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行治理，并對正巷回風(fēng)流當(dāng)中的硫化氫濃度進行監(jiān)測，以檢驗實際應(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)場檢測及采樣化驗分析。12315采煤工作面硫化氫濃度受采煤機截割速度影響較大，呈現(xiàn)出采煤機割煤速度越快，工作面硫化氫濃度也會越高，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

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、40個。

2) 鉆孔直徑：113 mm。

3) 鉆孔間距：可以根據(jù)煤層濕潤半徑進行計算：

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)代進公式(1)當(dāng)中，可以得出鉆孔間距計算結(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)進行計算：

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號煤層煤層的最大厚度，取4.75 m；γ表示2.3號煤層自身的容重，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)進行計算：

(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) 注水時間：保持連續(xù)24 h對注水鉆孔進行動壓注水，流量保持在0.3～2 m3/h的范圍內(nèi)?？紤]到2.3號煤層自身的滲透性較差，暫時將注水流量設(shè)定為0.6 m3/h。

4) 同時注水鉆孔數(shù)量：5個鉆孔為一組。

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、煤層中注水的流動性以及需要達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)實踐經(jīng)驗，碳酸鈉溶液配比濃度為3%～5%時，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型全液壓坑道鉆機施工注水鉆孔，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機主要技術(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50 m時，正巷回風(fēng)流當(dāng)中硫化氫濃度已超過了20×10-6，此時開始實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行整體設(shè)計，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。