煤矿硫化氢分布规律及综合防治技术

豆兵利

（晋煤集团晋牛煤矿，山西 临汾 041000）

硫化氢气体是一种有毒有害气体，当人体吸入1000 ppm 时会立即死亡。我国部分煤矿在开采过程中因硫化氢气体中毒或死亡的安全事故时有发生，严重威胁工作面安全开采。晋牛煤矿1303 工作面巷道掘进过程中，掘进工作面及其回风巷道等地点有硫化氢气体涌出。为保证工人生命健康及井下安全生产，分析煤体中硫化氢含量及涌出规律，从而进行有效的防治，以保证工作面安全回采[1-2]。

1 工作面硫化氢含量

1.1 工程概况

晋牛煤矿主采多煤层9+10+11 号煤层，平均煤厚5.14 m，含1～4 层夹矸，结构复杂，层位稳定，厚度变化不大，为赋煤区全区稳定可采煤层。顶板为K2 石灰岩（平均17.58 m）或泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩。开采面为1303 综放工作面，工作面走向长915.6 m，倾斜长185 m，采高2.8 m。工作面主要构造为向斜，向斜轴部距切眼353～670 m 范围内。

1.2 工作面硫化氢含量

为确定硫化氢气体含量，对工作面进风巷、回风巷、总回风巷、钻孔气体四处风流地点进行气样采集，对采集气样进行定性、定量分析[3]。

定性试验采用对比排除法，分析仪器采用色谱—质谱联用仪、气相色谱仪，对40 余种含酸臭味刺激性气体进行分析。结果显示含有大量的甲烷、乙烷及微量的丙烷等物质，未检出其他烃类，仪器检测线均小于0.1 ppm。

定量分析工作面回风巷和总回风巷主要刺激性气味气体为乙醇、异丁烷，钻孔刺激性气味气体主要为硫化氢、乙醇、异丁烷。钻孔中硫化氢达到437.07 ppm，而回风巷、总回风巷中基本检测不到硫化氢。原因是取样时回采工作面没有割煤，井下巷道少，风量大，所含硫化氢已被井下风流稀释。

2 硫化氢来源分析

2.1 多煤层硫化氢含量测试

晋牛煤矿开采煤层为9+10+11 多煤层，煤层有夹矸，结构相对复杂。分别对1303 采煤工作面大块煤体、钻孔煤芯及分层进行取样，煤样进行硫化氢含量及涌出规律试验[4]。对大块煤体进行表面剥离，提取新鲜煤芯，称重，然后放入固定体积密闭容器，以10 L/min 的速率充入氮气，每2 min 检测硫化氢含量。测得钻孔煤样硫化氢含量为10.55 L/t，9 号煤层硫化氢含量为0.32 L/t， 10 号煤层硫化氢含量为12.3 L/t，11 号煤层硫化氢含量为21.0 L/t，硫化氢主要存在于10 号煤层、11 号煤层。

2.2 工作面硫化氢气体来源

工作面受向斜控制，在向斜构造轴部硫化氢含量较高，吸附在煤层中，巷道含量很少。工作面回采期间，新裸露煤壁和落煤中大量硫化氢释放到工作面，造成工作面和巷道硫化氢超限，影响工作面安全生产。根据现场硫化氢探头测试可知，采煤工作面的硫化氢大量释放主要是在落煤、运煤和放煤的过程中，则运煤、落煤、放煤时硫化氢平均涌出比例分别为28.5%、65.2%、6.3%，如图1。采煤机破煤速度越快，工作面硫化氢含量越高。由于工作面向斜构造的作用逆向破煤高于正向割煤，随着采煤面渐渐朝向斜轴部推进，硫化氢含量逐渐增大。因此，为采取合理的防治措施，分析硫化氢来源规律是十分重要的。

图1 工作面不同时期硫化氢浓度（ppm）

3 硫化氢综合治理技术及效果

根据硫化氢赋存规律提出工作面割煤前深浅孔预注碱液、割煤过程中工作面喷洒碱液、割煤后风帘引排和水幕吸收联合治理硫化氢技术[5-6]。

3.1 割煤前深浅孔预注碱液技术

工作面深浅孔预注碱液技术基本原理是将化学试剂溶液注入煤体，使化学试剂溶液通过煤的层理、节理和微小的孔（裂）隙扩散，与赋存在煤体中的硫化氢发生化学反应生成对人体无害或伤害较小的物质。本次采用化学试剂为碳酸钠，碳酸钠与硫化氢反应生成Na2S、H2O 和CO2，碳酸钠浓度1%。

3.1.1 深孔预注碱液钻孔布置方式

在进风巷、回风巷对工作面进行超前预注碱液，钻孔直径75 mm，钻孔设计角度5°，距离底板1.5 m，间排距5 m，孔深30～160 m，封孔采用双液注浆材料，封孔长度12 m。深孔注碱液布置图如图2。

图2 深孔注碱液布置图

3.1.2 浅孔预注碱液钻孔布置方式

根据采煤工作面煤的硬度、孔隙率、顶底板情况和透水性，沿工作面煤壁设计钻孔，每隔4 m 布置一个，孔深为10 m，孔径为Ф42 mm。为防止煤壁片帮，距回风顺槽留10 m 不施工钻孔。钻孔高度1.5 m，仰角20°，钻孔要求距顶、底板1.2 m以上，且距回风顺槽注液孔周边保持1 m 的距离，严禁与回风顺槽注水孔贯穿。

3.1.3 效果分析

通过考察采煤机运转时回风巷硫化氢浓度，分析深浅孔预注碱液的效果。探头监测结果显示硫化氢浓度总体较注液前降低，注液前回风巷硫化氢浓度峰值89 ppm，注液后峰值为41 ppm，硫化氢浓度降低了46.1%，说明深浅孔预注碱液起到了一定效果。

3.2 割煤过程中工作面喷洒碱液

3.2.1 工作面喷洒碱液设计

工作面喷雾可以对采掘面降尘起到有效作用，改善井下作业环境。晋牛煤矿采掘过程中煤层中赋存的硫化氢气体大量释放，对工作面工作人员身体健康影响很大，在采煤机外喷雾中加入一定浓度的碱液进行喷雾，可以进一步降低硫化氢浓度，降低硫化氢对井下人员的伤害。

喷雾泵采用BPW125/20 矿用喷雾泵，喷雾压力达到20 MPa，喷洒碱液浓度采用配置的0.4%的碳酸氢钠和0.4%的碳酸钠混合溶液。在采煤机机身上及滚筒上方支架分别布置喷向滚筒方向的外加喷雾装置，覆盖采煤机组，利用滚筒割煤过程中形成的立体的硫化氢吸收液水雾包围圈，从采煤机割煤产生硫化氢的源头处吸收硫化。

3.2.2 效果分析

通过检测工作面反向割煤过程中60#液压架、70#液压架、80#液压架、90#液压架位置处喷洒碱液与不喷洒碱液的硫化氢浓度含量，分析工作面喷洒硫化氢防治效果，结果如图3。

图3 碱液喷洒对照图

由图3 试验数据可以看出：在开启清水喷雾的情况下，测得硫化氢平均浓度为97.5 ppm；在开启含有碱液喷雾的情况下，测得硫化氢含量54.5 ppm。硫化氢含量降低了55.9%。

3.3 割煤后风帘引排和水幕吸收

3.3.1 风帘引排

风帘引排的原理是通过安设有喷雾装置的防尘网来稀释工作面回风气体中的硫化氢和风尘等有害气体。

在工作面70#～134#架以及回风巷中部布置透明风帘，工作面端布置60 m，回风段约20 m。风帘的末端安设有3～5 道防尘网，喷雾装置在防尘网上，防尘网间距分别为1～2 m。风帘材质采用透明硬塑料，面积6.60 m2，用铁丝通固定搭液压支架或巷道顶底板上进行搭接。

3.3.2 水幕吸收

在引排的通道中安装防尘网形成水幕，可进一步吸收开采过程产生的硫化氢。水幕吸收流经风流中的硫化氢，进一步减少硫化氢含量。设计安装喷洒碱液的喷口正对着防尘网，喷出的碱液形成一碱液水幕。合理布置喷嘴位置，保证水幕全部覆盖，使含有硫化氢气体的风流流经水幕后进一步消除硫化氢含量。

3.3.3 效果分析

通过风帘引排和水幕吸收的前后探头检测硫化氢含量，分析治理效果。防尘网上风侧和下风侧探头硫化氢浓度对比，见表1。

表1 网上风侧和下风侧硫化氢浓度对比表

通过表1 可以看出，硫化氢浓度平均降低73.2%，表明风帘引排和水幕吸收对硫化氢治理有很好的效果，保证了工作面安全生产。

4 结论

（1）为确定硫化氢含量，现场采集晋牛煤样，通过气样试验分析，钻孔中硫化氢达到437.07 ppm，割煤时硫化氢气体含量高。

（2）通过对不同煤层硫化氢含量分析可知，硫化氢主要吸附10 号煤层和11 号煤层中。在采煤过程中，煤体被破坏，硫化氢大量涌出，且硫化氢受向斜构造控制，向斜轴部推进硫化氢含量逐渐增加。

（3）为有效控制硫化氢超限，采用割煤前深浅孔预注碱液、割煤过程中工作面喷洒碱液、割煤后风帘引排和水幕吸收联合治理硫化氢技术，使硫化氢含量得到有效控制。