綜掘工作面硫化氫涌出規(guī)律與治理技術(shù)研究

黃立寧

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

硫化氫是一種無(wú)色，劇毒，強(qiáng)酸性氣體，是煤礦井下常見(jiàn)的有毒有害氣體之一。其危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是危害現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，當(dāng)硫化氫濃度大于50×10-6時(shí)，會(huì)使接觸者咳嗽、眼睛刺痛或紅腫，當(dāng)硫化氫濃度大于500×10-6時(shí)，會(huì)使接觸者是去知覺(jué)、呼吸停止甚至死亡；二是強(qiáng)烈腐蝕井下設(shè)備設(shè)施，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患[1]。截止目前為止我國(guó)多個(gè)煤礦發(fā)生過(guò)硫化氫氣體涌出現(xiàn)象，并引發(fā)了多起嚴(yán)重的安全事故。如2004年，新疆阿克蘇某煤礦發(fā)生硫化氫中毒事故，造成3人死亡；2006年，湖南雙峰煤礦硫化氫中毒事故，造成2人死亡；2010年，四川達(dá)州亂石溝煤礦硫化氫事故，6人中毒死亡[2]。針對(duì)煤礦硫化氫的危害，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展增加礦井通風(fēng)量、煤體抽放、揚(yáng)撒石灰粉、噴灑堿性溶液等治理措施。但對(duì)硫化氫的賦存方式、涌出及分布規(guī)律等基礎(chǔ)研究并不深入[2]。本文通過(guò)對(duì)烏冬礦綜掘工作面硫化氫涌出和分布規(guī)律進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出煤體預(yù)注硫化氫吸收液、割煤噴射硫化氫吸收液的主動(dòng)抑制被動(dòng)防御相結(jié)合的硫化氫治理技術(shù)，為類(lèi)似工作面硫化氫治理工作提供技術(shù)參考。

1 工作面概況

試驗(yàn)工作面巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈寬4400mm，凈高3500mm，沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層頂?shù)装寰鶠榉凵皫r，節(jié)理發(fā)育。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含小于0.3m的夾矸，夾矸為粉砂巖和炭質(zhì)泥巖。開(kāi)采煤種為弱粘煤，全硫含量3.04%，煤體中賦存有硫化氫，與煤體緊密吸附在一起，受采動(dòng)影響時(shí)向外擴(kuò)散。工作面通風(fēng)方式為壓入式，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量約330m3/min左右，風(fēng)速為0.4m/s左右；在掘進(jìn)生產(chǎn)時(shí)工作面硫化氫濃度最高達(dá)400×10-6以上，回風(fēng)側(cè)距工作面15m處硫化氫濃度150×10-6左右，硫化氫濃度嚴(yán)重超標(biāo)，威脅工人身體健康和礦井安全生產(chǎn)。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置圖

2 硫化氫涌出規(guī)律

大量研究表明，硫化氫在煤巖體中的吸附能力較強(qiáng)，只有受到采掘擾動(dòng)影響時(shí)才會(huì)涌出。目前煤礦井下硫化氫的測(cè)試方法主要有取樣分析法和快速測(cè)定法，取樣分析法操作程序復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)，快速測(cè)定法能就地快速測(cè)定出硫化氫濃度。硫化氫隨著掘進(jìn)機(jī)的截割不斷涌向巷道空間，并隨著時(shí)間和空間不斷變化，為了掌握綜掘工作面掘進(jìn)過(guò)程中硫化氫的涌出規(guī)律以及分布情況，本試驗(yàn)采用快速測(cè)定法實(shí)時(shí)測(cè)定巷道空間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的硫化氫濃度。

2.1 截割不同部位煤體時(shí)涌出硫化氫在垂直方向上的分布規(guī)律

試驗(yàn)工作面在掘進(jìn)時(shí)由頂部進(jìn)刀，依次往復(fù)由頂部向底部割煤。為掌握掘進(jìn)機(jī)截割不同部位煤體時(shí)涌出硫化氫的分布情況，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頂部、中部以及底部煤體時(shí)涌出的硫化氫在距工作面1m范圍內(nèi)垂直方向上距巷道底板0.8m、1.5m、2.2m、2.9m高度位置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 工作面1m范圍內(nèi)垂直方向上測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割不同部位煤體時(shí)涌出硫化氫分布規(guī)律圖

從圖3中可以看出：由于硫化氫氣體(相對(duì)分子質(zhì)量為34)較空氣(相對(duì)分子質(zhì)量為29)重所帶來(lái)的沉降作用，掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)涌出的硫化氫濃度在垂直方向上由底板向頂板呈逐漸變小的趨勢(shì)；截割頂部和中部煤體時(shí)受煤體垮落進(jìn)一步破碎的影響，涌出硫化氫濃度比截割底部煤體時(shí)大，在距底板0.8m高度處截割頂部、中部和底部煤體時(shí)硫化氫你濃度分別為410.4×10-6、381.8×10-6、280.4×10-6。

2.2 截割頭附近涌出硫化氫在水平方向上的分布規(guī)律

為掌握掘進(jìn)過(guò)程中涌出硫化氫在截割頭附近的分布規(guī)律，在距離底板1.5m高度的水平方向上在截割頭兩側(cè)及截割頭附近分別布置測(cè)點(diǎn)測(cè)試硫化氫濃度，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 截割頭兩側(cè)及附近水平方向上測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 截割頭附近涌出硫化氫在水平方向上分布規(guī)律圖

從圖5中分析可知：受工作面壓入式通風(fēng)供風(fēng)流場(chǎng)作用，截割頭供風(fēng)側(cè)硫化氫濃度不大，在距截割頭1.6m處為39.4×10-6；硫化氫濃度在水平方向上由供風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)呈逐漸變大趨勢(shì)，在回風(fēng)側(cè)距離截割頭0.8m處達(dá)到最大值336.4×10-6后，呈逐漸緩慢變小的趨勢(shì)。

2.3 涌出硫化氫在回風(fēng)側(cè)沿程分布規(guī)律

為了掌握掘進(jìn)過(guò)程中涌出的硫化氫在回風(fēng)側(cè)沿程分布規(guī)律，分別在距工作面5m、10m、15m、20m處距巷道底板1.5m高度(即作業(yè)人員呼吸帶附近)的巷道中部進(jìn)行硫化氫測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分別為204.7×10-6、180.3×10-6、151.4×10-6、115.3×10-6，沿程分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 綜掘工作面涌出硫化氫在風(fēng)流沿程方向上分布規(guī)律

從圖3中分析可以看出：由于硫化氫比重較空氣大的影響，掘進(jìn)機(jī)割煤涌出硫化氫在回風(fēng)側(cè)沿程方向上呈現(xiàn)出逐漸減小的分布規(guī)律。

3 硫化氫治理技術(shù)

試驗(yàn)工作面硫化氫涌出原始濃度高，隨著風(fēng)流的作用，快速擴(kuò)散至巷道空間內(nèi)，單一的措施很難將硫化氫濃度降低到理想的范圍內(nèi)，本試驗(yàn)采用向煤體中預(yù)注硫化氫吸收液來(lái)減少掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)產(chǎn)生的原始硫化氫，再向截割頭高壓噴射硫化氫吸收液的綜合方法來(lái)降低巷道內(nèi)的硫化氫濃度。本試驗(yàn)使用的硫化氫吸收液主要成分為碳酸鈉水溶液，以及增加溶液表面張力的活性劑。

3.1 預(yù)注硫化氫吸收液

預(yù)注吸收液治理硫化氫是將吸收液通過(guò)鉆孔注入煤體中，與煤體中的硫化氫充分結(jié)合起化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到降低原始硫化氫的目的，主動(dòng)抑制硫化氫的涌出。在對(duì)比分析目前井下常用的綜掘面注水工藝的基礎(chǔ)上，采用“三壓帶”分段注水工藝技術(shù)，在工作面煤體內(nèi)預(yù)注硫化氫吸收液?！叭龎簬А狈侄巫⑺に?如圖7所示)是利用煤體截割后在工作面前端依次形成的卸壓帶、應(yīng)力集中帶及原始應(yīng)力帶的不同應(yīng)力特征和煤體破碎變化情況進(jìn)行分段注水。在前段進(jìn)行注水后，應(yīng)力集中帶向煤體深部移動(dòng)，增加煤體深部裂隙，為后段注水提供通道，使整個(gè)鉆孔范圍內(nèi)的煤體充分濕潤(rùn)。預(yù)注吸收液工藝組成如圖8所示。

圖7 “三壓帶”分段注水工藝原理圖

圖8 綜掘面分段式封孔注吸收液系統(tǒng)組成圖

圖9 注液試驗(yàn)鉆孔和取樣鉆孔布置示意圖(mm)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，注液試驗(yàn)鉆孔和取樣鉆孔布置如圖9所示，在巷道居中位置布置注液試驗(yàn)鉆孔，孔深10m，孔徑42mm。采用BPW100/16型高壓泵進(jìn)行注液，用FKSS-50/12型分段封孔器進(jìn)行封孔。根據(jù)工作面硫化氫涌出量、吸收液與硫化氫的化學(xué)反應(yīng)原理，計(jì)算出所需吸收液濃度的理論值為0.7%。注液時(shí)當(dāng)注液孔周邊煤壁開(kāi)始“掛汗”并出現(xiàn)輕微片幫時(shí)停止第一段注液，切換至第二段注液，當(dāng)?shù)诙巫⒁毫髁亢妥⒁毫客Ｖ棺兓覊毫ο鄬?duì)恒定時(shí)停止注液。在注液壓力分別為4MPa、6MPa、8MPa、10MPa、12MPa時(shí)，記錄注液時(shí)間和注液總量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同壓力下單孔注液時(shí)間和注液總量測(cè)試結(jié)果表

從表1可以看出，隨著注液壓力的增加，單孔注液總量逐漸增大，注液時(shí)間減小。當(dāng)注液壓力增加到10MPa時(shí)，注液總量不再明顯增加。注液時(shí)間和注液總量分別是38min和987L。

在10MPa注液壓力下完成注液后，如圖9所示，在注液試驗(yàn)孔左側(cè)0.9m、右側(cè)1.8m位置處布置兩個(gè)取樣鉆孔，鉆孔深度同注液孔深度，每鉆進(jìn)2m取一次煤屑，測(cè)試注液后的水分增量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 10MPa注液壓力下煤體的水分增量 %

通過(guò)表2的測(cè)試結(jié)果，在距注液孔0.9m和1.8m處的取樣鉆孔煤屑的水分增量均大于1%，結(jié)合工作面斷面形狀，在工作面布置兩個(gè)注液孔濕潤(rùn)半徑即能覆蓋整個(gè)斷面，如圖10所示。

圖10 注液孔布置示意圖(mm)

注液壓力10MPa，注液時(shí)間不小于40min進(jìn)行注液后，掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)在回風(fēng)側(cè)距工作面5m、15m處、距底板高度1.5m位置測(cè)試硫化氫濃度，分別為83.1×10-6和56.9×10-6，較注液之前的269.9×10-6和151.4×10-6，硫化氫濃度分別降低了69.2%和62.4%。

3.2 截割頭高壓噴射硫化氫吸收液

高壓噴射吸收液治理硫化氫是將吸收液以高壓噴霧形式噴灑至掘進(jìn)機(jī)截割頭，與割煤時(shí)涌出的硫化氫進(jìn)行混合降低硫化氫濃度，對(duì)進(jìn)行預(yù)注吸收液以后截割時(shí)仍然有部分硫化氫涌出現(xiàn)象進(jìn)一步治理。根據(jù)高壓噴霧機(jī)理和工程經(jīng)驗(yàn)，吸收液噴射壓力取8MPa。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)硫化氫涌出及運(yùn)移規(guī)律，噴射裝置設(shè)計(jì)成環(huán)形噴射裝置如圖11所示，噴出的高壓水霧流將截割頭全方位包圍。

圖11 硫化氫吸收液噴射裝置

為考察噴射不同濃度的吸收液對(duì)硫化氫的治理效果，分別配比濃度為0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的吸收液對(duì)截割時(shí)涌出的硫化氫進(jìn)行噴射治理，在回風(fēng)側(cè)距工作面5m處、距離底板高度1.5m位置測(cè)試硫化氫治理效果。測(cè)得硫化氫分別降低了54.1%、57.7%、62.4%、66.9%、67.3%，67.6%。硫化氫的治理效率與吸收液的濃度關(guān)系如圖12所示。

圖12 噴射硫化氫吸收液治理效果與吸收液濃度關(guān)系變化曲線圖

從圖12中可以看出，噴射硫化氫吸收液治理效果隨吸收液濃度的增加而變大，但隨著吸收液濃度增大到0.8%以后時(shí)，再增加吸收液濃度硫化氫降低效率的增加不明顯，所以，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重角度考慮選取吸收液濃度為0.8%對(duì)硫化氫進(jìn)行噴射治理最為合理。

在對(duì)煤層進(jìn)行預(yù)注硫化氫吸收液以后，掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)噴灑濃度為0.8%硫化氫吸收液，在回風(fēng)側(cè)距工作面5m、15m處距底板高度1.5m位置測(cè)試硫化氫濃度分別為27.5×10-6和17.2×10-6。與預(yù)注硫化氫吸收液后、未采取高壓噴射吸收液前的83.1×10-6、56.9×10-6對(duì)比，硫化氫的降低效率分別為66.9%和69.8%。與未采取任何措施時(shí)的269.9×10-6、151.4×10-6對(duì)比，硫化氫的降低效率分別為89.8%和88.6%。

4 結(jié) 論

1)掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)，在距工作面1m范圍內(nèi)，硫化氫的濃度自底板向頂板逐漸減小；掘進(jìn)機(jī)割頂部和中部煤涌出的硫化氫比割底部煤涌出的硫化氫濃度大；掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)，涌出的硫化氫在回風(fēng)側(cè)距截割頭0.8m位置濃度呈現(xiàn)最大值；掘進(jìn)機(jī)割煤涌出的硫化氫在回風(fēng)側(cè)沿程方向上呈現(xiàn)出逐漸減小的分布規(guī)律，隨著距離的增加，減小的變化趨勢(shì)越來(lái)越小。

2)采用“三壓帶”分段注水工藝技術(shù)向工作面預(yù)注硫化氫吸收液，注液壓力為10MPa，注液后，掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)距工作面5m、15m處的硫化氫濃度分別降低了69.2%和62.4%；高壓噴射硫化氫吸收液，掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)距工作面5m、15m處的硫化氫的降低效率分別為66.9%和69.8%。

3)通過(guò)預(yù)注硫化氫吸收液和截割頭高壓噴射硫化氫吸收液治理綜掘工作面的硫化氫，距工作面5m、15m處的硫化氫濃度分別由原來(lái)的269.9×10-6、151.4×10-6降低到27.5×10-6、17.2×10-6，硫化氫的降低效率分別為89.8%和88.6%。