綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理技術(shù)

王富忠 ，劉 奎 ，龔小兵 ，趙 凱 ，張 堯 ，李定富

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830011；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400037；3.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室, 重慶 400037）

0 引 言

硫化氫是煤礦開采過程中伴生的有毒有害氣體之一[1-4]。截止目前，據(jù)不完全統(tǒng)計我國陜西、四川、新疆、內(nèi)蒙、山西、山東、湖南、重慶、河南、寧夏、云南等地，約有100 多座煤礦出現(xiàn)了硫化氫氣體體積分數(shù)嚴重超標問題[5-9]。硫化氫體積分數(shù)一旦超限，其危害性主要表現(xiàn)為：低濃度時，有臭雞蛋氣味，影響煤礦井下作業(yè)環(huán)境；高濃度時，使接觸者咳嗽、刺激眼睛強烈疼痛及紅腫，甚至使接觸者失去知覺、呼吸停止以至于死亡。此外，硫化氫具有較強的化學活性，易腐蝕金屬設備及煤礦井下的監(jiān)控、監(jiān)測設施（如：CO 傳感器、O2傳感器、CH4傳感器等），增加煤礦設備維修成本及帶來嚴重的安全隱患。受綜掘工作面巷道獨頭通風影響，掘進工作面區(qū)域易形成硫化氫氣體積聚、超限問題。綜掘工作面積聚的硫化氫給作業(yè)人員帶來傷害的同時，也時常腐蝕損壞布置在巷道中的CO 傳感器、O2傳感器、CH4傳感器等。國內(nèi)外煤礦企業(yè)在硫化氫危害防治方面主要采取噴灑堿基質(zhì)水霧吸收、煤層注吸收液吸收以及煤體硫化氫抽采等技術(shù)措施。由于噴灑的堿基質(zhì)吸收液未能有效接觸、吸收擴散在風流中的硫化氫，導致涌出硫化氫治理效率較低，如：烏克蘭頓巴斯礦區(qū)采用0.1%～0.2%蘇打水溶液加入0.2%～0.3%的表面活性劑噴灑液，使空氣中硫化氫體積分數(shù)降低了50%～80%[10]；同時噴灑水霧還存在嚴重阻礙現(xiàn)場人員視線及淋濕衣服等問題。受煤對硫化氫氣體的吸附能力較強以及煤體孔隙率較低的影響，導致煤體硫化氫抽采效率僅為10%左右，如：烏東煤礦5754501 工作面在開展煤體硫化氫抽放前，采煤機割煤時硫化氫氣體涌出體積分數(shù)一般在0.034 2%～0.035 0%，煤體硫化氫抽放后采煤機割煤時硫化氫氣體涌出體積分數(shù)一般在0.029 9%～0.030 9%，煤體硫化氫抽放效率一般在10.3%～12.8%[11]。

由于煤層注吸收液工藝技術(shù)未能深入研究，導致吸收煤體硫化氫效率僅為50%左右[12-16]。筆者重點研究煤礦綜掘工作面硫化氫涌出及分布規(guī)律以及綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理工藝技術(shù)及配套裝置，為更好的治理煤礦綜掘工作面硫化氫危害提供新的技術(shù)途徑及實踐經(jīng)驗。

1 綜掘工作面硫化氫涌出及分布測試分析

在掘進機割煤期間，以CD4 型硫化氫便攜儀為測試工具，對涌出硫化氫在回風流方向分布規(guī)律進行測試分析；從掘進機停止截割煤體時起，以秒表和CD4 型硫化氫便攜儀為測試工具，對涌出硫化氫濃度隨時間變化規(guī)律進行測試分析。圖1 為烏東礦+550 m 綜掘工作面硫化氫測點布置；考慮現(xiàn)場生產(chǎn)條件以及研究需要，在距掘進工作面1、6、11、16 m的沿程斷面上分別布置測站點A、B、C、D。

圖1 綜掘工作面硫化氫測點布置示意Fig.1 Layout of hydrogen sulfide measuring points in fully mechanized face

1.1 掘進機停止割煤后硫化氫隨時間變化規(guī)律

從掘進機停止截割煤體起用秒表計時，每隔60 s，用CD4 型硫化氫便攜儀讀取硫化氫體積分數(shù)，測點距迎頭煤壁1 m、距底板1.5 m。由掘進機停止割煤后硫化氫濃度隨時間變化規(guī)律（圖2）分析可以看出，隨著掘進機停止割煤時間增加涌出硫化氫濃度呈現(xiàn)出快速減小至零的規(guī)律；在掘進機停止割煤時間分別為0、60、120、180、240、300 s 測點硫化氫體積分數(shù)分別為182.2×10-6、118.6×10-6、45.2×10-6、0、0、0；當停止割煤時間≥180 s 時，涌出硫化氫氣體濃度趨于0，一旦停止割煤硫化氫濃度快速趨于0。上述分析也表明，綜掘工作面硫化氫氣體的產(chǎn)生主要是由掘進機截割煤體時產(chǎn)生的，一旦停止割煤硫化氫濃度快速降為零；進而說明煤體對硫化氫氣體的吸附能力較強，主要吸附狀態(tài)存在的，一旦停止割煤擾動，煤體中硫化氫氣體將停止向外釋放。因此，綜掘工作面硫化氫氣體治理應從掘進機割煤過程中產(chǎn)生硫化氫氣體的源頭區(qū)域進行治理。

圖2 掘進機停止割煤后硫化氫濃度隨時間變化規(guī)律Fig.2 Variation law of hydrogen sulfide concentration with time after road-header stops cutting coal

1.2 綜掘工作面涌出硫化氫在回風流方向分布規(guī)律

在掘進機割煤期間，由綜掘工作面涌出硫化氫在回風流方向上分布規(guī)律（圖3）分析可以看出，受硫化氫氣體（分子量為34)較空氣(分子量為29)重所帶來的沉降作用，掘進機割煤涌出硫化氫在回風流方向上以及頂?shù)装甯叨确较蛏暇尸F(xiàn)出逐漸減小的分布規(guī)律；當測點距底為1.4 m 時，測得距綜掘工作面掘進工作面煤壁分別為1、6、11、16 m 各測點硫化氫體積分數(shù)分別為187.4×10-6、165.7×10-6、124.7×10-6、79.3×10-6；當測站點距綜掘工作面掘進工作面煤壁6 m 時，測得距底板分別為0.7、1.4、2.1、2.8 m的各測點硫化氫體積分數(shù)分別為180.3×10-6、165.7×10-6、126.7×10-6、95.1×10-6?，F(xiàn)場測試分析表明，治理綜掘工作面硫化氫氣體危害時，距掘進工作面煤壁≤6 m、距底板≤2.1 m 的區(qū)域應是硫化氫治理重點。

圖3 綜掘工作面涌出硫化氫在回風流方向上分布規(guī)律Fig.3 Distribution law of hydrogen sulfide gushing out of fully mechanized driving face in the direction of return air flow

2 綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理機理

根據(jù)“綜掘工作面硫化氫涌出及分布測試分析”得出硫化氫氣體是從綜掘機割煤源頭區(qū)域產(chǎn)生，并隨風流向整條巷道擴散的結(jié)論，提出綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理的新技術(shù)。利用硫化氫抽取風機、吸風筒組成的抽吸系統(tǒng)，實現(xiàn)對綜掘機割煤產(chǎn)生硫化氫氣體的集中抽取，達到從綜掘工作面硫化氫氣體產(chǎn)生源頭區(qū)域治理的目的。利用布置在硫化氫抽取風機與吸風筒之間的硫化氫氣體凈化裝置，實現(xiàn)對被抽取的硫化氫氣體的集中凈化處理。硫化氫氣體凈化裝置中設計有多道細水霧發(fā)生裝置、循環(huán)供液裝置以及高濃度吸收液箱，硫化氫風流進入凈化裝置后，被高濃度吸收液箱、循環(huán)供液裝置、多道細水霧發(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，利用“酸-堿中和反應”原理，吸收凈化風流中的硫化氫氣體，并形成潔凈風流；潔凈風流流經(jīng)硫化氫抽取風機后排入巷道。圖4 為綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理技術(shù)原理圖。

圖4 綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體治理技術(shù)原理Fig.4 Schematic diagram of integrated technology of hydrogen sulfide extraction and purification in fully-mechanized driving face

3 綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置設計

3.1 硫化氫抽取風機設計

根據(jù)烏東礦+550 m 綜掘工作面供風量約為300 m3/min 左右，綜掘工作面壓/抽風設施的壓/抽比一般為1∶0.8 情況[17]，硫化氫抽取風機的風量設計為240 m3/min。參照以往工程實踐，硫化氫抽取風機前方接入30 m 吸風筒的阻力約800 Pa，硫化氫凈化裝置阻力約1 400 Pa，則硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置全壓設計值應≥2 200 Pa。根據(jù)上述計算分析，硫化氫抽取風機選型FBCDNO5.6/2×11 礦用抽出式對旋風機；其結(jié)構(gòu)尺寸為：?676 mm×2 280 mm，風量240 m3/min 時，靜壓為2 800 Pa 左右，滿足設計要求。

3.2 硫化氫氣體凈化裝置設計

3.2.1 裝置箱體斷面尺寸（寬/高）設計

由前期實驗室研究表明，風速是影響硫化氫吸收效率的關(guān)鍵因素，且當風速控制在2 m/s 以下時才能獲得較高的硫化氫吸收率[18-19]。根據(jù)上述硫化氫抽取風機設計風量240 m3/min 左右情況，結(jié)合巷道可安裝硫化氫凈化裝置的空間，硫化氫凈化裝置的斷面尺寸（寬/高）設計為：1.8 m/1.2 m；通過計算斷面風速為1.85 m/s 左右。

3.2.2 細水霧發(fā)生裝置設計

根據(jù)烏東礦+550 m 綜掘工作面涌出硫化氫體積分數(shù)200×10-6左右，硫化氫抽取風機設計風量240 m3/min，KXL-Ⅱ礦用硫化氫吸收劑與硫化氫反應吸收化學方程式D+H2S→KS+G（其中D 為KXL-Ⅱ礦用硫化氫吸收劑，KS 及G 為反應生存物質(zhì)）等條件，通過理論計算吸收硫化氫所需要的吸收劑配比濃度為0.3%、噴灑吸收液流量120 L/min[20]。以噴灑吸收液水霧能完全覆蓋硫化氫凈化裝置斷面為設計依據(jù)，設計出單道細水霧發(fā)生裝置（圖5），其中噴嘴選型為1/2B-SS5-10W 型廣角度實心錐型噴嘴?？紤]到充分凈化硫化氫需要，結(jié)合單個噴嘴噴灑吸收液有效距離約為260 mm 條件，硫化氫凈化裝置內(nèi)布置設計了4 道噴灑吸收液裝置，整體裝置采用35 mm×35 mm×3 mm方管制作。

圖5 單道細水霧發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of single channel water mist generator

3.3 吸收液循環(huán)供液裝置設計

為了最大限度的利用硫化氫吸收液，節(jié)約使用成本，吸收液供應裝置設計成循環(huán)供液系統(tǒng)（圖6），該系統(tǒng)主要由高濃度吸收液箱、循環(huán)供液泵、管路等組成。其中循環(huán)供液泵選型為BQW20-70-11 潛污泵，噴霧壓力可達0.7 MPa，噴灑流量可達350 L/min左右；左右兩邊各設計一個高濃度吸收液箱，兩液箱容積為1.3 m3。

圖6 吸收液循環(huán)供液裝置組成Fig.6 Composition diagram of absorption liquid circulating liquid supply device

3.4 硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置總體結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)上述對硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置各關(guān)鍵部件設計，結(jié)合烏東礦+550 m 綜掘工作面生產(chǎn)條件，對硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置總體結(jié)構(gòu)組成進行了設計（圖7）；其主要由硫化氫凈化裝置、吸收液循環(huán)供液裝置、硫化氫抽取風機、安裝架等組成，裝置整體長度5.5 m，寬2.5 m，高為1.9 m；抽吸風量240 m3/min；硫化氫凈化裝置設計有4 道細水霧發(fā)生裝置；循環(huán)供液裝置的噴霧壓力達0.7 MPa，噴灑流量達350 L/min 左右；高濃度吸收液箱容積1.3 m3，高濃度吸收液質(zhì)量濃度達16%。

圖7 硫化氫抽取-凈化一體化治理裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.7 Overall structure diagram of hydrogen sulfide extraction purification integrated treatment device

4 綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理技術(shù)應用

4.1 硫化氫抽取-凈化一體化治理系統(tǒng)安裝布置

為了達到抽取、凈化硫化氫目的，同時又方便現(xiàn)場使用，對硫化氫抽取-凈化一體化治理系統(tǒng)的安裝布置進行設計（圖8）。硫化氫抽取-凈化一體化裝置利用安裝架固定在二運裝置的軌道上，實現(xiàn)隨軌道的定期移動而移動。30 m 長的?800 mm 抽吸風筒，利用風筒吊掛裝置吊掛在巷道靠回風側(cè)，抽吸風口端距巷道迎頭及底板分別為4 m 及1.6 m 左右。

圖8 綜掘面硫化氫抽取-凈化一體化治理系統(tǒng)布置Fig.8 Layout of integrated treatment device for centralized extraction and purification of hydrogen sulfide in fully mechanized face

4.2 硫化氫抽取-凈化一體化治理效果測試分析

開啟綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化裝置前、后采用CD4 型硫化氫便攜儀，對抽吸風口及出風口后1 m 處硫化氫濃度分別進行測試；循環(huán)供液使用時間采用秒表計時，吸收液循環(huán)供液裝置中高濃度吸收液原始質(zhì)量濃度16%，硫化氫凈化裝置中開啟4 道細水霧發(fā)生裝置的總流量為300 L/min 左右,噴霧壓力0.5 MPa。表1、表2 分別為硫化氫抽取-凈化一體化治理時硫化氫抽取及凈化效果測試表。

表1 硫化氫抽取-凈化一體化治理硫化氫抽取效果測試Table 1 Test of hydrogen sulfide extraction purification integrated treatment effect

表2 硫化氫抽取-凈化一體化治理硫化氫凈化效果測試Table 2 Test for hydrogen sulfide purification effect of integrated treatment of hydrogen sulfide extraction and purification

1）由綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理硫化氫抽取效果測試表1 可以看出：在一體化裝置開啟累計使用21 h 內(nèi)，測得抽吸風口后1 m 處硫化氫抽取效率在91.2%～91.8%，抽取硫化氫效率均值為91.6%；說明硫化氫抽取-凈化一體化裝置抽取硫化氫效率較穩(wěn)定，基本不受裝置循環(huán)開啟使用時間的影響。

2）由綜掘工作面硫化氫抽取-凈化一體化治理硫化氫凈化效果測試表2 可以看出：在一體化裝置開啟累計使用19 h 內(nèi)，測得出風口后1 m 處硫化氫凈化效率一般在93.0%～93.5%，硫化氫凈化均值效率為93.3%。隨著裝置開啟累計使用時間的增加，高濃度吸收液經(jīng)過循環(huán)參與硫化氫中和反應后，吸收液配比濃度逐漸降低，導致硫化氫凈化效率逐漸降低；當硫化氫抽取-凈化裝置開啟累計使用20 h、21 h 時，硫化氫凈化效率分別降至91.4%、86.4%，與裝置開啟累計使用19 h 內(nèi)相比，硫化氫凈化效率減小值最大達到7.1%。

3）烏東礦綜掘工作面現(xiàn)場應用表明，綜掘工作面采用硫化氫抽取-凈化一體化治理技術(shù)時，抽取硫化氫效率受循環(huán)使用時間影響較小，抽取硫化氫均值效率為91.6%；凈化硫化氫效率在循環(huán)使用超過19 h 后降低較明顯，得出循環(huán)供液裝置配一次吸收液累計使用時間為19 h，其凈化硫化氫均值效率為93.3%。

5 結(jié) 論

1）現(xiàn)場實測表明，隨著掘進機停止割煤時間增加涌出硫化氫濃度呈現(xiàn)出快速減小的規(guī)律，當停止割煤時間≥180 s 時，涌出硫化氫氣體濃度趨于0，一旦停止割煤硫化氫濃度快速趨于0；掘進機割煤涌出硫化氫在回風流方向上以及頂?shù)装甯叨确较蛏暇尸F(xiàn)出逐漸減小的分布規(guī)律。

2）得出硫化氫抽取-凈化一體化治理烏東礦綜掘工作面硫化氫危害的工藝參數(shù)為：高濃度吸收液質(zhì)量濃度16%時，循環(huán)噴霧使用時間19 h；硫化氫凈化裝置中開啟4 道可循環(huán)使用的細水霧發(fā)生裝置，其總流量為300 L/min 左右,噴霧壓力0.5 MPa。采取硫化氫抽取-凈化一體化治理硫化氫技術(shù)后，使抽吸風口后1 m 及出風口后1 m 硫化氫體積分數(shù)分別降到13.9×10-6、10.2×10-6，硫化氫抽取效率及硫化氫凈化效率分別達到91.8%及93.5%，為高效治理煤礦綜掘工作面硫化氫危害提供新的技術(shù)途徑及實踐經(jīng)驗。