煤礦硫化氫分布規(guī)律及綜合防治技術(shù)

豆兵利

（晉煤集團(tuán)晉牛煤礦，山西 臨汾 041000）

硫化氫氣體是一種有毒有害氣體，當(dāng)人體吸入1000 ppm 時(shí)會(huì)立即死亡。我國(guó)部分煤礦在開(kāi)采過(guò)程中因硫化氫氣體中毒或死亡的安全事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅工作面安全開(kāi)采。晉牛煤礦1303 工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)工作面及其回風(fēng)巷道等地點(diǎn)有硫化氫氣體涌出。為保證工人生命健康及井下安全生產(chǎn)，分析煤體中硫化氫含量及涌出規(guī)律，從而進(jìn)行有效的防治，以保證工作面安全回采[1-2]。

1 工作面硫化氫含量

1.1 工程概況

晉牛煤礦主采多煤層9+10+11 號(hào)煤層，平均煤厚5.14 m，含1～4 層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層位穩(wěn)定，厚度變化不大，為賦煤區(qū)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。頂板為K2 石灰?guī)r（平均17.58 m）或泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。開(kāi)采面為1303 綜放工作面，工作面走向長(zhǎng)915.6 m，傾斜長(zhǎng)185 m，采高2.8 m。工作面主要構(gòu)造為向斜，向斜軸部距切眼353～670 m 范圍內(nèi)。

1.2 工作面硫化氫含量

為確定硫化氫氣體含量，對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷、鉆孔氣體四處風(fēng)流地點(diǎn)進(jìn)行氣樣采集，對(duì)采集氣樣進(jìn)行定性、定量分析[3]。

定性試驗(yàn)采用對(duì)比排除法，分析儀器采用色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜儀，對(duì)40 余種含酸臭味刺激性氣體進(jìn)行分析。結(jié)果顯示含有大量的甲烷、乙烷及微量的丙烷等物質(zhì)，未檢出其他烴類，儀器檢測(cè)線均小于0.1 ppm。

定量分析工作面回風(fēng)巷和總回風(fēng)巷主要刺激性氣味氣體為乙醇、異丁烷，鉆孔刺激性氣味氣體主要為硫化氫、乙醇、異丁烷。鉆孔中硫化氫達(dá)到437.07 ppm，而回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷中基本檢測(cè)不到硫化氫。原因是取樣時(shí)回采工作面沒(méi)有割煤，井下巷道少，風(fēng)量大，所含硫化氫已被井下風(fēng)流稀釋。

2 硫化氫來(lái)源分析

2.1 多煤層硫化氫含量測(cè)試

晉牛煤礦開(kāi)采煤層為9+10+11 多煤層，煤層有夾矸，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。分別對(duì)1303 采煤工作面大塊煤體、鉆孔煤芯及分層進(jìn)行取樣，煤樣進(jìn)行硫化氫含量及涌出規(guī)律試驗(yàn)[4]。對(duì)大塊煤體進(jìn)行表面剝離，提取新鮮煤芯，稱重，然后放入固定體積密閉容器，以10 L/min 的速率充入氮?dú)?，? min 檢測(cè)硫化氫含量。測(cè)得鉆孔煤樣硫化氫含量為10.55 L/t，9 號(hào)煤層硫化氫含量為0.32 L/t， 10 號(hào)煤層硫化氫含量為12.3 L/t，11 號(hào)煤層硫化氫含量為21.0 L/t，硫化氫主要存在于10 號(hào)煤層、11 號(hào)煤層。

2.2 工作面硫化氫氣體來(lái)源

工作面受向斜控制，在向斜構(gòu)造軸部硫化氫含量較高，吸附在煤層中，巷道含量很少。工作面回采期間，新裸露煤壁和落煤中大量硫化氫釋放到工作面，造成工作面和巷道硫化氫超限，影響工作面安全生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硫化氫探頭測(cè)試可知，采煤工作面的硫化氫大量釋放主要是在落煤、運(yùn)煤和放煤的過(guò)程中，則運(yùn)煤、落煤、放煤時(shí)硫化氫平均涌出比例分別為28.5%、65.2%、6.3%，如圖1。采煤機(jī)破煤速度越快，工作面硫化氫含量越高。由于工作面向斜構(gòu)造的作用逆向破煤高于正向割煤，隨著采煤面漸漸朝向斜軸部推進(jìn)，硫化氫含量逐漸增大。因此，為采取合理的防治措施，分析硫化氫來(lái)源規(guī)律是十分重要的。

圖1 工作面不同時(shí)期硫化氫濃度（ppm）

3 硫化氫綜合治理技術(shù)及效果

根據(jù)硫化氫賦存規(guī)律提出工作面割煤前深淺孔預(yù)注堿液、割煤過(guò)程中工作面噴灑堿液、割煤后風(fēng)簾引排和水幕吸收聯(lián)合治理硫化氫技術(shù)[5-6]。

3.1 割煤前深淺孔預(yù)注堿液技術(shù)

工作面深淺孔預(yù)注堿液技術(shù)基本原理是將化學(xué)試劑溶液注入煤體，使化學(xué)試劑溶液通過(guò)煤的層理、節(jié)理和微小的孔（裂）隙擴(kuò)散，與賦存在煤體中的硫化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成對(duì)人體無(wú)害或傷害較小的物質(zhì)。本次采用化學(xué)試劑為碳酸鈉，碳酸鈉與硫化氫反應(yīng)生成Na2S、H2O 和CO2，碳酸鈉濃度1%。

3.1.1 深孔預(yù)注堿液鉆孔布置方式

在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷對(duì)工作面進(jìn)行超前預(yù)注堿液，鉆孔直徑75 mm，鉆孔設(shè)計(jì)角度5°，距離底板1.5 m，間排距5 m，孔深30～160 m，封孔采用雙液注漿材料，封孔長(zhǎng)度12 m。深孔注堿液布置圖如圖2。

圖2 深孔注堿液布置圖

3.1.2 淺孔預(yù)注堿液鉆孔布置方式

根據(jù)采煤工作面煤的硬度、孔隙率、頂?shù)装迩闆r和透水性，沿工作面煤壁設(shè)計(jì)鉆孔，每隔4 m 布置一個(gè)，孔深為10 m，孔徑為Ф42 mm。為防止煤壁片幫，距回風(fēng)順槽留10 m 不施工鉆孔。鉆孔高度1.5 m，仰角20°，鉆孔要求距頂、底板1.2 m以上，且距回風(fēng)順槽注液孔周邊保持1 m 的距離，嚴(yán)禁與回風(fēng)順槽注水孔貫穿。

3.1.3 效果分析

通過(guò)考察采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)回風(fēng)巷硫化氫濃度，分析深淺孔預(yù)注堿液的效果。探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示硫化氫濃度總體較注液前降低，注液前回風(fēng)巷硫化氫濃度峰值89 ppm，注液后峰值為41 ppm，硫化氫濃度降低了46.1%，說(shuō)明深淺孔預(yù)注堿液起到了一定效果。

3.2 割煤過(guò)程中工作面噴灑堿液

3.2.1 工作面噴灑堿液設(shè)計(jì)

工作面噴霧可以對(duì)采掘面降塵起到有效作用，改善井下作業(yè)環(huán)境。晉牛煤礦采掘過(guò)程中煤層中賦存的硫化氫氣體大量釋放，對(duì)工作面工作人員身體健康影響很大，在采煤機(jī)外噴霧中加入一定濃度的堿液進(jìn)行噴霧，可以進(jìn)一步降低硫化氫濃度，降低硫化氫對(duì)井下人員的傷害。

噴霧泵采用BPW125/20 礦用噴霧泵，噴霧壓力達(dá)到20 MPa，噴灑堿液濃度采用配置的0.4%的碳酸氫鈉和0.4%的碳酸鈉混合溶液。在采煤機(jī)機(jī)身上及滾筒上方支架分別布置噴向滾筒方向的外加噴霧裝置，覆蓋采煤機(jī)組，利用滾筒割煤過(guò)程中形成的立體的硫化氫吸收液水霧包圍圈，從采煤機(jī)割煤產(chǎn)生硫化氫的源頭處吸收硫化。

3.2.2 效果分析

通過(guò)檢測(cè)工作面反向割煤過(guò)程中60#液壓架、70#液壓架、80#液壓架、90#液壓架位置處噴灑堿液與不噴灑堿液的硫化氫濃度含量，分析工作面噴灑硫化氫防治效果，結(jié)果如圖3。

圖3 堿液噴灑對(duì)照?qǐng)D

由圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：在開(kāi)啟清水噴霧的情況下，測(cè)得硫化氫平均濃度為97.5 ppm；在開(kāi)啟含有堿液噴霧的情況下，測(cè)得硫化氫含量54.5 ppm。硫化氫含量降低了55.9%。

3.3 割煤后風(fēng)簾引排和水幕吸收

3.3.1 風(fēng)簾引排

風(fēng)簾引排的原理是通過(guò)安設(shè)有噴霧裝置的防塵網(wǎng)來(lái)稀釋工作面回風(fēng)氣體中的硫化氫和風(fēng)塵等有害氣體。

在工作面70#～134#架以及回風(fēng)巷中部布置透明風(fēng)簾，工作面端布置60 m，回風(fēng)段約20 m。風(fēng)簾的末端安設(shè)有3～5 道防塵網(wǎng)，噴霧裝置在防塵網(wǎng)上，防塵網(wǎng)間距分別為1～2 m。風(fēng)簾材質(zhì)采用透明硬塑料，面積6.60 m2，用鐵絲通固定搭液壓支架或巷道頂?shù)装迳线M(jìn)行搭接。

3.3.2 水幕吸收

在引排的通道中安裝防塵網(wǎng)形成水幕，可進(jìn)一步吸收開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的硫化氫。水幕吸收流經(jīng)風(fēng)流中的硫化氫，進(jìn)一步減少硫化氫含量。設(shè)計(jì)安裝噴灑堿液的噴口正對(duì)著防塵網(wǎng)，噴出的堿液形成一堿液水幕。合理布置噴嘴位置，保證水幕全部覆蓋，使含有硫化氫氣體的風(fēng)流流經(jīng)水幕后進(jìn)一步消除硫化氫含量。

3.3.3 效果分析

通過(guò)風(fēng)簾引排和水幕吸收的前后探頭檢測(cè)硫化氫含量，分析治理效果。防塵網(wǎng)上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)探頭硫化氫濃度對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 網(wǎng)上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)硫化氫濃度對(duì)比表

通過(guò)表1 可以看出，硫化氫濃度平均降低73.2%，表明風(fēng)簾引排和水幕吸收對(duì)硫化氫治理有很好的效果，保證了工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）為確定硫化氫含量，現(xiàn)場(chǎng)采集晉牛煤樣，通過(guò)氣樣試驗(yàn)分析，鉆孔中硫化氫達(dá)到437.07 ppm，割煤時(shí)硫化氫氣體含量高。

（2）通過(guò)對(duì)不同煤層硫化氫含量分析可知，硫化氫主要吸附10 號(hào)煤層和11 號(hào)煤層中。在采煤過(guò)程中，煤體被破壞，硫化氫大量涌出，且硫化氫受向斜構(gòu)造控制，向斜軸部推進(jìn)硫化氫含量逐漸增加。

（3）為有效控制硫化氫超限，采用割煤前深淺孔預(yù)注堿液、割煤過(guò)程中工作面噴灑堿液、割煤后風(fēng)簾引排和水幕吸收聯(lián)合治理硫化氫技術(shù)，使硫化氫含量得到有效控制。