劉 偉

(山西焦煤西山煤電斜溝煤礦,山西 呂梁 033602)

硫化氫氣體性能活潑,可附著在煤孔或煤層中間,于煤礦開采過程中釋放,具有劇毒性、易燃易爆、溶于水等物理性質(zhì)[1-2]。硫化氫氣體如果在開采時涌出并聚集,瞬間即可導致人員中毒昏迷甚至死亡,嚴重威脅煤礦工人的生命安全[3];其與水結合后,會形成酸性溶液,腐蝕井下機械設備[4];一旦發(fā)生燃燒爆炸,就會造成無法估量的損失。國內(nèi)外諸多專家深入研究了硫化氫氣體的賦存規(guī)律與防治方法,旨在解決該氣體對煤礦開采造成的不利影響。金永飛等[5-6]建立硫化氫分源分級評估體系,以此為標準將井下分成不同區(qū)域,為實現(xiàn)硫化氫分級治理提供思路方法;汪偉[7]、賈寶山等[8]利用風幕風機封閉綜掘斷面,防止硫化氫外溢,可以降低掘進機司機處的硫化氫體積分數(shù),但對其他區(qū)域的治理效果有待提高。

綜上所述,本文基于硫化氫運移規(guī)律,提出工作面3個階段的硫化氫治理措施,回采前通過長鉆孔和“鉆墻”注入堿液[9-10],生產(chǎn)時借助采煤機外噴霧向作業(yè)空間噴灑堿液,割煤后利用風簾引排及水幕酸堿中和硫化氫的綜合治理工藝,同時考察硫化氫的治理效果。

1 工作面硫化氫賦存規(guī)律

1.1 硫化氫運移規(guī)律

1.1.1 工作面基本情況

山西焦煤西山煤電斜溝煤礦23109工作面位于21采區(qū)北翼中東部,西側為23107工作面,東側為23111采空區(qū)和舊斜溝煤礦13號煤層采空區(qū)、馬圐圙煤礦13號煤層采空區(qū)影響范圍,南側為21采區(qū)大巷保護煤柱,北側為實煤區(qū)。工作面上覆有8號煤層18101、18103、18105、18115采空區(qū),切割北側上覆有麻墕塔溝8號煤小窯巷道。

23109工作面主要開采13號煤層,煤層傾角為8.1°～9.6°,平均傾角為8.7°,工作面傾斜長度為247.8 m,共計布置142個支架,可采走向長度為2 910 m,采高為3.8 m,放煤高度為11.06 m.工作面回采時受到向斜影響,工作面開切眼位于向斜軸部以西369～705 m.向斜兩翼巖層呈現(xiàn)對稱分布,軸長約1.4 km,傾角為5.7°～7.8°.

1.1.2 硫化氫賦存規(guī)律

在23109工作面現(xiàn)場取樣,送至實驗室使用硫化氫測定儀器進行測定,并依據(jù)測定數(shù)據(jù)畫出硫化氫含量等值線,從而得到工作面硫化氫分布規(guī)律。

由于23109工作面開采范圍內(nèi)存在汾渭地塹、霍山斷層、羅云山斷裂帶、紫金山斷裂帶等地質(zhì)構造,屬于非對稱分布的復式向斜構造。根據(jù)硫化氫含量等值線,發(fā)現(xiàn)斷層和向斜軸部地點的煤層具有高濃度的硫化氫,以帶狀分布呈現(xiàn)。

1.2 23109工作面硫化氫分布規(guī)律

結合工作面硫化氫傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),采煤機的運行速度對23109工作面涌出的硫化氫影響很大,工作面硫化氫體積分數(shù)隨著采煤機運行速度的增大而升高;與向斜軸部的距離越小,工作面生產(chǎn)時涌出的硫化氫越多。在采動作用影響下,13號煤的原生裂隙持續(xù)延伸,進而形成大量的相互連通的裂隙,煤層內(nèi)賦存的硫化氫通過裂縫裂隙釋放至工作面內(nèi)。

當工作面沒有進行生產(chǎn)時,硫化氫絕大多數(shù)以吸附態(tài)賦存于煤體內(nèi),向工作面釋放出少量的硫化氫。當工作面生產(chǎn)時,賦存于煤體內(nèi)的吸附態(tài)硫化氫不斷向工作面釋放,導致工作面硫化氫體積分數(shù)超限,對礦井安全高效生產(chǎn)以及職工的身心健康造成嚴重的威脅[11-12]。在23109工作面現(xiàn)場實測中發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生硫化氫的生產(chǎn)環(huán)節(jié)為落煤、運煤和放煤。由于工作面下一步的回采方向是向斜軸部區(qū)域,此處煤層賦存的硫化氫在不斷增加,所以了解工作面硫化氫的源頭對下一步實施的治理手段具有重要指導作用。

依靠硫化氫傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):23109工作面落煤、放煤、運煤3個生產(chǎn)環(huán)節(jié)向作業(yè)空間釋放的硫化氫比例分別為63.6%、5.9%、30.5%.

2 落煤前硫化氫治理

2.1 施工長鉆孔攔截硫化氫

2.1.1 長鉆孔布置

施工順層長鉆孔提前注堿液治理硫化氫的機理為向煤層內(nèi)輸入堿液,堿液運移擴散至煤的裂縫裂隙內(nèi),煤層內(nèi)積存的硫化氫與堿液發(fā)生酸堿中和反應,形成無毒無害的物質(zhì)。

注堿鉆孔布置見圖1,先利用采煤工作面之前施工的煤層注水鉆孔注堿液,同時在兩巷補打順層長鉆孔注堿液,注堿鉆孔長度為40～150 m,封孔深度應超過巷幫煤體的破碎帶,借助注漿泵進行封孔,封孔長度為15 m,要求封孔長度不得小于煤體的采動破壞區(qū)。鉆孔施工和封孔工作完成后,將配置好的碳酸鈉水溶液(摩爾濃度為1%～1.5%)通過高壓脈動泵注入煤層長鉆孔中。

圖1 長鉆孔布置圖

單孔注液量和注液時間計算見公式(1)、(2):

1) 單個鉆孔注堿量計算見公式(1):

Q1=LBMγKv

(1)

式中:Q1為單個鉆孔注堿液體積,m3;L為采煤工作面傾斜距離,m;B為兩個注堿鉆孔的距離,m;M為回采煤層的厚度,m;γ為回采煤的密度,t/m3;K為注堿液潤濕不均衡系數(shù),取1.2;v為向1 t煤注入的水的體積,結合前人注水實踐,取0.01 m3/t.

2) 注堿液所需要的時間計算見公式(2):

τ=Q2/q

(2)

式中:τ為注堿液所需要的時間,h;Q2為注堿液的總體積,m3;q為單位時間內(nèi)每孔注液量,m3/h,現(xiàn)場實踐時利用分流器設置。

2.1.2 長鉆孔注堿液治理硫化氫效果

依靠分析工作面生產(chǎn)時回風巷硫化氫傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù),對采取長鉆孔注堿液治理硫化氫效果進行研究,發(fā)現(xiàn)回風巷硫化氫體積分數(shù)發(fā)生明顯下降,采取長鉆孔注堿液之后回風巷硫化氫平均體積分數(shù)由53%下降到32%,硫化氫體積分數(shù)的最大值下降了29%,表明采取長鉆孔注堿液治理硫化氫具有一定的治理效果。

2.2 鉆墻治理硫化氫

2.2.1 鉆墻布置

施工鉆墻治理硫化氫的原理為利用鉆機沿著工作面煤幫鉆進多個傾斜鉆孔,每列鉆孔形成攔截硫化氫的墻面,接著通過高壓脈動泵對鉆孔注堿液,依靠鉆墻吸收采動破壞后釋放出的硫化氫。由于通過長鉆孔注堿液的手段無法有效治理硫化氫,加之工作面不斷往向斜軸部開采,硫化氫體積分數(shù)逐步增大,所以通過在工作面煤幫布置鉆墻以攔截采落時涌出的硫化氫。

圖2為23109工作面“鉆墻”布置圖,鉆墻到煤壁的垂直距離設計為5.8 m,工作面每割煤4.8 m(3個循環(huán))施工1次鉆墻以攔截硫化氫,封孔完成后,向5個鉆孔開始注堿液?，F(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)1號支架到70號支架硫化氫體積分數(shù)較低,因此暫不施工鉆墻。從70號支架到機尾區(qū)域,一共布置12組鉆墻,共計48個鉆孔。

圖2 鉆墻布置情況(單位:m)

2.2.2 布置鉆墻治理硫化氫效果

通過鉆墻布置預注堿液的目的是在工作面布置一豎排鉆孔,利用所產(chǎn)生的墻面對硫化氫進行攔截和阻擋,基于原有煤層注水鉆孔的基礎上,優(yōu)化鉆孔注堿液設計,從而達到減少工作面硫化氫涌出量的目的。

工作面在布置鉆墻和未布置鉆墻兩種條件下,根據(jù)采煤機割煤到70號支架至120號支架時,分析工作面回風巷硫化氫體積分數(shù),進而判斷鉆墻注堿液治理硫化氫效果。

采煤面沒有施工鉆墻時,工作面回風巷硫化氫平均體積分數(shù)為25.13×10-6;鉆墻施工完成后,工作面回風巷硫化氫平均體積分數(shù)為10.24×10-6,硫化氫體積分數(shù)下降了59.25%.

3 落煤時硫化氫治理效果

3.1 外噴霧治理硫化氫方案

在工作面采煤機搖臂以及兩側安設外噴霧,外噴霧向作業(yè)空間噴灑堿液,酸堿中和生產(chǎn)時煤體向外涌出的硫化氫,從而降低工作面回風流硫化氫體積分數(shù),圖3為采煤機外噴霧系統(tǒng)。

圖3 采煤機外噴霧系統(tǒng)

與采煤機外噴霧裝置配套使用的噴霧泵型號為BPW125/20,可以提供的最大壓力為20 MPa.外噴霧裝置包括以下幾部分:供水管路、供水箱、輸液管路、注液泵、壓力表、閥門等。外噴霧裝置所使用的堿液是摩爾濃度均為0.4%的碳酸氫鈉和碳酸鈉的混合物。

工作面設置移動式堿液噴灑系統(tǒng),注液泵站安設在控制列車處,向供水箱內(nèi)放入核算出的碳酸鈉及碳酸氫鈉,加入一定量的水,攪拌均勻,配置成所需要的堿液,之后開啟注液泵,堿液沿著管路流動至采煤工作面,實現(xiàn)生產(chǎn)過程中正常噴灑堿液,具體如圖4所示。

圖4 噴灑堿液流程

3.2 外噴霧治理硫化氫效果

通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),工作面生產(chǎn)期間,采煤機外噴霧向作業(yè)空間噴灑堿液,23109工作面59、71、75、83號4個支架處的硫化氫平均體積分數(shù)為39.2×10-6;采煤機外噴霧停止運行時,23109工作面59號、71號、75號、83號4個支架處的硫化氫平均體積分數(shù)為61.7×10-6;采煤機外噴霧裝置噴灑堿液前后對比發(fā)現(xiàn),噴灑堿液后硫化氫體積分數(shù)下降了36.47%.

4 落煤后硫化氫治理效果

4.1 風簾引排和水幕酸堿中和硫化氫治理方案

硫化氫引排的原理為通過在頂?shù)装寤蛑Ъ苌显O置風簾,將采煤面生產(chǎn)期間煤層釋放出的硫化氫氣體引排出,并把帶有噴霧設施的防塵網(wǎng)安裝在引排路線內(nèi),實現(xiàn)降低硫化氫體積分數(shù)的目的。使用硬制塑料材質(zhì)加工透明風簾,寬度約2.2 m、高度約3 m,透明風簾固定位置選在支架或頂?shù)装?同時保證透明風簾有足夠的搭接長度。根據(jù)工作面風流方向搭接風簾時,將1號風簾安裝在2號風簾外側,控制0.7 m的搭接長度,具體安裝如圖5所示。

將噴灑堿液的風流凈化水幕安裝在引排路線上,用來酸堿中和生產(chǎn)時所釋放的硫化氫。

噴嘴方向要求直接朝向防塵網(wǎng),堿液噴射出后形成一層水幕覆蓋在防塵網(wǎng)上,風流凈化水幕安裝在硫化氫引排路線中,水幕需要全斷面覆蓋引流巷道,第一時間酸堿中和采煤面釋放出的硫化氫。根據(jù)采煤面回風巷斷面尺寸,調(diào)整噴嘴方向并合理布置,噴嘴均勻布置在回風巷,要求能夠360°全面覆蓋回風巷,如圖6所示。

圖6 水幕攔截硫化氫

噴嘴選用不銹鋼2分外牙可調(diào)霧化噴頭,2.0 mm孔,如圖7所示,噴嘴霧化后的液滴尺寸規(guī)格見表1.

表1 孔徑及流量參數(shù)

圖7 噴嘴示意圖

將2層過濾網(wǎng)安設在水幕上,過濾網(wǎng)保持0.2 m的間距,支架與過濾網(wǎng)的距離控制在0.1 m,支架高度為3.1 m、寬度為4.2 m,噴嘴安裝在支架上,如圖7所示。

選用自主配制摩爾濃度為2%的碳酸鈉溶液,通過膠管、注液泵供至噴嘴,通過水幕上的噴嘴向巷道噴灑碳酸鈉溶液。

4.2 風簾引排和水幕治理硫化氫效果

對采取風簾引排和水幕噴灑堿液治理硫化氫效果進行研究,圖8為采煤工作面、回風巷KGQ8礦用硫化氫傳感器安設情況。

圖8 硫化氫傳感器安設位置

在地面調(diào)度監(jiān)控中心站采集KGQ8礦用硫化氫傳感器數(shù)據(jù)并開始分析,重點分析采煤工作面生產(chǎn)期間硫化氫傳感器數(shù)據(jù),水幕噴灑碳酸鈉溶液酸堿中和硫化氫的量計算見公式(3):

(3)

式中:△W1、△W2為每日上風側和下風側的硫化氫體積分數(shù),×10-6.

依據(jù)采煤工作面硫化氫測定體積分數(shù)進行計算發(fā)現(xiàn):水幕噴灑碳酸鈉溶液酸堿中和硫化氫的占比高達47.9%,表明采用風流引排硫化氫至防塵網(wǎng)水幕處進行酸堿中和,硫化氫治理效果良好。

5 結 語

1) 結合現(xiàn)場實測煤層硫化氫結果,發(fā)現(xiàn)決定硫化氫含量的重要因素之一是地質(zhì)構造,處于較大斷層和向斜周圍的煤層,其硫化氫含量測定值較大;從向斜軸部到兩側,煤層硫化氫含量伴隨標高增大而緩慢減小。

2) 根據(jù)現(xiàn)場實測工作面生產(chǎn)期間的硫化氫體積分數(shù)發(fā)現(xiàn):23109工作面落煤、放煤、運煤3個生產(chǎn)環(huán)節(jié)向作業(yè)空間釋放的硫化氫比例分別為63.6%、5.9%、30.5%.采取長鉆孔注堿液之后,回風巷硫化氫平均體積分數(shù)由53%下降到32%,硫化氫體積分數(shù)的最大值下降了29%;鉆墻施工完成后,工作面回風巷硫化氫平均體積分數(shù)為10.24×10-6,硫化氫體積分數(shù)下降了59.25%;工作面采煤機外噴霧裝置噴灑堿液前后對比發(fā)現(xiàn),噴灑堿液后硫化氫體積分數(shù)下降了36.47%;落煤后水幕噴灑碳酸鈉溶液酸堿中和硫化氫的占比高達47.9%,表明采用風流引排硫化氫至防塵網(wǎng)水幕處進行酸堿中和,硫化氫治理效果良好。