高地压坚硬厚煤层采掘面硫化氢及粉尘职业危害防治成套技术研究

岗战伟 叱超

摘要：煤矿生产作为高危行业之一，在采掘面生产中存在着诸多危险因素。煤矿开采中会生成大量的粉尘和硫化氢，严重影响煤矿开采安全和人身健康，如煤尘爆炸、尘肺病等。基于此，本文首先提出高地压坚硬厚煤层采掘面硫化氢、粉尘的治理现状，进而提出硫化氢及粉尘职业危害防治成套技术。

关键词：高地压坚硬厚煤层;硫化氢;粉尘;职业危害;防治成套技术

Abstract：Coal mine production， as one of the high-level industries， has many risk factors in mining production. A large amount of dust and hydrogen sulfide will be produced in coal mining， which will seriously affect the safety and personal health of coal mining， such as coal dust explosion， pneumoconiosis and so on. Based on this， this paper first puts forward the status quo of treatment of hydrogen sulfide and dust in mining face of high pressure hard and thick coal seam， and then puts forward the complete set of technology of prevention and control of hydrogen sulfide and dust occupational hazard.

Key words：High ground pressure hard thick coal seam;Hydrogen sulfide;Dust;Occupational hazards;Control complete set of technology

高地压坚硬厚煤层采掘活动中会产生大量的硫化氢、粉尘，这些物质一方面增加了煤矿开采爆炸风险，另一方面大大增加了尘肺病等职业病发生率。每年我国煤炭行业都会增加成千上万名尘肺病患者，死亡人数数以千计。我国在21世纪以来煤矿爆炸案件多达20多起，造成了上千人死亡，社会影响十分恶劣。硫化氢同样作为一种有毒有害气体，毒性非常强，高浓度硫化氢会让人产生五官感觉失灵，甚至会产生痉挛、死亡。可见，煤矿开采风险很大，很容易对生产工人带来职业危害，如果不做好治理工作，会严重影响开采企业的市场形象、降低煤矿生产综合效益。

1 工程概况

通过调查显示，山东能源淄矿集团下属的陕西省亭南煤业、正通煤业采掘面的粉尘、硫化氢危害很严重。亭南煤业采掘面硫化氢浓度为66ppm以上，正通煤业综掘掘进工作面硫化氢涌出浓度达到101ppm，达到标准浓度（6.6ppm）15倍以上，粉尘浓度达到了500mg/m?以上，远远超出了规定标准值。结合正通煤业综掘掘进工作面硫化氢涌出浓度，可以推出回采工作面硫化氢涌出浓度可以达到150-200ppm之间，粉尘浓度不低于3 000mg/m?[1]。由此可见，山东能源淄矿集团下属的陕西省煤矿采掘面粉尘、硫化氢严重超标，不仅会增加爆炸风险，同时还会给井下工作人员健康带来极大的威胁，必须要提前采取相应的处理措施和方案。

2 煤矿采掘面硫化氢和粉尘的治理现状

2.1 硫化氢危害治理现状

硫化氢作为一种有毒有害气体，矿井之前使用通风稀释、注碱吸收、石灰反应等方法治理，虽然起到了一定的效果，但没有综合考虑硫化氢的成因、生成规律、影响因素、分布情况，监测工作不到位。在整个治理过程中也尝试了很多方法，如硫化氢吸收液自动配比技术、煤层注吸收液等，技术设备选择存在盲目性、缺乏科学性，没有形成一套可以全方位治理硫化氢的配套工艺，并且最终的硫化氢治理结果不够理想，对矿井生产安全帮助不大。

2.2 粉尘危害治理现状

在粉尘治理方面，矿井应用了风流净化水幕、除尘风机、低压喷雾等方案。其中，低压喷雾方案主要是治理支架放煤、采煤机割煤所产生的粉尘。但在去除粉尘中受到低压喷雾设备性能的影响，喷出的水雾无法完全捕捉灰尘，再加上喷嘴设计不合理，使用中很容易产生喷嘴堵塞等问题，进一步降低了喷嘴使用性能，因此实际除尘、降尘的效果不够理想。

3 设计思路与目标

3.1 设计思路

考虑到采掘面硫化氢分布不均、涌出浓度高等特殊性，通过设置硫化氢监测技术，分析硫化氢产生原因、附存、涌出影响、分布规律等进行综合分析，这样为后续采用防治成套技术规划提供数据支持。考虑到正通煤业煤质较硬、地应力高等特点，设计主动式综掘面迎头“三压带”分段式中高压预注吸收液、利用综放面超前应力相关成套技术体系，这样在回采前即可将煤层浸湿，降低回采过程中硫化氢和粉尘浓度。工作面回采过程中，采用硫化氢集聚点抽取净化工艺，可以直接抽取净化掘进巷道与隅角的硫化氢、粉尘。而高压外喷雾、掘进机外泡沫吸收治理成套技术，可以加强治理设备移动的灵活性，针对性治理采掘面涌出的硫化氢、粉尘。这些成套技術在实际应用中，有效降低了硫化氢、粉尘的浓度，减少煤矿开采的危害，改善了矿井开采条件，确保人身健康安全。

3.2 目标

通过对硫化氢、粉尘防治成套技术的立项研究，形成可以降低或消除硫化氢、粉尘的工艺配套设施，为后期制定硫化氢、粉尘防治方案提供科学依据。在采用分段式封孔注液、喷射泡沫覆盖、高压外喷吸收液等技术，要将硫化氢浓度降低80%以上、粉尘浓度降低90%以上。在综采面采用煤层预注吸收液、涌出硫化氢外喷吸收液、硫化氢集中抽取净化等配套技术后，要求煤机司机及其周围、支架放煤、上隅角和回风巷等区域，硫化氢、粉尘降低率要达到80%以上。

4 高地压坚硬厚煤层综掘面硫化氢及粉尘防治成套技术

4.1 “三压带”分布规律研究

结合煤矿工程地质条件特性，要掌握高地压、坚硬厚煤层的硫化氢及粉尘治理要求，根据实验室具体的数据模拟、现场钻孔取样测试等结果，测试分析综掘面迎头煤体注水后的“三压带”分布情况，为后期分段预注吸收液防治硫化氢及粉尘提供数据支撑。

4.2 “三压带”分段式注液防治技术

由于综掘面煤质具有高地压、坚硬的特点，在能够掌握“三压带”分布规律基础上，采用分段中压注水和分段高压注水方案，在同一钻孔当中向卸压带、应力集中带、原岩应力带注入相应量的吸收液，加速煤体中硫化氢在割煤前的吸收量，这样即可在掘进切割时减少硫化氢及粉尘释放量。先对掘进头位置的“三压带”进行单孔注水试验工作，测试不同注水流量、时间、压力等进行分析，水分增量标准为1.5%，判定煤体湿润半径，确定注水的具体工艺参数。从断面尺寸、煤体湿润半径进行比较，从中判定注水孔布设方案、数据参数。根据上述确定的参数信息，测试分析不同预注量的吸收液对硫化氢与粉尘治理效果，测出各项注水参数的效率值。

4.3 掘进机高压外喷吸收液治理技术

在得出综掘面硫化氢分布规律条件下，根据综掘机的结构、断面布设喷向截齿头正向高压喷雾装置，这样在割煤区域会形成一个喷雾包围圈，在截齿头割煤过程就可以将硫化氢反应、拦截[2]。掘进机两侧通过布置喷向迎头顶底板方位高压外喷装置，开启后形成水雾用作吸收硫化氢，可以减少煤体垮落、星轮转动部位的硫化氢生成量，从而实现硫化氢控制的目标。

4.4 掘进机外喷泡沫吸收液治理技术

结合综掘机结构、断面条件，在掘进机前增设喷射泡沫吸收装置，通过喷出的泡沫吸收掘进机运作中产生的硫化氢及粉尘，从而起到控制硫化氢及粉尘的目标。该技术剩余原理与4.3的技术原理类似，在此不做多赘述。

4.5 防治集成化移动式处理技术

考虑到在采掘面处理硫化氢及粉尘需要用到水箱、水泵、吸收液添加设施，这些设备在实际使用中移动十分不便，甚至会对现场处理硫化氢及粉尘带来负面效果。因此要做好综掘面巷道结构尺寸分析、设备布设调控基础上，对常用的处理设备性能进行分析，做好水泵、水箱、吸收液添加装置的外形设计、重量设计，采用履带式行走结构集成这些设备，提高处理设备的移动便捷性。正通煤业采用的移动装置长宽高分别为4.5m、1.2m、1.8m，总重量控制在5t以内，电压等级为660V/1 140V，运行功率最高不超过60kW，适应爬坡度在16°以内[3]。

5 高地压坚硬厚煤层综放面硫化氢及粉尘防治成套技术

5.1 综放面支撑压力分布

结合综放面开采特性，先是通过实验室模拟、现场观测、工程类比等方法分析工作面开采中前方支承压分布状况，为后续煤层预注吸收液防治硫化氢及粉尘提供有效依据。

5.2 超前应力影响区预注吸收液防治成套技术

由于本矿综放面具有煤质硬、应力大等特点，增加了长钻孔施工难度，所以在施工中可以借助超前应力影响区域应力释放、裂缝发育且张量不大特性，在该区域中钻孔并注水，研究超前工作面预注吸收液防治技术，这样可以有效控制超前应力影响区硫化氢及粉尘的产生。具体要根据现场试验结果判定是采用单巷注水还是双巷注水。

在进行试验研究当中，可以根据工作面承压力分布情况计算出支承压力分布范围，并在确定范围内进行可注性试验、注水封孔、煤层注水湿润半径等研究工作，从而得出综放面湿润半径、注水工艺参数。结合得出的湿润半径数值、注水参数、综放面煤层厚度、工作面推进速度、顺槽断面尺寸、钻孔技术等，从而得出注水钻孔布设区域和施工参数。根据不同的注水工艺参数，考察不同浓度吸收液在硫化氢及粉尘防治的情况，综合考虑成本、效果、便捷性等因素，即可得出最佳的成套技术参数。

5.3 喷洒吸收液治理采煤机割煤扰动工艺技术

通过分析综放面采煤机滚筒割煤时产生的硫化氢分布特性、浓度，根据采煤机结构尺寸、高度、支架结构尺寸等参数，可以分别在采煤机上下风侧面、滚筒上方设置喷洒吸收液装置，这样在滚筒割煤当中就会形成吸收液喷雾包围圈，降低割煤中产生的硫化氢及粉尘。考虑到依然可能溢出的硫化氢及粉尘，可以在支架上增设跟踪喷射吸收液装置，跟着风流扩散喷雾范围，从而实现硫化氢及粉尘的拦截，进一步加强了硫化氢及粉尘的治理效果[4]。综放面试验当中，借助硫化氢检测仪、测尘仪等设备，测试不同吸收液压力、浓度下的硫化氢及粉尘数据信息，将所得数据进行对比分析，根据现场实际生产环境，从而得出最优的工艺参数。

5.4 喷洒吸收液治理支架放煤扰动工艺技术

结合支架放煤产生硫化氢及粉尘释放规律、空间布局情况，分别在支架尾梁千斤顶上下部位安装中压吸收液装置、高压吸收液装置，通过装置喷洒喷雾包裹放煤口空间，这样才硫化氢及粉尘产生源头位置即可实现吸收和消除。对于依然溢出的硫化氢及粉尘，可以在支架尾梁下端增设喷洒吸收液装置，拦截支架随风扩散的硫化氢及粉尘，降低上隅角、回风顺槽的硫化氢及粉尘浓度。在支架放煤试验当中，主要使用检测仪器对不同吸收液流量、压力、浓度下的处理效果进行分析，根据现场实际情况、处理性能，得出最优的硫化氢及粉尘处理工艺数据[5]。

5.5 开采扰动涌出硫化氢的集中抽取净化技术

分析综放面U型通风时风流运动情况，通常在综放面回采中，上隅角部位会聚集大量的硫化氢气体，所以要结合每层预注吸收液治理技术，进一步采用抽取净化技术加强治理效果。对综放面上隅角硫化氢浓度、风量、空间等信息，根据除尘器设计原理设计上隅角集中净化抽取装置。根据回风顺槽断面尺寸、设备布置情况，借助超前支架空间，设置硫化氢抽取净化设施，跟着超前支架前移而移动。通过增设抽取净化设施、上隅角部位的负压风筒，这样即可将上隅角涌出硫化氢集中抽入到净化装置中，达到上隅角硫化氢净化处理的目标。

6 结束语

高地压坚硬厚煤层采掘面硫化氢及粉尘会极大地影响人体健康、设备性能，增加安全隐患，本文针对硫化氢及粉尘治理提出了集中硫化氢及粉尘防治成套技术，包括“注—喷—抽”等治理技术，通过事先的试验分析，从成分、效果、可操作性等方面出发，从而得出最优的设计方案，有效提高了硫化氢及粉尘的治理效果，保证了高地压坚硬厚煤层开采的安全性。

参考文献

[1]邓中，陈志文，王军，等.突出煤层掘进工作面硫化氢综合治理技术[J].能源与环保，2019，41（02）：62-65.

[2]朱雷.關于综放工作面硫化氢气体防治技术的探讨[C]//综采放顶煤技术理论与实践的创新发展——综放开采30周年科技，2012.

[3]郑三龙，刘奎，宋丹，等.急倾斜厚煤层综放面预注吸收液治理硫化氢技术[J].煤炭工程，2016（06）：77-80.

[4]邓鹏，程波，杨森，等.煤矿井下煤层硫化氢含量测定方法的研究进展[J].煤矿安全，2019，（05）：172-175.

[5]王晓晨.煤层开采硫化氢涌出影响因素研究[J].中国科技博览，2015（17）：316-317.

收稿日期：2020-05-17

作者简介：岗战伟（1987-），男，汉族，助理工程师，研究方向为煤矿开采。