雙馬煤礦含硫煤層硫化氫治理研究分析

王 成，彥 鵬

（國家能源集團寧夏煤業(yè)雙馬煤礦，寧夏 銀川 750001）

0 前言

煤炭保證我國發(fā)展的主要能源，占有重要地位，但煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，開采生產(chǎn)面臨著各樣的災(zāi)害，受井下廢棄油井影響，煤層中富含硫化氫，研究礦井中硫化氫分布及治理是含硫煤層開采的主要問題[1]。

針對硫化氫吸收治理，眾多學(xué)者開展了廣泛研究，從硫化氫煤層沉積特征、硫化氫的吸收與治理方面開展研究，對硫化氫的賦存規(guī)律有了進一步的認(rèn)識,提出對煤礦硫化氫精準(zhǔn)治理[2]，劉奎針對工作面煤層中硫化氫的分布和治理進行了研究[3]，黃光利等就受廢棄油井影響的煤層中硫化氫分布規(guī)律做出了分析，對硫化氫涌出和防治技術(shù)提供了意見[4-6]，黃立寧針對綜掘工作面割煤時產(chǎn)生的硫化氫涌出量及分布規(guī)律，提出了相應(yīng)的治理措施[7]，劉忠全對油井影響的硫化氫運移進行模擬和災(zāi)害分析預(yù)測，并構(gòu)建災(zāi)害防控體系對硫化氫進行治理[8]。

基于此，以雙馬煤礦綜采面為研究對象[9-11]，采取對煤層預(yù)注堿性溶液和采動時高壓噴灑堿性溶液兩種措施結(jié)合處理，分析2種處理方式處理硫化氫的效果，對含硫煤層硫化氫吸收處理提出針對性方案，對促進煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義。

1 煤層預(yù)注及噴灑吸收液理論研究

根據(jù)工作面的硫化氫涌出濃度、風(fēng)量以及時間和煤量等參數(shù)，得出煤層硫化氫含量的理論值，推算出煤體預(yù)注和噴灑吸收液的濃度范圍值，為開展煤層吸收硫化氫提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 預(yù)注吸收液理論研究

1）工作面電纜槽與煤壁之間風(fēng)量。

在采煤機逆風(fēng)割頂煤期間，風(fēng)量的大小決定著硫化氫濃度的高低：

式中：Q為工作面前溜槽與煤壁之間風(fēng)量，m3/min；v為前溜槽與煤壁之間平均風(fēng)速，m/s；B為電纜槽與煤壁之間距離，m；H為底板與頂板之間風(fēng)道高度，m。

2）采煤機滾筒截割一個進尺時煤中涌出硫化氫量。

采煤機滾筒截割一個進尺時煤體中硫化氫的含量包括割煤時涌出的硫化氫量及煤體中未涌出的硫化氫量兩部分。其中割煤時涌出的硫化氫含量采用絕對涌出量計算，煤體中未涌出的硫化氫含量，在絕對涌出量的基礎(chǔ)上乘以補償系數(shù)。計算公式為：

式中：VH2S為煤機滾筒截割一個進尺煤中的硫化氫量，m3；c為采煤機在滾筒割煤下風(fēng)側(cè)硫化氫涌出的濃度，ppm；K為補償系數(shù)，一般取值1.5；T為滾筒截割一個進尺需要時間，min。

3）采煤機滾筒截割一個進尺的煤量。

采煤機滾筒截割一個進尺的煤量根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)條件確定，計算公式為：

式中：AH2S為滾筒截割一個進尺的煤量，t；γ為煤的容重，t/m3；L為廢棄油井影響區(qū)域工作面傾向長度，m；h為滾筒割煤寬度，m；l為采煤機截深，m。

4）煤體中硫化氫含量計算。

煤體中硫化氫含量計算按相對量計算，即采煤機截割噸煤中含有硫化氫量。煤體中硫化氫含量計算公式如下：

式中：WH2S為煤體中硫化氫的含量，m3/t。

根據(jù)上述計算公式，結(jié)合煤層采動時的硫化氫涌出濃度（采煤機采煤速率在3 m/min，預(yù)估硫化氫涌出濃度182×10-6），計算得出煤體中硫化氫含量為WH2S=0.032 m3/t。根據(jù)煤層所注吸收液與硫化氫反應(yīng)的方程式，可以計算出吸收掉噸煤中硫化氫所需的吸收液量為0.15 kg。最后根據(jù)煤體濕潤半徑考察中得出的煤體全水分增量為1.8 %，計算得出噸煤注水量為18 kg，由此計算得到煤體預(yù)注吸收液濃度理論值為1.5%。

1.2 噴灑吸收液理論研究

1）噴霧壓力設(shè)計。為滿足噴霧凈化硫化氫的需要，結(jié)合I0104105綜采面風(fēng)速、采煤機及支架結(jié)構(gòu)、硫化氫分布情況以及以往工程實踐，噴霧壓力設(shè)計為6～10 MPa；根據(jù)現(xiàn)場實施效果進行相應(yīng)調(diào)整。

2）噴霧流量設(shè)計。為達(dá)到噴霧能有效攔截捕獲硫化氫的目的，結(jié)合工程實際，噴霧流量L為160 L/min；噴向采煤機滾筒流量為100 L/min，下風(fēng)側(cè)攔截噴霧的流量設(shè)計為60 L/min。

3）吸收液濃度設(shè)計。煤機滾筒附近斷面風(fēng)量計算。根據(jù)I0104105綜采面風(fēng)量、風(fēng)速、采高以及電纜槽與煤壁之間斷面尺寸，預(yù)計采煤機滾筒附近電纜槽與煤壁之間風(fēng)量QF為700 m3/min左右。

煤機滾筒附近硫化氫涌出量計算。根據(jù)測定的硫化氫濃度預(yù)計，回采I0104105工作面時涌出硫化氫PH2S達(dá)到200×10-6，結(jié)合風(fēng)量Q值，通過如下公式計算采煤機滾筒附近硫化氫量V硫化氫：

通過計算得出VH2S為0.14 m3/min。

吸收煤機滾筒附近涌出硫化氫所需吸收劑量計算。依據(jù)A+硫化氫→BS+C化學(xué)方程式（其中A為KXL-Ⅰ型吸收劑，BS及C為反應(yīng)生存物質(zhì)），依據(jù)A與硫化氫反應(yīng)的摩爾質(zhì)量得到吸收劑的需求量。

式中：MA是吸收劑用量，kg/min；Vmol是硫化氫的摩爾體積，22.4l/mol；Mmol是吸收劑摩爾質(zhì)量，108 g/mol；K是吸收硫化氫的系數(shù)，1.5。

通過計算得到吸收劑用量

MA為1.01 kg/min。

噴灑吸收液濃度計算。

式中：ρ為吸收液濃度，%；L為吸收液流量，160 L/min。

噴灑吸收液濃度約為0.6 %?，F(xiàn)場實施時取0.4 %、0.5%、0.6 %、0.7 %、0.8 %、0.9 %、1.0 %分別進行現(xiàn)場試驗測試，依據(jù)現(xiàn)場操作成本和降低硫化氫效率的高低，得到最為合適的吸收液濃度。

2 系統(tǒng)布置及硫化氫處理效果分析

2.1 預(yù)注吸收液系統(tǒng)布置及效果分析

2.1.1 預(yù)注吸收液系統(tǒng)布置

實施系統(tǒng)的組成部分為：吸收液添加裝置、注水泵、供水管路、吸收液配比箱、SGS雙功能水表、注水封孔器。煤層預(yù)注堿性吸收液治理硫化氫的系統(tǒng)如圖1所示。主要設(shè)備（材料）設(shè)計及安裝如下：

圖1 煤層預(yù)注吸收液治理硫化氫示意圖

2.1.2 預(yù)注不同吸收液配比濃度的效果分析

在進、回風(fēng)巷距廢棄油井20～140 m范圍內(nèi)雙巷布孔，每隔20 m設(shè)置一個濃度值的注液試驗段，根據(jù)前述計算得到煤體預(yù)注吸收液濃度理論值為1.5 %；煤體注不同吸收液濃度按1.2 %、1.5 %、1.8 %、2.1 %、2.4 %進行試驗選取，注水中添加0.2 %濕潤劑得到更好的效果；選用硫化氫測試儀，對采煤機司機處及其后10 m處的硫化氫濃度開展測試。根據(jù)測試結(jié)果取平均值，得到了煤體預(yù)注不同吸收液濃度時采煤機割煤產(chǎn)生的硫化氫治理成果如圖2所示，硫化氫降低效率隨不同吸收液濃度有著如圖3的變化規(guī)律。

圖2 預(yù)注不同吸收液濃度前后硫化氫涌出濃度變化規(guī)律

根據(jù)圖2和圖3可以得出：

1）煤層預(yù)注堿性吸收液吸收硫化氫主動治理措施，能夠有效降低采煤機割煤涌出的硫化氫濃度，且隨著煤層預(yù)注吸收液濃度的增長，采煤機割煤涌出硫化氫濃度逐漸減小。

圖3 硫化氫降低效率隨預(yù)注不同吸收液濃度變化規(guī)律

2）隨著煤體預(yù)注堿性吸收液配比濃度的增加，硫化氫降低效率呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，硫化氫降低效率并不隨堿性吸收液配比濃度的增大呈線性增加。當(dāng)吸收液配比濃度分別為1.5%時，硫化氫降低效率為60.8 %；當(dāng)吸收液配比濃度提高至1.8%時，硫化氫降低效率達(dá)到了65.8 %；當(dāng)吸收液配比濃度提高至2.1 %時，相比濃度為1.5 %時硫化氫降低效率增加了2.9 %；當(dāng)吸收液配比濃度繼續(xù)提升時，降低效率增加不明顯。

2.2 高壓噴霧在煤層采動下的硫化氫吸收處理及效果

2.2.1 高壓噴霧系統(tǒng)布置

根據(jù)I0104105綜采面采煤機滾筒割煤時工作面涌出硫化氫擴散分布規(guī)律的考察結(jié)果，布置噴向滾筒方向的噴灑吸收液裝置，形成吸收液水霧包圍圈，從采煤機割煤產(chǎn)生硫化氫源頭處吸收硫化氫。對于隨風(fēng)流仍然向外擴散的硫化氫，利用自動跟蹤噴灑吸收液水霧，對其進行攔截捕獲，達(dá)到有效治理采煤機割煤涌出硫化氫危害目的。

在高壓噴霧系統(tǒng)噴霧流量及壓力恒定情況時，噴灑吸收液配比設(shè)置吸收液濃度0.4 %～1.0 %，噴霧壓力6～10 MPa，噴向采煤機滾筒及下風(fēng)流跟蹤攔截噴霧流量分別為100 L/min及60 L/min左右。

圖4 中高壓噴霧實施系統(tǒng)技術(shù)方案布置圖

圖5 采煤機割煤中高壓噴霧攔截吸收硫化氫的系統(tǒng)組成圖

2.2.2 噴灑不同配比濃度吸收液的效果分析

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到了采煤機司機處以及下風(fēng)流7 m處噴灑不同吸收液濃度時硫化氫涌出濃度降低效果如圖6所示，采煤機割煤時硫化氫降低效率隨噴灑吸收液濃度變化規(guī)律如圖7所示。

根據(jù)圖6和圖7所示采煤機割煤時噴灑不同配比濃度吸收液的吸收效果分析可以得出：

1）硫化氫涌出濃度隨著噴灑吸收液濃度的增加呈現(xiàn)出現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律。

2）硫化氫降低效率隨著噴灑吸收液濃度增加而呈現(xiàn)出逐漸增加的變化規(guī)律。在噴灑吸收液濃度由0.4%增大至0.8%時，測得下風(fēng)流7 m位置硫化氫均值由51.3×10-6下降至23.4×10-6，硫化氫降低效率由52.3 %提高至78 %；之后在噴灑吸收液濃度由0.8 %增大至1.0 %時，測得下風(fēng)流7 m位置硫化氫均值由23.4×10-6下降至20.6×10-6，硫化氫降低效率由78%僅提高至81.3%。

圖6 噴灑不同吸收液濃度時硫化氫涌出濃度降低效果

圖7 采煤機割煤時硫化氫降低效率隨噴灑吸收液濃度變化規(guī)律

3）采煤機下風(fēng)流7 m位置硫化氫涌出濃度要比采煤機司機位置硫化氫涌出濃度大，因此采煤機割煤時硫化氫降低效率在不同位置有所差異，且在硫化氫涌出濃度較大區(qū)域測定得到了的硫化氫降低效率偏小。

3 結(jié)論

1）根據(jù)硫化氫吸附特性以及煤層開采時涌出硫化氫分布規(guī)律，建立了煤層預(yù)注吸收液治理硫化氫和回采期間噴灑吸收液治理采動涌出硫化氫的關(guān)鍵工藝技術(shù)體系，現(xiàn)場考察得出了合理的工藝技術(shù)參數(shù)。

2）考慮硫化氫降低效率及使用成本，得出煤層注堿性吸收液防治硫化氫的吸收液的最佳配比濃度為2.1 %，預(yù)注堿性吸收液以后采煤機割煤涌出硫化氫降低效率可達(dá)到65%以上。

3）雙馬煤礦綜采工作面廢棄油井影響區(qū)域噴灑吸收液治理采煤機割煤涌出硫化氫的吸收液配比濃度為0.8%，硫化氫降低效率能夠達(dá)到70%以上。

4）通過利用超前探測鉆孔實現(xiàn)了氣體探測、氣體預(yù)排、預(yù)注堿性吸收液一孔多用，大大節(jié)約了鉆孔施工工程量，提高了災(zāi)害治理效果。