多排式集束鉆孔區(qū)域攔截硫化氫效果分析及評價

高 宏

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦開采中，硫化氫氣體的異常涌出對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。在對硫化氫氣體進(jìn)行治理的過程中，治理工作面硫化氫氣體的異常涌出是其中重點(diǎn)之一[4-6]。目前國內(nèi)煤礦對硫化氫氣體的治理主要采用加強(qiáng)及改變通風(fēng)方式、封堵加固危險區(qū)域、注水及噴霧稀釋等措施[7-10]，但這些被動治理措施，未能控制工作面硫化氫氣體的異常涌出。礦井采用多排式鉆孔，主動攔截硫化氫，控制了工作面硫化氫氣體的異常涌出，保障了工作面的安全生產(chǎn)，為硫化氫氣體治理提供借鑒。

1 “多排式鉆孔”攔截硫化氫原理

硫化氫氣體較強(qiáng)的吸附性使得其在割煤期間大量涌出，這給治理帶來了較大的難度。為了減小硫化氫氣體在割煤期間向回采工作面的涌出強(qiáng)度，設(shè)計多排式鉆孔并注堿液，對硫化氫氣體進(jìn)行區(qū)域攔截，相鄰區(qū)域之間設(shè)置適當(dāng)?shù)某熬啵嗯攀姐@孔注堿液區(qū)域攔截硫化氫示意圖如圖1。由圖1 可知，多排式攔截鉆孔形成3 排硫化氫攔截區(qū)域，每排鉆孔的攔截區(qū)域的超前距為1 m，施工完每排鉆孔后，將鉆孔中注堿液，堿液和煤體中吸附的硫化氫氣體反應(yīng)后，能起到提前攔截硫化氫的作用，使得煤體中的硫化氫在割煤前提前被堿液吸收，從而截流割煤期間硫化氫的涌出。以第1 排攔截區(qū)域為例，工作面切眼不同支架處，可根據(jù)割煤期間硫化氫涌出量大小合理加密布置鉆孔，起到高效、重點(diǎn)攔截硫化氫的作用。

2 多排式鉆孔攔截硫化氫效果

2.1 試驗工作面概況

工作面主要開采9+10+11 號煤層，9+10+11 號煤層位于太原組下段頂部，厚度為4.24～7.30 m，平均5.14 m。含1～4 層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層位穩(wěn)定，厚度變化不大。局部9+10+11 號煤層頂部與9 上號煤層分叉，分叉區(qū)內(nèi)9 上號煤層零星可采。

9+10+11 號煤層頂板為K2石灰?guī)r（厚度12.08～22.78 m，平均17.58 m）或泥巖（厚度0.61～0.85 m，平均為0.73 m），底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，為賦煤區(qū)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

1303 綜放工作面位于9+10+11 號煤層，地面標(biāo)高+1 110～+1 340 m，井下標(biāo)高+995～+1 090 m。工作面設(shè)計走向長度906.6 m，傾斜長度180 m，工作面機(jī)采采高2.8 m。

井下巷道掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)工作面及其回風(fēng)巷道等地點(diǎn)存在有強(qiáng)烈刺激性氣味氣體涌出，而且部分有水涌出的地點(diǎn)，有大量黃色或白色絮狀物晶體析出，該刺激性氣味氣體對井下作業(yè)人員身體健康及生命安全存在未知影響，對井下安全生產(chǎn)存在安全隱患。

2.2 多排式鉆孔布置方案

施工的所有鉆孔垂直于煤壁打，孔深9 m，孔徑為φ42 mm。其中60#～80#支架之間每列鉆孔的列間距為4 m，80#～100#支架之間每列鉆孔的列間距3 m，100#支架至機(jī)尾區(qū)域每列鉆孔的列間距為2 m，鉆孔布置如圖2。為防止煤壁片幫，距回風(fēng)巷預(yù)留5 m不施工鉆孔。

圖2 鉆孔布置圖Fig.2 Borehole layout

2.2.1 施工工序

鉆墻注堿根據(jù)現(xiàn)場情況采取以下3 種方案：

1）每列鉆孔首先施工完傾角為5°和-3°鉆孔，然后注堿液，注完后施工傾角為9°、0°的鉆孔，成孔后再進(jìn)行注堿。

2）施工完第1 列鉆孔（4 個）時，在第2 組鉆孔施工之前，進(jìn)行注堿液，當(dāng)注完第1 列的鉆孔時，再打第2 列的鉆孔，在第3 列的鉆孔施工之前，進(jìn)行注堿液，以此類推。當(dāng)注下一列鉆孔的堿液時，需將前2 列鉆孔用封孔器密封，防治堿液從上2 列鉆孔中露出。

3）連續(xù)施工多列鉆孔，對多列鉆孔同時封孔，分別對各列鉆孔進(jìn)行注堿。

2.2.2 注堿及封孔要求

1）堿液配置。堿液配制由水和碳酸鈉配制，碳酸鈉和水質(zhì)量比為1.5∶98.5（實(shí)際配比可按1.5∶100 配制），配制成1.5%的碳酸鈉水溶液。配制時應(yīng)使碳酸鈉充分溶解，另加入適量煤塵抑制劑（或洗衣粉），比例為1‰。

2）注堿液壓力控制在2.5 MPa 以下。

3）停止注液條件：①當(dāng)煤層從裂隙中大量跑水，壓力表急速下降的情況下；②多個個孔必須同時注堿液時，當(dāng)某個孔大量跑水時候，關(guān)掉該孔閥門；③鉆孔注液完成后，停頓15 min，待堿液充分吸收后，再拔出封孔器，注當(dāng)前組鉆孔的堿液時，需將前一組和后一組鉆孔的4 個鉆孔用封孔器密封。備注：注液前調(diào)整液壓泵壓力，并做好鉆孔深度、注液壓力、注液時間以及注液量等數(shù)據(jù)記錄。

4）封孔要求。封孔采用封孔器封孔，封孔長度為1.5 m，如果跑水嚴(yán)重更換3 m 封孔器。利用工作面超前長孔注堿液設(shè)備對煤層進(jìn)行注堿液。具體操作步驟為：首先通過三通快速接頭將液壓管路與自動膨脹式封孔管連接起來（連接時先將閥門關(guān)閉）。將連接好的封孔管插入施工好的鉆孔，封孔器必須全部插入鉆孔內(nèi)，以保證注堿液效果。注堿液壓力控制在2～5 MPa 為宜。壓力過大容易導(dǎo)致封孔管損壞，堿液也容易從煤壁倒流，影響注堿硫化氫吸收效果；壓力過小堿液無法進(jìn)入煤層裂隙或效果不理想，硫化氫吸收效果不佳。鉆孔注堿液示意圖如圖3。

圖3 鉆孔注堿液示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling alkali injection

2.2.3 工序安排

施工完成一次鉆孔攔截墻，有效距離為9 m，可采距離為8 m，留1 m 的超前距。鉆墻銜接關(guān)系如圖4。

2.3 效果分析與評價

2.3.1 第1 排攔截鉆孔注堿液前后硫化氫濃度

考察第1 排攔截鉆孔注堿液前后，采煤機(jī)機(jī)組割煤的時候支架處硫化氫濃度。濃度測試為不同時間段內(nèi)的支架處硫化氫濃度對比。采煤機(jī)組正向割煤時，70#～80#支架、100#支架和110#支架處，第1 排鉆孔注堿前后硫化氫濃度變化如圖5。

圖4 鉆墻銜接關(guān)系圖Fig.4 Connection diagram of drilling wall

圖5 第1 排鉆孔注堿前后硫化氫濃度變化Fig.5 Variation of hydrogen sulfide concentration before and after alkali injection in the first row of boreholes

“鉆墻”注液鉆孔是從70#支架處開始施工。從圖5 可知，第1 排攔截鉆孔注堿液前后，70#～80#支架處，硫化氫濃度由32×10-6降到13×10-6，降低幅度為59%；100#支架處，硫化氫濃度由46×10-6降到32×10-6，降低幅度為30%；110#支架處，硫化氫濃度由76×10-6降到47×10-6，降低幅度為38%。

由以上分析可得，施工的“攔截鉆孔”在70#～80#支架處，效果明顯，硫化氫濃度平均降低59%；100#支架、110#支架之間濃度變化平均降低34%。究其原因，施工第1 排攔截鉆孔時，工作面距離向斜軸部還有24.4 m，隨著工作面向軸部的推進(jìn)，硫化氫濃度逐步增大，說明“攔截鉆孔注堿液”有一定效果，也表明硫化氫原始濃度從100#支架到110#支架開始，比80#支架之前，濃度增大的梯度要大。

2.3.2 多排式鉆孔循環(huán)批次注堿液效果

采煤機(jī)組正向割煤時，70#～80#支架、100#支架和110#支架處，第2 排鉆孔注堿前后硫化氫濃度變化如圖6。

圖6 第2 排鉆孔注堿前后硫化氫濃度變化Fig.6 Variation of hydrogen sulfide concentration before and after alkali injection in the second row of boreholes

1）第2 排“鉆墻注液”前和第1 排“鉆墻注液”前不同支架處硫化氫濃度對比分析：從礦方搜集到的數(shù)據(jù)來看，在70#～80#支架處，第2 排攔截鉆孔注堿液前，濃度均有不同程度的降低（與第1 排“鉆墻注液”后當(dāng)時支架處的濃度相比），如：70#～80#支架處由32×10-6降低到28×10-6，100#支架處由46×10-6降低到43×10-6，110#支架處由76×10-6降低到72×10-6。這說明鉆孔第2 輪注液在距離孔口垂距1.6 m處效果還是顯著的，第1 排鉆孔和第2 排鉆孔的超前距（1 m）起到了一定的作用。

2）第2 排“攔截鉆孔注堿液”前后不同支架處硫化氫濃度對比分析：第2 排攔截鉆孔注堿液前后，70#～80#支架處，硫化氫濃度由28×10-6降到11×10-6，降低幅度61%；100#支架處，硫化氫濃度由43×10-6降到30×10-6，降低幅度30%；110#支架處，硫化氫濃度由72×10-6降到45×10-6，降低幅度38%。

2.3.3 回風(fēng)流中硫化氫濃度

分別從“施工多排式集束攔截鉆孔”和“未施工多排式集束攔截鉆孔”，70#～120#支架之間正向割煤的時候，回風(fēng)巷巷口探頭的硫化氫濃度的變化，來分析“鉆墻注液”的效果。

施工多排式集束攔截鉆孔的情況下，當(dāng)采煤機(jī)采到70#～120#支架的時候，回風(fēng)巷口全天平均濃度為9.66×10-6；未施工多排式集束攔截鉆孔的情況下，當(dāng)采煤機(jī)采到70#～120#支架的時候，回風(fēng)巷全天平均濃度為24.98×10-6。由于回風(fēng)巷巷口平均濃度最能反映出攔截鉆孔的效果，得出施工多排式集束攔截鉆孔使得回風(fēng)流中的硫化氫降低的比例為61.32%。

3 結(jié) 論

1）通過研究硫化氫賦存狀態(tài)，分析了“多排式鉆孔”攔截硫化氫原理，提出了“多排式集束鉆孔區(qū)域攔截硫化氫”的主動式治理工作面硫化氫異常涌出方案。

2）通過分析回風(fēng)巷巷口硫化氫平均濃度，得出施工鉆墻使得硫化氫濃度降低比例為61.32%，施工多排式集束鉆孔區(qū)域攔截硫化氫涌出作用效果顯著，有效降低了回采期間工作面的硫化氫涌出。