长短钻孔脉冲动压注碱吸硫技术研究

孙小岩，贺永亮，高明仕，3，张志聪

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.中国矿业大学矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

矿井有害气体的溢出严重影响煤矿的安全、高效开采及工作人员的健康。硫化氢气体是一种剧毒、酸性极强的有害气体。同时，硫化氢气体对井下设备存在较大的危害，容易引发硫化氢煤矿事故。针对硫化氢气体对井下的危害，国内外学者展开了大量研究，主要采用的治理措施有加大巷道及工作面通风量、喷洒水或碱性液体、用石灰粉吸收、进行抽放等[1]。以上方法对井下硫化氢气体的防治取得了一定的效果，但效果不理想。为了确保巷道掘进机工作面开采过程中的安全高效生产，对硫化氢的形成机理、影响因素和防治措施进行了研究，并在矿井进行了一系列的实践[2]。

巍山煤矿主采13#、15#煤层，13104、15107工作面回采时，受采动影响硫化氢气体涌出异常。工作面割煤渗出的硫化氢气体排出缓慢，引起工作面、进风巷及回风巷中硫化氢气体浓度高，15107工作面回风巷硫化氢气体浓度高达2×10-5～6×10-5，局部位置可达9×10-5，远大于《煤矿安全规程》中硫化氢气体允许最大浓度6.6×10-6[3]。工人在工作面回采巷道中可闻到臭鸡蛋味甚至刺激喉咙粘膜、眼结膜，危害矿工人身安全，矿井机电设备腐蚀严重，损耗大。巍山煤矿工作面回采时伴随硫化氢气体大量涌出。针对巍山煤矿煤层硫化氢涌出异常的现状，需要深入研究煤层硫化氢涌出异常时强化防治技术方案[4]。通过采用长短钻孔注碱吸硫技术，有效防止了硫化氢气体的溢出，降低硫化氢气体对主采工作面开采影响[5]，保障工作面人员安全和矿井高效、快速、安全生产，对煤矿井下硫化氢有害气体的防治技术研究具有重要意义。

1 长短钻孔脉冲动压注碱吸硫机理分析

长短钻孔注碱吸硫原理：注碱钻孔长度控制碱液注入煤体深度，而碱液在工作面煤体内浸润渗透能力有限，为达到工作面硫化氢防治效果，需保证注碱钻孔长度覆盖工作面整个煤层。注碱钻孔长度过长往往导致工作面煤层同一钻孔深部及浅部碱液渗透浸润效果存在差异，造成工作面注碱管端头处煤层硫化氢完全中和而远离注碱管煤层硫化氢气体不能充分吸收现状。此时，若加大注碱量往往造成碱液浪费，若停止注碱则达不到预期效果，给现场施工带来极大难题。采用长短钻孔注碱吸硫技术则很好解决了这个难题。工作面煤层布置长钻孔扩大碱液浸透湿润范围，有效中和工作面深部煤层硫化氢气体；工作面煤层布置短钻孔，有效中和工作面浅部煤层硫化氢气体。

脉冲高压注碱技术原理：煤体在脉冲高压水作用下，内部裂隙充分发育贯通，极大增大煤体结构渗透率。碱液在脉冲高压作用下，压入煤体原生裂隙中，并在分子及虹吸作用下渗透浸润到煤层新生裂隙中，构成煤体碱液吸硫网架结构。脉冲高压注碱技术特点在于压力可控且呈脉动状，既可在强高压作用下使煤体裂隙充分发育，同时由于注碱压力可控，可最大程度上降低注碱破坏煤层围岩强度，也可在脉冲动压力作用下将碱液推入煤体吸硫网架裂隙结构中[6]，如图1所示。

图1 工作面煤层脉冲动压注碱技术原理

MKZ型注碱系统喷射脉冲动压水射流，脉冲高压注碱技术压力可控且呈脉动状，煤体受脉动状注碱压力影响，产生周期性“水劈”效应，煤层中原生裂隙注碱发育贯通，新生裂隙发育扩展；在可控高压作用下，碱液渗透浸润到煤体裂隙中，并在分子及虹吸作用下渗透浸润到煤层新生裂隙中，构成煤体碱液吸硫网架结构。其中煤体注碱量可在水表中读出记录。2BZ-40/12型脉冲动压泵站部分参数：流量：0～40L/min；强度：0～12MPa；功率：12kW；频率：0～1460次/min；电压：380/660V。

2 长短钻孔脉冲动压注碱参数确定

2.1 注碱溶质

煤矿井下治理硫化氢多采用化学法治理。化学法防治硫化氢的核心在于溶液溶质的选取。煤矿井下化学法防治硫化氢原则：①溶液溶质对人身无毒无害无味；②溶液溶质与硫化氢反应后生成物无毒无害无污染；③溶液溶质在水中溶解率大，易于注入煤体及喷射；④溶液溶质与硫化氢反应速度快；⑤溶液溶质产量大，易获取，价格低。煤矿井下化学法防治硫化氢常用碱液：碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液石灰水及三者混合液等。鉴于三者自身特性及矿井井下特殊生产条件，我国煤矿井下常用碳酸盐溶液中和吸收煤层中硫化氢气体。碳酸钠溶液化学性质稳定，易于保存运输，同等质量的碳酸钠溶液吸收硫化氢能力远大于碳酸氢钠溶液，反应生成物无毒无害。氢氧化钙溶液在水中溶解性小，不适用于矿井井下煤层硫化氢大量涌出现状。综合考虑，选择使用碳酸钠溶液防治煤层硫化氢气体。碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液及石灰水防治硫化氢化学方程式如下：

Ca(OH)2+H2S=CaS↓+2H2O

(1)

Na2CO3+H2S=NaHS+NaHCO3

(2)

NaHCO3+H2S=NaHS+H2O+CO2

(3)

2.2 煤层钻孔布置参数

2.2.1 钻孔长度

基于巍山矿15#煤层工作面煤体内部裂隙发育贯通情况及注碱防治可注性，结合15#煤层含硫现状及注碱溶液溶质参数，巍山矿15107工作面长度180m，15107工作面进风巷和回风巷注碱钻孔采用长短钻孔交错布置。注碱长钻孔为15107工作面长度一半，即90m；注碱短钻孔为长钻孔一半，即45m，均与工作面巷帮垂直，沿煤层倾向钻进，具体需经过现场试验适时调整注碱钻孔长度。

2.2.2 钻孔间距

煤层注水渗透半径公式[7]：

B=2.2R=5h

(4)

式中，B为注碱钻孔间距，m；R为渗透半径，m；h为煤厚，m。

基于巍山矿15#煤层赋存及煤质特征、地质水文特征，结合注碱钻孔设备等现场施工条件，参考煤层注水渗透半径公式，计算出矿井15#煤层注碱钻孔间距。具体分析：①巍山矿15#煤层厚1.97～7.15m，平均厚度为5.81m，理论计算得注碱钻孔间距30m；②15#煤层硫分2.02%～3.66%，平均2.43%，属于中高硫-高硫贫煤；③《煤矿安全规程》中硫化氢气体允许最大浓度0.00066%；④我国矿井钻孔注水布置间距规定10～25m。巍山矿采用长短钻孔梯次脉冲动压注碱防治技术，若由于采用长短钻孔交替布置导致碱液浸润煤体范围变小，影响注碱吸硫效果，此时可以适当减小注碱钻孔间距。巍山矿15#煤层渗透半径大于10m，15107工作面长短梯次钻孔布置间距取20m，具体需经过现场试验适时调整注碱钻孔间距。

2.2.3 钻孔直径

巍山矿15#煤层煤样试件全水分测试结果可知，进口压力(注水压力)不变，轴压(即地层压力)越大，渗透率随之减小，即注水压力不变，煤(岩)层围压越大渗透率越小，越不易注入。基于流体及弹性力学理论，结合巍山矿15#煤层渗透率规律，采用大直径注碱钻孔，工作面煤体围压充分释放，碱液渗透率越大，注碱吸硫效果更好。若注碱钻孔直径过大，将大大增强对钻孔设备及封孔技术等条件的要求。因此综合考虑注碱防治效果及现场施工条件，巍山矿注碱钻孔孔径采用60mm，具体需经过现场试验适时调整注碱钻孔孔径。

2.3 煤层注碱参数

2.3.1 注碱压力

矿井工作面埋深及注碱压力关系[8]：

P0=15.6-7.8/(0.001H+0.5)

(5)

式中，P0为注碱压力，MPa；H为埋深，m。

参考巍山矿15#煤层赋存条件可知，注碱压力计算得：5.52MPa。巍山矿15#煤体内裂隙发育，15#煤层煤样试件实验室渗透率测定值偏低，因此，现场采用低、中注碱压力，具体需经过现场试验适时调整注碱压力。

2.3.2 注碱量

钻孔注碱量由吨煤硫化氢含量确定，每个钻孔所需碳酸钠质量计算：

mJ=1.284y

(6)

式中，mJ为每个钻孔所需碳酸氢钠质量，kg；y为巷道中硫化氢浓度，%。

2.3.3 钻孔注水量

煤体最大注水量定义：煤体到达饱和吸水率时的注水量。由于矿井煤层在成煤时期便含有一定水分，因此煤体最大注水量一般很小。钻孔最大注水量[9]：

Q=B·L·m·γ·(w1-w0)·K

(7)

式中，Q为钻孔最大注水量，m3；B为钻孔间距，取20m；L为钻孔长度，长钻孔取90m，短钻孔取45m；m为煤厚，取5.81m；γ为煤容重，取1.34t/m3；w1为注水后煤体水分，取1.51%；w0为煤体原水分，取0.81%；K为钻孔注水不均匀系数，取1.4。

参考巍山矿15#煤层赋存条件，经计算长钻孔注水量14.11m3；短钻孔注水量7.06m3。

3 现场试验

3.1 工程条件及注碱工艺

本次现场试验选于巍山矿15#煤层15107工作面两条回采巷道，主要用于15107工作面运输、通风及行人等任务。工作面长度180m，推进长度1250m，煤厚1.91～6.95m，平均5.81m，倾角5°～8°，平均6°，巷道沿煤层顶板掘进，掘进区间揭露断层等地质构造少，煤层赋存条件稳定，回采期间巷道围岩变形量小，可满足工作面正常回采使用。巍山矿长短钻孔脉冲动压注碱吸硫技术主要参数包括：注碱长钻孔90m，注碱短钻孔45m；注碱钻孔孔径采用60mm；钻孔布置间距取20m；水力膨胀式封孔器封孔，封孔长度4m；碱液溶质碳酸钠，浓度为0.5%～1%；煤层注碱量平均每个钻孔所需碳酸钠质量375kg；长钻孔注水量14.11m3；短钻孔注水量7.06m3；注碱压力5.52MPa，如图2所示。

图2 15107工作面注碱钻孔布置(m)

3.2 煤层硫化氢注碱防治应急预案

巍山矿15107工作面回采巷道采用工作面煤层长短钻孔脉冲动压注碱吸硫技术、碱幕捕捉、加大通风及个体防护硫化氢综合治理方案。若采取上述措施工作面煤层硫化氢涌出仍异常时，则必须采取回采工作面浅孔注碱吸硫，以降低工作面割煤硫化氢异常涌出浓度。回采工作面浅孔注碱吸硫：沿15107工作面走向于煤壁斜向上布置一排浅钻孔，采用注液泵沿钻孔注碱，碱液随煤层内部裂隙渗透浸润，中和煤体中硫化氢，达到注碱吸硫效果，保证工作面顺利回采及工人人身安全[10]。

基于巍山矿15#煤层煤质赋存特征及生产条件，沿15107工作面走向于煤壁斜向上间距10m布置一排浅钻孔，排距5m，距离底板2.5m，仰角3°，浅孔深度5m，钻孔直径∅42mm，距进风巷及回风巷10m范围内不布置钻孔，工作面循环进尺1.6m，排距5m(3个循环)，采用分组(5个/组)注碱，具体需经过现场试验适时调整工作面煤层钻孔布置参数，如图3所示。

图3 15107工作面煤壁浅钻孔施工工序

3.3 煤层硫化氢注碱防治效果

15105工作面未注碱煤层硫化氢浓度及15107工作面煤层注碱后硫化氢浓度如图4所示。从图中可以看出，15105工作面未实施注碱防治硫化氢方案，工作面硫化氢浓度最大为5.64×10-5，最小为2.14×10-5，平均为3.89×10-5；15107工作面采取长短钻孔梯次脉冲动压注碱技术后，工作面硫化氢最大浓度为5.6×10-6，最小为5×10-7，平均为3.2×10-6，大大降低了工作面硫化氢浓度[11-15]。

图4 注碱前后工作面硫化氢浓度变化示意图

长短钻孔梯次布置优点：①有效解决了注碱钻孔长度过长导致工作面煤层深部及浅部碱液渗透浸润效果存在差异问题；②减小了工作面注碱钻孔施工量，减轻了工人劳动强度；③减少了碱液使用量，达到注碱吸硫效果，降低注碱防治成本。

4 结 论

1)巍山矿长短钻孔脉冲动压注碱吸硫技术：在15107工作面回采巷道中，超前工作面垂直煤帮向工作面内平行布置长短注碱钻孔，采用脉动注液泵沿钻孔注碱，碱液随煤层内部裂隙渗透浸润，中和煤体中硫化氢，达到注碱吸硫效果，保证工作面顺利回采及工人人身安全。

2)巍山矿长短钻孔脉冲动压注碱吸硫技术主要参数包括：注碱长钻孔90m，注碱短钻孔45m；注碱钻孔孔径采用60mm；钻孔布置间距取20m；水力膨胀式封孔器封孔，封孔长度4m；碱液溶质碳酸钠，浓度为0.5%～1%；煤层注碱量平均每个钻孔所需碳酸钠质量375kg；长钻孔注水量14.11m3；短钻孔注水量7.06m3；注碱压力计算得：5.52MPa。

3)15107工作面采取长短钻孔梯次脉冲动压注碱技术后，工作面硫化氢最大浓度为5.6×10-6，最小为5×10-7，平均为3.2×10-6，大大降低了工作面硫化氢浓度。