烏東煤礦綜放工作面上隅角硫化氫治理技術(shù)

胥 奎，趙 凱，龔小兵，趙中太，王 磊

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000；4.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

硫化氫是煤礦井下有毒有害氣體之一，其危害性主要表現(xiàn)為低濃度時(shí)有臭雞蛋氣味，影響礦井作業(yè)環(huán)境；高濃度時(shí)，使接觸者咳嗽、刺激眼睛強(qiáng)烈疼痛及紅腫,使接觸者失去知覺、呼吸停止以至于死亡。此外，硫化氫具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，易腐蝕金屬設(shè)備及煤礦井下的監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)施(如CO傳感器、O2傳感器、CH4傳感器等)，增加煤礦設(shè)備維修成本并帶來嚴(yán)重的安全隱患。截至目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國陜西、四川、新疆、內(nèi)蒙、山西、山東、湖南、重慶、河南、寧夏、云南等地，有100多座煤礦出現(xiàn)過硫化氫嚴(yán)重超標(biāo)問題[1-10]。綜放工作面上隅角，受工作面U型通風(fēng)風(fēng)流積聚及支架阻擋影響，易出現(xiàn)硫化氫氣體積聚、超限現(xiàn)象。上隅角積聚的硫化氫氣體在給作業(yè)人員帶來傷害的同時(shí)，也時(shí)常腐蝕損壞布置在上隅角的各類傳感設(shè)備等。目前，上隅角硫化氫治理技術(shù)主要有：利用瓦斯抽放管進(jìn)行抽放及人工噴灑石灰水(粉)吸收等。由于煤體吸附硫化氫的能力較強(qiáng)，上隅角埋管抽放硫化氫的效果較差[11-15]；人工撒石灰粉難以有效攔截?cái)U(kuò)散在氣流中硫化氫氣體，其治理硫化氫效果也不理想[16-20]。以烏東煤礦放煤量大(放煤高度約為21 m)、積聚硫化氫體積分?jǐn)?shù)較高的+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面上隅角為案例，根據(jù)上隅角硫化氫分布情況及現(xiàn)場生產(chǎn)條件，創(chuàng)新性地提出上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)，可有效解決上隅角硫化氫積聚所帶來的危害問題。

1 工作面概況

烏東煤礦北采區(qū)+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面，瓦斯等級鑒定結(jié)果為低瓦斯工作面；煤層傾角43°～45°，煤層厚度30.6 m，工作面沿煤層厚度方向布置，傾向長度21.5 m，走向長度1 124.0 m，工作面階段高度25 m。工作面布置了MG300/355NWD型單滾筒采煤機(jī)，布置13副ZFY10000/22/40D型放頂煤液壓支架，采高3.5 m，放頂煤高度21.5 m。在支架后部和上隅角至回風(fēng)巷轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶之間均布置有刮板輸送機(jī)，受支架放煤、后部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，以及上隅角轉(zhuǎn)載點(diǎn)落煤等擾動(dòng)影響，使煤體中硫化氫得以釋放，并隨風(fēng)流擴(kuò)散至上隅角。現(xiàn)場實(shí)測上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)為500×10-6～700×10-6。吊掛在上隅角的傳感器時(shí)常出現(xiàn)因硫化氫“中毒”而引起的誤報(bào)警問題，上隅角作業(yè)(檢修等)人員時(shí)常出現(xiàn)眼睛紅腫、刺痛等感覺，給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。

2 上隅角硫化氫分布規(guī)律測試分析

在烏東煤礦北采區(qū)+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面正常生產(chǎn)期間，支架放煤及刮板輸送機(jī)正常工作時(shí)，以CD4型硫化氫便攜儀為測試儀器，對上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)分布情況進(jìn)行測試分析。結(jié)合上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)較高，且布置有刮板輸送機(jī)等特殊情況，進(jìn)行上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試時(shí)，在支架立柱與煤壁之間距采空區(qū)約3 m位置的斷面上，布置A、B、C 3排硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試點(diǎn)，各排測點(diǎn)距底板的高度分別為0.8、1.6、2.4 m。在每排距煤壁0.1、0.6、1.1、1.6 m位置上分別布置測點(diǎn)，每排4個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試點(diǎn)布置示意圖

上隅角各測點(diǎn)位置硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試時(shí)，同一位置測點(diǎn)上利用CD4型硫化氫便攜儀每隔3 s左右讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)測點(diǎn)共讀取5個(gè)數(shù)據(jù)。上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果

分析表1可知：

1)由于硫化氫氣體比空氣重所帶來的沉降作用，在上隅角與煤壁距離相同的同一斷面高度方向上，硫化氫分布呈現(xiàn)出隨與底板距離的增加而減小的擴(kuò)散規(guī)律，如：測試點(diǎn)距煤壁為0.6 m時(shí)，距底板0.8、1.6、2.4 m的各測點(diǎn)硫化氫體積分?jǐn)?shù)平均值分別為712×10-6、626×10-6、477×10-6。

2)在上隅角刮板輸送機(jī)運(yùn)煤及轉(zhuǎn)載點(diǎn)落煤擾動(dòng)影響下，刮板輸送機(jī)附近涌出的硫化氫體積分?jǐn)?shù)較高，如：測點(diǎn)距底板0.8 m條件下，距煤壁1.6、1.1 m時(shí)硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別為869×10-6、761×10-6，距煤壁0.6、0.1 m時(shí)硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別為712×10-6、706×10-6。上隅角硫化氫氣體分布規(guī)律測試分析研究表明，距底板0.8～1.6 m、距煤壁1.1～1.6 m區(qū)域刮板輸送機(jī)上方硫化氫體積分?jǐn)?shù)相對較高。

3 上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)原理

煤層中賦存硫化氫的綜放工作面，受支架放煤、轉(zhuǎn)載點(diǎn)落煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤產(chǎn)生硫化氫氣體,以及工作面U型通風(fēng)導(dǎo)致上隅角風(fēng)流易積聚等因素影響，造成了上隅角大量硫化氫氣體的積聚。根據(jù)上述烏東煤礦綜放工作面上隅角硫化氫氣體分布規(guī)律測試分析結(jié)果，結(jié)合上隅角、回風(fēng)巷設(shè)備布置情況，提出采用上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)，來治理上隅角硫化氫氣體危害。利用布置在與上隅角相鄰的回風(fēng)巷刮板輸送機(jī)上的硫化氫抽取風(fēng)機(jī)，以及布置在硫化氫抽取風(fēng)機(jī)與上隅角之間的吸風(fēng)筒，實(shí)現(xiàn)對上隅角積聚硫化氫氣體的集中抽取，達(dá)到降低上隅角硫化氫體積分?jǐn)?shù)的目的。利用布置在硫化氫抽取風(fēng)機(jī)與吸風(fēng)筒之間的硫化氫氣體凈化裝置，實(shí)現(xiàn)對上隅角被集中抽取的硫化氫氣體的凈化處理。硫化氫氣體凈化裝置中設(shè)計(jì)有多道細(xì)水霧發(fā)生裝置、循環(huán)供液裝置及高濃度吸收液箱，硫化氫風(fēng)流進(jìn)入凈化裝置后，被高濃度吸收液箱、循環(huán)供液裝置、多道細(xì)水霧發(fā)生裝置所形成的可循環(huán)使用的硫化氫吸收液水霧攔截捕獲，基于“酸堿中和反應(yīng)”原理，吸收凈化風(fēng)流中的硫化氫氣體，并形成潔凈風(fēng)流；潔凈風(fēng)流流經(jīng)硫化氫抽取風(fēng)機(jī)后排入回風(fēng)巷。上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 上隅角硫化氫氣體抽取—凈化一體化治理技術(shù)原理圖

4 上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用研究

硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)在烏東煤礦+575 m工作面上隅角進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，治理系統(tǒng)布置如圖3所示，其主要由硫化氫抽取—凈化一體化裝置、?600 mm負(fù)壓風(fēng)筒、吸風(fēng)口等組成。

1—硫化氫抽取—凈化一體化裝置；2—?600 mm負(fù)壓風(fēng)筒；3—吸風(fēng)口。

硫化氫抽取—凈化一體化裝置安裝在回風(fēng)巷刮板輸送機(jī)的護(hù)板上方，距上隅角約為15 m，隨刮板輸送機(jī)移動(dòng)而移動(dòng)；硫化氫抽取風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為150 m3/min，風(fēng)機(jī)葉輪采用銅材制造，避免產(chǎn)生摩擦火花；?600 mm負(fù)壓風(fēng)筒是利用安裝架將其固定在刮板輸送機(jī)護(hù)板上的，并隨刮板輸送機(jī)移動(dòng)而移動(dòng)，距刮板輸送機(jī)底部約為1.5 m，距煤幫約 1.5 m，吸風(fēng)口距上隅角采空區(qū)約3 m。硫化氫氣體抽取—凈化一體化裝置的高濃度吸收液箱中吸收液體積為1.5 m3左右，吸收液的原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，硫化氫凈化裝置中開啟4道水霧的總流量約為310 L/min，噴霧壓力0.5 MPa。在開啟上隅角硫化氫氣體抽取—凈化一體化裝置前、后，采用硫化氫便攜儀對吸風(fēng)口后5 m、出風(fēng)口后1 m位置的硫化氫體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測試。上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理效果測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理效果測試數(shù)據(jù)

由表2分析可以看出：

1)在硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化裝置開啟使用1～12 h，距吸風(fēng)口后5 m測點(diǎn)處硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率為94.7%～95.2%；距出風(fēng)口后1 m測點(diǎn)處硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率為90.2%～91.7%。

2)在硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化裝置開啟使用超過12 h后，隨著累計(jì)使用時(shí)間的增加，距吸風(fēng)口后5 m測點(diǎn)處硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率(抽取率)變化較小，累計(jì)使用12、13、14 h的硫化氫降低率分別為94.9%、95.2%、94.7%；隨著累計(jì)使用時(shí)間的增加，距出風(fēng)口后1 m測點(diǎn)處硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率(凈化率)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，累計(jì)使用12、13、14 h硫化氫降低率分別為90.2%、83.6%、75.3%。

3)現(xiàn)場應(yīng)用表明，烏東煤礦綜放工作面上隅角采用硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理技術(shù)后，在裝置使用6 h時(shí)，吸風(fēng)口后5 m及出風(fēng)口后 1 m 位置硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別由治理前的588.8×10-6、120.2×10-6降至治理后的28.2×10-6、10.0×10-6，硫化氫的抽取率、凈化率分別達(dá)到95.2%、91.7%，取得了良好的治理效果。

5 結(jié)論

1)烏東煤礦+575 m水平45#煤層西翼綜放工作面上隅角同一斷面高度方向上，硫化氫體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出隨與底板距離的增加而減小的分布規(guī)律；受刮板輸送機(jī)運(yùn)煤及轉(zhuǎn)載點(diǎn)落煤擾動(dòng)影響，刮板輸送機(jī)附近涌出的硫化氫體積分?jǐn)?shù)較高，距底板0.8～1.6 m、距煤壁1.1～1.6 m區(qū)域刮板輸送機(jī)上方硫化氫體積分?jǐn)?shù)相對較高。

2)上隅角硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化治理裝置在使用超過12 h后，隨著累計(jì)使用時(shí)間的增加，吸風(fēng)口后5 m位置硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率(抽取率)變化較小，出風(fēng)口后1 m位置硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低率(凈化率)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。硫化氫氣體集中抽取—凈化一體化裝置中的吸收液循環(huán)使用時(shí)間為12 h。

3)烏東煤礦綜放工作面上隅角采用硫化氫氣體抽取—凈化一體化治理技術(shù)后，在裝置使用6 h時(shí)，吸風(fēng)口后5 m及出風(fēng)口后1 m位置硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別由抽取治理前的588.8×10-6、120.2×10-6降至治理后的28.2×10-6、10.0×10-6，硫化氫抽取率達(dá)到95.2%，凈化率達(dá)到91.7%，取得了良好的治理效果。