號煤層位于43號煤層北部，其間距為108 m，+575 m水平45號煤層總厚12.02～52.31 m，平均厚27.14 m，可采厚度27.06 m。

5754501工作面走向長度2 540 m，傾向長度40 m，設計階段高度25 m，停采線位置275 m，工作面回采長度2 265 m，煤層傾角43°～45°，工作面設計產量5 952 t/d。目前，5754501工作面采用水平分段走向長壁綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。根據烏東煤礦采煤設計要求，工作面采高為3 m，放煤高度為22 m，采放比為1∶7.3。工作面采用U型全負壓通風，北巷為進風巷，南巷為回風巷,工作面風量為803.25 m3/min[16]。

1.2 工作面瓦斯及硫化氫情況

根據煤炭科學研究總院沈陽研究院提供的《43、45煤層瓦斯基礎參數測定與抽采瓦斯可行性研究報告》可知，+575 m水平45號煤層瓦斯含量吸附常數a為21.675～22.735 ml/g，吸附常數b為0.675～0.835 MPa-1，孔隙率為0.08，自然瓦斯涌出量衰減系數為0.05 d-1，煤層透氣性系數λ為0.1 m2/(MPa2·d)[17]。

該工作面硫化氫含量較高，主要集中在2～4號煤門及5號煤門區(qū)域(目前，工作面已推過該區(qū)域)，從工作面開采過程中掌握的情況，45號煤層及采空區(qū)都含有硫化氫氣體成分，實際測得2號煤門10號鉆孔內硫化氫氣體最高達到1.2%，4號煤門孔內硫化氫氣體濃度達到0.087%～0.250%，工作面在生產的情況下，回風流中H2S氣體濃度最高達到0.02%，上隅角H2S氣體濃度最高達到0.12%。

2 試驗方案

2.1 現場試驗條件

瓦斯抽放鉆孔在煤體中布置較密不利于煤體硫化氫抽放工藝考察，通過現場調研，選擇在5754501綜放工作面未受煤層抽放影響的1號煤門與2號煤門之間的區(qū)域開展試驗研究工作。在煤體上布置4個硫化氫抽放鉆場，采取馬麗散進行封孔，利用進風巷已布置的瓦斯抽放系統對鉆孔進行硫化氫抽放試驗，系統組成如圖1所示。在硫化氫抽放過程中，利用抽放管道上的調節(jié)閥門，把4個抽放鉆孔中的抽放負壓分別調節(jié)為18、24、26、28 kPa；采用U型壓力計對鉆孔周邊布置的檢測孔負壓進行測試，然后通過分析距抽放孔不同距離的檢測孔負壓變化情況以及抽放鉆孔硫化氫抽放濃度變化情況，得出煤體硫化氫抽放影響半徑。在抽放過程中，通過采用與瓦斯抽采半徑試驗相同的測試方法，即采用CJZ7瓦斯抽放綜合參數測定儀、負壓表以及硫化氫檢測管對抽放管道中的抽放負壓、流量以及硫化氫濃度進行測試；通過數值計算分析，得出煤體硫化氫抽放量隨抽放負壓、時間變化規(guī)律，進而得出適合烏東煤礦急傾斜厚煤層開展煤體硫化氫抽放的抽放半徑、抽放負壓、抽放時間等工藝參數，為指導類似工作面條件的煤體實施硫化氫抽放提供科學依據[18-21]。

圖1 煤層硫化氫抽放系統布置示意

2.2 硫化氫抽放孔及檢測孔設計布置

在5754501綜放面進風巷開展試驗時，硫化氫抽放孔及檢測孔布置如圖2所示。0號鉆孔為抽放孔，孔徑為110 mm，孔深為15 m，馬麗散封孔深度為6 m；0號抽放孔左右兩邊鉆孔均為檢測孔，孔徑為110 mm，孔深為15 m，馬麗散封孔深度為6 m。

3 鉆孔硫化氫抽放量變化規(guī)律

在煤體硫化氫抽放鉆孔(0號鉆孔)抽放過程中，定期利用CZY50型氣體檢測管對鉆孔抽放的硫化氫濃度進行測試；采用CJZ7瓦斯抽放綜合參數測定儀、負壓表對鉆孔負壓及流量進行測試，具體結果如表1所示。

不同抽放負壓條件下鉆孔硫化氫抽放濃度變化規(guī)律如圖3所示。由表1和圖3分析可以看出：鉆孔不同抽放負壓條件下，硫化氫抽放濃度隨著抽放時間的增加呈現出逐漸減小的變化規(guī)律；在抽放時間進行到13 d左右時，硫化氫抽放量變得較小且處于較穩(wěn)定狀態(tài)。在抽放負壓為28 kPa條件下，鉆孔剛開始抽放時，硫化氫抽放濃度為0.46%，由實測的鉆孔抽放流量為0.07 m3/min計算，得出硫化氫抽放純量為0.000 320 m3/min；在鉆孔抽放進行到13 d左右時，硫化氫抽放濃度降至0.03%，由實測鉆孔抽放流量為0.07 m3/min計算，得出硫化氫抽放純量為0.000 021 m3/min。

圖2 煤體硫化氫抽放鉆孔及檢測孔布置

表1 不同抽放負壓條件下鉆孔硫化氫抽放濃度測試表 /%

圖3 不同抽放負壓條件下鉆孔硫化氫抽放濃度變化規(guī)律

4 煤體硫化氫抽放影響半徑試驗

在煤體硫化氫抽放鉆孔(0號鉆孔)抽放過程中，利用U型壓力計分別對各檢測孔的壓力進行測試，利用CJZ7型瓦斯抽放綜合參數測定儀、負壓表對鉆孔抽放過程中的抽放負壓、流量進行測試；根據距抽放鉆孔左右兩側檢測孔壓力變化情況，結合鉆孔流量及硫化氫濃度分析，得出煤體硫化氫抽放影響半徑值。采用數據計算分析方法，得出煤層硫化氫抽放量隨抽放負壓變化規(guī)律。不同抽放負壓鉆孔抽放影響半徑如圖4所示。

(1)煤體硫化氫抽放影響半徑隨著抽放負壓增加呈現出增加規(guī)律。在抽放負壓分別為18 、24 kPa時，測得左側抽放影響半徑分別為0.7、1.2 m；在抽放負壓分別增加至26、28 kPa時，測得左側抽放影響半徑分別為1.8、1.9 m。

(2)由抽放鉆孔左右兩側的抽放影響半徑分析可以看出，煤體抽放后左側抽放影響半徑要大于右側抽放半徑，分析原因是由于烏東煤礦為45°急傾斜煤層，煤層層理與巷道成45°角，這與傳統煤層層理與巷道水平不同；在抽放負壓為28 kPa條件下，測得鉆孔左側14 d的抽放影響半徑為1.9 m，測得右側抽放影響半徑為1.0 m。

圖4 不同抽放負壓時鉆孔抽放影響半徑

5 煤體硫化氫抽放效果考察

現場試驗時，針對烏東煤礦5754501試驗工作面已開展瓦斯抽放達2年以上、瓦斯抽放鉆孔在煤體中布置較密不利于重新布置鉆孔開展煤體硫化氫抽放工作的實際情況，在進行煤體硫化氫抽放效果考察時，選擇工作面推進至距2號煤門約80 m左右范圍內進行相關試驗。在此范圍內，2號煤門布置的工作面走向方向上的瓦斯抽放鉆孔正好影響到采高范圍內的部分煤體。根據現場考察，7～10號支架對應的工作面采高范圍內煤體可看到已抽放的瓦斯抽放鉆孔?，F場測試時，測點布置在采煤機下風側1.0 m、距煤壁1.0 m、距底板1.4 m位置，采用CD4型硫化氫測試儀對抽放前后采煤機割煤涌出的硫化氫進行測試；以采煤機割7～10號支架對應的煤體涌出的硫化氫作為煤體抽放后的濃度，以采煤機割2～4號支架對應的煤體涌出的硫化氫作為煤體抽放前的濃度。采煤機割煤時煤體硫化氫抽放效率測試如表2所示。

表2 煤體硫化氫抽放效率測試

由表2可以看出，在開展煤體硫化氫抽放前，采煤機割煤時硫化氫涌出濃度一般在0.034 2%～0.035 0%范圍內，煤體硫化氫抽放后采煤機割煤時硫化氫涌出濃度一般在0.029 9%～0.030 9%范圍內，通過計算，煤體硫化氫抽放效率一般在10.3%～12.8%范圍內，煤體抽放后硫化氫降低效果較差。上述分析表明，單從煤體硫化氫抽放效果考慮，烏東煤礦急傾斜厚煤層不適合開展煤體硫化氫抽放工作。

6 結論

(1)在烏東煤礦采用測壓法研究煤體硫化氫抽放影響半徑的試驗分析表明，煤體硫化氫抽放影響半徑隨抽放負壓增加而增加；鉆孔抽放負壓由18 kPa增加至28 kPa時，煤體硫化氫抽放影響半徑由1.0 m左右增加到1.9 m左右。

(2)由鉆孔硫化氫抽放濃度隨抽放時間變化情況分析可以看出，硫化氫抽放濃度隨抽放時間增加而呈現出逐漸減小的變化規(guī)律，且當煤體硫化氫抽放進行到13 d左右時達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)；在抽放負壓為28 kPa條件下，硫化氫抽放量由開始抽放時的0.46%左右降至0.03%左右，抽放純量由開始抽放時的0.000 320 m3/min降至0.000 021 m3/min。

(3)由煤體硫化氫抽放前后采煤機割煤涌出的硫化氫濃度分析計算，得出煤體開展硫化氫抽放后硫化氫降低效率僅為10%左右；綜合考慮煤體硫化氫抽放效率及抽放成本，得出烏東煤礦北區(qū)煤層不適合開展硫化氫抽放的結論。