張 斌

(山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053)

硫化氫是煤礦井下的有毒有害氣體之一，其濃度超限對井下現(xiàn)場作業(yè)人員的生命健康帶來了巨大威脅。隨著煤礦開采規(guī)模的提升和開采深度的增大，很多煤礦出現(xiàn)了硫化氫氣體超限的問題。因此，本文針對西曲礦12315工作面硫化氫濃度超限情況，提出采用鉆孔注堿性溶液方法對硫化氫氣體進(jìn)行治理，并對正巷回風(fēng)流當(dāng)中的硫化氫濃度進(jìn)行監(jiān)測，以檢驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用效果[1-5]。

1 工作面概況

西曲礦12315工作面井上位于原南坪村，地表以山地地形為主，無河流經(jīng)過，溝谷低洼處常年無流水，蓋山厚度160～238 m，平均199 m。井下位于南三盤區(qū)，四鄰均為已采空區(qū)域。所采2.3號(hào)煤層煤厚3.98～4.75 m，平均4.40 m，結(jié)構(gòu)為3.10(0.20)1.10 m，整體上傾向西南，傾角2～8°，平均4°。直接頂板為厚1.20～3.30 m的砂質(zhì)泥巖，老頂為厚2.35 m的中砂巖，底板為厚8.56 m的泥巖。無火成巖侵入，沖刷帶及煤層分叉等因素影響。預(yù)計(jì)正常涌水量為2～5 m3/h，最大涌水量為15 m3/h。

12315工作面的副巷、正巷的長度分別為400 m、449 m。一般地，巷道采用寬4.5 m、高3.5 m的矩形斷面，錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)形式；特殊地段中，巷道采用上寬3.3 m、下寬4.3 m、高3.2 m的梯形斷面，錨桿+錨索+鐵硼的支護(hù)形式。

2 工作面硫化氫涌出情況

12315工作面在回采過程當(dāng)中出現(xiàn)硫化氫明顯增大的現(xiàn)象，工作面和正巷都有明顯臭雞蛋味道，局部地段硫化氫濃度超過了20×10-6。為準(zhǔn)確掌握硫化氫分布規(guī)律，在工作面及回風(fēng)流處安設(shè)硫化氫測定儀進(jìn)行硫化氫氣體濃度監(jiān)測，并結(jié)合人工現(xiàn)場檢測及采樣化驗(yàn)分析。12315采煤工作面硫化氫濃度受采煤機(jī)截割速度影響較大，呈現(xiàn)出采煤機(jī)割煤速度越快，工作面硫化氫濃度也會(huì)越高，反之越小，不生產(chǎn)則無硫化氫氣體。經(jīng)分析，工作面硫化氫來源主要是吸附在煤層中的硫化氫，在割煤期間從新裸露煤壁和落煤中釋放到工作面，造成回風(fēng)流含有硫化氫氣體。

3 鉆孔注堿性溶液治理硫化氫方案設(shè)計(jì)

利用12315工作面注水系統(tǒng)，按比例往水箱中加配碳酸鈉制成堿性溶液，向煤體中注堿性溶液，降低煤體中硫化氫氣體的濃度。

3.1 鉆孔注水方式的選擇

根據(jù)12315工作面地測資料，鉆孔施工于巷道底板1.5 m的高度之上，采用動(dòng)壓注水的方式。

3.2 注水鉆孔布置

1) 鉆孔布置：12315工作面正、副巷均布置注水鉆孔，距切眼10 m處施工第一個(gè)鉆孔，孔間距為10 m，孔深均為95 m。正巷、副巷分別布置注水鉆孔45個(gè)、40個(gè)。

2) 鉆孔直徑：113 mm。

3) 鉆孔間距：可以根據(jù)煤層濕潤半徑進(jìn)行計(jì)算：

B=2.2R=5h

(1)

式中：R為煤層濕潤半徑，m；h為巷道凈高，取3.2 m。

把12315工作面上述相關(guān)參數(shù)代進(jìn)公式(1)當(dāng)中，可以得出鉆孔間距計(jì)算結(jié)果為16 m，為保證鉆孔注堿性溶液治理取硫化氫效果，取鉆孔間距為15 m。

4) 鉆孔角度：理論上鉆孔應(yīng)當(dāng)與煤層相平行，但實(shí)際作業(yè)將鉆桿下沉情況納入考慮范疇，因此鉆孔開口位置必須盡可能布置到煤層上部，現(xiàn)場將鉆孔開孔角度確定為垂直于每次向上0～1°。

3.3 注水工藝參數(shù)

1) 單鉆孔注水量：

可以根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Q=BLγM(W1-W2)KQ

(2)

式中：B表示相鄰鉆孔之間的間距，取15 m；L表示鉆孔深度，取95 m；M表示2.3號(hào)煤層煤層的最大厚度，取4.75 m；γ表示2.3號(hào)煤層自身的容重，取1.34 t/m3；W1表示煤層經(jīng)過注水之后理想水分含量，取3%；W2表示2.3號(hào)煤層原煤水分含量，取1.2%；KQ表示煤層注水量系數(shù)，取1.5。

把12315工作面上述相關(guān)參數(shù)代進(jìn)公式(2)當(dāng)中，可以得出單鉆孔注水量為245 m3。

2) 單鉆注水壓力：可以根據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：c為因水壓增大滲透系數(shù)隨之增大的指數(shù)系數(shù)，取0.158 1；γW表示水自身的容重，0.001 kg/cm3；q表示單孔單位長度在單位時(shí)間內(nèi)的1/2注水量，cm3；α表示初始狀態(tài)的滲透系數(shù)，α=0.003 6×2.017 0e-0.006 965×h，cm/h；Kp表示煤層注水壓力系數(shù)，取1.2。

把12315工作面上述相關(guān)參數(shù)代進(jìn)公式(3)當(dāng)中，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況，確定單孔注水壓力為4～5 MPa。

3) 注水時(shí)間：保持連續(xù)24 h對注水鉆孔進(jìn)行動(dòng)壓注水，流量保持在0.3～2 m3/h的范圍內(nèi)。考慮到2.3號(hào)煤層自身的滲透性較差，暫時(shí)將注水流量設(shè)定為0.6 m3/h。

4) 同時(shí)注水鉆孔數(shù)量：5個(gè)鉆孔為一組。

5) 鉆孔位置：正、副巷煤壁中部，距離工作面25 m。

6) 封孔深度：封孔深度確定為6 m以上。

7) 封孔方式：采用封孔泵注水泥砂漿封孔。

3.4 堿性溶液配比

堿性溶液濃度同煤層硫化氫含量、煤層中注水的流動(dòng)性以及需要達(dá)到的硫化氫濃度控制效果等因素有關(guān)，結(jié)合其他礦井硫化氫治理相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，碳酸鈉溶液配比濃度為3%～5%時(shí)，可以取得較為理想的治理效果，因此本次12315工作面硫化氫治理暫時(shí)取碳酸鈉濃度為3%，據(jù)此單孔鉆孔注堿量為2.45 t。在現(xiàn)場12315工作面硫化氫治理過程根據(jù)實(shí)際情況對參數(shù)調(diào)整。

3.5 鉆孔施工設(shè)備

本次注水鉆孔施工采用ZDY-1200S型全液壓坑道鉆機(jī)施工注水鉆孔，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.6 注水設(shè)備

采用MKZ型煤層脈沖式高壓注水系統(tǒng)，主要由2BZ-40/12型煤層注水泵、FK型封孔泵、注水分配器、高壓水表及注水管路系統(tǒng)組成，注水泵主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 高注水泵主要技術(shù)參數(shù)

4 鉆孔注堿性溶液治理硫化氫效果考察

12315工作面自推進(jìn)50 m時(shí)，正巷回風(fēng)流當(dāng)中硫化氫濃度已超過了20×10-6，此時(shí)開始實(shí)施鉆孔注堿性溶液治理硫化氫工作。圖1所示為12315工作面正巷回風(fēng)流硫化氫濃度變化情況。

通過圖1可以表明，采用鉆孔注堿性溶液治理硫化氫之后，12315工作面正巷回風(fēng)流當(dāng)中的硫化氫濃度開始顯著降低，其濃度最終保持在4×10-6以下。

5 結(jié) 語

針對西曲礦12315工作面硫化氫濃度超限情況，對其來源情況進(jìn)行分析后得出，吸附在煤層中的硫化氫工作面硫化氫的主要來源，在割煤期間從新裸露煤壁和落煤中釋放到工作面，從而造成回風(fēng)流含有硫化氫氣體。利用12315工作面注水系統(tǒng)，對鉆孔注堿性溶液治理硫化氫方案進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，現(xiàn)場監(jiān)測效果表明，采用鉆孔注堿性溶液治理硫化氫之后，12315工作面正巷回風(fēng)流當(dāng)中的硫化氫濃度開始顯著降低，其濃度最終保持在4×10-6以下，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。