沙坪煤業(yè)13號(hào)煤層堿液與硫化氫反應(yīng)規(guī)律數(shù)值模擬

王武

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采煤工藝不斷改進(jìn)，煤產(chǎn)量也隨之增高，但礦井下的危害也越來(lái)越多，同時(shí)H2S 涌出量隨之增多，H2S 濃度達(dá)到0.05%時(shí)，經(jīng)0.5～1.0 h 就會(huì)嚴(yán)重中毒，失去知覺(jué)，抽筋、瞳孔變大，甚至死亡[1]，即H2S 引起的人員傷亡事故也逐漸增多[2]。

各個(gè)國(guó)家逐漸開(kāi)始重視H2S 氣體的危害，對(duì)于防治H2S 氣體的危害，在國(guó)外一些煤礦采用化學(xué)催化脫硫方式，尤其美國(guó)和澳大利亞廣泛應(yīng)用這種方式[3-4]。在我國(guó)許多學(xué)者提出使用堿液治理H2S，畢勝等人提出了以高壓預(yù)注堿性液中和硫化氫為主、局部噴灑吸收液與抽采為輔助以及個(gè)體防護(hù)的綜合治理體系[5]；梁冰等人對(duì)煤層注堿應(yīng)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[6]；雷建華在高硫工作面合理注堿孔距進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好的在現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)應(yīng)用[7]。

本文以山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司13 號(hào)煤層為原型，使用COMSOL Mutiphysics 數(shù)值仿真軟件中建立簡(jiǎn)化三維模型并建立其數(shù)學(xué)、物理模型，通過(guò)多孔介質(zhì)反應(yīng)流和局部熱非平衡多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬，研究不同孔距下H2S 的去除效果及堿液在煤層中的流動(dòng)和擴(kuò)散規(guī)律，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1 煤層注堿的數(shù)值模擬

煤層注堿的過(guò)程是由含濕非飽和到飽和的過(guò)程，包含分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)2 個(gè)方面，流體分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)及堿液中的OH-與煤層中H2S 的反應(yīng)擴(kuò)散，堿液（Na2CO3） 與H2S 反應(yīng)方程式如下。

由于煤層注堿過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的含濕非飽和多孔介質(zhì)多相多組分流體非穩(wěn)態(tài)層流運(yùn)動(dòng)[8-9]，并且在傳質(zhì)過(guò)程中涉及到化學(xué)反應(yīng)，這就需要從力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等不同學(xué)科的角度進(jìn)行數(shù)學(xué)和物理描述，而對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)和物理分析是相當(dāng)困難的，因此，本文在不脫離實(shí)際的情況下對(duì)該系統(tǒng)做出一定的假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化模型和數(shù)值計(jì)算成本。

（1） 假設(shè)煤儲(chǔ)層是孔隙率恒定、各向同性的多孔介質(zhì)，且滲透率恒定。

（2） 注堿的過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)對(duì)原始地應(yīng)力場(chǎng)不產(chǎn)生影響，計(jì)算中不考慮應(yīng)力變化造成的煤層參數(shù)變化。

（3） 堿液均勻混合，與煤儲(chǔ)層中的H2S 作用的傳質(zhì)過(guò)程符合Fick 定律，化學(xué)反應(yīng)速率通過(guò)求解阿倫尼烏斯方程獲得。

（4） 液體在煤層中的滲流為層流且滲流過(guò)程符合Darcy 定律。

（5） H2S 氣體在煤儲(chǔ)層中均勻分布。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

數(shù)值建模以沙坪煤業(yè)13 號(hào)煤層為原型，建立幾何尺寸為20 m×15 m×1.4 m 的模型，即沿煤層走向長(zhǎng)度為20 m，傾向15 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算取煤層厚度1.4 m。在作面煤壁施工注堿鉆孔，鉆孔直徑94 mm，深度為12 m，鉆孔方位垂直煤壁，初始注堿濃度為60 mol/m3，如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2 初始條件

模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Model Calculation Parameters

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 單孔注堿

在煤壁實(shí)施順層鉆孔，注堿管連接封孔器，通過(guò)注漿泵向鉆孔注入堿液，在注堿壓力（4 MPa）作用下，堿液滲入煤層孔隙裂隙，與孔隙裂隙中的H2S 反應(yīng)，以此達(dá)到降低煤層H2S 的目的。先進(jìn)行單孔注堿模擬，確定單孔注堿時(shí)堿液的擴(kuò)散范圍，可以為接下來(lái)的雙孔注堿模擬以及往后的礦下煤層多孔注堿提供參照。圖2為不同時(shí)段堿液的滲流情況，圖3為煤層堿液的濃度變化。

由圖2可知，通過(guò)煤層鉆孔注堿，隨著時(shí)間增長(zhǎng)注堿影響范圍逐漸增大，堿溶液不斷滲入煤層孔隙裂隙中，與H2S 氣體反應(yīng)。同時(shí)由圖3也可明顯看出，距離鉆孔越近堿溶液滲流越快，距離越遠(yuǎn)滲流越慢壓力梯度減小。經(jīng)過(guò)1 h 注堿，堿液滲流到距鉆孔2 m 范圍，距鉆孔1 m 處，堿溶液濃度達(dá)到50 mol/m3左右，距鉆孔1.5 m 處，濃度約為40 mol/m3。注堿6 h 以后，堿液滲流到2 m 范圍，距鉆孔2.5 m 處，堿液濃度達(dá)到50 mol/m3，在3 m 處約為20 mol/m3。經(jīng)過(guò)12 h 以后，注堿影響范圍達(dá)到3.5 m 以上，距鉆孔4 m 遠(yuǎn)處，堿溶液濃度約為20 mol/m3。注堿24 h 后，注堿影響范圍遠(yuǎn)于4 m，距鉆孔4 m 位置處，堿液濃度達(dá)到40 mol/m3以上。注堿48 h 后，注堿影響范圍增長(zhǎng)速度逐漸減小，最遠(yuǎn)到達(dá)5 m。

圖2 堿液濃度隨注堿時(shí)間變化情況Fig.2 Variation of alkali concentration with alkali injection time

圖3 煤層堿液濃度變化值Fig.3 Variation of alkali concentration in coal seam

2.3.2 單孔變壓注堿

通過(guò)改變注堿壓力來(lái)對(duì)煤層進(jìn)行注堿，研究不同壓力下堿液的滲流狀況。圖4為不同注堿壓力下單孔堿液隨時(shí)間擴(kuò)散圖，圖5為不同壓力注堿時(shí)煤層堿液濃度變化值。

由圖4和圖5可以看出，隨著注堿壓力的增大，堿液的擴(kuò)散范圍也在逐漸增大。堿液的擴(kuò)散范圍增長(zhǎng)速度減慢，并無(wú)非常明顯增長(zhǎng)；當(dāng)注堿壓力為4 MPa 注堿時(shí)間為48 h 時(shí)，堿液的擴(kuò)散范圍最遠(yuǎn)達(dá)到了5 m。

圖4 不同注堿壓力下單孔堿液隨時(shí)間擴(kuò)散圖Fig.4 Diffusion diagram of single pore alkali solution with time under different alkali injection pressure

圖5 不同壓力注堿時(shí)煤層堿液濃度變化值Fig.5 Variation of coal seam alkali concentration under different pressure injection

2.3.3 雙孔注堿

由于單孔注堿模擬顯示堿液的擴(kuò)散范圍最遠(yuǎn)會(huì)到達(dá)5 m，因此進(jìn)行雙孔注堿時(shí)雙孔的間距設(shè)置為10 m，這樣堿液會(huì)充分和H2S 反應(yīng)，效率更高。于是對(duì)煤層進(jìn)行注堿壓力不同時(shí)孔距為10 m 的雙孔注堿數(shù)值模擬研究。如圖6所示雙孔的y 軸坐標(biāo)分別為5 和-5。堿液隨時(shí)間的滲透情況如圖7所示。

圖6 幾何模型Fig.6 Geometric model

圖7 注堿壓力為4 MPa 時(shí)雙孔注堿的堿液滲透圖Fig.7 Alkali permeation diagram of double hole alkali injection at 4 MPa

圖8是孔距為10 m 注堿壓力為4 MPa 時(shí)堿液濃度隨時(shí)間變化曲線，注堿1 h 后，堿液擴(kuò)散至距鉆孔約3.5 m，1 m 內(nèi)濃度達(dá)59 moL/m3，距鉆孔1～3 m 濃度下降，距鉆孔2 m 處碳酸氫鈉溶液的濃度為40 mol/m3，此時(shí)兩鉆孔間堿液未發(fā)生串流及相互影響。注堿6 h 后，堿液擴(kuò)散至距鉆孔約5.5 m，3.5 m 濃度達(dá)59 mol/m3，距鉆孔3～4.5 m 內(nèi)濃度開(kāi)始下降，距鉆孔4 m 堿液濃度為4 mol/m3，兩鉆孔中間堿液濃度為24 mol/m3，可以明顯看出兩鉆孔間已經(jīng)出現(xiàn)堿液交叉的情況。注堿12 h 后，鉆孔周圍約5 m 內(nèi)分布有碳酸氫鈉溶液，兩鉆孔中心位置堿液濃度約為48 mol/m3，兩鉆孔間堿液已經(jīng)完全交叉，鉆孔中間上部和下部堿液濃度較低。注堿24 h 后，兩鉆孔中心位置堿液濃度約為59 mol/m3，此時(shí)，鉆孔間煤層已經(jīng)被堿液充分浸潤(rùn)。

圖8 注堿壓力為4 MPa 時(shí)雙孔注堿的堿液濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 The curve of alkali concentration changing with time under the pressure of 4 MPa for double-hole alkali injection

2.3.4 雙孔變壓注堿

圖9分別為壓力在2、3、4 MPa 下雙孔注堿時(shí)的堿液滲透圖，圖10為不同注堿壓力下，堿液隨時(shí)間延長(zhǎng)的滲透范圍變化圖。

圖9 不同注堿壓力下雙孔堿液隨時(shí)間擴(kuò)散圖Fig.9 Diffusion diagram of alkali solution with time under different pressure

圖10 不同壓力注堿時(shí)堿液濃度變化圖Fig.10 Chart of alkali concentration change under different pressure

由圖9和圖10可以看出，隨著注堿壓力的增大，堿液的擴(kuò)散范圍也在逐漸增大。當(dāng)逐漸壓力為4 MPa 注堿時(shí)間為48 h 時(shí)，堿液的擴(kuò)散范圍最遠(yuǎn)達(dá)到了9.8 m；堿液的擴(kuò)散范圍增長(zhǎng)速度減慢，并無(wú)非常明顯的增長(zhǎng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為達(dá)到更好的注堿效果，現(xiàn)場(chǎng)采用多孔注堿注堿方式，根據(jù)模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值，確定煤層注堿時(shí)的孔間距為8 m、注堿壓力為4 MPa，在工作面兩順槽交錯(cuò)布置順層注堿鉆孔，如圖11所示，進(jìn)行煤層注堿。

圖11 注堿鉆孔間距Fig.11 Borehole spacing of alkali injection

為全面提高13 號(hào)煤層的H2S 氣體治理效果，分別在1 號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處進(jìn)行打孔注堿，為期30 d 的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖12所示。

圖12 注堿鉆孔間距Fig.12 Borehole spacing for alkali injection

如圖12所示，縱坐標(biāo)為煤層空氣中H2S 濃度，橫坐標(biāo)為注堿天數(shù)，注堿5 d 后，1 號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處H2S 濃度都從20～30 ppm降至6.6 ppm 以下，隨后的一周里H2S 濃度有微波動(dòng)，但是總體為下降趨勢(shì)，甚至降至0；第13 d 安排工人進(jìn)行回采，煤層空氣中H2S 濃度略有所上升，最高濃度為6 ppm，平均濃度為3.2 ppm?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，孔距為8 m、壓力為4 MPa 的注堿鉆孔可行，治理效果明顯。

4 結(jié)論

（1） 模擬結(jié)果證明，單孔注堿時(shí)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)注堿影響范圍越大，堿溶液不斷深入煤層孔隙中，與煤層中的H2S 進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)注堿48 h、注堿壓力為4 MPa，注堿影響范圍增長(zhǎng)最遠(yuǎn)到達(dá)6.4 m。

（2） 雙孔注堿時(shí)選用的孔距為8 m，當(dāng)注堿6 h、距孔4 m 時(shí)2 個(gè)鉆孔之間已經(jīng)出現(xiàn)堿液交叉的情況，注堿24 h 后，鉆孔間煤層已經(jīng)被堿液充分浸潤(rùn)。當(dāng)注堿48 h、注堿壓力為4 MPa 時(shí)，堿液擴(kuò)散范圍最遠(yuǎn)達(dá)到了9.8 m。

（3） 依據(jù)模擬結(jié)果，在沙坪煤業(yè)13 號(hào)煤層1號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處進(jìn)行煤層注堿實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，孔距為8 m、壓力為4 MPa 的注堿鉆孔可行，治理效果明顯。