高硫化氫巷道煤層注堿防治參數優(yōu)選及現(xiàn)場應用

艾純明周沁園夏季王大鵬穆效治李琨

1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院,遼寧葫蘆島 125000;2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室,遼寧葫蘆島 125000;3.山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司,山西忻州 034000

硫化氫(H2S)是一種多存在于煤礦井下的有害氣體,較低濃度(＞9.13 mg/m3)即可造成人員中毒傷亡[1]。硫化氫還會導致燃燒、爆炸等事故發(fā)生,其強烈的化學活性使之易與金屬設備發(fā)生反應[2],形成電化學腐蝕、應力腐蝕、“氫脆”破裂等,縮短井下金屬設備使用壽命,帶來安全隱患[3-5]?！睹旱V安全規(guī)程》(2016)第一百三十五條規(guī)定,井下硫化氫最高允許濃度不得超過0.000 66%。

目前,煤礦治理硫化氫的方法主要包括加強通風管理[6]、化學試劑處理[7]、安裝堿液噴灑裝置[8]、設置風幕封閉綜掘面[9]、吸附法治理[10]等。采用以上方法雖然能降低煤礦中的硫化氫濃度,但實施效果不盡人意。為此學者針對在煤層中鉆孔注堿[11]展開了相關研究。高鑫浩[11]運用超前探查、復合增透技術抽采煤層氣體,并在鉆孔內注入堿液,取得了良好的治理效果;趙義勝等[12]采用深孔脈沖動壓注水(堿)技術后,工作面硫化氫涌出量大幅度下降;孫維吉等[13]采用向煤層中注碳酸氫鈉溶液的方法治理硫化氫,將硫化氫濃度從24.34 mg/m3降至9.13 mg/m3以下,并得出了日割煤刀數和硫化氫涌出量呈正比的結論;Zhang 等[14]通過改變堿液濃度來吸收硫化氫,得出碳酸鈉溶液的濃度與硫化氫的去除率呈正相關。由上述研究可知,相對其他方法而言,煤層注堿治理硫化氫的方法可以從根本上解決硫化氫超限的問題。

山西某煤礦巷道空氣中硫化氫濃度達到了45.64 mg/m3,水中硫化氫濃度高達228.19 mg/m3,超出《煤礦安全規(guī)程》中允許濃度數倍,屬于高硫化氫礦井。經過現(xiàn)場考察和方案論證,決定采用煤層注堿的方式解決硫化氫超限的問題。為確定合理的注堿參數,本文建立煤層注堿數值模型,分析不同條件下堿液在煤層中的擴散效果,為現(xiàn)場應用提供指導。

1 堿液選擇

山西某煤礦采用綜合機械化放頂煤開采工藝,煤層厚為13 m。在采煤工作面掘進階段,巷道風流中硫化氫濃度超限,決定采用堿液中和的辦法去除硫化氫。

為確定堿液成分,模擬前選擇了Na2CO3、Ca(OH)2、NaHCO3三種溶液進行硫化氫的吸收實驗。堿液質量濃度分別為50 mg/L 和10 mg/L,硫化氫濃度分別為1.7×10-3mg/m3、1.8×10-3mg/m3、2.1×10-3mg/m3、2.4×10-3mg/m3,共進行了24 組(3×4×2)實驗。

在硫化氫的吸收過程中,Ca(OH)2前期吸收效果高于NaHCO3,在后期吸收效果弱于NaHCO3。實驗結果表明,對于不同濃度硫化氫,Na2CO3的吸收效果、吸收持續(xù)時間均高于其他堿液,且Na2CO3和硫化氫反應生成的NaHCO3也能繼續(xù)吸收硫化氫。其化學反應方程式為

因Na2CO3溶液對硫化氫的吸收效率最高,故采用Na2CO3作為堿液的主要成分。

2 數值模型

2.1 基本方程

選擇COMSOL Multiphysics 軟件中的稀物質傳遞接口作為模型的化學場,以Darcy 定律為模型的物理場。稀物質傳遞接口中的Arrhenius 方程控制堿液與硫化氫的反應速率[15]如下:

式中,K為化學反應速率常數;A為頻度因子,m3·mol/s;n為溫度的指數;E為活化能,J/mol;Rg為氣體狀態(tài)常數,J/(mol·K);T為溫度,K。

所注堿液為低濃度稀溶液,溶質在煤層中傳遞運移的擴散過程滿足稀物質傳遞接口中Fick 定律[16-17],即

式中,ci為參加反應物質濃度,mol/m3;Di為反應物擴散系數,m2/s;Ri為反應物化學反應速度,mol/(m3·s);u為堿液流速,m/s。

根據煤樣工業(yè)分析結果,煤的孔隙率為1.94%,屬于孔隙率較小的多孔介質[19]。液體在均質煤層中的流動符合Darcy 定律[18-21]。Darcy定律的公式為

式中,pw為孔隙水壓力,Pa;εp為煤體孔隙率;ρ為密度,kg/m3;t為時間,s;k為煤體滲透率,md;Q為單位時間滲流量,m3/s;μ為流體動力黏度,Pa·s。

2.2 模型建立

2.2.1 初始條件

煤層水中硫化氫的初始濃度為228.19 mg/m3,根據煤層含水率(3%)確定煤層中的硫化氫濃度為5.8 mol/m3;治理硫化氫所需堿液濃度為58.1 mol/m3;現(xiàn)場收集和相關檢測得出的物理參數及模型參數見表1。根據煤層埋藏深度和以往煤層注水防塵的經驗,確定注堿壓力的范圍為4～8 MPa。

表1 模型計算參數Table 1 Model calculation parameters

2.2.2 幾何模型

由于注堿壓力的存在,重力對堿液在豎直方向的擴散影響較小,堿液的擴散范圍可視為圓柱形。因此,為簡化計算,只研究堿液在水平方向的變化。建立幾何尺寸為20 m×15 m×1.4 m 的模型(圖1)。鉆孔直徑75 mm,鉆孔深度12 m,鉆孔方位垂直煤壁。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2.3 模型假設條件

模型的基本假定如下:

(1) 煤層是孔隙率恒定、各向同性的多孔介質,且滲透率恒定。

(2) 注堿過程產生的應力場對原始地應力場不產生影響,計算中不考慮應力變化造成的煤層參數變化。

(3) 堿液均勻混合,與煤層中硫化氫作用的傳質過程符合Fick 定律,化學反應速率通過求解Arrhenius 方程獲得。

(4) 液體在煤層中的滲流為層流,滲流過程符合Darcy 定律。

(5) 硫化氫氣體在煤層中均勻分布。

3 注堿溶液在煤層中的滲流規(guī)律研究

3.1 單孔注堿數值模擬

3.1.1 不同注堿壓力下的堿液擴散效果

為確定最佳注堿時間和壓力,進行單孔注堿模擬,觀察單孔狀態(tài)下的煤層注堿效果。圖2為注堿壓力4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa 條件下,1 h、24 h、48 h 內堿液在煤層中的擴散云圖。

圖2 不同注堿壓力下的堿液擴散云圖Fig.2 The lye diffusion cloud diagram under different alkali injection pressures

以4 MPa 為例,注堿1 h 時,因為鉆孔附近壓強較大,堿液在裂隙中的滲流速度較快,堿液擴散半徑已經達到2.87 m;注堿24 h 時,距離鉆孔中心越遠,煤層所受注堿壓力越小,堿液在煤層中的滲流速度越慢,在毛細作用下堿液繼續(xù)擴散,注堿半徑達到3.8 m;注堿48 h 時,堿液擴散速度進一步減小,擴散半徑為4.17 m。

3.1.2 不同壓力下堿液擴散范圍

圖3為不同壓力下堿液濃度在1 h、2 h、6 h、12 h、24 h、48 h 內隨鉆孔中心距離變化的曲線。以注堿壓力4 MPa 為例,注堿1 h 時,距鉆孔0～1.05 m 處堿液濃度均為58.1 mol/m3,說明此范圍硫化氫已經被充分中和;距鉆孔1.05～2.79 m處的堿液濃度由 58.1 mol/m3降至0,說明了該范圍的硫化氫正在被中和。

圖3 不同壓力下堿液濃度隨鉆孔距離變化曲線Fig.3 The changing curves of lye concentration with drilling distance under different pressures

增大注堿壓力,相同時間段內的堿液擴散范圍也有所增長。當注堿壓力為4 MPa 時,堿液擴散半徑在48 h 內最遠為4.17 m;而注堿壓力增加到8 MPa 時,堿液擴散半徑在48 h 內最遠達到5.32 m,相比于4 MPa 時,增加了1.15 m。

3.1.3 不同時間下的注堿效果

圖4為不同壓力下堿液擴散范圍隨時間變化的曲線。由圖4可知,注堿24 h 后堿液擴散速度明顯降低,此時鉆孔的注堿壓力不足以抵消滲流阻力,且毛細作用不明顯,堿液只能通過潤濕作用繼續(xù)擴散;注堿48 h 后堿液擴散速度極小。

圖4 不同壓力下堿液擴散范圍Fig.4 Variation of lye diffusion range under different pressure

圖5為堿液擴散范圍示意圖。由圖5可知,相同時間(t1)下的注堿體積(Vt)相同,堿液擴散半徑r1＞r2,且擴散面積S1=S2。

圖5 堿液擴散范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of lye diffusion range

由S1=S2推出:

因r1＞r2,則,所以堿液擴散越遠,就越小,即距鉆孔距離越遠堿液擴散速度越慢。

3.1.4 注堿時間和壓力選擇

由圖3、圖4可知,堿液擴散的范圍隨著注堿時間的增加而增大。堿液擴散范圍越大,說明與硫化氫反應越充分,煤層中被中和的硫化氫越多。堿液在注堿48 h 后擴散速度極小,其擴散距離增長范圍可以忽略不計,由此確定最佳注堿時間為48 h。

選擇注堿時間為48 h 時對注堿壓力和堿液擴散范圍的關系進行擬合,結果如圖6所示。

由圖6得出,注堿壓力與堿液擴散范圍的關系式為

圖6 不同壓力下注堿達到的最遠距離Fig.6 The farthest distance reached by alkali injection at different pressures

式中,Y為距鉆孔最遠距離,m;p為最初的注堿壓力,MPa。

由式(9)知,注堿壓力與堿液擴散范圍呈正相關。

注堿壓力為8 MPa 的堿液擴散效果最好,故選擇8 MPa 為煤層注堿治理硫化氫的最佳注堿壓力。

3.2 雙孔注堿數值模擬

3.2.1 不同孔距下的堿液擴散范圍

在單孔注堿模擬結果的基礎上,為得出最佳注堿孔距進行了孔距為6 m、8 m、10 m 的雙孔注堿模擬實驗。8 MPa 時不同孔距下注堿6 h、48 h 的堿液擴散云圖和范圍圖如圖7和圖8所示。

圖7 壓力為8 MPa 不同孔距下的堿液擴散云圖Fig.7 The lye diffusion cloud diagram under different hole distances at 8 MPa

圖8 8 MPa 下不同孔距的堿液擴散范圍Fig.8 Diffusion range diagram of lye with different hole spacing at 8 MPa

當鉆孔間距為6 m 時,由于孔距過近,雙孔堿液交匯過早導致注堿效率不高,注堿6 h 時雙孔堿液已經交融,48 h 時堿液擴散最大范圍為15.7 m。鉆孔間距為8 m 時,注堿6 h,雙孔堿液有相互交匯的趨勢;注堿48 h,雙孔堿液交匯且堿液擴散最大范圍為17.4 m。鉆孔間距為10 m 時,注堿6 h,雙孔之間存在未被堿液覆蓋的區(qū)域;注堿48 h,雙孔堿液交匯,堿液擴散最大范圍為20 m。

由圖8知,堿液的擴散速度在6 h 后出現(xiàn)拐點,擴散速率由快變慢。當注堿時間達到48 h 時,堿液擴散速度趨向于0,此結果和單孔注堿結果一致。

3.2.2 不同孔距下的堿液濃度變化

圖9為不同孔距下堿液濃度隨鉆孔距離變化圖。由圖9可知,孔距為6 m 時,2 h 后雙孔間的裂隙通道貫通,堿液在孔間出現(xiàn)“串流”現(xiàn)象。由于雙孔距離過近,堿液發(fā)生串流較早,所以在此之后堿液的擴散范圍較小;孔距為8 m 時,兩孔之間的堿液在24 h 之后相交形成串流。由于雙孔距離較遠,雙孔之間的堿液相融較晚,串流造成的影響較小,相較于孔距為6 m 時堿液擴散范圍有所增大;孔距為10 m時,由于雙孔之間距離過遠,當注堿時間達到48 h之后,雙孔之間的堿液濃度大于0,此時兩孔同時注堿對堿液的擴散范圍基本無影響。根據模擬結果,為避免所注堿液過早從相鄰鉆孔涌出,達到堿液擴散范圍最大化,煤層注堿時的孔間距選擇10 m。

圖9 8 MPa 時不同孔距下堿液濃度隨鉆孔距離變化圖Fig.9 Variation of lye concentration with drilling distance under different hole spacing and pressure at 8 MPa

4 現(xiàn)場應用

為確定合理的鉆孔孔距,參考數值模擬結果,在該礦13 號煤層實施孔距為10 m、壓力為8 MPa的煤層注堿實驗。在注堿之前,1 號架回風隅角、煤機下風側、回風流處硫化氫濃度高達30.43～45.64 mg/m3。在工作面兩平巷交錯布置順層注堿鉆孔,距底板1.5 m 處垂直煤壁施鉆,鉆孔深度115 m,如圖10所示。堿液濃度為58.1 mol/m3。待相鄰鉆孔有堿液滲出時,注堿停止。

圖10 鉆孔布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of drilling layout

從2020年12月20日開始,經過1 個多月的現(xiàn)場實驗,在進風平巷和回風平巷分別施工注堿鉆孔20 個。注堿2 d 后,分別在1 號架回風隅角、煤機下風側、回風流處進行為期25 d 的硫化氫監(jiān)測,采集數據結果如圖11所示。

注堿之前1 號架回風隅角、煤機下風側、回風流處硫化氫濃度為30.43～45.64 mg/m3,如圖11所示,注堿2 d 后降至10.04 mg/m3以下,隨后的1周里硫化氫濃度有微小波動,但總體為下降趨勢,甚至降至0;第7 d 開始安排工人進行回采,巷道空氣中硫化氫濃度有所上升,最高濃度為9.13 mg/m3,平均濃度為4.87 mg/m3。現(xiàn)場應用結果表明,孔距為10 m、壓力為8 MPa 的注堿鉆孔治理效果明顯。

圖11 注堿后煤層空氣中硫化氫濃度Fig.11 H2S concentration in coal seam air after alkali injection

5 結 論

(1) 單孔注堿模擬結果表明,在堿液擴散并覆蓋的范圍內,煤層中的硫化氫已經被完全中和,注堿壓力與堿液擴散范圍成正相關。

(2) 對比不同壓力下的注堿效果,選擇8 MPa為煤層注堿治理硫化氫的注堿壓力;注堿48 h 后堿液擴散范圍基本不再增長,由此確定最佳注堿時間為48 h。

(3) 雙孔注堿時,當雙孔之間距離過近且小于單孔注堿擴散范圍時,雙孔堿液會串流,進而影響堿液的最終擴散范圍;當雙孔距離大于單孔注堿擴散范圍時,堿液又不能完全覆蓋全部煤層。為使煤層注堿治理硫化氫的效率最大化,建議選擇煤層注堿的孔距為10 m。

(4) 參考數值模擬結果,在山西某煤礦工作面進行了現(xiàn)場注堿實驗。在工作面兩平巷交錯布置間距為10 m 的順層注堿鉆孔。注堿后,回采時硫化氫沒有出現(xiàn)超限現(xiàn)象。