金永飛,閆 浩,許亞奇,張 典
(1.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054; 2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.陜西正通煤業(yè)有限責任公司,陜西 咸陽 712000)
我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展,電力、化工等行業(yè)對煤炭的需求日益增長[1-3]。近年來,隨著煤礦開采范圍不斷擴大、開采深度持續(xù)增加,導致某些礦井硫化氫(H2S)異常涌出,硫化氫的危害越來越突出[4-6]。硫化氫是一種有毒有害氣體,在101.325 kPa大氣壓下,溫度為15.55 ℃時,其密度為1.438 kg/m3,容易溶入水,溶于水或在潮濕的環(huán)境下,呈酸性,可以腐蝕金屬物質,硫化氫氣體燃燒后會生成有毒氣體 SO2,與氧氣結合后容易發(fā)生爆炸。某些礦井受煤質等特殊條件的影響,回采時出現(xiàn)大量硫化氫涌出的現(xiàn)象,致使礦井不能安全正常生產(chǎn)。
目前,對礦井硫化氫的治理針對性較弱,大多停留在表面的噴灑堿液治理,較難根據(jù)特定濃度的硫化氫作出針對性預防與治理。筆者通過對礦井硫化氫進行分源分級評估,以實現(xiàn)硫化氫的經(jīng)濟高效治理,有效保證井下作業(yè)人員的安全與健康,為安全生產(chǎn)提供有力保障。同時,通過治理硫化氫,減少其排放量,對環(huán)境保護具有一定的意義。
在對礦井硫化氫進行分源分級評估時,應該針對礦井的實際情況和地理狀況等條件,并應遵循以下原則[7-9]:
1)可量化原則。篩選的所有評價指標都可以被科學量化,以科學合理地表達各指標的作用,達到良好的評價效果。
2)科學性原則。必須科學、客觀地評價,評估方法要運用客觀的理論分析來獲得,并形成一定的知識經(jīng)驗互補。
3)可行性原則。評估方法的選定應考慮指標信息值的可獲得性,并且能體現(xiàn)出事物的可比性,盡可能簡化相關工作的相關程序,以保障方案的順利實施。
4)動態(tài)性原則。煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)是開放的損耗系統(tǒng),并且隨著礦井環(huán)境的變化,影響因素的屬性也在變化,所以在對礦井硫化氫進行危險評估時,應該考慮這種動態(tài)變化。
5)定性與定量相結合原則。不同災害特征能夠由不同的指標來反映。在選擇指標時,應遵守定性與定量指標相結合的原則,不要漏掉任何重要指標。
6)準確性原則。所選定的評估方法要能夠對不同濃度、不同危害程度的硫化氫進行精確反映,這樣才能準確地傳達指示,確保作業(yè)人員的安全撤離。
根據(jù)礦井硫化氫的分源分布特征,提出的礦井硫化氫分源分級危險性評估體系構建的思路如圖1所示。
由圖1可以看出,首先針對礦井硫化氫的分源特點,選定工作面、采空區(qū)和原煤層3個硫化氫來源區(qū)域,以硫化氫吸收液的濃度為采空區(qū)和原煤層硫化氫的劃分依據(jù),以硫化氫對人體的危害程度為工作面硫化氫的劃分依據(jù)。最后結合評估原則,將采空區(qū)和原煤層硫化氫劃分為易治理區(qū)域、難治理區(qū)域和較難治理區(qū)域3種類型;將工作面劃分為低硫化氫危險區(qū)域、中硫化氫危險區(qū)域、高硫化氫危險區(qū)域和超高硫化氫危險區(qū)域4類區(qū)域,并基于此對每個區(qū)域進行針對性治理。
1)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》對硫化氫濃度的規(guī)定,以及礦井不同濃度硫化氫對人體的危害程度,對工作面硫化氫嚴重等級進行劃分,以便于井下日常防范與管理,更好地保障井下工人的安全與健康。
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,礦井中硫化氫的最高允許體積分數(shù)為0.000 66%。硫化氫濃度不同,對人體產(chǎn)生的危害也不同。硫化氫對人體影響的濃度等級[10]見表1。
表1 硫化氫對人體影響的濃度等級
2)根據(jù)采空區(qū)、原煤層硫化氫的測定結果,以硫化氫吸收液的消耗量所對應的硫化氫質量濃度為依據(jù),對采空區(qū)不同位置的硫化氫濃度進行分級,針對不同級別的硫化氫采取不同的治理措施,以提高治理效果。采空區(qū)硫化氫吸收效率的影響因素[11-13]見表2。
表2 硫化氫吸收效率的影響因素
1)工作面硫化氫分級標準。當硫化氫在空氣中的質量濃度低于6.60 mg/m3時,對人體感官產(chǎn)生影響,有輕微刺激,為低硫化氫危害區(qū)域;當質量濃度為6.60~72.07 mg/m3時,對人體有明顯刺激,使人產(chǎn)生強烈不適感,連續(xù)作業(yè)會危害人體健康,為中硫化氫危害區(qū)域;當質量濃度為72.07~144.14 mg/m3時,對人體產(chǎn)生嚴重刺激,短期暴露就會使人產(chǎn)生嚴重不適反應,對人體危害較大,為高硫化氫危害區(qū)域;當質量濃度超過144.14 mg/m3時,如果不立即撤離,就會對人體產(chǎn)生嚴重傷害,嚴重時會導致死亡,為超高硫化氫危害區(qū)域。
2)采空區(qū)、原煤層硫化氫分級標準。在采空區(qū)硫化氫質量濃度低于115.31 mg/m3的區(qū)域,對吸收液的濃度要求相對較小,為易治理區(qū)域;在質量濃度為115.31~216.21 mg/m3的區(qū)域,對吸收液的濃度要求較大,流量要求相對較小,為難治理區(qū)域;在質量濃度大于216.21 mg/m3的區(qū)域,對吸收液的流量要求較大,為較難治理區(qū)域。
以礦井中硫化氫的最高允許濃度,以及不同濃度硫化氫的危害程度為劃分依據(jù),對工作面硫化氫進行分級,并將工作面劃分為低硫化氫危險區(qū)域、中硫化氫危險區(qū)域、高硫化氫危險區(qū)域和超高硫化氫危險區(qū)域;以硫化氫吸收液的消耗量為依據(jù),對采空區(qū)和原煤層硫化氫進行分級,并劃分為易治理區(qū)域、難治理區(qū)域和較難治理區(qū)域。結合評估原則,得到礦井硫化氫分源分級評估體系,如表3所示。
依據(jù)上述礦井硫化氫分源分級危險性評估體系,對高家堡煤業(yè)202工作面原煤層的硫化氫危害程度進行判定:在采煤機割煤時,硫化氫的危害程度為Ⅱ級,用橙色預警,為難治理區(qū)域;在不割煤時,危害程度為Ⅲ級,用黃色預警,為易治理區(qū)域;將工作面的硫化氫危害程度評定為Ⅱ級,用橙色預警,屬于高硫化氫危害區(qū)域;將采空區(qū)的硫化氫危害程度評定為Ⅰ級,用紅色預警,為較難治理區(qū)域。
根據(jù)現(xiàn)場評估結果,對不同區(qū)域的硫化氫進行針對性治理,治理效果如下:
1)原煤層硫化氫治理效果
202工作面經(jīng)過注堿性吸收液試驗,對注堿過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理,得到煤層采動過程中硫化氫的涌出情況,見表4。
2)工作面硫化氫治理效果
噴灑吸收液前后掘進機司機處硫化氫質量濃度測試結果見表5??梢钥闯?,噴灑吸收液后,司機處硫化氫質量濃度隨噴灑吸收液體積分數(shù)的增大而減小;在噴灑吸收液體積分數(shù)為0.4%時,司機處硫化氫平均質量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的14.3 mg/m3,硫化氫吸收率為74.9%;在噴灑吸收液體積分數(shù)為0.8%時,司機處硫化氫平均質量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的8.6 mg/m3,硫化氫吸收率達到84.9%,取得了較好的治理效果。
表5 噴灑吸收液前后掘進機司機處硫化氫濃度測試結果
3)采空區(qū)硫化氫治理效果
向采空區(qū)噴灑吸收液后,測得上隅角的硫化氫質量濃度由原來的196.0 mg/m3下降到57.0 mg/m3,當再次向上隅角噴灑體積分數(shù)為0.5%的吸收液后,硫化氫質量濃度下降至8.6 mg/m3,硫化氫吸收率達到95.0%,吸收效果較好。
將礦井硫化氫分源分級危險性評估方法,在陜西正通煤業(yè)高家堡煤礦進行了應用,經(jīng)過試驗測試,各個區(qū)域的硫化氫濃度均下降至安全水平,效果良好。針對礦井不同區(qū)域的硫化氫隱患問題,所提出的分源分級評估方法能夠根據(jù)特定范圍內的硫化氫濃度,從而快速、有針對性地做出反饋,實現(xiàn)及時預警,提高了礦井管理水平,并且縮短了治理硫化氫的時間,節(jié)約了硫化氫吸收液的用量,對礦井硫化氫的治理有大的幫助。
1)以硫化氫的危害程度和濃度為劃分依據(jù),通過創(chuàng)建分級標準,結合評估原則,對礦井硫化氫危險性進行分源分級評估。
2)將工作面、采空區(qū)和原煤層的硫化氫劃分為低、中、高、超高4個等級,以便現(xiàn)場根據(jù)不同的等級來進行分源分級評估。
3)通過現(xiàn)場應用,依據(jù)分源分級評估結果采取的針對性治理措施效果明顯,驗證了所構建的礦井硫化氫分源分級評估體系的科學性和合理性,可為相似礦井硫化氫治理提供借鑒。