采煤工作面H2S治理技術(shù)及實踐

＊宋勇峰

（晉能控股集團寺河煤礦 山西 048006）

H2S是一種無色、微甜但有臭雞蛋味的劇毒氣體，因比空氣重，因此礦井瓦斯中的H2S常聚積在低凹處[1-2]。易溶入水，溶解于水或潮濕環(huán)境中的H2S是酸性的、高度反應(yīng)性的，對金屬具有腐蝕性，在室溫和壓力下，1L的水可以溶解2.6L的H2S，因此它可能會積聚在不流動的煤礦采空區(qū)水中，攪拌后再次釋放[3]。隨著煤炭資源枯竭問題的加劇，許多含硫高的煤炭及老塘遺留的呆滯煤炭資源逐漸被開采，導致煤炭開采過程中的H2S涌出問題加劇，也導致許多安全事故，嚴重影響了煤炭資源的開采和井下工人的健康狀況。由于近年來多家煤礦發(fā)生H2S異常涌出中毒事故，河南、山西、湖南、新疆、山東、內(nèi)蒙古等20多家煤礦已發(fā)生H2S氣體突然涌出事故。因此，如何預(yù)防治理成為了工程技術(shù)人員急需解決的重要問題[4-8]。

1.硫化氫的生成

國內(nèi)硫化氫研究起步于20世紀90年代。前人將硫化氫成因歸并為三類物種：

第一類即生物降解成因。是在腐敗的影響下形成硫化氫的過程。腐敗的作用是含硫有機物形成后，當同化環(huán)境發(fā)生變化時，發(fā)生含硫有機物分解，放出硫化氫。這種方法發(fā)生在煤化初期，產(chǎn)生的硫化氫的規(guī)模和含量不會很大，難以聚集。生物體的代謝產(chǎn)物和降解產(chǎn)物中，有脂肪族含硫化合物、芳香族含硫化合物、含硫的氨基酸，還有H2S和硫。當生物死亡后，生物體內(nèi)的硫和含硫有機化合物與沉淀物一起被埋入地下，經(jīng)過水解、氧化、細菌降解等各種復(fù)雜的化學和生物作用，伴有H2S的生成。若這些過程發(fā)生在地表或淺層沉積物中，H2S難以保存，而能夠保存下來的含硫有機化合物、硫酸鹽和硫，則為以后H2S的再次形成提供了物質(zhì)條件。

第二類即硫酸鹽還原成因。微生物硫酸鹽還原菌利用各種有機物或碳氫化合物還原硫酸鹽，在分解代謝過程中直接形成硫化氫。在這個過程中，硫酸鹽還原菌只在細胞代謝中加入一小部分硫，而大部分硫被吸收來完成有氧生物能量代謝。有些物種可能需要有機分解者從其他物種吸收營養(yǎng)素，這可能導致酒店通過硫酸鹽轉(zhuǎn)化效率所吸收的有機物減少，從而產(chǎn)生大量硫化氫。這種硫酸鹽還原細菌也被稱為硫酸鹽還原微生物（SRB）。在地層深處通常含有大量的硫酸鹽還原菌，一方面地層的溫度為其提供了滋生條件，另一方面地層中含有大量的銨根離子及硝酸根離子，為硫細菌的生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)，SRB在生長和繁殖中，可將SO42-還原成H2S，SRB可加速碳鋼的厭氧腐蝕。在SRB誘導碳鋼厭氧腐蝕機理中，H2S對腐蝕反應(yīng)即有陰極去極化作用，又具有陽極去極化作用。

第三類即高溫熱分解成因。它指的是煤含硫有機結(jié)合化合物的熱作用下，硫化氫的雜環(huán)斷裂問題形成含硫，也稱細胞裂解型。以這種方式可形成硫化氫的濃度數(shù)據(jù)通常為小于1%。使熱化學硫酸鹽氧化還原主要是指有機或烴硫酸鹽環(huán)境起到抑制硫酸鹽以及礦物的還原歷史作用過程中產(chǎn)生的H2S和CO2。由于地球內(nèi)部地殼比元素硫地殼高得多，因此巖漿地殼深度融化，產(chǎn)生揮發(fā)性硫化氫，這種物質(zhì)通常存在于巖漿中。和硫化氫含量取決于成分和氣體運輸條件、巖漿等。因此，硫化氫的巖漿含量極不穩(wěn)定，只在特定條件下從儲集層向下收集和運輸煤層。

2.硫化氫綜合防治措施

硫化氫的凈化方法多為回收類，包括氧化法、物理吸附法、生物法等，井下硫化氫的治理一般采用噴灑堿水、加強通風等手段就可以有效控制工作面硫化氫。鑒于硫化氫氣體的化學性質(zhì)及其在鳳凰山礦煤層中的賦存狀況，155301工作面治理硫化氫要采取加強通風、強化抽放、高壓注堿、噴灑堿水和泡沫覆蓋相結(jié)合的硫化氫綜合治理措施，其中強化抽放、高壓注堿是從源頭上控制硫化氫氣體的涌出。

（1）加強通風。在工作面硫化氫涌出量一定的條件下，重新核定北回風井區(qū)域內(nèi)的風量分配，在工作面風速不超限及保證其它作業(yè)地點風量的前提下，最大限度地增加該工作面風量以達到降低硫化氫濃度的目的。風量有700m3/min調(diào)至1400m3/min，H2S濃度由200ppm降至150ppm左右，雖然硫化氫濃度大幅下降，但是遠遠沒有達到要求。

（2）強化抽放。強化抽采既是治理瓦斯的一種需要，更是在治理瓦斯的同時，進行硫化氫氣體的抽排，避免氣體釋放進入巷道。為了強化本煤層抽采效果，對于順層鉆孔，擬采取“鉆割抽”三位一體的技術(shù)方案，基本思路是在155301綜采工作面機巷和風巷對本煤層打深鉆孔，在鉆孔中，利用高壓水射流切割鉆孔兩側(cè)的煤，在鉆孔的兩側(cè)形成一系列圓盤狀的扁槽，利用水流將從鉆孔中挖出的煤。采取該措施后，煤體的外露面積增加，圓盤狀的平槽相當于在局部范圍內(nèi)開采出極薄的保護層。從而使鉆孔附近煤體局部泄壓，改善煤體內(nèi)氣體流動條件，增強抽氣效果。同時，水力割縫過程中的用水量大，能夠?qū)⒚簩又杏坞x的溶解，促進煤體內(nèi)部硫化氫的解析。在機巷內(nèi)布置皮帶，通過開挖鉆場的方式在機巷一側(cè)打鉆。鉆孔布置見圖1所示。

圖1 順層抽采鉆孔布置示意圖

（3）高壓注堿。煤礦井下作業(yè)空間由于受設(shè)備、人員和煤炭運輸?shù)南拗疲瑹o法使用大型的設(shè)備在保證不影響生產(chǎn)的前提下同時滿足治理H2S的基礎(chǔ)保障。因此，煤礦的特殊工作環(huán)境，要求處理硫化氫的方法必須簡單，無二次污染，設(shè)備可靠，防爆性能好，材料消耗少，成本低，可溶于水，在pH為10的堿性溶液中的溶解度是中性溶液的500倍。因此利用煤層抽采管路高壓注堿吸收硫化氫是煤礦井下工作面治理硫化氫的可行方法。Na2CO3溶液和NaOH溶液等堿性都能夠很好的吸收H2S，其反應(yīng)的化學式如下：

NaOH溶液能夠?qū)2S徹底吸收，然而，它的堿性很強。它在強堿性條件下會氧化成硫磺，并且容易與硫化物形成多硫化物，導致硫酸鹽的副反應(yīng)。此外，氫氧化鈉溶液具有很強的腐蝕性，處理成本高。碳酸鈉可以完全吸收硫化氫，其成本和腐蝕性都很小。如果堿溶液的濃度控制得好，可以抑制硫酸鹽和其他雜質(zhì)的形成。有關(guān)資料研究表明3%～5%的Na2CO3溶液對H2S的吸收率達到99%以上。因此選擇3%～5%的Na2CO3溶液作為高壓注堿溶液。高壓注堿能夠消除煤層中的H2S氣體，有效的從源頭上治理H2S的涌出。

（4）噴灑堿液。噴灑堿液是指壓力水在旋轉(zhuǎn)或沖擊的作用下通過噴嘴，使堿液霧化成細小分散的液滴并噴灑在空氣中。噴灑堿液對硫化氫氣體的預(yù)防和控制效果主要體現(xiàn)在化學反應(yīng)中，化學反應(yīng)消除了堿液噴灑范圍內(nèi)的硫化氫，從而降低了硫化氫的濃度。在采煤機內(nèi)外使用噴灑裝置噴灑堿液是減少采煤機附近硫化氫的主要措施。因此，當采煤機在采煤時，要求所有內(nèi)外噴霧裝置必須打開并噴霧降塵，內(nèi)噴霧壓力不小于2MPa，外噴霧壓力不小于4MPa，噴霧流量盡可能大。工作面實現(xiàn)架間噴霧與機組噴霧聯(lián)動。保證機組前10m，后30m范圍內(nèi)的架間噴霧隨機組割煤移動自動噴霧。

（5）加強勞動組織。生產(chǎn)經(jīng)營單位要認真宣傳貫徹《安全生產(chǎn)法》《職業(yè)病防治法》等法律條文，加強作業(yè)場所勞動保護工作，改善安全生產(chǎn)條件，保證安全生產(chǎn)的投入，落實安全生產(chǎn)責任。

在生產(chǎn)前要如實告知作業(yè)場所和工作崗位存在的危險因素，防范措施以及事故應(yīng)急措施，上崗前和在崗期間要實行安全培訓，提示安全措施并指導從業(yè)人員正確使用職業(yè)防護設(shè)備和用品。生產(chǎn)經(jīng)營活動有可能產(chǎn)生硫化氫氣體的場所，必須為從業(yè)人員配備氣體檢測儀器、呼吸器、救護帶等安全設(shè)備，配備有毒有害氣體報警儀、醫(yī)療救護設(shè)備和藥品。防毒器具要定期檢查、維護，確保整潔完好。煤礦作為生產(chǎn)單位的安全責任主體，要積極制定并嚴格落實密閉空間作業(yè)進入許可程序和安全作業(yè)規(guī)程，各級管理人員和作業(yè)人員應(yīng)認真學習，熟記與作業(yè)相關(guān)的規(guī)定并認真執(zhí)行。要強化安全意識，克服麻痹思想，杜絕違章作業(yè)、違章指揮現(xiàn)象，防治硫化氫中毒事故發(fā)生。

3.采面H2S治理

（1）H2S涌出情況。古書院礦153304綜采工作面采用U型通風方式，實際風量1200m3/min，開采煤層為15號煤層，煤層平均厚度2.1m。在工作面檢修未生產(chǎn)時，上隅角瓦斯?jié)舛?.2%，H2S濃度為20ppm，但在進行割煤生產(chǎn)時，由于煤體破碎導致瓦斯和H2S大量涌出，上隅角瓦斯?jié)舛冗_到0.5%以上，H2S最大值達到60200ppm，遠高于H2S臨界值6.6ppm，對職工身體健康及安全生產(chǎn)造成了不利影響。

（2）治理措施。針對古書院礦153304綜采工作面H2S涌出異常的問題，采取的撒石灰（碳酸鈉）的常規(guī)方法不能完全消除H2S氣體，且隨著開采深度的進一步增加H2S涌出的強度越來越大。為此，設(shè)計了在工作面施工淺孔，利用淺孔攔截卸壓區(qū)H2S的方法來進行治理。

①淺孔攔截吸收H2S方案。A.鉆孔布置及施工。根據(jù)主采煤層煤的采高、孔隙率、夾矸情況、頂?shù)装迩闆r，沿工作面煤壁每隔5m施工一組鉆孔，孔深為10m，孔徑為φ42mm，為防止煤壁片幫，距回風順槽留10m不施工鉆孔，鉆孔布置如圖2和圖3所示。

圖2 工作面鉆孔布置圖

圖3 鉆孔示意圖

根據(jù)H2S濃度監(jiān)測結(jié)果，施工參數(shù)應(yīng)具體調(diào)整，打鉆時，距離煤層底板最近的鉆孔，根據(jù)實際情況，如果不能打俯角3°，打水平孔或者俯角1°和俯角2°。

B.堿液配制。堿液配制由水和碳酸鈉配制，堿液用水可由井下供水管路引出。熟石灰和水質(zhì)量比為1.5:98.5，配制成濃度約1.5%的碳酸鈉水溶液。

C.封孔及注堿液。同一組5個鉆孔全部施工完畢后，封孔，利用三通連接同一組的5個鉆孔同時進行注堿液吸收煤層卸壓區(qū)H2S。封孔采用封孔器封孔，封孔長度為3m。利用工作面脈沖動壓注液設(shè)備對煤層進行注堿液吸收卸壓區(qū)H2S。具體的執(zhí)行操作為：將快速接頭與膠囊膨脹封孔管相連接，之后將封孔管插入已經(jīng)施工完畢的注液鉆孔，并對囊袋進行預(yù)封孔，以保證注入的堿液不流出鉆孔。

D.停止注液條件。當煤層裂隙中出現(xiàn)大量漏水，監(jiān)測注液壓力的壓力表數(shù)值急速下降時，即可關(guān)掉此孔閥門，待每組4個鉆孔均注液完成后，停注約15min后拔出封孔器進行下一組鉆孔的封孔和注液操作。

②工序安排。鉆孔與煤壁垂直長度為5.8m，三個采煤循環(huán)（4.8m）施工一次鉆孔，封孔，對一組（5個）鉆孔同時進行注堿液作業(yè)，鉆孔施工接續(xù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 鉆墻接續(xù)關(guān)系圖

③其他治理方法。除采用注堿液的方法外，應(yīng)在日常生產(chǎn)過程中，加強回采工作面的風量控制，在保證礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，最大限度增加回采工作面的風量以稀釋在低洼處易積聚的H2S氣體。要加強現(xiàn)場作業(yè)人員的日常培訓，將H2S的物理化學性質(zhì)、防止中毒等癥狀作為作業(yè)人員上崗前安全培訓的重要內(nèi)容，提高全員對預(yù)防H2S的重視程度。同時，要加強個體防護，要求工作面機組司機配戴化學安全防護眼鏡和防毒面罩等個體防護措施，要對處于工作面下風側(cè)長時間作業(yè)的采煤機司機、拉架工等特殊人員佩帶防毒面罩。

4.治理效果

實踐證明，回采工作面回風和上隅角極易積聚H2S的局部區(qū)域，H2S的濃度基本控制在8～10ppm以下，工作面回風巷道內(nèi)的H2S濃度降到了2～5ppm以內(nèi)，降低了80%以上，達到了良好的治理效果。為進一步降低回采作業(yè)過程中涌出的H2S，回采面實施了引排措施。取割煤時H2S探頭的平均值和最大值進行分析，測的工作面回風巷H2S濃度見表1所示。

表1 回風巷H2S探頭平均和最大濃度對比

5.結(jié)論

根據(jù)H2S凈化治理方法的特點，可采用吸收法、吸附法、氧化法、分解法和生物法等方法進行處理。在總結(jié)梳理相關(guān)H2S治理方法的基礎(chǔ)上，針對古書院礦153304采面H2S生產(chǎn)期間濃度達到200ppm時，采用淺孔攔截吸收H2S的治理方法，工作面H2S濃度由99.63ppm降低至70.13ppm。工作面回風巷口H2S濃度由48.25ppm降至24.34ppm，工作面H2S濃度顯著降低，有效保障了工作面作業(yè)的安全性。