硫化氫氣體治理實(shí)踐

劉廣宇

(山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

3#暗斜井主要服務(wù)于下組煤西翼的人員通行和物料、設(shè)備的運(yùn)輸。傾角24°52′48″，斜長296 m，斜井為錨網(wǎng)噴加錨索聯(lián)合支護(hù)方式，底板混凝土硬化，并在3#暗斜井左側(cè)砌筑水溝，右側(cè)砌筑臺階。3#暗斜井掘至斜長140 m時，瓦斯涌出異常。經(jīng)采取措施進(jìn)行處理后，順利完成暗斜井貫通。

3#暗斜井在進(jìn)行絞車、猴車等設(shè)備的安裝工作時發(fā)現(xiàn)有硫化氫、瓦斯從底板涌出，并在巷道底板附近積聚。140 m～180 m段為有害氣體主要涌出段，水溝內(nèi)硫化氫氣體濃度較高(靠近底板局部硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80×10-6～110×10-6，臺階側(cè)局部硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10×10-6以上，斜井中部預(yù)留基礎(chǔ)處硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5×10-6以上)，回風(fēng)側(cè)風(fēng)流中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2×10-6～3×10-6，有較濃的臭雞蛋味。

2 地質(zhì)概況

根據(jù)師6-3鉆孔及3#暗斜井掘進(jìn)揭露實(shí)際情況，硫化氫涌出異常段主要地層如下：

2.1 8號煤層底板

8號煤底板為均厚5.89 m的細(xì)砂巖，具紋狀構(gòu)造。

2.2 8號煤層

8號煤層與K2石灰?guī)r相距20 m左右，其間巖性下部為灰色、灰黑色泥巖與砂質(zhì)泥巖，常夾有黃鐵礦結(jié)核，上部為灰色石英砂巖，其頂部常具灰黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖。8號煤層層位穩(wěn)定，揭露平均厚度0.31 m。

2.3 K3石灰?guī)r

K3石灰?guī)r為8號煤層的直接頂，呈灰至深灰色，夾扁豆?fàn)铎菔Y(jié)核，含大量海相動物化石。層位穩(wěn)定，平均厚度4.31 m。該灰?guī)r與其上7號煤層間巖性為：下部為黑色或深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，常夾有菱鐵礦或黃鐵礦結(jié)核，上部為灰白至灰色砂巖，構(gòu)成7號煤層底板。

2.4 7號煤層

7號煤層分7號下煤層和7號上煤層兩層，兩層煤間距0.64 m。7號上煤層平均厚度0.58 m，結(jié)構(gòu)簡單。7號上煤層厚度平均0.36 m。

2.5 K4石灰?guī)r

K4石灰?guī)r呈深灰色，層位穩(wěn)定，平均厚度3.83 m。含有大量海相動物化石?；?guī)r之下為深灰色或灰黑色含炭質(zhì)的鈣質(zhì)泥巖，平均厚度2.63 m，含海相動植物化石，常為7號上煤層頂板。

2.6 厚層炭質(zhì)泥巖

厚層炭質(zhì)泥巖，平行整合于K4石灰?guī)r之上，平均厚度7.93 m，為深灰色炭質(zhì)泥巖，頂部微含砂質(zhì)，中夾黑色植物化石及菱鐵礦結(jié)核。

3 硫化氫氣體涌出異常原因分析

井下硫化氫主要來源于煤巖層中含硫礦物的還原、水解、氧化與燃燒，坑木等有機(jī)物的腐爛等。煤的泥炭化階段，生物降解、微生物硫酸鹽還原作用形成的原生硫化氫氣體較多，多溶于水，隨地下水流動逸散，只有一小部分被封存在煤巖層的裂隙中。煤化階段，微生物硫酸鹽還原作用形成的次生硫化氫氣體，保存條件相對較好。煤及圍巖中熱化學(xué)分解成因、硫酸鹽熱化學(xué)還原成因形成的硫化氫氣體不多，除溶于煤層水以外，多被煤層吸附或充填于煤內(nèi)孔、裂隙之中，保存幾率較大。若煤巖層已被CH4、N2、CO2等氣體充塞飽和，一般不會造成硫化氫氣體異?，F(xiàn)象。但是，當(dāng)煤層在抬升過程或地下水作用下，瓦斯逸散后，后期在巖漿熱力作用下新形成的硫化氫氣體，賦存在煤巖層中，容易造成硫化氫氣體異常。煤系地層中存在大量硫酸鹽巖，在熱化學(xué)作用下往往造成硫化氫氣體異常[1-3]。

綜上所述，造成煤巖層中硫化氫氣體異常的主要原因在于硫化氫氣體的生成和保存條件。根據(jù)地質(zhì)資料及掘進(jìn)揭露實(shí)際情況，此段斜井布置在太原組K4至K3灰?guī)r之間，包括8號煤層和7號下煤層、7號上煤層，多含有黃鐵礦及硫酸鹽，是硫化氫氣體的主要生成層。圍巖裂隙較發(fā)育，K4灰?guī)r頂板上賦厚且致密的泥巖，為氣體保存的有利場所。并且太原組灰?guī)r富水性較強(qiáng)，經(jīng)長期疏放，水封的及逸散的硫化氫氣體同時釋放出來，造成硫化氫氣體涌出異常。本次硫化氫異常段巖層總厚度16.91 m，斜井底板揭露長度40.5 m，與瓦斯異常段長度吻合。

4 硫化氫的性質(zhì)及危害

硫化氫是一種無色，微甜且?guī)в谐綦u蛋氣味，有劇毒的氣體。硫化氫相對密度為1.19，極易溶于水形成氫硫酸。硫化氫氣體在水中的溶解度是CO2的2.7倍，是CH4的93倍。所以，它可以積存在巷道的積水、煤巖層的裂隙水中，隨著水流涌出，逸散到空氣中。硫化氫氣體可以燃燒，空氣中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43 000×10-6～455 000×10-6時，能夠爆炸；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6時就能嗅到強(qiáng)烈臭雞蛋氣味；達(dá)到200×10-6時，強(qiáng)烈刺激眼睛及喉嚨黏膜，將使人嗅覺麻痹，并感到頭痛、嘔吐、乏力；達(dá)到500×10-6時，經(jīng)歷0.5 h～1 h，即嚴(yán)重中毒，失去知覺、抽筋、瞳孔放大；當(dāng)達(dá)到1 000×10-6時，在數(shù)秒內(nèi)即可致人死亡。因硫化氫氣體相對密度較空氣大，硫化氫氣體易于積聚在巷道底板低洼處，故地勢低處危險性比高處大。

5 處理方案

根據(jù)現(xiàn)場情況、地質(zhì)資料以及硫化氫氣體的特性，選擇注漿封堵、中和吸收的辦法。通過氣腿式鑿巖機(jī)造孔，插管注漿。先注水壓通巖層裂隙，再注入水灰比5∶1的石灰漿，石灰水在壓力作用下被推向較遠(yuǎn)處，不僅有利于圍巖內(nèi)硫化氫氣體的溶解，而且與二氧化碳、硫化氫氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。跑漿時提高石灰漿的濃度，最終以水灰比1∶1(質(zhì)量比)的石灰漿懸濁液結(jié)束注漿。石灰漿在高壓情況下脫水成膏狀，封堵圍巖裂隙。通過固化、吸收硫化氫氣體，降低硫化氫氣體的異常涌出，徹底消除此區(qū)域內(nèi)的硫化氫氣體隱患。反應(yīng)見式(1)、(2)。

(1)

(2)

5.1 糊縫處理

在硫化氫涌出點(diǎn)，對圍巖噴漿體以及底板澆筑的裂隙、孔隙，用水泥砂漿進(jìn)行糊縫處理。

5.2 造孔、固定注漿管

根據(jù)硫化氫涌出點(diǎn)分布情況，按規(guī)定布置注漿孔。用YT28型氣腿式風(fēng)動鑿巖機(jī)打孔，孔深1.5 m。將Φ1″×3 mm×1 250 mm的鋼管纏麻絲打入孔內(nèi)。注漿管末端做200 mm長花管，另一端車50 mm長管螺紋，車350 mm長的馬牙扣，并在螺紋端焊鋼筋肋用于打管。注漿管安裝好后，安上Φ1″的球閥，連接注漿裝置。

5.3 壓水試驗(yàn)

注漿孔鉆孔到設(shè)計深度后，連接注漿系統(tǒng)，對鉆孔進(jìn)行壓水，目的在于將裂隙中松軟的泥質(zhì)充填物推到注漿范圍以外，從而提高注漿質(zhì)量和封堵效果。對于大裂隙，壓水時間為10 min～20 min，對于中小裂隙，則需要15 min～30 min或更長一些。壓水壓力應(yīng)由小到大，最大不超過注漿終壓。并據(jù)壓水情況確定漿液起始濃度。

注漿以石灰漿為主，漿液濃度先稀后濃。石灰漿起始水灰比為5∶1，逐漸調(diào)高漿液水灰比至1∶1，直至注漿結(jié)束。如壓力仍無變化，注C-S雙液漿，直到達(dá)到設(shè)計終壓。

5.4 注漿封堵

水泥砂漿糊縫施工結(jié)束后，針對硫化氫涌出段，均勻布置注漿管，進(jìn)行注漿封堵工作。注石灰漿，跑漿時提高漿液濃度，封堵淺部瓦斯運(yùn)移通道，并起到加固巷道圍巖松動圈的作用。

6 注漿工藝

6.1 注漿站布置

注漿站靠近施工地點(diǎn)，布置在施工地點(diǎn)的上風(fēng)側(cè)，以便于注漿施工。同時，電氣設(shè)備盡量遠(yuǎn)離硫化氫涌出點(diǎn)，電氣設(shè)備固定牢靠，防止向下滑動，造成事故。

6.2 注漿孔布孔方式與參數(shù)

水溝處，在距水溝500 mm處，平行水溝布置一排孔，間距1 500 mm。鉆孔豎直角35°，垂直斜井走向，扎向墻內(nèi)，孔深1 500 mm。

6.3 注漿方式

注漿順序從下到上，形成分段隔離，保證注漿密實(shí)。

6.4 注漿材料選擇

根據(jù)硫化氫氣體的基本特性，選擇石灰漿代替單液水泥漿，熟石灰漿注入目的層位后，與酸性氣體硫化氫、二氧化碳中和反應(yīng)。懸濁液石灰漿與煤巖層中的二氧化碳、硫化氫氣體反應(yīng)，生成碳酸鈣固體和其他物質(zhì)。石灰漿除了中和吸收有害氣體的特點(diǎn)外，還因其材料來源方便、價格便宜，在高壓脫水后，能夠很好地封堵圍巖裂隙。

熟石灰(利用生石灰加水制成熟石灰，過濾雜質(zhì)后袋裝運(yùn)到井下備用)。

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

水玻璃：水玻璃模數(shù)2.8～3.1，45°Be′以上。

6.5 注漿漿液的制備

石灰漿是在氧化鈣中加水?dāng)嚢杈鶆蛑瞥傻?，因?yàn)闅溲趸}溶解度不是很大，所以往往生成的是氫氧化鈣的懸濁液(水溶液中還存在著大量沒有溶解的氫氧化鈣)，利用攪拌桶混合均勻。

封堵瓦斯不僅要堵好大的裂隙，還要堵好細(xì)小裂隙以及孔隙。石灰漿水灰比1∶1～5∶1，沖孔階段選用水灰比較大的稀漿，封孔結(jié)束時選擇水灰比較小的濃漿。

跑漏漿特別嚴(yán)重時，注入適量C-S 雙液漿進(jìn)行封堵。C-S雙液漿配比為水泥漿水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模數(shù)2.8～3.1，濃度為30～40°Be′，C∶S=1∶0.5～1∶0.7。

6.6 鉆注設(shè)備的選型

鉆進(jìn)設(shè)備選擇YT28氣腿式風(fēng)動鑿巖機(jī)，3臺，配備Φ32 mm釬頭。

注漿設(shè)備選擇2TGZ-60/210型注漿泵，1臺。

攪拌機(jī)選擇LJ-200防爆型水泥漿攪拌機(jī)，1臺。

6.7 注漿終壓

為盡量擴(kuò)大注漿距離，使?jié){液擴(kuò)散到更小的巖層裂隙中，以不破壞原支護(hù)混凝土為原則，注漿終壓3 MPa～5 MPa。注漿初期，裂隙、孔洞發(fā)育，注漿終壓選擇低值；注漿后期，注入量少，注漿終壓選擇高值。

6.8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

為保證注漿封堵和加固質(zhì)量,每孔注漿均要達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿泵調(diào)到最低擋后，注漿終壓達(dá)到設(shè)計壓力，穩(wěn)定時間大于20 min為合格。

7 結(jié)語

施工總工期為16 d。本段注漿消耗石灰漿21 t，水泥3.2 t，水玻璃1 t。石灰漿經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對硫化氫氣體有酸堿中和反應(yīng)、吸收作用和封堵作用，起到了比單液水泥漿更好的注漿效果。經(jīng)過注漿施工，3#暗斜井硫化氫涌出異常段，得到徹底治理，整段巷道沒有硫化氫涌出異常現(xiàn)象。