煤礦硫化氫防治技術(shù)的研究現(xiàn)狀及趨勢

金永飛，許亞奇，張 典，郭 軍

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

我國煤炭賦存較為豐富，石油與燃?xì)庀鄬?duì)較少，當(dāng)前可以使用的煤炭儲(chǔ)量較多，世界排名第三位[1-2]。長久以來，在我國的資源利用中，煤炭一直使用最多，超過其他能源，且短期內(nèi)依然如此[3-4]。隨著時(shí)代的發(fā)展，煤炭行業(yè)中的相關(guān)工藝也在不斷創(chuàng)新，原煤產(chǎn)量快速增長，與此同時(shí)，礦井硫化氫危害也逐漸突出[5-6]。硫化氫會(huì)腐蝕井下機(jī)械設(shè)備[7]，對(duì)人體有嚴(yán)重的危害。當(dāng)硫化氫濃度為0.000 1%時(shí)就可以嗅到輕微氣味，濃度達(dá)到0.001 0%時(shí)會(huì)有明顯的氣味，濃度達(dá)到0.005 0%時(shí)，短期內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)乏力、視覺衰弱、咽喉疼痛、咳嗽、頭暈、意識(shí)不清晰等癥狀，時(shí)間過長極可能產(chǎn)生植物神經(jīng)功能紊亂；當(dāng)硫化氫濃度達(dá)到0.050 0%時(shí)，短期吸入就會(huì)使人出現(xiàn)腦水腫、肺水腫等癥狀[8]。

近年來，國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中發(fā)生硫化氫異常聚集現(xiàn)象逐漸增多，人們對(duì)硫化氫的防治也逐漸重視。林海等[9]在實(shí)驗(yàn)室中模擬了堿液除硫化氫的過程，使堿液噴出水霧并與硫化氫充分接觸、反應(yīng)；孫維吉等[10]判定了某礦煤層注水的可行性并進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，認(rèn)為超前工作面向煤層中注射堿液能有效降低開采時(shí)硫化氫氣體的涌出量；ZHANG等[11]針對(duì)小莊礦硫化氫超限的問題，提出了高壓循環(huán)脈動(dòng)注堿治理硫化氫技術(shù)；趙登育等[12]為防治煤礦硫化氫氣體，建立了硫化氫分解模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用臭氧紫外分解技術(shù)對(duì)硫化氫進(jìn)行分解。此外，還有許多專家學(xué)者對(duì)硫化氫的防治技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了顯著成果。

本文主要概述了煤礦硫化氫的危害及成因，對(duì)目前國內(nèi)外煤礦硫化氫防治研究狀況進(jìn)行總結(jié)，通過對(duì)現(xiàn)有硫化氫治理方法進(jìn)行分析，探討其適用性、經(jīng)濟(jì)性，提出了煤礦硫化氫防治技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢，旨在為我國煤礦硫化氫防治工作做出指導(dǎo)，對(duì)硫化氫治理技術(shù)的發(fā)展起到借鑒意義。

1 煤礦硫化氫危害

硫化氫呈氣態(tài)，無色，毒性強(qiáng)烈，可燃。硫化氫在氧氣或空氣環(huán)境中可能會(huì)接觸火花造成爆炸，爆炸極限為4.3%～45.5%[13]。硫化氫具有腐蝕性，會(huì)使井下的機(jī)械設(shè)備受到損害，使機(jī)械設(shè)備的使用壽命大大降低[14]。硫化氫的最主要危害是刺激人的黏膜并影響人的呼吸功能，會(huì)對(duì)人體的生理氧化功能造成障礙，即硫化氫與細(xì)胞色素氧化酶中二硫鍵起作用，影響細(xì)胞氧化過程，從而造成人體供氧不足使人窒息。工作空間中硫化氫的含量不同，對(duì)人造成的危害也不同，同時(shí)人體在硫化氫環(huán)境下的暴露時(shí)間也影響硫化氫對(duì)人體的傷害程度。硫化氫對(duì)人體的危害性分析見表1。

表1 硫化氫對(duì)人體的危害性分析Table 1 Harm analysis of hydrogen sulfide to human body

2 煤礦硫化氫成因及來源

2.1 煤礦煤層中硫化氫成因

硫化氫的形成一般有兩種途徑，一種是地面工廠制造的產(chǎn)物或尾氣，如造紙廠、污水處理廠以及化工廠等排出的廢氣中都含有硫化氫，特點(diǎn)是人為因素形成;另一種是礦井開采生產(chǎn)中形成的，如煤炭開采、石油開采、天然氣開發(fā)等，都會(huì)產(chǎn)生硫化氫，與工廠工業(yè)相比，特點(diǎn)是自然形成[15]。

煤礦硫化氫屬于自然形成。目前，多數(shù)人認(rèn)同的煤層硫化氫成因有3個(gè)：生物硫酸鹽還原成因(BSR)、硫酸鹽熱還原成因(TSR)、巖漿成因[16-17]。硫化氫成因原理見表2。

表2 硫化氫成因原理Table 2 Genesis of hydrogen sulfide

現(xiàn)有研究表明，判定硫化氫成因的條件或主要依據(jù)如下所述。

1) 生物硫酸鹽還原成因的判定條件：①在沉積環(huán)境中形成硫酸鹽和有機(jī)質(zhì)；②在120 ℃以下的無氧還原環(huán)境中生成硫酸鹽還原菌；③有黃鐵礦的存在。

2) 硫酸鹽熱還原成因的判定條件：①煤層中的硫酸鹽含量較為豐富；②烴類物質(zhì)在煤層較為豐富；③硫酸鹽熱還原作用的發(fā)生溫度在120 ℃以上。

3) 巖漿成因的判定條件主要是有明顯的巖漿侵入。

2.2 煤礦硫化氫來源

1) 硫化礦物水解。在煤衍生進(jìn)程中，可能存在一些如特殊的氣候或地質(zhì)等外界條件，這種條件促進(jìn)了硫化氫的產(chǎn)生，并存在于煤體裂隙中。

2) 煤(巖)體中涌出。在采煤過程中，采煤機(jī)采煤使煤層受到外力影響，煤體中的硫化氫由于外力干擾向外涌出。

3) 其他來源。含硫煤氧化與燃燒、含硫煤塵爆炸、坑木等有機(jī)物腐敗分解、含有硫化氫的老空水或舊巷積水等也是煤礦硫化氫涌出的主要來源。

3 煤礦硫化氫防治技術(shù)

3.1 煤礦硫化氫防治的國內(nèi)外技術(shù)研究

國內(nèi)外最初治理硫化氫，在油田、氣井方面的研究較多，而在煤礦方面的研究相對(duì)較少，屬于研究的起步期。最早是從蘇聯(lián)時(shí)期開始進(jìn)行研究，通過分析頓巴斯礦區(qū)的硫化氫異常涌出情況，研究其防治技術(shù)。 山西晉煤鳳凰山煤礦在對(duì)15號(hào)煤層進(jìn)行開采時(shí)，155301工作面出現(xiàn)了硫化氫濃度過高情況，經(jīng)檢測，回風(fēng)風(fēng)流中硫化氫檢測濃度最高約80 ppm，在工作面空間中，部分地點(diǎn)濃度超過200 ppm，通過在工作面煤壁打淺鉆孔進(jìn)行注水，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)順槽與回風(fēng)水槽打深鉆孔進(jìn)行注水，治理硫化氫[18]。山西焦煤汾西礦業(yè)高陽煤礦在對(duì)S1105工作面開采時(shí)，檢測到硫化氫濃度將近80 ppm，分別在進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷打深鉆孔，注入碳酸鈉溶液，使得工作面硫化氫突出情況得到治理[19-20]。神華寧煤石炭井焦煤公司石炭井二礦在開采21062工作面時(shí)，硫化氫檢測超標(biāo)，通過向煤層注入堿液同時(shí)在工作面噴灑吸收液，使得異常情況得到治理[21]。

煤礦硫化氫防治的國內(nèi)外技術(shù)在不斷研究中得到很大的進(jìn)步，硫化氫的各種防治技術(shù)也逐漸出現(xiàn)，現(xiàn)場常用的硫化氫治理方法見表3。

表3 現(xiàn)場常用的硫化氫治理方法Table 3 Common treatment methods of hydrogensulfide on site

3.2 煤礦硫化氫防治的主要技術(shù)

3.2.1 煤層注堿

目前在我國煤礦開采過程中，對(duì)于硫化氫突出危害多是通過向煤層注入堿性溶液來治理。煤層注堿是從源頭進(jìn)行治理，在硫化氫危害發(fā)生之前進(jìn)行防治。煤層注堿鉆孔之間的距離設(shè)計(jì)對(duì)硫化氫治理效果有很大影響。注堿鉆孔之間距離過大，超過堿液滲透范圍，未滲透范圍的煤層內(nèi)硫化氫不能與堿性溶液進(jìn)行接觸，發(fā)生反應(yīng)，使得硫化氫吸收不徹底，治理效果差。注堿鉆孔之間距離過小，堿液滲透范圍發(fā)生重疊，造成堿液注入過多，經(jīng)濟(jì)成本增大。同時(shí)，鉆孔數(shù)量增加，會(huì)極大增加工程量，影響注堿進(jìn)度。針對(duì)這一問題，王宇鋒[22]在煤層打鉆之前進(jìn)行了注堿鉆孔間距試驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)鉆孔用來試驗(yàn)，其中，在1個(gè)孔內(nèi)進(jìn)行注入堿液，通過另外2個(gè)孔進(jìn)行觀察，如圖1所示。根據(jù)煤層濕潤半徑公式，同時(shí)參照中國煤層注水一般間距，最終確定鉆孔布置間距。

圖1 注堿鉆孔間距試驗(yàn)Fig.1 Alkali injection hole spacing test

確定注堿孔距后，根據(jù)煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況，在煤層的中間部位打鉆，打鉆方向盡量垂直于煤壁，在材料巷與運(yùn)輸巷交錯(cuò)、間隔布置鉆孔，如圖2所示。

圖2 煤層注堿鉆孔布置圖Fig.2 Layout of alkali injection holes in coal seam

3.2.2 噴灑吸收液

在工作面噴灑吸收液是治理硫化氫的一種主要手段。將吸收液噴灑設(shè)備安裝在采煤機(jī)上，在割煤過程中，噴灑吸收液，吸收煤體破碎涌出的硫化氫，進(jìn)行消除。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在采煤機(jī)采煤過程中噴灑吸收液吸收硫化氫后，風(fēng)流中的硫化氫并不能完全吸收。有部分殘余硫化氫會(huì)隨著風(fēng)流運(yùn)移，且放煤區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生硫化氫，僅對(duì)割煤處硫化氫進(jìn)行吸收，治理并不徹底。針對(duì)這一問題，楊宏偉等[23]、劉奎[24]根據(jù)采煤時(shí)煤層破碎產(chǎn)生的硫化氫含量以及隨風(fēng)流在工作面空間內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律，提出了在割煤處噴灑吸收液進(jìn)行治理，同時(shí)在風(fēng)流下游進(jìn)行攔截的綜合治理措施。

1)割煤區(qū)域硫化氫治理。將吸收液噴灑裝置安裝在采煤機(jī)上，在割煤同時(shí)噴灑吸收液，在源頭處消除硫化氫，進(jìn)行初步治理。割煤區(qū)域硫化氫治理如圖3所示。

2) 隨風(fēng)流擴(kuò)散硫化氫治理。工作面空間內(nèi)隨著風(fēng)流傳播運(yùn)移的硫化氫，在支架下風(fēng)側(cè)安裝噴灑裝置，噴灑吸收液，消除風(fēng)流中的硫化氫，進(jìn)行二次治理。隨風(fēng)流擴(kuò)散硫化氫攔截噴霧布置如圖4所示。

3) 放煤區(qū)域硫化氫治理。支架移動(dòng)后，頂煤層垮落會(huì)釋放其中的硫化氫，可以對(duì)放煤區(qū)域噴灑吸收液，吸收放煤區(qū)域涌出的硫化氫，使得治理更徹底，更全面。放煤區(qū)域硫化氫治理如圖5所示。

圖3 割煤區(qū)域硫化氫治理示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydrogen sulfidetreatment in coal cutting area

圖4 隨風(fēng)流擴(kuò)散硫化氫攔截噴霧示意圖Fig.4 Sketch diagram of hydrogen sulfide interceptingspray with air flow diffusion

圖5 放煤區(qū)域硫化氫治理示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrogen sulfidetreatment in coal caving area

3.2.3 泡沫治理技術(shù)

泡沫治理技術(shù)是在工作面煤壁及煤體垮落區(qū)域噴射泡沫吸收劑，在硫化氫產(chǎn)生源頭進(jìn)行吸收治理。對(duì)煤體而言，有著較低的孔隙率，且對(duì)硫化氫有著相對(duì)較大的吸附性，導(dǎo)致煤層硫化氫抽采效果不好。同時(shí)，對(duì)于垮落區(qū)域，吸收液總是不能布滿整個(gè)空間，使得吸收效果并不理想。劉奎[25]針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了泡沫吸收液噴射裝置，如圖6和圖7所示，在整個(gè)割煤過程中，割煤前2 min，在工作面煤體表面及放煤區(qū)域噴射泡沫吸收劑，泡沫吸附在煤體表面，會(huì)把硫化氫隔離消除在其產(chǎn)生源頭處，防止其隨風(fēng)流傳播到全部工作空間；同時(shí)，泡沫有著相對(duì)較大的比表面積，使得吸收劑更容易捕捉到游離的硫化氫，大大提高硫化氫的吸收效果，進(jìn)一步提高治理效率。

圖6 泡沫吸收液噴射裝置Fig.6 Foam absorption liquid ejection device

圖7 泡沫治理技術(shù)原理Fig.7 Foam treatment technology principle

4 煤礦硫化氫防治技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在的問題

我國政府部門、相關(guān)單位及煤礦開采技術(shù)人員對(duì)煤礦開采過程中的硫化氫突出問題高度關(guān)注，針對(duì)硫化氫的防治，許多學(xué)者也做了相關(guān)研究，并獲得了較為顯著的成果。目前，對(duì)我國煤礦硫化氫的防治技術(shù)來說，還有以下問題需要解決。

1) 進(jìn)一步加大煤礦硫化氫防治技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究。目前，對(duì)煤礦硫化氫的產(chǎn)生來源、吸收液的新材料及硫化氫防治新工藝等理論基礎(chǔ)還需加強(qiáng)研究。

2) 在煤礦硫化氫防治技術(shù)方面雖然已經(jīng)取得了許多成果，但就治理效果而言，難以實(shí)現(xiàn)完全吸收。還需對(duì)煤礦硫化氫的原煤層、工作面、采空區(qū)等多源頭綜合治理技術(shù)進(jìn)行研究。

3) 在硫化氫防治過程中，總是會(huì)有吸收液材料利用不充分的現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)。 需要對(duì)不同區(qū)域不同濃度的硫化氫進(jìn)行分級(jí)，針對(duì)濃度等級(jí)分級(jí)治理。

4) 煤礦硫化氫防治中的自動(dòng)化程度不高，難以實(shí)現(xiàn)快速智能監(jiān)測與多區(qū)域聯(lián)合治理。

4.2 發(fā)展趨勢

1) 加強(qiáng)對(duì)煤礦硫化氫防治技術(shù)理論基礎(chǔ)的研究，開發(fā)煤礦硫化氫防治新工藝。 緊跟科技的進(jìn)步，運(yùn)用現(xiàn)代化手段，對(duì)煤礦原煤層硫化氫賦存規(guī)律、工作面硫化氫運(yùn)移規(guī)律以及采空區(qū)硫化氫分布規(guī)律進(jìn)行模擬，對(duì)影響硫化氫治理效率的各種因素進(jìn)行研究。

2) 分別對(duì)原煤層、工作面以及采空區(qū)提出硫化氫治理措施，進(jìn)行硫化氫分源治理，使得治理效果更佳。

3) 對(duì)煤礦硫化氫進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，以便針對(duì)不同級(jí)別的硫化氫危害采取不同的治理措施，使硫化氫治理更高效、更經(jīng)濟(jì)。

4) 今后可考慮向智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域硫化氫的自動(dòng)化監(jiān)測、智能識(shí)別與分級(jí)預(yù)警、多區(qū)域聯(lián)合分級(jí)治理，并不斷完善其管理制度，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦硫化氫防治技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和經(jīng)濟(jì)高效化。

5 結(jié) 語

通過近些年研究與應(yīng)用，我國煤礦硫化氫防治技術(shù)取得了顯著成就，研究出了加大工作面風(fēng)量、堿性溶液中和、煤層硫化氫抽放、泡沫封閉吸收、屏蔽水幕以及個(gè)體防護(hù)等多種硫化氫防治工藝，并提出了多方位硫化氫綜合應(yīng)用，使得我國煤礦硫化氫防治技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新高度。煤礦硫化氫的防治，對(duì)于保障煤礦工人的生命安全、保護(hù)機(jī)器設(shè)備不受腐蝕損害進(jìn)而減少經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失有著重大意義。然而，受開采深度加深等因素影響，硫化氫精準(zhǔn)高效防治還存在一些難題，今后還需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)理論基金研究，掌握硫化氫的產(chǎn)生賦存特征，構(gòu)建硫化氫分級(jí)預(yù)警體系與智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，開發(fā)多區(qū)域煤礦硫化氫防治新工藝，在實(shí)踐中對(duì)煤礦硫化氫防治技術(shù)不斷研究、不斷創(chuàng)新。使硫化氫治理更高效、更經(jīng)濟(jì)。