斜溝煤礦23109工作面硫化氫綜合治理技術(shù)研究

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(dǎo)致人員中毒昏迷甚至死亡,嚴(yán)重威脅煤礦工人的生命安全[3];其與水結(jié)合后,會形成酸性溶液,腐蝕井下機(jī)械設(shè)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(biāo)準(zhǔn)將井下分成不同區(qū)域,為實(shí)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(fēng)幕風(fēng)機(jī)封閉綜掘斷面,防止硫化氫外溢,可以降低掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的硫化氫體積分?jǐn)?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(yùn)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(jī)外噴霧向作業(yè)空間噴灑堿液,割煤后利用風(fēng)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(yùn)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(cè)為23107工作面,東側(cè)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(cè)為21采區(qū)大巷保護(hù)煤柱,北側(cè)為實(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)室使用硫化氫測定儀器進(jìn)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(gòu)造,屬于非對稱分布的復(fù)式向斜構(gòu)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(diǎn)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(jié)合工作面硫化氫傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),采煤機(jī)的運(yùn)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?jǐn)?shù)隨著采煤機(jī)運(yùn)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(jìn)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(dāng)工作面沒有進(jìn)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(dāng)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(dǎo)致工作面硫化氫體積分?jǐn)?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(yán)重的威脅[11-12]。在23109工作面現(xiàn)場實(shí)測中發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生硫化氫的生產(chǎn)環(huán)節(jié)為落煤、運(yùn)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(shí)施的治理手段具有重要指導(dǎo)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(yùn)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(jī)理為向煤層內(nèi)輸入堿液,堿液運(yùn)移擴(kuò)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(yīng),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(bǔ)打順層長鉆孔注堿液,注堿鉆孔長度為40～150 m,封孔深度應(yīng)超過巷幫煤體的破碎帶,借助注漿泵進(jìn)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(jié)合前人注水實(shí)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(shí)踐時利用分流器設(shè)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(fēng)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(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)回風(fēng)巷硫化氫體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯下降,采取長鉆孔注堿液之后回風(fēng)巷硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)由53%下降到32%,硫化氫體積分?jǐn)?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(jī)沿著工作面煤幫鉆進(jìn)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?jǐn)?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(shè)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(shí)測發(fā)現(xiàn)1號支架到70號支架硫化氫體積分?jǐn)?shù)較低,因此暫不施工鉆墻。從70號支架到機(jī)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(yù)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(jìn)行攔截和阻擋,基于原有煤層注水鉆孔的基礎(chǔ)上,優(yōu)化鉆孔注堿液設(shè)計,從而達(dá)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(jī)割煤到70號支架至120號支架時,分析工作面回風(fēng)巷硫化氫體積分?jǐn)?shù),進(jìn)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(fēng)巷硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)為25.13×10-6;鉆墻施工完成后,工作面回風(fēng)巷硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)為10.24×10-6,硫化氫體積分?jǐn)?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(jī)搖臂以及兩側(cè)安設(shè)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(fēng)流硫化氫體積分?jǐn)?shù),圖3為采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)。

圖3 采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)

與采煤機(jī)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(shè)置移動式堿液噴灑系統(tǒng),注液泵站安設(shè)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(shí)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(shí)測發(fā)現(xiàn),工作面生產(chǎn)期間,采煤機(jī)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?jǐn)?shù)為39.2×10-6;采煤機(jī)外噴霧停止運(yùn)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?jǐn)?shù)為61.7×10-6;采煤機(jī)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?jǐn)?shù)下降了36.47%.

4 落煤后硫化氫治理效果

4.1 風(fēng)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(shè)置風(fēng)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(shè)施的防塵網(wǎng)安裝在引排路線內(nèi),實(shí)現(xiàn)降低硫化氫體積分?jǐn)?shù)的目的。使用硬制塑料材質(zhì)加工透明風(fēng)簾,寬度約2.2 m、高度約3 m,透明風(fēng)簾固定位置選在支架或頂?shù)装?同時保證透明風(fēng)簾有足夠的搭接長度。根據(jù)工作面風(fēng)流方向搭接風(fēng)簾時,將1號風(fēng)簾安裝在2號風(fēng)簾外側(cè),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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)巷,要求能夠360°全面覆蓋回風(fēng)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(shè)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(fēng)簾引排和水幕治理硫化氫效果

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

圖8 硫化氫傳感器安設(shè)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(diǎn)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(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)的硫化氫體積分?jǐn)?shù),×10-6.

依據(jù)采煤工作面硫化氫測定體積分?jǐn)?shù)進(jìn)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(dá)47.9%,表明采用風(fēng)流引排硫化氫至防塵網(wǎng)水幕處進(jìn)行酸堿中和,硫化氫治理效果良好。

5 結(jié) 語

1) 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測煤層硫化氫結(jié)果,發(fā)現(xiàn)決定硫化氫含量的重要因素之一是地質(zhì)構(gòu)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(cè),煤層硫化氫含量伴隨標(biāo)高增大而緩慢減小。

2) 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測工作面生產(chǎn)期間的硫化氫體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn):23109工作面落煤、放煤、運(yùn)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(fēng)巷硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)由53%下降到32%,硫化氫體積分?jǐn)?shù)的最大值下降了29%;鉆墻施工完成后,工作面回風(fēng)巷硫化氫平均體積分?jǐn)?shù)為10.24×10-6,硫化氫體積分?jǐn)?shù)下降了59.25%;工作面采煤機(jī)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?jǐn)?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(dá)47.9%,表明采用風(fēng)流引排硫化氫至防塵網(wǎng)水幕處進(jìn)行酸堿中和,硫化氫治理效果良好。