綜掘面泡沫治理硫化氫工藝參數(shù)研究

畢建乙

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

礦井開采時，采掘工作面會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，硫化氫就是其中之一。采掘作業(yè)人員接觸高濃度的硫化氫之后，會出現(xiàn)眼睛疼痛紅腫、咳嗽等情況，甚至導致人員失去知覺、死亡等[1-2]；另外，硫化氫氣體爆炸性強，還會腐蝕采掘工作面設備和各類監(jiān)控設備[3-4]。我國有很多礦井受到硫化氫的危害，依據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、河南、山東、新疆、四川、湖南和云南等地目前有100多座礦井都曾發(fā)生過采掘工作面硫化氫超限現(xiàn)象[5]。目前在治理采掘工作面硫化氫的過程中，國內(nèi)外相關科研工作者和現(xiàn)場管理人員采用了噴灑堿溶液、向煤層注堿溶液和抽采等技術[6-8]。因部分礦井對采掘工作面硫化氫賦存情況和涌出規(guī)律了解不到位，使硫化氫治理技術缺乏一定的針對性、科學性。因現(xiàn)場噴灑堿溶液很難全面、有效捕獲涌出的硫化氫，使得硫化氫治理效果較差[9-10]，例如：烏克蘭頓巴斯礦區(qū)技術人員在現(xiàn)場將濃度為0.1%～0.2%的蘇打水溶液混到濃度為0.2%～0.3%的表面活性劑噴灑液中，作業(yè)地點的硫化氫濃度減少了50%～80%，但在治理過程中發(fā)生因噴灑堿性液體淋濕工人衣服、嚴重影響作業(yè)人員視線等問題。由于煤體本身吸附硫化氫的能力較強及煤體孔隙率較低，使得現(xiàn)場硫化氫抽采效率較低，僅在10%.由于對向工作面煤體注堿性吸收液工藝研究不夠深入，導致注后煤體吸收硫化氫效率較低，僅能達到50%[11-12]。本文將重點對掘進工作面硫化氫氣體的分布規(guī)律和噴灑泡沫吸收液治理硫化氫技術進行研究，為礦井治理硫化氫奠定一定的基礎。

1 綜掘面硫化氫變化規(guī)律

1.1 工作面概況

斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山掘進工作面斷面尺寸為2.6 m×4.8 m(高×寬)，掘進斷面積為12.48 m2，長度為2 643 m，工作面為走向近南北、傾向西的單斜構造，傾角為8.5～9.9°，平均為9.5°；工作面所在煤層為13號煤層，局部割頂?shù)装鍘r石，煤厚12.25～14.79 m，平均13.89 m；所使用的風機為2×30 kW，型號為FBD-№6.3，風筒直徑為800 mm。

1.2 測點布置

當掘進面綜掘機分別割頂煤、中部煤層和底煤時，借助測試工具(CD4型便攜式硫化氫檢測儀)進行測定掘進面涌出的硫化氫氣體濃度。斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山掘進工作面硫化氫氣體測點布置情況如圖1所示。結合現(xiàn)場實際條件，從掘進面后部選取一段風流穩(wěn)定、斷面沒有變化的巷道，沿著巷道縱向上布置測點4個，即在巷道頂?shù)装甯叨确较蛏?，各測點間距0.6 m，最下部測點距離底板0.4 m；沿著水平方向上布置測定5個，即從巷道左幫到右?guī)?，每個測點保持與掘進面煤壁1 m距離，各測點間距0.8 m，兩側測點與煤幫間距0.8 m。

圖1 測點布置

1.3 沿縱向方向

圖2為當掘進面綜掘機分別割頂煤、中部煤層和底煤時，沿著巷道縱向上，從巷道底板到頂板方向上的硫化氫濃度分布規(guī)律。從圖2可發(fā)現(xiàn)，由于硫化氫氣體比空氣，從而形成沉降作用，導致在掘進機割煤所產(chǎn)生的硫化氫氣體沿著巷道縱向上逐步減?。划敻铐斆簳r，現(xiàn)場測得沿著巷道縱向上，距離底板0.6 m、1.2 m、1.8 m和2.4 m的4個測點的硫化氫體積分數(shù)分別為64.9×10-6、61.8×10-6、48.1×10-6和43.7×10-6。當掘進面煤體被進一步破碎，會向巷道釋放大量的硫化氫氣體，導致在截割頂煤和中部煤體時，掘進面所產(chǎn)生的硫化氫濃度明顯超過割底煤時；在距離巷道底板0.6 m的測點，分別實測得到割頂煤、中部煤時掘進面產(chǎn)生硫化氫體積分數(shù)為64.9×10-6、60.8×10-6，對比割底煤時濃度升高了24×10-6、19.9×10-6。以上實測結果證明：在防治掘進面生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的高濃度硫化氫時，防治的核心是掘進機截割頂煤、中部煤，另外也不可忽視割底煤。

圖2 沿著巷道縱向上硫化氫分布規(guī)律

1.4 沿水平方向

圖3為當掘進面綜掘機割中部煤層時，沿著巷道水平方向上，從巷道左幫到右?guī)偷牧蚧瘹錆舛确植家?guī)律。從圖3可發(fā)現(xiàn)，由于掘進面通風情況與“U型”通風流場類似，導致掘進面左側供風點到掘進機截齒頭的上方、掘進面右側回風點每個測點產(chǎn)生的硫化氫濃度逐步升高；現(xiàn)場實測巷道左側進風地點距離截齒頭1.6 m、0.8 m、0 m(截齒頭正上方)水平距離及右側回風地點距離截齒頭0.8 m、1.6 m水平距離的硫化氫濃度分別為5.6×10-6、15.9×10-6、49.1×10-6、63.2×10-6和59.8×10-6。實測結果證明，在防治掘進面截齒頭周圍產(chǎn)生的硫化氫時， 防治的重點是截齒頭到掘進面回風側范圍。

圖3 沿水平方向上硫化氫分布規(guī)律

2 泡沫治理硫化氫

2.1 治理機理

通過在掘進機上安設泡沫噴射裝置，當啟動掘進機截割煤體前1～2 min和全部掘進過程中，向掘進面煤壁和落煤空間噴射泡沫吸收液。因泡沫具有較大比表面積的特點，提高泡沫吸收液與硫化氫氣體的接觸機率，從而提高硫化氫的治理效果；由于泡沫吸收液具有很強的覆蓋效應，可將掘進中掘進面涌出的硫化氫控制在一定范圍，防止硫化氫釋放到整個掘進面，達到最大程度中和吸收硫化氫的效果；根據(jù)泡沫吸收液的酸堿中和作用，可在源頭上中和吸收掘進過程產(chǎn)生的硫化氫，實現(xiàn)有效減少掘進面產(chǎn)生的硫化氫涌向巷道的目的[13-15]。泡沫治理硫化氫的機理如圖4所示。

圖4 治理硫化氫機理

2.2 泡沫噴射裝置

2.2.1 吸收液流量及泡沫劑濃度初始值

根據(jù)泡沫吸收液治理硫化氫理論分析，結合掘進面泡沫、噴霧防塵實踐經(jīng)驗，設置吸收液流量的初步值為40 L/min、泡沫劑濃度的初步值為0.5%.

2.2.2 計算吸收液濃度

1) 掘進面硫化氫涌出量VH采用公式(1)計算：

VH=10-6QC

(1)

式中：Q為掘進面供風量，取300 m3/min；C為掘進面產(chǎn)生的硫化氫濃度，取65×10-6。

代入數(shù)據(jù)計算得硫化氫涌出量為20 L/min。

2) 依據(jù)化學方程式A+H2S→BS+C(A代表吸收劑，BS、C代表生成物質)，根據(jù)公式(2)計算得到吸收劑A所用量MA：

MA=VHMmK/Vm

(2)

式中：Vm為硫化氫摩爾體積，取22.4 L/mol；Mm為吸收劑摩爾質量，取108 g/mol；K為泡沫劑吸收硫化氫的安全系數(shù)，取2.5。

代入數(shù)據(jù)計算得到所需吸收劑的使用量為0.24 kg/min。

3) 吸收液質量分數(shù)ρ采用公式(3)計算：

ρ=MA/(MA+L)×100%

(3)

式中：L為吸收液流量，取40 L/min。

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代入數(shù)據(jù)計算得到吸收液質量分數(shù)為0.6%.

2.2.3 設計泡沫噴射裝置

通過機械設計方法研究泡沫裝置的選型及安設，根據(jù)泡沫劑、吸收液的濃度流量計算結果，同時結合掘進面實際情況，選擇2臺礦用泡沫除塵裝置，型號為ZJPK-06，連接方式為并聯(lián)噴射，具體如圖5所示，裝置主要參數(shù)見表1。

圖5 吸收液泡沫噴灑裝置

表1 泡沫噴射裝置主要參數(shù)

2.2.4 安設泡沫噴射系統(tǒng)

為實現(xiàn)泡沫吸收液噴射后將掘進面完全覆蓋的目的，結合現(xiàn)場實際條件，在掘進機截齒頭根部附近安設泡沫噴射裝置，如圖6所示。

圖6 安設泡沫噴射系統(tǒng)

由于掘進面回風側硫化氫濃度顯著超過供風側，要想實現(xiàn)充分吸收掘進面硫化氫的目的，根據(jù)泡沫噴射裝置與掘進面煤壁2.5 m的距離及40°噴射張角，共布置8個噴頭：噴射裝置的中間安設2個噴頭，調整與噴射裝置90°夾角；在左右兩側分別安設3個噴頭，調整與噴射裝置70°、45°的夾角。在掘進機旋轉盤上安設吸收液泡沫發(fā)生裝置，供液泵站通過自制的安裝架托住，安設固定在二部輸送帶的溜道后部，同時跟著掘進機不斷向前移動。

3 泡沫治理硫化氫效果的影響因素分析

為充分了解泡沫吸收液治理硫化氫效果的影響因素，以斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山綜掘工作面為實驗地點，重點研究泡沫劑質量分數(shù)、吸收液流量以及吸收液質量分數(shù)對硫化氫吸收效果的影響?，F(xiàn)場試驗時，利用CD4型便攜式硫化氫檢測儀分別測試掘進面回風側掘進機司機后5 m處，再噴灑不同質量分數(shù)泡沫劑前后的硫化氫濃度，在噴灑泡沫劑之前，掘進面生產(chǎn)期間的硫化氫濃度在73.9%左右浮動。

3.1 泡沫劑質量分數(shù)

泡沫吸收液質量分數(shù)不同時，硫化氫的治理效果如圖7所示。

由圖7得到：當吸收液流量為40 L/min、質量分數(shù)為0.6%時，隨著泡沫劑質量分數(shù)的增加，掘進面涌出的硫化氫氣體的體積分數(shù)逐漸降低，硫化氫吸收效率逐漸升高。當泡沫劑的質量分數(shù)達到0.3%、0.4%、0.5%和0.6%時，現(xiàn)場實測位于掘進面回風側的掘進機司機后方5 m處的硫化氫體積分數(shù)為26.8×10-6、13.9×10-6、12.8×10-6和12.6×10-6，與噴射泡沫劑前相比，硫化氫的吸收效率達到62.7%、80.9%、81.5%和81.8%。同時可發(fā)現(xiàn)：當泡沫劑的質量分數(shù)升高至0.4%之后，雖繼續(xù)采取升高泡沫劑質量分數(shù)的手段，但是硫化氫的吸收效率增加幅度卻不是非常明顯；當泡沫劑質量分數(shù)升高到0.5%和0.6%時，相比泡沫劑質量分數(shù)為0.4%時，掘進面硫化氫的吸收效率僅升高0.6%和0.9%.結合現(xiàn)場硫化氫吸收效果以及治理費用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山綜掘工作面采用噴灑泡沫吸收液的方式來治理硫化氫的泡沫劑質量分數(shù)為0.4%，硫化氫吸收效率可高達80.9%.

3.2 吸收液流量

隨著吸收液流量的變化，掘進面硫化氫治理效果的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 隨吸收液流量的變化硫化氫治理效果

由圖8得到：在泡沫劑質量分數(shù)為0.4%、吸收液質量分數(shù)為0.6%時，隨著吸收液流量的升高，掘進面生產(chǎn)中涌出的硫化氫濃度逐步降低，硫化氫吸收效率逐步升高。當控制吸收液流量為30 L/min、40 L/min、50 L/min和60 L/min時，實測位于掘進面回風側掘進機司機后5 m處，硫化氫濃度分別為20.1×10-6、15.1×10-6、14.2×10-6和12.9×10-6，與噴射吸收液泡沫前相對比，硫化氫吸收效率分別達到72.9%、80.9%、81.3%和81.7%.同時可發(fā)現(xiàn)：當吸收液流量升高至40 L/min后，再通過繼續(xù)增加吸收液流量的方法以增強硫化氫吸收效率增加幅度不是非常明顯；當吸收液流量升高至50 L/min、60 L/min時，與40 L/min的吸收液流量相比，硫化氫吸收效率僅增加了0.4%、0.8%.結合現(xiàn)場硫化氫吸收效果及治理費用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山綜掘工作面采用噴灑吸收液泡沫的方式來治理硫化氫的吸收液流量為40 L/min，硫化氫吸收效率可高達80.9%.

3.3 吸收液質量分數(shù)

吸收液質量分數(shù)不同時硫化氫的治理效果情況如圖9所示。由圖9發(fā)現(xiàn)：當泡沫劑質量分數(shù)為0.4%，吸收液流量控制在40 L/min時，隨著吸收液質量分數(shù)的升高，掘進面涌出的硫化氫濃度在逐步降低，硫化氫的吸收效率在逐步升高。當吸收液的質量分數(shù)為0.4%、0.6%、0.8%和1.0%時，現(xiàn)場實測掘進面回風側掘進機司機后方5 m處，硫化氫濃度達到22.9×10-6、15.1×10-6、10.8×10-6和10.4×10-6，與噴灑吸收液前相比，硫化氫吸收效率達到69.1%、81.6%、85.4%和85.7%.同時可發(fā)現(xiàn)：當吸收液質量分數(shù)升高至一定程度后，再繼續(xù)通過升高吸收液質量分數(shù)的途徑以增加硫化氫的吸收效率增加幅度不會非常明顯；當吸收液質量分數(shù)達到0.4%時，掘進面硫化氫的吸收效率達到69.1%，當吸收液質量分數(shù)升高到0.6%時，與吸收液質量分數(shù)為0.4%時相比，掘進面硫化氫吸收效率的升高值為12.5%；當吸收液的質量分數(shù)分別升高到0.8%、1.0%時，與0.6%質量分數(shù)的吸收液相比，硫化氫的吸收效率的升高值為3.8%、4.1%.結合現(xiàn)場硫化氫吸收效果以及治理費用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山綜掘工作面噴灑吸收液的方式來治理硫化氫的吸收液質量分數(shù)為0.8%，硫化氫吸收效率可高達85.4%.

圖9 吸收液質量分數(shù)不同時硫化氫的治理效果

4 結 語

1) 通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)：掘進面割煤時沿著縱向上所產(chǎn)生的硫化氫逐漸降低；割底煤時所產(chǎn)生的硫化氫濃度小于割頂煤及中部煤層；掘進面生產(chǎn)期間所產(chǎn)生的硫化氫濃度由低到高的順序：割底煤<割中部煤<割頂煤。

2) 通過在斜溝煤礦25采區(qū)輔助運輸上山使用控制變量法測試獲得泡沫高效治理硫化氫的工藝參數(shù)：泡沫劑質量分數(shù)、吸收液流量和吸收液質量分數(shù)分別為0.4%、40 L/min和0.8%.實施泡沫治理硫化氫工藝后，掘進面生產(chǎn)期間所產(chǎn)生的硫化氫體積分數(shù)由73.9×10-6減少到10.8×10-6，硫化氫吸收效率高達85.4%，掘進面的硫化氫得到了有效控制。