矿井硫化氢危险性分源分级评估方法研究及应用

2021-03-06金永飞许亚奇

矿业安全与环保 2021年1期

金永飞，闫浩，许亚奇，张典

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054； 2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054； 3.陕西正通煤业有限责任公司，陕西咸阳 712000)

我国国民经济快速发展，电力、化工等行业对煤炭的需求日益增长[1-3]。近年来，随着煤矿开采范围不断扩大、开采深度持续增加，导致某些矿井硫化氢(H2S)异常涌出，硫化氢的危害越来越突出[4-6]。硫化氢是一种有毒有害气体，在101.325 kPa大气压下，温度为15.55 ℃时，其密度为1.438 kg/m3，容易溶入水，溶于水或在潮湿的环境下，呈酸性，可以腐蚀金属物质，硫化氢气体燃烧后会生成有毒气体 SO2，与氧气结合后容易发生爆炸。某些矿井受煤质等特殊条件的影响，回采时出现大量硫化氢涌出的现象，致使矿井不能安全正常生产。

目前，对矿井硫化氢的治理针对性较弱，大多停留在表面的喷洒碱液治理，较难根据特定浓度的硫化氢作出针对性预防与治理。笔者通过对矿井硫化氢进行分源分级评估，以实现硫化氢的经济高效治理，有效保证井下作业人员的安全与健康，为安全生产提供有力保障。同时，通过治理硫化氢，减少其排放量，对环境保护具有一定的意义。

1 矿井硫化氢分源分级评估的原则及体系构建思路

1.1 评估的原则

在对矿井硫化氢进行分源分级评估时，应该针对矿井的实际情况和地理状况等条件，并应遵循以下原则[7-9]：

1)可量化原则。筛选的所有评价指标都可以被科学量化，以科学合理地表达各指标的作用，达到良好的评价效果。

2)科学性原则。必须科学、客观地评价，评估方法要运用客观的理论分析来获得，并形成一定的知识经验互补。

3)可行性原则。评估方法的选定应考虑指标信息值的可获得性，并且能体现出事物的可比性，尽可能简化相关工作的相关程序，以保障方案的顺利实施。

4)动态性原则。煤矿的生产系统是开放的损耗系统，并且随着矿井环境的变化，影响因素的属性也在变化，所以在对矿井硫化氢进行危险评估时，应该考虑这种动态变化。

5)定性与定量相结合原则。不同灾害特征能够由不同的指标来反映。在选择指标时，应遵守定性与定量指标相结合的原则，不要漏掉任何重要指标。

6)准确性原则。所选定的评估方法要能够对不同浓度、不同危害程度的硫化氢进行精确反映，这样才能准确地传达指示，确保作业人员的安全撤离。

1.2 评估体系构建的思路

根据矿井硫化氢的分源分布特征，提出的矿井硫化氢分源分级危险性评估体系构建的思路如图1所示。

由图1可以看出，首先针对矿井硫化氢的分源特点，选定工作面、采空区和原煤层3个硫化氢来源区域，以硫化氢吸收液的浓度为采空区和原煤层硫化氢的划分依据，以硫化氢对人体的危害程度为工作面硫化氢的划分依据。最后结合评估原则，将采空区和原煤层硫化氢划分为易治理区域、难治理区域和较难治理区域3种类型；将工作面划分为低硫化氢危险区域、中硫化氢危险区域、高硫化氢危险区域和超高硫化氢危险区域4类区域，并基于此对每个区域进行针对性治理。

2 矿井硫化氢分源分级评估体系构建

2.1 分级依据

1)根据《煤矿安全规程》对硫化氢浓度的规定，以及矿井不同浓度硫化氢对人体的危害程度，对工作面硫化氢严重等级进行划分，以便于井下日常防范与管理，更好地保障井下工人的安全与健康。

《煤矿安全规程》规定，矿井中硫化氢的最高允许体积分数为0.000 66%。硫化氢浓度不同，对人体产生的危害也不同。硫化氢对人体影响的浓度等级[10]见表1。

表1 硫化氢对人体影响的浓度等级

2)根据采空区、原煤层硫化氢的测定结果，以硫化氢吸收液的消耗量所对应的硫化氢质量浓度为依据，对采空区不同位置的硫化氢浓度进行分级，针对不同级别的硫化氢采取不同的治理措施，以提高治理效果。采空区硫化氢吸收效率的影响因素[11-13]见表2。

表2 硫化氢吸收效率的影响因素

2.2 分级标准

1)工作面硫化氢分级标准。当硫化氢在空气中的质量浓度低于6.60 mg/m3时，对人体感官产生影响，有轻微刺激，为低硫化氢危害区域；当质量浓度为6.60～72.07 mg/m3时，对人体有明显刺激，使人产生强烈不适感，连续作业会危害人体健康，为中硫化氢危害区域；当质量浓度为72.07～144.14 mg/m3时，对人体产生严重刺激，短期暴露就会使人产生严重不适反应，对人体危害较大，为高硫化氢危害区域；当质量浓度超过144.14 mg/m3时，如果不立即撤离，就会对人体产生严重伤害，严重时会导致死亡，为超高硫化氢危害区域。

2)采空区、原煤层硫化氢分级标准。在采空区硫化氢质量浓度低于115.31 mg/m3的区域，对吸收液的浓度要求相对较小，为易治理区域；在质量浓度为115.31～216.21 mg/m3的区域，对吸收液的浓度要求较大，流量要求相对较小，为难治理区域；在质量浓度大于216.21 mg/m3的区域，对吸收液的流量要求较大，为较难治理区域。

2.3 评估体系构建

以矿井中硫化氢的最高允许浓度，以及不同浓度硫化氢的危害程度为划分依据，对工作面硫化氢进行分级，并将工作面划分为低硫化氢危险区域、中硫化氢危险区域、高硫化氢危险区域和超高硫化氢危险区域；以硫化氢吸收液的消耗量为依据，对采空区和原煤层硫化氢进行分级，并划分为易治理区域、难治理区域和较难治理区域。结合评估原则，得到矿井硫化氢分源分级评估体系，如表3所示。

3 现场应用

依据上述矿井硫化氢分源分级危险性评估体系，对高家堡煤业202工作面原煤层的硫化氢危害程度进行判定：在采煤机割煤时，硫化氢的危害程度为Ⅱ级，用橙色预警，为难治理区域；在不割煤时，危害程度为Ⅲ级，用黄色预警，为易治理区域；将工作面的硫化氢危害程度评定为Ⅱ级，用橙色预警，属于高硫化氢危害区域；将采空区的硫化氢危害程度评定为Ⅰ级，用红色预警，为较难治理区域。

根据现场评估结果，对不同区域的硫化氢进行针对性治理，治理效果如下：

1)原煤层硫化氢治理效果

202工作面经过注碱性吸收液试验，对注碱过程的监测数据进行分析整理，得到煤层采动过程中硫化氢的涌出情况，见表4。

2)工作面硫化氢治理效果

喷洒吸收液前后掘进机司机处硫化氢质量浓度测试结果见表5。可以看出，喷洒吸收液后，司机处硫化氢质量浓度随喷洒吸收液体积分数的增大而减小；在喷洒吸收液体积分数为0.4%时，司机处硫化氢平均质量浓度由喷液前的57.0 mg/m3降至喷液后的14.3 mg/m3，硫化氢吸收率为74.9%；在喷洒吸收液体积分数为0.8%时，司机处硫化氢平均质量浓度由喷液前的57.0 mg/m3降至喷液后的8.6 mg/m3，硫化氢吸收率达到84.9%，取得了较好的治理效果。

表5 喷洒吸收液前后掘进机司机处硫化氢浓度测试结果

3)采空区硫化氢治理效果

向采空区喷洒吸收液后，测得上隅角的硫化氢质量浓度由原来的196.0 mg/m3下降到57.0 mg/m3，当再次向上隅角喷洒体积分数为0.5%的吸收液后，硫化氢质量浓度下降至8.6 mg/m3，硫化氢吸收率达到95.0%，吸收效果较好。

将矿井硫化氢分源分级危险性评估方法，在陕西正通煤业高家堡煤矿进行了应用，经过试验测试，各个区域的硫化氢浓度均下降至安全水平，效果良好。针对矿井不同区域的硫化氢隐患问题，所提出的分源分级评估方法能够根据特定范围内的硫化氢浓度，从而快速、有针对性地做出反馈，实现及时预警，提高了矿井管理水平，并且缩短了治理硫化氢的时间，节约了硫化氢吸收液的用量，对矿井硫化氢的治理有大的帮助。