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        急傾斜煤層綜放工作面H2S 治理技術(shù)與實(shí)踐

        2020-12-16 07:43:06姬周飛
        山東煤炭科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:烏東上隅角煤體

        姬周飛

        (神華新疆能源有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830027)

        H2S 是一種煤礦井下常見的無色劇毒氣體,相對(duì)密度為1.19,易溶于水。H2S 氣體會(huì)對(duì)人體造成強(qiáng)烈刺激,使人感到頭痛、嘔吐、乏力甚至死亡,當(dāng)濃度過高還能夠燃燒爆炸,對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成不利影響[1]。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),烏東煤礦+575 m 水平45#煤層綜放面開采擾動(dòng)時(shí)涌出的H2S 嚴(yán)重超規(guī)定的上限值6.6 ppm,威脅井下工人生命安全[2]。

        圍繞烏東煤礦急傾斜煤層采煤工作面作業(yè)條件,根據(jù)H2S 氣體的賦存情況,烏東煤礦按照“注、抽、噴、灑、護(hù)”的H2S 治理技術(shù)路線,建立了高壓注堿性吸收液、各轉(zhuǎn)載落煤點(diǎn)噴堿性吸收液、巷道內(nèi)灑Na2CO3粉(或NaHCO3粉)及個(gè)體防護(hù)的綜合防治體系,降低礦井H2S 危害,提高礦井安全生產(chǎn)能力,保護(hù)工人身體健康。

        1 礦井及工作面概況

        +575 m 水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面位于副井以東2540 m,工作面西部為+575 m 水平45#煤層西翼綜采工作面,南部為45#煤層頂板,北部為45#煤層底板,上部存在+600 m 水平45#煤層?xùn)|翼綜采工作面采空區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度2540 m,工作面平均寬度為40 m,階段高度為25 m,停采線位置為275 m,工作面回采長(zhǎng)度為2265 m。工作面目前已回采至1340 m。該工作面H2S 含量較高,主要集中在2、3、4、5#煤門區(qū)域,在工作面割煤和架后放煤環(huán)節(jié)中涌出量較大,對(duì)安全生產(chǎn)和工人健康帶來一定的影響。

        從+575 m 水平45#煤層綜放工作面開采過程中掌握的情況可知,45#煤層及采空區(qū)都含有H2S氣體成分。測(cè)得2#煤門10#鉆孔內(nèi)H2S 氣體最高達(dá)到12 000 ppm,4#煤門孔內(nèi)H2S 氣體濃度最高達(dá)到870~2500 ppm。工作面在生產(chǎn)的情況下,回風(fēng)流中H2S 氣體濃度最高達(dá)到200 ppm,上隅角H2S 氣體濃度最高達(dá)到1200 ppm。采煤機(jī)正常割煤時(shí)其下風(fēng)流滾筒附近H2S 濃度達(dá)到500 ppm 左右。支架放煤時(shí),其下風(fēng)側(cè)鄰近支架后部、支架放煤及后部轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)載落煤時(shí)隨風(fēng)流擴(kuò)散到上隅角的H2S 濃度更高,達(dá)到900 ppm 以上,而回風(fēng)巷的H2S 濃度也達(dá)到200 ppm 以上。

        2 綜放工作面H2S 治理技術(shù)應(yīng)用

        根據(jù)H2S 氣體的賦存情況,圍繞采煤工作面作業(yè)條件,烏東煤礦對(duì)H2S 氣體采取抽放和煤層注堿性溶液相結(jié)合的分區(qū)域治理方式。將堿性溶液用水泵注入煤體,同時(shí)在工作面及其回風(fēng)巷拋灑Na2CO3粉末,其次建立堿性溶液配料點(diǎn),實(shí)施堿性液體噴霧。

        (1)探孔觀測(cè)

        表1 煤體H2S 觀測(cè)孔施工參數(shù)

        +575 m 水平45#東翼工作面回采期間,為更好掌握煤體中H2S 賦存情況,在工作面北巷1340 m處施工煤體H2S 觀測(cè)孔,由東向西每隔15 m 施工一個(gè)觀測(cè)孔,直至停采線。該設(shè)計(jì)共計(jì)施工80 個(gè)觀測(cè)鉆孔,孔內(nèi)氣體由相關(guān)工作人員定時(shí)取樣進(jìn)行分析,并保留記錄。施工參數(shù)具體見表1。

        (2)埋管及上隅角卸壓抽采治理H2S

        +575 m水平45#煤層?xùn)|翼工作面尾巷埋管抽采。采空區(qū)瓦斯及H2S 在開采過程中向回風(fēng)隅角涌出,易造成回風(fēng)隅角瓦斯及H2S 積聚,采用埋管抽采方式對(duì)采空區(qū)瓦斯及H2S 實(shí)施抽采,有效解決回風(fēng)隅角瓦斯及H2S 積聚問題[3]。

        目前+575 m 水平45#煤層?xùn)|翼抽采主管路流量保持在65.1 m3/min,管內(nèi)負(fù)壓9.3 kPa,管內(nèi)H2S濃度30 ppm,未達(dá)到H2S 治理的預(yù)期效果。經(jīng)生產(chǎn)期間對(duì)上隅角H2S 進(jìn)行測(cè)定,H2S 濃度最高達(dá)到1200 ppm。鑒于以上數(shù)據(jù)分析,對(duì)現(xiàn)有埋管抽采方式進(jìn)行調(diào)整。在深管、淺管抽采的基礎(chǔ)上,在上隅角處布置第三趟抽采管路,加工鴨嘴式抽采裝置與第三趟管路對(duì)接,對(duì)上隅角高濃度H2S 氣體進(jìn)行針對(duì)性治理,并根據(jù)實(shí)際抽采參數(shù)對(duì)主管路抽采量進(jìn)行調(diào)整。尾巷埋管及上隅角卸壓抽采示意圖如圖1所示。

        圖1 尾巷埋管及上隅角卸壓抽采示意圖

        (3)回風(fēng)隅角治理H2S

        采用卸壓抽采措施后,預(yù)計(jì)將截?cái)嘁徊糠謥碜圆煽諈^(qū)及受采動(dòng)影響煤體涌出的H2S 氣體。因此,繼續(xù)在工作面前、后溜落煤點(diǎn)及端頭支架以南中部設(shè)置高壓噴灑裝置,分別對(duì)落煤時(shí)隨風(fēng)流擴(kuò)散而來的H2S 及采空區(qū)涌出的殘余H2S 進(jìn)行稀釋,利用其形成的吸收液水霧對(duì)擴(kuò)散在斷面空間中的H2S 進(jìn)行攔截并吸收凈化[4],并在端頭支架與南巷煤壁之間設(shè)置捕塵網(wǎng)來增大霧化斷面及效果,達(dá)到治理H2S的目的。回風(fēng)隅角噴灑吸收液治理H2S 的系統(tǒng)布置示意圖如圖2 所示。

        圖2 隅角噴吸收液布置示意圖

        (4)回風(fēng)巷治理H2S

        根據(jù)對(duì)回風(fēng)巷H2S 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)(見表2),回風(fēng)巷H2S 來源主要是采煤機(jī)割煤及支架放煤過程中急傾斜煤層受到擾動(dòng)涌出的H2S 以及由于自然風(fēng)壓的變化造成的采空區(qū)內(nèi)外存在壓差進(jìn)而由采空區(qū)涌出的H2S,隨風(fēng)流通過工作面進(jìn)入回風(fēng)巷[5]。

        因此,回風(fēng)巷H2S 的治理方式,分別在南巷距工作面30 m 處及裝載機(jī)布置上、下2 組全斷面噴霧,通過在回風(fēng)巷布置噴灑吸收液攔截裝置,對(duì)擴(kuò)散來的H2S 進(jìn)行噴灑吸收液捕捉凈化吸收。該點(diǎn)噴灑吸收液壓力設(shè)置為1.5~2.6 MPa 之間,噴灑吸收液濃度取1.2%。當(dāng)開啟噴灑吸收液裝置時(shí),擴(kuò)散至回風(fēng)巷的H2S 大大降低。回風(fēng)巷噴灑吸收液裝置布置系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

        表2 工作面生產(chǎn)過程H2S 測(cè)定參數(shù)

        (5)煤門抽采及注堿液

        在工作面回采期間(圖4),利用聯(lián)絡(luò)(2#、4#)煤門現(xiàn)有鉆孔接抽,并在3#煤門布置鉆孔進(jìn)行接抽。每3 d 安排專人對(duì)2~4#煤層鉆孔進(jìn)行測(cè)定,當(dāng)孔內(nèi)H2S 濃度降至30 ppm 以下時(shí),對(duì)該鉆孔進(jìn)行煤層高壓注液,使煤體中的H2S 中和。同時(shí),將高壓水注入煤層后,借助流體在煤層各種弱面內(nèi)對(duì)弱面兩壁面的支撐作用可使煤層內(nèi)部弱面發(fā)生變化(張開擴(kuò)展和延伸),增加了煤層透氣性,從而達(dá)到治理H2S 的同時(shí)提高煤層瓦斯(H2S)抽采效果的目的。

        圖3 回風(fēng)巷噴灑吸收液裝置布置系統(tǒng)示意圖

        圖4 煤門注水鉆孔布置圖

        (6)其他補(bǔ)充措施

        ① 拋灑堿性粉末。在工作面及其回風(fēng)巷拋灑碳酸鈉粉末治理H2S 氣體,主要拋灑地點(diǎn)有工作面后溜、架間、尾巷及回風(fēng)巷。

        ② 注意個(gè)體防護(hù)。在工作面回采過程中,H2S氣體會(huì)進(jìn)入巷道回風(fēng)風(fēng)流中,在放煤時(shí),風(fēng)流中的H2S 濃度會(huì)成倍增加,嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的安全。因此作業(yè)人員進(jìn)入含H2S 氣體的工作環(huán)境中,就必須佩戴防H2S 面具。

        3 綜放工作面H2S 治理效果

        每周周一、周三、周五對(duì)該抽采管路取樣送瓦斯實(shí)驗(yàn)室分析,根據(jù)氣體分析結(jié)果對(duì)埋管抽采管路進(jìn)行調(diào)整。每天對(duì)該抽采管路流量、濃度、負(fù)壓、H2S 濃度等進(jìn)行測(cè)定,重點(diǎn)關(guān)注管內(nèi)H2S 濃度變化情況。

        煤體中的H2S 具有在開采擾動(dòng)時(shí)才涌出的特點(diǎn),采煤機(jī)滾筒割煤及支架放煤是工作面開采擾動(dòng)涌出H2S 的主要工序,同時(shí)操作兩工序涌出H2S 為上隅角及回風(fēng)巷H2S 主要來源。通過上述方法分區(qū)域采取措施對(duì)H2S 進(jìn)行治理,在回風(fēng)隅角及回風(fēng)巷距工作面40 m 處布置測(cè)點(diǎn),比較治理前后的H2S 濃度變化情況,如圖5 所示。

        圖5 治理前后回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角H2S 濃度變化

        由圖5 可知,在綜放工作面H2S 治理技術(shù)運(yùn)用之前,回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷H2S 濃度普遍較高,最高分別接近1054 ppm 和118 ppm,回風(fēng)隅角H2S 平均濃度可達(dá)964.4 ppm,回風(fēng)巷H2S 平均濃度可達(dá)110 ppm。在實(shí)施防治措施后,各區(qū)域H2S 濃度得到有效遏制,H2S 濃度降低效率達(dá)到80%以上。烏東煤礦+575 m 水平45#煤層綜放面經(jīng)過“注、抽、噴、灑、護(hù)”的H2S 治理技術(shù)路線,大幅度降低該工作面H2S 濃度,有效遏制了H2S 的產(chǎn)生。

        4 結(jié)論

        (1)采用探孔監(jiān)測(cè)、埋管及上隅角卸壓抽采、噴灑吸收液和注堿液等措施對(duì)烏東煤礦+575 m 水平45#煤層綜放面H2S 進(jìn)行治理,效果良好?;仫L(fēng)隅角H2S 由1054 ppm 降至164 ppm,降低效率為84.4%;回風(fēng)巷H2S 由118 ppm 降至16 ppm,降低效率為86.4%。

        (2)在綜放工作面H2S 治理時(shí)需要合理調(diào)整工作面風(fēng)量,利用風(fēng)排和抽放相結(jié)合的方法,有效降低空氣中H2S 濃度。安排專人檢查瓦斯?jié)舛?,防止H2S 氣體傷人事故。充分利用瓦斯抽放鉆孔將采空區(qū)及煤體中的H2S 氣體抽出,保證礦井采掘作業(yè)安全。

        (3)將Na2CO3粉末不定期拋灑在采煤工作面和回風(fēng)巷道、回風(fēng)隅角,將各個(gè)區(qū)域的H2S氣體中和,并利用巷道內(nèi)噴霧連接移動(dòng)注液系統(tǒng),噴灑到巷道內(nèi),稀釋風(fēng)流中H2S 氣體濃度。

        (4)進(jìn)入綜采工作面和回風(fēng)巷內(nèi)的人員必須佩帶H2S 面罩,并定期更換藥盒,達(dá)到有效的防護(hù)作用。同時(shí),利用瓦斯抽采孔對(duì)H2S 氣體進(jìn)行采前預(yù)抽,實(shí)現(xiàn)“一孔多用”。

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