王武

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，采煤工藝不斷改進，煤產量也隨之增高，但礦井下的危害也越來越多，同時H2S 涌出量隨之增多，H2S 濃度達到0.05%時，經0.5～1.0 h 就會嚴重中毒，失去知覺，抽筋、瞳孔變大，甚至死亡[1]，即H2S 引起的人員傷亡事故也逐漸增多[2]。

各個國家逐漸開始重視H2S 氣體的危害，對于防治H2S 氣體的危害，在國外一些煤礦采用化學催化脫硫方式，尤其美國和澳大利亞廣泛應用這種方式[3-4]。在我國許多學者提出使用堿液治理H2S，畢勝等人提出了以高壓預注堿性液中和硫化氫為主、局部噴灑吸收液與抽采為輔助以及個體防護的綜合治理體系[5]；梁冰等人對煤層注堿應用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試[6]；雷建華在高硫工作面合理注堿孔距進行數(shù)值模擬與實驗研究，數(shù)值模擬結果能夠很好的在現(xiàn)場展開應用[7]。

本文以山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司13 號煤層為原型，使用COMSOL Mutiphysics 數(shù)值仿真軟件中建立簡化三維模型并建立其數(shù)學、物理模型，通過多孔介質反應流和局部熱非平衡多物理場耦合的數(shù)值模擬，研究不同孔距下H2S 的去除效果及堿液在煤層中的流動和擴散規(guī)律，并指導現(xiàn)場實踐。

1 煤層注堿的數(shù)值模擬

煤層注堿的過程是由含濕非飽和到飽和的過程，包含分子擴散和對流傳質2 個方面，流體分子的隨機運動及堿液中的OH-與煤層中H2S 的反應擴散，堿液（Na2CO3） 與H2S 反應方程式如下。

由于煤層注堿過程是一個復雜的含濕非飽和多孔介質多相多組分流體非穩(wěn)態(tài)層流運動[8-9]，并且在傳質過程中涉及到化學反應，這就需要從力學、化學反應動力學、傳熱學等不同學科的角度進行數(shù)學和物理描述，而對如此復雜的系統(tǒng)進行精確的數(shù)學和物理分析是相當困難的，因此，本文在不脫離實際的情況下對該系統(tǒng)做出一定的假設來簡化模型和數(shù)值計算成本。

（1） 假設煤儲層是孔隙率恒定、各向同性的多孔介質，且滲透率恒定。

（2） 注堿的過程產生應力場對原始地應力場不產生影響，計算中不考慮應力變化造成的煤層參數(shù)變化。

（3） 堿液均勻混合，與煤儲層中的H2S 作用的傳質過程符合Fick 定律，化學反應速率通過求解阿倫尼烏斯方程獲得。

（4） 液體在煤層中的滲流為層流且滲流過程符合Darcy 定律。

（5） H2S 氣體在煤儲層中均勻分布。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

數(shù)值建模以沙坪煤業(yè)13 號煤層為原型，建立幾何尺寸為20 m×15 m×1.4 m 的模型，即沿煤層走向長度為20 m，傾向15 m，為簡化計算取煤層厚度1.4 m。在作面煤壁施工注堿鉆孔，鉆孔直徑94 mm，深度為12 m，鉆孔方位垂直煤壁，初始注堿濃度為60 mol/m3，如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2 初始條件

模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)Table 1 Model Calculation Parameters

2.3 模擬結果

2.3.1 單孔注堿

在煤壁實施順層鉆孔，注堿管連接封孔器，通過注漿泵向鉆孔注入堿液，在注堿壓力（4 MPa）作用下，堿液滲入煤層孔隙裂隙，與孔隙裂隙中的H2S 反應，以此達到降低煤層H2S 的目的。先進行單孔注堿模擬，確定單孔注堿時堿液的擴散范圍，可以為接下來的雙孔注堿模擬以及往后的礦下煤層多孔注堿提供參照。圖2為不同時段堿液的滲流情況，圖3為煤層堿液的濃度變化。

由圖2可知，通過煤層鉆孔注堿，隨著時間增長注堿影響范圍逐漸增大，堿溶液不斷滲入煤層孔隙裂隙中，與H2S 氣體反應。同時由圖3也可明顯看出，距離鉆孔越近堿溶液滲流越快，距離越遠滲流越慢壓力梯度減小。經過1 h 注堿，堿液滲流到距鉆孔2 m 范圍，距鉆孔1 m 處，堿溶液濃度達到50 mol/m3左右，距鉆孔1.5 m 處，濃度約為40 mol/m3。注堿6 h 以后，堿液滲流到2 m 范圍，距鉆孔2.5 m 處，堿液濃度達到50 mol/m3，在3 m 處約為20 mol/m3。經過12 h 以后，注堿影響范圍達到3.5 m 以上，距鉆孔4 m 遠處，堿溶液濃度約為20 mol/m3。注堿24 h 后，注堿影響范圍遠于4 m，距鉆孔4 m 位置處，堿液濃度達到40 mol/m3以上。注堿48 h 后，注堿影響范圍增長速度逐漸減小，最遠到達5 m。

圖2 堿液濃度隨注堿時間變化情況Fig.2 Variation of alkali concentration with alkali injection time

圖3 煤層堿液濃度變化值Fig.3 Variation of alkali concentration in coal seam

2.3.2 單孔變壓注堿

通過改變注堿壓力來對煤層進行注堿，研究不同壓力下堿液的滲流狀況。圖4為不同注堿壓力下單孔堿液隨時間擴散圖，圖5為不同壓力注堿時煤層堿液濃度變化值。

由圖4和圖5可以看出，隨著注堿壓力的增大，堿液的擴散范圍也在逐漸增大。堿液的擴散范圍增長速度減慢，并無非常明顯增長；當注堿壓力為4 MPa 注堿時間為48 h 時，堿液的擴散范圍最遠達到了5 m。

圖4 不同注堿壓力下單孔堿液隨時間擴散圖Fig.4 Diffusion diagram of single pore alkali solution with time under different alkali injection pressure

圖5 不同壓力注堿時煤層堿液濃度變化值Fig.5 Variation of coal seam alkali concentration under different pressure injection

2.3.3 雙孔注堿

由于單孔注堿模擬顯示堿液的擴散范圍最遠會到達5 m，因此進行雙孔注堿時雙孔的間距設置為10 m，這樣堿液會充分和H2S 反應，效率更高。于是對煤層進行注堿壓力不同時孔距為10 m 的雙孔注堿數(shù)值模擬研究。如圖6所示雙孔的y 軸坐標分別為5 和-5。堿液隨時間的滲透情況如圖7所示。

圖6 幾何模型Fig.6 Geometric model

圖7 注堿壓力為4 MPa 時雙孔注堿的堿液滲透圖Fig.7 Alkali permeation diagram of double hole alkali injection at 4 MPa

圖8是孔距為10 m 注堿壓力為4 MPa 時堿液濃度隨時間變化曲線，注堿1 h 后，堿液擴散至距鉆孔約3.5 m，1 m 內濃度達59 moL/m3，距鉆孔1～3 m 濃度下降，距鉆孔2 m 處碳酸氫鈉溶液的濃度為40 mol/m3，此時兩鉆孔間堿液未發(fā)生串流及相互影響。注堿6 h 后，堿液擴散至距鉆孔約5.5 m，3.5 m 濃度達59 mol/m3，距鉆孔3～4.5 m 內濃度開始下降，距鉆孔4 m 堿液濃度為4 mol/m3，兩鉆孔中間堿液濃度為24 mol/m3，可以明顯看出兩鉆孔間已經出現(xiàn)堿液交叉的情況。注堿12 h 后，鉆孔周圍約5 m 內分布有碳酸氫鈉溶液，兩鉆孔中心位置堿液濃度約為48 mol/m3，兩鉆孔間堿液已經完全交叉，鉆孔中間上部和下部堿液濃度較低。注堿24 h 后，兩鉆孔中心位置堿液濃度約為59 mol/m3，此時，鉆孔間煤層已經被堿液充分浸潤。

圖8 注堿壓力為4 MPa 時雙孔注堿的堿液濃度隨時間變化曲線Fig.8 The curve of alkali concentration changing with time under the pressure of 4 MPa for double-hole alkali injection

2.3.4 雙孔變壓注堿

圖9分別為壓力在2、3、4 MPa 下雙孔注堿時的堿液滲透圖，圖10為不同注堿壓力下，堿液隨時間延長的滲透范圍變化圖。

圖9 不同注堿壓力下雙孔堿液隨時間擴散圖Fig.9 Diffusion diagram of alkali solution with time under different pressure

圖10 不同壓力注堿時堿液濃度變化圖Fig.10 Chart of alkali concentration change under different pressure

由圖9和圖10可以看出，隨著注堿壓力的增大，堿液的擴散范圍也在逐漸增大。當逐漸壓力為4 MPa 注堿時間為48 h 時，堿液的擴散范圍最遠達到了9.8 m；堿液的擴散范圍增長速度減慢，并無非常明顯的增長。

3 現(xiàn)場應用

為達到更好的注堿效果，現(xiàn)場采用多孔注堿注堿方式，根據(jù)模擬結果和經驗值，確定煤層注堿時的孔間距為8 m、注堿壓力為4 MPa，在工作面兩順槽交錯布置順層注堿鉆孔，如圖11所示，進行煤層注堿。

圖11 注堿鉆孔間距Fig.11 Borehole spacing of alkali injection

為全面提高13 號煤層的H2S 氣體治理效果，分別在1 號架回風隅角、煤機下風側、回風流處進行打孔注堿，為期30 d 的現(xiàn)場試驗，采集數(shù)據(jù)結果如圖12所示。

圖12 注堿鉆孔間距Fig.12 Borehole spacing for alkali injection

如圖12所示，縱坐標為煤層空氣中H2S 濃度，橫坐標為注堿天數(shù)，注堿5 d 后，1 號架回風隅角、煤機下風側、回風流處H2S 濃度都從20～30 ppm降至6.6 ppm 以下，隨后的一周里H2S 濃度有微波動，但是總體為下降趨勢，甚至降至0；第13 d 安排工人進行回采，煤層空氣中H2S 濃度略有所上升，最高濃度為6 ppm，平均濃度為3.2 ppm。現(xiàn)場應用結果表明，孔距為8 m、壓力為4 MPa 的注堿鉆孔可行，治理效果明顯。

4 結論

（1） 模擬結果證明，單孔注堿時隨著時間的增長注堿影響范圍越大，堿溶液不斷深入煤層孔隙中，與煤層中的H2S 進行反應，當注堿48 h、注堿壓力為4 MPa，注堿影響范圍增長最遠到達6.4 m。

（2） 雙孔注堿時選用的孔距為8 m，當注堿6 h、距孔4 m 時2 個鉆孔之間已經出現(xiàn)堿液交叉的情況，注堿24 h 后，鉆孔間煤層已經被堿液充分浸潤。當注堿48 h、注堿壓力為4 MPa 時，堿液擴散范圍最遠達到了9.8 m。

（3） 依據(jù)模擬結果，在沙坪煤業(yè)13 號煤層1號架回風隅角、煤機下風側、回風流處進行煤層注堿實驗，現(xiàn)場實驗表明，孔距為8 m、壓力為4 MPa 的注堿鉆孔可行，治理效果明顯。