綜放工作面注NaHCO3溶液治理硫化氫技術(shù)研究

黃 超

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

部分煤體由于在成煤過程中因硫酸鹽熱化學(xué)還原作用生成大量的硫化氫氣體，而硫化氫是一種無色、有臭雞蛋味的劇毒氣體[1-2]。在采掘過程中，涌出大量硫化氫氣體，嚴(yán)重危害作業(yè)人員的身心健康?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，率先提出噴灑石灰水治理硫化氫氣體的方法[3-4]。

張戈[5]通過對(duì)新疆烏東煤礦放頂煤工作面硫化氫氣體涌出規(guī)律的研究，采用在放煤口下風(fēng)側(cè)攔截噴灑吸收液、正對(duì)支架放煤口噴灑吸收液等措施，治理放煤期間涌出的大量硫化氫氣體?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試在下風(fēng)側(cè)設(shè)置不同數(shù)量的攔截裝置，噴灑濃度、流量不同的吸收液，獲得合理的防治硫化氫氣體工藝參數(shù)，取得良好的治理效果。

劉俊等[6]在新疆烏東煤礦5754501工作面進(jìn)行煤體硫化氫氣體抽放技術(shù)研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：硫化氫的有效抽放影響半徑隨著抽放負(fù)壓的升高而增加，硫化氫的抽放濃度隨抽放時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，抽放后硫化氫減少約10%。

馬興華[7]在鄂爾多斯盆地西緣馬家灘礦區(qū)雙馬煤礦提出四位一體硫化氫綜合防治體系，構(gòu)建以地面超前封堵、以采前預(yù)注堿性吸收液和回采時(shí)高壓噴堿性吸收液為核心的“堵、注、噴、增、降、監(jiān)、護(hù)、撤”治理系統(tǒng)，達(dá)到精細(xì)化治理礦井硫化氫的目的，有效解決煤油資源重疊開采煤礦區(qū)受廢棄油井影響，礦井采煤工作面硫化氫災(zāi)害防治難題。

目前硫化氫治理方法大致有三種：改變工作面風(fēng)量、噴灑吸收液及煤層注堿溶液[8-10]，但石灰、碳酸鈉溶液的成本較高，同時(shí)堿性較強(qiáng)，在噴灑過程中容易損壞設(shè)備，治理效果不佳[11-12]?？紤]到以上原因，本文將在斜溝煤礦23105和23114工作面注入碳酸氫鈉溶液治理煤層賦存的硫化氫，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)得到工作面硫化氫氣體涌出規(guī)律以及試驗(yàn)室分析煤層可注性、滲透性，研究工作面注堿治理效果。

1 工作面硫化氫涌出規(guī)律

斜溝煤礦位于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)北部，沉積地層存在大量的石灰?guī)r和石膏礦，裂隙水充分發(fā)育，而且煤層內(nèi)含有豐富的黃鐵礦結(jié)核，導(dǎo)致二水平13號(hào)煤層采煤工作面回采期間硫化氫濃度超限報(bào)警。

13號(hào)煤層傾角平均為9°，厚度平均為14.63 m，23105綜放工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤方法回采，工作面位于21采區(qū)北翼，采高為3.8 m，放煤高度10.83 m，采放比約為1∶2.85，可采走向長(zhǎng)度為2 558 m，傾斜長(zhǎng)度為242.5 m。

為有效降低硫化氫涌出，需要掌握工作面回采期間硫化氫的涌出規(guī)律，工作面涌出的硫化氫氣體濃度隨著每日割煤刀數(shù)的增加，變化曲線如圖1所示，2020年8月12日至16日23105材料巷不同地點(diǎn)硫化氫氣體濃度如圖2所示。

圖1 H2S 涌出量與日割煤刀數(shù)關(guān)系

因煤層局部地點(diǎn)存在大量硫化氫，在采煤活動(dòng)的影響下，硫化氫氣體從煤層涌出。從圖1發(fā)現(xiàn)，工作面生產(chǎn)期間，從煤層中釋放出大量的硫化氫氣體涌入采煤工作面，隨著工作面開采強(qiáng)度不斷增加，回風(fēng)流中硫化氫氣體濃度也在逐步升高，即工作面涌出的硫化氫氣體濃度伴隨日割煤刀數(shù)的增加而不斷升高。

圖2 23105材料巷回風(fēng)流硫化氫濃度

從圖2得到，23105工作面停產(chǎn)期間，材料巷回風(fēng)流硫化氫濃度達(dá)到0.000 3%～0.000 8%.工作面生產(chǎn)期間，材料巷回風(fēng)流硫化氫濃度達(dá)到0.001 4%～0.003 5%.8月15日工作面生產(chǎn)期間，由于所處位置為向斜軸部區(qū)域，工作面需經(jīng)過從頂板下向俯臥發(fā)育的瘤狀灰?guī)r，導(dǎo)致工作面回風(fēng)流硫化氫濃度異常升高。8月14日工作面生產(chǎn)期間，超前支護(hù)區(qū)域硫化氫濃度最高達(dá)到0.006 71%，超過《煤礦安全規(guī)程》(2016版)規(guī)定的10余倍。

2 煤層注堿可行性研究

在斜溝煤礦23105工作面采集煤樣開展13號(hào)煤注堿可行性分析，在試驗(yàn)室測(cè)定煤樣全水分、吸水率、孔隙率、堅(jiān)固性系數(shù)等數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見表1。

從表1可知，13號(hào)煤浸潤(rùn)性能較好。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13]，斜溝煤礦13號(hào)煤可注性參數(shù)測(cè)定結(jié)果滿足條件，屬于可注性煤層。

利用中煤科工集團(tuán)沈陽研究院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，借助自壓式三軸滲透儀測(cè)定斜溝煤礦13號(hào)煤層的滲透性系數(shù)，作為設(shè)計(jì)注堿液鉆孔間距的依據(jù)，煤樣尺寸要求達(dá)到50 mm×50 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

表1 13號(hào)煤各參數(shù)測(cè)試結(jié)果

13號(hào)煤層的原始地應(yīng)力為7.597 MPa，通過改變?cè)囼?yàn)過程中應(yīng)力集中系數(shù)，研究煤層滲透系數(shù)與孔隙壓力之間的變化規(guī)律，應(yīng)力集中系數(shù)調(diào)整為1.0、1.5和2.0，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為7.597、11.396和15.194 MPa，煤層滲透系數(shù)測(cè)定數(shù)值如圖3所示。

從圖3發(fā)現(xiàn)，在孔隙壓力相同的條件下，煤層滲透系數(shù)隨著應(yīng)力集中系數(shù)升高而減小，此時(shí)向煤層內(nèi)注入堿液，不利于堿液在煤層內(nèi)的滲透擴(kuò)散。在煤層原始地應(yīng)力作用下(應(yīng)力集中系數(shù)不變的條件下)，煤層滲透系數(shù)伴隨孔隙壓力的升高而增大，此時(shí)煤層裂隙得到擴(kuò)展延伸，有利于煤層注堿液。

圖3 滲透系數(shù)隨著孔隙壓力變化規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)科研工作者的研究結(jié)果，影響采煤工作面硫化氫治理效果的因素主要有以下四個(gè)方面：

1) 堿性溶液濃度。所選用堿性溶液為碳酸氫鈉溶液即小蘇打，濃度為0.5%～1%.

2) 注堿鉆孔間距。結(jié)合煤層濕潤(rùn)半徑經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，注堿液鉆孔的間距一般是采高的5倍，即19 m。但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，根據(jù)采煤工作面的煤層注水設(shè)計(jì)，利用煤層注水鉆孔開展試驗(yàn)，注堿鉆孔間距選用8～10 m。

3) 堿液使用量、用水量。根據(jù)注堿治理硫化氫機(jī)理可知：注入堿性液體后，利用酸堿中和反應(yīng)可有效減少煤層內(nèi)部賦存的硫化氫含量，也就是注入煤層的OH-離子與硫化氫溶于堿性液體之后所產(chǎn)生的H+離子發(fā)生中和反應(yīng)。基于酸堿中和化學(xué)反應(yīng)方程式可知，要使用84 g碳酸氫鈉溶液才能酸堿中和1 mol硫化氫氣體，注入煤層內(nèi)的碳酸氫鈉溶液質(zhì)量，需結(jié)合試驗(yàn)煤層內(nèi)硫化氫的含量來定。參考相關(guān)科研工作者的研究成果[14-15]，確定煤層硫化氫含量的測(cè)定方法、注入煤層的堿性液體量和水量。

4) 超前注堿距離。超前距離就是提前注堿地點(diǎn)與工作面切眼之間的距離，一般主要受煤層滲透率、采動(dòng)應(yīng)力的影響，需要進(jìn)行注堿試驗(yàn)才可得到。伴隨工作面不斷向前推進(jìn)，23105工作面堿性液體注入鉆孔流量變化規(guī)律如圖4所示。

分析圖4可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，煤層鉆孔注堿液流量呈現(xiàn)出先減小、后升高、再陡降的趨勢(shì)。當(dāng)注堿液地點(diǎn)與工作面距離為65 m時(shí)，注堿液流量為0.43 m3/h，逐步減?。划?dāng)距工作面達(dá)到50 m時(shí)，注堿液流量從0.22 m3/h逐步升高；當(dāng)距工作面達(dá)到25 m時(shí)，注堿液流量再次達(dá)到最大，最大注堿液流量為0.51 m3/h，之后突然下降；當(dāng)距工作面達(dá)到23 m時(shí)，注堿液流量減小到0.1 m3/h，證明注入煤層鉆孔內(nèi)的堿液量已達(dá)到最大，基本呈飽和狀態(tài)。距離工作面25～65 m時(shí)實(shí)施超前注堿措施，注入煤層內(nèi)的堿液量較高，距離工作面小于25 m時(shí)，注入煤層內(nèi)的堿液量較低，表明最佳的超前注堿距離是25 m。

圖4 隨著工作面不斷推進(jìn)注液流量變化規(guī)律

4 治理效果

在23105和23114綜放工作面實(shí)施注堿試驗(yàn)以考察硫化氫治理效果。其中，在23105材料巷施工注堿孔11個(gè)，在膠帶巷施工注堿孔9個(gè)，鉆孔間距為10 m。在23114材料巷和膠帶巷分別施工注堿孔20個(gè)，鉆孔間距為8 m。鉆孔直徑為75 mm，鉆孔長(zhǎng)度為60 m。在注堿時(shí)指派專人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層注堿量和硫化氫涌出量，在23105和23114兩個(gè)工作面注堿鉆孔距工作面距離不同時(shí)，硫化氫治理效果與煤層注堿量之間的關(guān)系如圖5所示，硫化氫涌出量與注堿量之間的關(guān)系如圖6所示，采煤工作面在注堿前后硫化氫涌出量的變化情況見表2。

圖5 硫化氫治理效果、煤層注堿量與工作面推進(jìn)度之間的關(guān)系

圖6 硫化氫涌出量與煤層注堿量之間的關(guān)系

表2 工作面實(shí)施注堿技術(shù)后硫化氫涌出量變化

從圖5可知，在距離工作面25～50 m時(shí)，煤層注堿治理硫化氫效果比較理想。由于采動(dòng)作用，煤體中裂隙延伸擴(kuò)展同時(shí)持續(xù)生成新的裂縫裂隙，增大了煤層滲透率系數(shù)，煤層注堿量升高。

從圖6可知，硫化氫涌出量與注堿量成反比關(guān)系，煤層鉆孔注堿量越高，采煤工作面硫化氫涌出量越低，明顯提高了硫化氫治理效果。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，斜溝煤礦13號(hào)煤采煤工作面單孔注堿量達(dá)到2.5～2.75 m3時(shí)，硫化氫治理效果比較理想。

5 結(jié) 語

1) 對(duì)煤樣開展試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，斜溝煤礦13號(hào)煤屬于可注性煤層。

2) 在斜溝煤礦23105和23114工作面實(shí)施注碳酸氫鈉試驗(yàn)，結(jié)果表明：距離工作面25～50 m時(shí)開展超前注堿，硫化氫涌出量與注堿量成反比關(guān)系，煤層鉆孔注堿量越高，采煤工作面硫化氫涌出量越低，治理效果越好。