礦井硫化氫危險性分源分級評估方法研究及應(yīng)用

金永飛，閆 浩，許亞奇，張 典

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054； 3.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力、化工等行業(yè)對煤炭的需求日益增長[1-3]。近年來，隨著煤礦開采范圍不斷擴(kuò)大、開采深度持續(xù)增加，導(dǎo)致某些礦井硫化氫(H2S)異常涌出，硫化氫的危害越來越突出[4-6]。硫化氫是一種有毒有害氣體，在101.325 kPa大氣壓下，溫度為15.55 ℃時，其密度為1.438 kg/m3，容易溶入水，溶于水或在潮濕的環(huán)境下，呈酸性，可以腐蝕金屬物質(zhì)，硫化氫氣體燃燒后會生成有毒氣體 SO2，與氧氣結(jié)合后容易發(fā)生爆炸。某些礦井受煤質(zhì)等特殊條件的影響，回采時出現(xiàn)大量硫化氫涌出的現(xiàn)象，致使礦井不能安全正常生產(chǎn)。

目前，對礦井硫化氫的治理針對性較弱，大多停留在表面的噴灑堿液治理，較難根據(jù)特定濃度的硫化氫作出針對性預(yù)防與治理。筆者通過對礦井硫化氫進(jìn)行分源分級評估，以實現(xiàn)硫化氫的經(jīng)濟(jì)高效治理，有效保證井下作業(yè)人員的安全與健康，為安全生產(chǎn)提供有力保障。同時，通過治理硫化氫，減少其排放量，對環(huán)境保護(hù)具有一定的意義。

1 礦井硫化氫分源分級評估的原則及體系構(gòu)建思路

1.1 評估的原則

在對礦井硫化氫進(jìn)行分源分級評估時，應(yīng)該針對礦井的實際情況和地理狀況等條件，并應(yīng)遵循以下原則[7-9]：

1)可量化原則。篩選的所有評價指標(biāo)都可以被科學(xué)量化，以科學(xué)合理地表達(dá)各指標(biāo)的作用，達(dá)到良好的評價效果。

2)科學(xué)性原則。必須科學(xué)、客觀地評價，評估方法要運(yùn)用客觀的理論分析來獲得，并形成一定的知識經(jīng)驗互補(bǔ)。

3)可行性原則。評估方法的選定應(yīng)考慮指標(biāo)信息值的可獲得性，并且能體現(xiàn)出事物的可比性，盡可能簡化相關(guān)工作的相關(guān)程序，以保障方案的順利實施。

4)動態(tài)性原則。煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)是開放的損耗系統(tǒng)，并且隨著礦井環(huán)境的變化，影響因素的屬性也在變化，所以在對礦井硫化氫進(jìn)行危險評估時，應(yīng)該考慮這種動態(tài)變化。

5)定性與定量相結(jié)合原則。不同災(zāi)害特征能夠由不同的指標(biāo)來反映。在選擇指標(biāo)時，應(yīng)遵守定性與定量指標(biāo)相結(jié)合的原則，不要漏掉任何重要指標(biāo)。

6)準(zhǔn)確性原則。所選定的評估方法要能夠?qū)Σ煌瑵舛取⒉煌：Τ潭鹊牧蚧瘹溥M(jìn)行精確反映，這樣才能準(zhǔn)確地傳達(dá)指示，確保作業(yè)人員的安全撤離。

1.2 評估體系構(gòu)建的思路

根據(jù)礦井硫化氫的分源分布特征，提出的礦井硫化氫分源分級危險性評估體系構(gòu)建的思路如圖1所示。

由圖1可以看出，首先針對礦井硫化氫的分源特點，選定工作面、采空區(qū)和原煤層3個硫化氫來源區(qū)域，以硫化氫吸收液的濃度為采空區(qū)和原煤層硫化氫的劃分依據(jù)，以硫化氫對人體的危害程度為工作面硫化氫的劃分依據(jù)。最后結(jié)合評估原則，將采空區(qū)和原煤層硫化氫劃分為易治理區(qū)域、難治理區(qū)域和較難治理區(qū)域3種類型；將工作面劃分為低硫化氫危險區(qū)域、中硫化氫危險區(qū)域、高硫化氫危險區(qū)域和超高硫化氫危險區(qū)域4類區(qū)域，并基于此對每個區(qū)域進(jìn)行針對性治理。

2 礦井硫化氫分源分級評估體系構(gòu)建

2.1 分級依據(jù)

1)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》對硫化氫濃度的規(guī)定，以及礦井不同濃度硫化氫對人體的危害程度，對工作面硫化氫嚴(yán)重等級進(jìn)行劃分，以便于井下日常防范與管理，更好地保障井下工人的安全與健康。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井中硫化氫的最高允許體積分?jǐn)?shù)為0.000 66%。硫化氫濃度不同，對人體產(chǎn)生的危害也不同。硫化氫對人體影響的濃度等級[10]見表1。

表1 硫化氫對人體影響的濃度等級

2)根據(jù)采空區(qū)、原煤層硫化氫的測定結(jié)果，以硫化氫吸收液的消耗量所對應(yīng)的硫化氫質(zhì)量濃度為依據(jù)，對采空區(qū)不同位置的硫化氫濃度進(jìn)行分級，針對不同級別的硫化氫采取不同的治理措施，以提高治理效果。采空區(qū)硫化氫吸收效率的影響因素[11-13]見表2。

表2 硫化氫吸收效率的影響因素

2.2 分級標(biāo)準(zhǔn)

1)工作面硫化氫分級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)硫化氫在空氣中的質(zhì)量濃度低于6.60 mg/m3時，對人體感官產(chǎn)生影響，有輕微刺激，為低硫化氫危害區(qū)域；當(dāng)質(zhì)量濃度為6.60～72.07 mg/m3時，對人體有明顯刺激，使人產(chǎn)生強(qiáng)烈不適感，連續(xù)作業(yè)會危害人體健康，為中硫化氫危害區(qū)域；當(dāng)質(zhì)量濃度為72.07～144.14 mg/m3時，對人體產(chǎn)生嚴(yán)重刺激，短期暴露就會使人產(chǎn)生嚴(yán)重不適反應(yīng)，對人體危害較大，為高硫化氫危害區(qū)域；當(dāng)質(zhì)量濃度超過144.14 mg/m3時，如果不立即撤離，就會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害，嚴(yán)重時會導(dǎo)致死亡，為超高硫化氫危害區(qū)域。

2)采空區(qū)、原煤層硫化氫分級標(biāo)準(zhǔn)。在采空區(qū)硫化氫質(zhì)量濃度低于115.31 mg/m3的區(qū)域，對吸收液的濃度要求相對較小，為易治理區(qū)域；在質(zhì)量濃度為115.31～216.21 mg/m3的區(qū)域，對吸收液的濃度要求較大，流量要求相對較小，為難治理區(qū)域；在質(zhì)量濃度大于216.21 mg/m3的區(qū)域，對吸收液的流量要求較大，為較難治理區(qū)域。

2.3 評估體系構(gòu)建

以礦井中硫化氫的最高允許濃度，以及不同濃度硫化氫的危害程度為劃分依據(jù)，對工作面硫化氫進(jìn)行分級，并將工作面劃分為低硫化氫危險區(qū)域、中硫化氫危險區(qū)域、高硫化氫危險區(qū)域和超高硫化氫危險區(qū)域；以硫化氫吸收液的消耗量為依據(jù)，對采空區(qū)和原煤層硫化氫進(jìn)行分級，并劃分為易治理區(qū)域、難治理區(qū)域和較難治理區(qū)域。結(jié)合評估原則，得到礦井硫化氫分源分級評估體系，如表3所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

依據(jù)上述礦井硫化氫分源分級危險性評估體系，對高家堡煤業(yè)202工作面原煤層的硫化氫危害程度進(jìn)行判定：在采煤機(jī)割煤時，硫化氫的危害程度為Ⅱ級，用橙色預(yù)警，為難治理區(qū)域；在不割煤時，危害程度為Ⅲ級，用黃色預(yù)警，為易治理區(qū)域；將工作面的硫化氫危害程度評定為Ⅱ級，用橙色預(yù)警，屬于高硫化氫危害區(qū)域；將采空區(qū)的硫化氫危害程度評定為Ⅰ級，用紅色預(yù)警，為較難治理區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場評估結(jié)果，對不同區(qū)域的硫化氫進(jìn)行針對性治理，治理效果如下：

1)原煤層硫化氫治理效果

202工作面經(jīng)過注堿性吸收液試驗，對注堿過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到煤層采動過程中硫化氫的涌出情況，見表4。

2)工作面硫化氫治理效果

噴灑吸收液前后掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處硫化氫質(zhì)量濃度測試結(jié)果見表5?？梢钥闯?，噴灑吸收液后，司機(jī)處硫化氫質(zhì)量濃度隨噴灑吸收液體積分?jǐn)?shù)的增大而減??；在噴灑吸收液體積分?jǐn)?shù)為0.4%時，司機(jī)處硫化氫平均質(zhì)量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的14.3 mg/m3，硫化氫吸收率為74.9%；在噴灑吸收液體積分?jǐn)?shù)為0.8%時，司機(jī)處硫化氫平均質(zhì)量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的8.6 mg/m3，硫化氫吸收率達(dá)到84.9%，取得了較好的治理效果。

表5 噴灑吸收液前后掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處硫化氫濃度測試結(jié)果

3)采空區(qū)硫化氫治理效果

向采空區(qū)噴灑吸收液后，測得上隅角的硫化氫質(zhì)量濃度由原來的196.0 mg/m3下降到57.0 mg/m3，當(dāng)再次向上隅角噴灑體積分?jǐn)?shù)為0.5%的吸收液后，硫化氫質(zhì)量濃度下降至8.6 mg/m3，硫化氫吸收率達(dá)到95.0%，吸收效果較好。

將礦井硫化氫分源分級危險性評估方法，在陜西正通煤業(yè)高家堡煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)過試驗測試，各個區(qū)域的硫化氫濃度均下降至安全水平，效果良好。針對礦井不同區(qū)域的硫化氫隱患問題，所提出的分源分級評估方法能夠根據(jù)特定范圍內(nèi)的硫化氫濃度，從而快速、有針對性地做出反饋，實現(xiàn)及時預(yù)警，提高了礦井管理水平，并且縮短了治理硫化氫的時間，節(jié)約了硫化氫吸收液的用量，對礦井硫化氫的治理有大的幫助。

4 結(jié)論

1)以硫化氫的危害程度和濃度為劃分依據(jù)，通過創(chuàng)建分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合評估原則，對礦井硫化氫危險性進(jìn)行分源分級評估。

2)將工作面、采空區(qū)和原煤層的硫化氫劃分為低、中、高、超高4個等級，以便現(xiàn)場根據(jù)不同的等級來進(jìn)行分源分級評估。

3)通過現(xiàn)場應(yīng)用，依據(jù)分源分級評估結(jié)果采取的針對性治理措施效果明顯，驗證了所構(gòu)建的礦井硫化氫分源分級評估體系的科學(xué)性和合理性，可為相似礦井硫化氫治理提供借鑒。