煤礦裂隙硫化氫綜合防治技術(shù)應(yīng)用

猶元成 劉益文 劉生龍 高奎

摘要：本文從研究廣安煤礦裂隙硫化氫的分布入手，采用監(jiān)測(cè)監(jiān)控、探鉆及抽放、加大工作面供風(fēng)量、加強(qiáng)裂隙硫化氫的管理等綜合防治技術(shù)對(duì)硫化氫進(jìn)行治理，成功控制了裂隙硫化氫對(duì)作業(yè)人員的危害，產(chǎn)生了較大的安全經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Abstract： From the distribution of fracture sulfuretted hydrogen in Guang'an Coal Mine， through monitoring， exploration drilling and drainage， increasing the air flow for working face， enhancing the management of the fracture sulfuretted hydrogen and other comprehensive control technologies， the sulfuretted hydrogen is managed. The harm to workers by the fracture sulfuretted hydrogen is successfully controlled， the safety economic benefit and social benefit are produced.

關(guān)鍵詞：煤礦；裂隙硫化氫；綜合防治技術(shù)；應(yīng)用

Key words： coal mine；fracture sulfuretted hydrogen；comprehensive prevention and control technology；application

中圖分類號(hào)：TD711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）09-0246-03

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中有毒有害氣體對(duì)人的健康、生命造成危害。我國(guó)政府不但成立了專門的政府機(jī)構(gòu)，而且還相繼出臺(tái)并實(shí)施的《安全生產(chǎn)法》與《職業(yè)病防治法》等法津、法規(guī)，以保障職工的健康與安全，創(chuàng)造安全、健康的工作環(huán)境，防止各種傷害和爆炸事故，保護(hù)人民生命和健康安全[1]。硫化氫（H2S）是一種劇毒氣體，無(wú)色，有臭雞蛋氣味，相對(duì)密度為1.17，比空氣重。H2S易燃，燃燒時(shí)火焰為藍(lán)色，并產(chǎn)生另一種有毒氣體SO2。與空氣及氧氣混合后遇火星易發(fā)生爆炸，其爆炸極限為4.0%～46.0%。H2S極易溶于水，溶于水或在潮濕的環(huán)境下呈酸性，對(duì)有機(jī)質(zhì)和金屬化合物具有很高的活性和腐蝕性。人的嗅覺(jué)能夠感知硫化氫氣味的濃度下限為0.2～0.3ppm（1ppm=10-6）。當(dāng)硫化氫濃度為20～30ppm時(shí)就出現(xiàn)強(qiáng)烈臭雞蛋氣味；當(dāng)濃度為100～150ppm時(shí)，會(huì)使人嗅覺(jué)麻痹；當(dāng)濃度在10000ppm時(shí)，在數(shù)秒內(nèi)會(huì)致人死亡[2]?！睹旱V安全規(guī)程》第一百條規(guī)定，井下H2S氣體體積分?jǐn)?shù)不得超過(guò)6.6ppm。近年來(lái)，隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大和開(kāi)采深度的增加，一些煤礦中硫化氫問(wèn)題越發(fā)突出。因此，煤礦硫化氫的防治對(duì)保障安全生產(chǎn)和工人身體健康具有重要的意義。

1 廣安煤礦基本情況[3]

四川省鑫福礦業(yè)股份有限公司廣安煤礦（以下簡(jiǎn)稱廣安煤礦）1987年10月開(kāi)工，1995年10月投產(chǎn)，現(xiàn)生產(chǎn)能力為210kt/a。礦井為平硐開(kāi)拓，主平硐口標(biāo)高+497m，主要進(jìn)風(fēng)大巷和主要回風(fēng)大巷均布置在底板茅口灰?guī)r中。

煤礦井田在新華廈系第3沉降帶四川盆地內(nèi)，位于華鎣山復(fù)式褶皺帶的龍王洞背斜中段北端，井田走向北15°東，恰位于龍王洞背斜面向北傾伏又局部抬起的高點(diǎn)部位，屬傾伏狀背斜埋藏，煤層未出露地表。背斜似“S”形，北部狹窄，兩翼略寬，東翼稍陡，背斜南部寬闊呈箱狀，深部西翼近于直立，東翼傾角還不到50°。在井田邊界-100m標(biāo)高以上范圍內(nèi)，一般為30°～47°，煤層最大傾角約為70°，但范圍極小，僅存在11線～12線之間的+100m至-100m的標(biāo)高內(nèi)。井田內(nèi)構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，井田范圍內(nèi)地表未見(jiàn)斷層，僅在12-3號(hào)和19-2號(hào)鉆孔井深651.61m～653.63m和583.21m～558.17m處巖芯破碎，地層分別增厚18m和40m，推斷分別存在一逆斷層。

廣安煤礦在采礦許可證劃定的范圍內(nèi)允許開(kāi)采K1煤層，K1煤層位于為二疊系龍?zhí)督M一段中部，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采。K1煤層上距龍?zhí)督M二段灰?guī)r12.7～21.49m，平均16.28m；下距鋁質(zhì)泥巖0.7～14.84m，平均4.47m；距茅口組灰?guī)r3.24～16.49m，平均6.76m。純煤厚度0.70～2.85m，平均1.0m，屬薄煤層。由東向西，由北向南有逐漸增厚趨勢(shì)。煤層傾角變化較大，+600m標(biāo)高以上5°～20°，+600～+500m標(biāo)高為15°～30°。

井田內(nèi)水文地質(zhì)條件均屬巖溶裂隙充水礦床，井田內(nèi)最高山脊偏離背斜軸部，一般標(biāo)高+1000m左右，最高山峰四方山，標(biāo)高為+1139.5m，該山脊為地表的分水嶺。兩側(cè)順向沖溝發(fā)育，利于地表水的排泄，逕流條件好，并且無(wú)什么水體存在。大氣降水后部分流入落水洞或漏斗中。根據(jù)礦井多年的開(kāi)采實(shí)踐，煤層采空區(qū)引起的頂板巖層坍塌帶和塌陷裂隙帶的高度，不會(huì)影響到長(zhǎng)興石灰?guī)r含水層的水，因此對(duì)礦坑水也無(wú)威脅。井田內(nèi)水地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水動(dòng)水位埋藏較深，循環(huán)能力不強(qiáng)，對(duì)礦坑水影響甚弱。由于礦井煤層屬隱伏構(gòu)造，煤層地表無(wú)出露，故未受小窯開(kāi)采影響。

廣安煤礦自建井以來(lái)有四次較嚴(yán)重的裂隙硫化氫、甲烷噴出，均發(fā)生在K1煤層底板茅口灰?guī)r掘進(jìn)工作面：第一次是1991年11月在掘進(jìn)+590m下車場(chǎng)時(shí)遇裂隙硫化氫、甲烷噴出，巷道回風(fēng)側(cè)硫化氫濃度達(dá)到16ppm，甲烷濃度達(dá)到2.6%，放炮后引起瓦斯燃燒，事后對(duì)該巷道進(jìn)行了永久性封閉；第二次是2006年8月+500m西南巷掘進(jìn)至440m時(shí)遇裂隙硫化氫、甲烷噴出，巷道回風(fēng)側(cè)硫化氫濃度達(dá)到28ppm，甲烷濃度達(dá)到7.0%；第三次是2009年6月+500m西北運(yùn)輸巷掘進(jìn)至350m時(shí)遇裂隙硫化氫、甲烷噴出，巷道回風(fēng)側(cè)硫化氫濃度達(dá)到21ppm，甲烷濃度達(dá)到8.0%；第四次是2010年3月7日在+500m西北運(yùn)輸巷掘進(jìn)至720m時(shí)，發(fā)生裂隙硫化氫、甲烷噴出，據(jù)檢測(cè)掘進(jìn)工作面硫化氫濃度為2500ppm，甲烷濃度為12%，事故造成3人死亡，給礦井帶來(lái)沉痛的教訓(xùn)。

裂隙硫化氫、甲烷對(duì)巖巷掘進(jìn)工作面以及其他采掘工作面安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。為了消除裂隙硫化氫、甲烷對(duì)安全生產(chǎn)的威脅，廣安煤礦開(kāi)展了對(duì)裂隙硫化氫、甲烷的防治工作。鑒于目前國(guó)內(nèi)已有比較成熟的甲烷防治技術(shù)，本文重點(diǎn)闡述裂隙硫化氫防治技術(shù)的應(yīng)用。

2 裂隙硫化氫成因及分布情況

硫化氫是在煤炭生成過(guò)程中有機(jī)物的腐爛所產(chǎn)生的一種氣體。礦井開(kāi)采后，采空區(qū)有機(jī)物質(zhì)腐爛后也產(chǎn)生硫化氫。煤對(duì)硫化氫有很強(qiáng)的吸附能力。煤礦硫化氫異常的主要原因在于硫化氫的保存條件，華鎣山礦區(qū)喀斯特地形比較發(fā)育，有大量的溶洞和裂隙存在，這就為硫化氫的儲(chǔ)存創(chuàng)造了條件。廣安煤礦為華鎣山龍王洞背斜北端的末端，呈隱伏廂狀，和地表沒(méi)有通道，硫化氫呈高壓狀態(tài)封閉儲(chǔ)存于溶洞和裂隙中。高壓狀態(tài)下的硫化氫噴出危害很大，如不采取措施或措施不到位，就會(huì)造成人員傷亡事故（2010年的“3.7”硫化氫中毒事故就是一個(gè)沉痛的教訓(xùn)）。

廣安煤礦在揭露K1煤層進(jìn)入底板茅口組30m～150m的黑色泥質(zhì)灰?guī)r中掘進(jìn)+500m西北、西南運(yùn)輸大巷和+575m北、+590m南總回風(fēng)巷等巷道，釬探和鉆探時(shí)均遇到過(guò)裂隙構(gòu)造，噴出高壓硫化氫和甲烷氣體。

在W55采區(qū)煤巷掘進(jìn)中也出現(xiàn)過(guò)硫化氫，有硫化氫涌出的掘進(jìn)工作面放炮后硫化氫濃度在10～20ppm（硫化氫涌出量為1.5～3L/min）之間，正常情況下硫化氫的濃度在0～3ppm（硫化氫涌出量0～0.45L/min）之間，在保持正常通風(fēng)的情況下對(duì)安全生產(chǎn)的影響比較小。

在W5503和E5302采煤工作面局部區(qū)域出現(xiàn)過(guò)硫化氫涌出，有硫化氫涌出的區(qū)域放炮后濃度在10～30ppm，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

綜上所述，廣安煤礦在K1煤層底板茅口灰?guī)r中距K1煤層層間距30～150m處巖溶發(fā)育，溶洞裂隙內(nèi)及其影響區(qū)域富含高壓力高濃度高含量的硫化氫；在K1煤層局部區(qū)域富含硫化氫氣體。

3 裂隙硫化氫綜合防治技術(shù)

3.1 硫化氫氣體的監(jiān)測(cè)監(jiān)控

①在有硫化氫氣體涌出的采煤、掘進(jìn)工作面、采區(qū)回風(fēng)巷、一翼回風(fēng)大巷、+818總回風(fēng)斜井安裝硫化氫傳感器，安裝位置符合《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》（AQ1029—2007）標(biāo)準(zhǔn)中甲烷傳感器安裝位置要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫氣體的連續(xù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)硫化氫傳感器顯示超限時(shí)，監(jiān)控值班員必須立即向礦調(diào)度員報(bào)告。安監(jiān)員和掘進(jìn)工作面的瓦檢員配備便攜式硫化氫氣體檢測(cè)儀檢測(cè)硫化氫，濃度超限時(shí)，及時(shí)向礦調(diào)度室匯報(bào)。調(diào)度員接到硫化氫超限報(bào)告后，要及時(shí)組織硫化氫超限區(qū)域停工撤人。

②硫化氫檢測(cè)地點(diǎn)和次數(shù)。超前巖巷掘進(jìn)工作面每班分別在工作面（拱頂、腰線、底板）和裝巖機(jī)前后10m范圍內(nèi)中下部及回風(fēng)風(fēng)流進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。各班進(jìn)班時(shí)、裝藥前和放炮后均必須檢測(cè)硫化氫濃度。其他掘進(jìn)工作面每班檢測(cè)一次。

③在距掘進(jìn)工作面5m處的回風(fēng)側(cè)安裝一臺(tái)硫化氫傳感器，在鉆場(chǎng)鉆機(jī)處安裝一臺(tái)硫化氫傳感器，并對(duì)巷道內(nèi)所有電氣設(shè)備進(jìn)行硫化氫電閉鎖。硫化氫電閉鎖斷電濃度為≥6.6ppm，復(fù)電濃度為<6.6ppm。

3.2 巖巷掘工作面裂隙硫化氫防治技術(shù)

3.2.1 鉆探技術(shù)

在巖巷掘進(jìn)工作面必須通過(guò)長(zhǎng)探鉆孔探明裂隙硫化氫賦存情況，堅(jiān)持“先探后掘”的原則。長(zhǎng)探鉆孔施工布置如圖1。

①每隔150m在巷道兩幫各施工一個(gè)鉆場(chǎng)，用液壓鉆機(jī)施工超前探孔，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工2個(gè)探孔，探孔長(zhǎng)度為160～200m，其中1個(gè)上向孔、1個(gè)下向孔，探孔終孔位置距巷幫10m～15m。②當(dāng)掘進(jìn)工作面距探孔終孔位置10m時(shí)，必須再次施工鉆場(chǎng)和超前鉆孔探測(cè)裂隙硫化氫。硬巖探孔長(zhǎng)度不足160m時(shí)，必須提前施工鉆場(chǎng)、探孔，探孔要始終保持至少有10m的超前距離。③鉆孔方位角根據(jù)巷道方位角確定。鉆孔相對(duì)于巷道的傾角、偏角均為3.9°。2#和4#鉆孔開(kāi)口位置距底板高1.0m，1#和3#鉆孔開(kāi)口位置距底板高1.4m。1#和3#孔為上向孔，2#和4#孔為下向孔。鉆孔孔口距巷幫1.0m。④如超前鉆孔遇有裂隙硫化氫時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員必須立即停止作業(yè)、關(guān)閉封孔器截止閥、不得拔出鉆桿，撤出人員、向調(diào)度室匯報(bào)，由救護(hù)隊(duì)員負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行抽放施工。

3.2.2 釬探技術(shù)

掘進(jìn)巷道前，先施工超前釬探孔，釬探孔數(shù)量3個(gè)（如果巖石層理不清、紊亂，可適當(dāng)增加釬探孔個(gè)數(shù)），分別位于磧頭的左、右兩幫和巷頂部，釬探孔外岔角30°（見(jiàn)圖2）。釬探孔長(zhǎng)度4m，循環(huán)進(jìn)度不大于1.4m，每一循環(huán)必須施工釬探孔。如超前鉆孔未遇裂隙硫化氫，則可正常掘進(jìn)，并在掘進(jìn)工作面前方始終留足2.0m的安全屏障，再進(jìn)行下一輪釬探。如超前釬探孔遇有裂隙硫化氫時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員必須立即停止作業(yè)、不得拔出鉆桿、并立即撤出人員，向調(diào)度室匯報(bào)，由救護(hù)隊(duì)員負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行處理。只有當(dāng)巷道風(fēng)流中硫化氫濃度降到6.6ppm以下時(shí)才準(zhǔn)恢復(fù)掘進(jìn)。

3.2.3 防鉆探噴孔技術(shù)

因鉆探區(qū)域可能含高壓力高濃度高含量的硫化氫氣體，所有超前長(zhǎng)探鉆孔施工均需安設(shè)防護(hù)裝置，包括封孔器、截止閥等。

①開(kāi)孔及固管。用Φ75mm鉆頭開(kāi)孔至孔深4m，再用Φ115mm鉆頭擴(kuò)孔，插入Φ108mm無(wú)縫鋼管制作的套管，并在管與孔壁間進(jìn)行注漿密封和固定。②封孔器安裝及試壓。待固管砂漿凝固后，用Φ75mm鉆頭清水鉆進(jìn)至孔深5m，安裝封孔器及鉆桿逆止閥，通過(guò)注漿管加壓至5MPa試壓。合格后繼續(xù)鉆進(jìn)。③探鉆時(shí)如遇裂隙硫化氫涌出，必須立即關(guān)閉截止閥，撤出人員，由救護(hù)隊(duì)員安裝管路進(jìn)行抽放。④裂隙硫化氫抽放。出現(xiàn)裂隙硫化氫氣體后，當(dāng)采取加大供風(fēng)量、撒生石灰等措施處理后，仍然降不到安全濃度以下時(shí)，必須采取抽放措施進(jìn)行處理。抽放裂隙硫化氫必須編制專門的安全技術(shù)措施，由救護(hù)隊(duì)員負(fù)責(zé)實(shí)施。

3.3 煤巷掘進(jìn)工作面裂隙硫化氫防治技術(shù)

①加大工作面風(fēng)量。選用FBD5.6對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)替換原11kW局部通風(fēng)機(jī)，將工作面有效風(fēng)量由110m3/min提高到180m3/min，掘進(jìn)工作面硫化氫稀釋到安全濃度。②預(yù)抽硫化氫。預(yù)抽時(shí)間要盡量長(zhǎng)，不得低于3個(gè)月。

3.4 采煤工作面硫化氫防治技術(shù)

①加強(qiáng)通風(fēng)。采煤工作面實(shí)行分區(qū)通風(fēng)，加大工作面風(fēng)量，將硫化氫濃度稀釋到安全濃度。

②預(yù)抽硫化氫。預(yù)抽時(shí)間不得低于3個(gè)月，順層抽放孔孔間距3m。

③加強(qiáng)勞動(dòng)組織。1）攉煤、支護(hù)、打眼放炮必須堅(jiān)持兩人一組作業(yè)，互相監(jiān)護(hù)安全，搞好自主保安和互助保安工作。2）在攉煤前及攉煤過(guò)程中，作業(yè)人員必須利用乳化液系統(tǒng)的液壓槍，對(duì)煤炭噴灑清水進(jìn)行濕潤(rùn)，利用硫化氫溶于水的特性降低煤體中的硫化氫濃度。3）攉煤人員應(yīng)先在基本支柱的第一排與第二排之間攉煤壁側(cè)煤炭，經(jīng)安檢員檢測(cè)硫化氫濃度在安全規(guī)定范圍內(nèi)，在煤壁側(cè)煤炭攉至平刮板機(jī)中部槽后，方能進(jìn)入煤壁側(cè)攉基本柱內(nèi)的煤炭。

④及時(shí)封堵采空區(qū)及報(bào)廢巷道。

3.5 個(gè)體防護(hù)

①進(jìn)入采掘工作面的所有員工必須隨身攜帶好壓縮氧自救器，并達(dá)到應(yīng)知應(yīng)會(huì)，知道原理會(huì)使用，發(fā)現(xiàn)硫化氫異常時(shí)，迅速佩戴好自救器，撤離工作面到進(jìn)風(fēng)巷道。為避免硫化氫對(duì)眼睛刺激造成傷害，應(yīng)佩戴護(hù)目鏡。②在工作面機(jī)、風(fēng)巷距安全出口30m處安裝壓風(fēng)自救裝置，壓風(fēng)自救裝置數(shù)量應(yīng)滿足該工作面最多工作人數(shù)需要，壓風(fēng)管徑、風(fēng)壓、風(fēng)量符合國(guó)家相關(guān)要求。當(dāng)工作面硫化氫濃度超過(guò)規(guī)程要求時(shí)，撤到進(jìn)風(fēng)巷的人員利用壓風(fēng)自救裝置自救。③設(shè)置避災(zāi)硐室，避災(zāi)硐室符合國(guó)家相關(guān)要求。避災(zāi)硐室作為發(fā)爆器起爆位置，放炮時(shí)作業(yè)人員進(jìn)入避災(zāi)硐室躲避。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從分析研究廣安煤礦裂隙硫化氫噴出特點(diǎn)和裂隙硫化氫的地質(zhì)分布特征入手，結(jié)合本礦井的實(shí)際情況，提出裂隙硫化氫綜合治理的技術(shù)方案并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，初步控制了底板巖巷掘進(jìn)工作面揭穿巖溶噴出硫化氫、采煤工作面異常涌出硫化氫災(zāi)害和硫化氫中毒事故的發(fā)生，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，取得了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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