西曲矿12315工作面回采期间硫化氢防治技术研究

张 斌

(山西西山矿业管理有限公司，山西 太原 030053)

硫化氢是煤矿井下的有毒有害气体之一，其浓度超限对井下现场作业人员的生命健康带来了巨大威胁。随着煤矿开采规模的提升和开采深度的增大，很多煤矿出现了硫化氢气体超限的问题。因此，本文针对西曲矿12315工作面硫化氢浓度超限情况，提出采用钻孔注碱性溶液方法对硫化氢气体进行治理，并对正巷回风流当中的硫化氢浓度进行监测，以检验实际应用效果[1-5]。

1 工作面概况

西曲矿12315工作面井上位于原南坪村，地表以山地地形为主，无河流经过，沟谷低洼处常年无流水，盖山厚度160～238 m，平均199 m。井下位于南三盘区，四邻均为已采空区域。所采2.3号煤层煤厚3.98～4.75 m，平均4.40 m，结构为3.10(0.20)1.10 m，整体上倾向西南，倾角2～8°，平均4°。直接顶板为厚1.20～3.30 m的砂质泥岩，老顶为厚2.35 m的中砂岩，底板为厚8.56 m的泥岩。无火成岩侵入，冲刷带及煤层分叉等因素影响。预计正常涌水量为2～5 m3/h，最大涌水量为15 m3/h。

12315工作面的副巷、正巷的长度分别为400 m、449 m。一般地，巷道采用宽4.5 m、高3.5 m的矩形断面，锚杆+钢带+锚索支护形式；特殊地段中，巷道采用上宽3.3 m、下宽4.3 m、高3.2 m的梯形断面，锚杆+锚索+铁硼的支护形式。

2 工作面硫化氢涌出情况

12315工作面在回采过程当中出现硫化氢明显增大的现象，工作面和正巷都有明显臭鸡蛋味道，局部地段硫化氢浓度超过了20×10-6。为准确掌握硫化氢分布规律，在工作面及回风流处安设硫化氢测定仪进行硫化氢气体浓度监测，并结合人工现场检测及采样化验分析。12315采煤工作面硫化氢浓度受采煤机截割速度影响较大，呈现出采煤机割煤速度越快，工作面硫化氢浓度也会越高，反之越小，不生产则无硫化氢气体。经分析，工作面硫化氢来源主要是吸附在煤层中的硫化氢，在割煤期间从新裸露煤壁和落煤中释放到工作面，造成回风流含有硫化氢气体。

3 钻孔注碱性溶液治理硫化氢方案设计

利用12315工作面注水系统，按比例往水箱中加配碳酸钠制成碱性溶液，向煤体中注碱性溶液，降低煤体中硫化氢气体的浓度。

3.1 钻孔注水方式的选择

根据12315工作面地测资料，钻孔施工于巷道底板1.5 m的高度之上，采用动压注水的方式。

3.2 注水钻孔布置

1) 钻孔布置：12315工作面正、副巷均布置注水钻孔，距切眼10 m处施工第一个钻孔，孔间距为10 m，孔深均为95 m。正巷、副巷分别布置注水钻孔45个、40个。

2) 钻孔直径：113 mm。

3) 钻孔间距：可以根据煤层湿润半径进行计算：

B=2.2R=5h

(1)

式中：R为煤层湿润半径，m；h为巷道净高，取3.2 m。

把12315工作面上述相关参数代进公式(1)当中，可以得出钻孔间距计算结果为16 m，为保证钻孔注碱性溶液治理取硫化氢效果，取钻孔间距为15 m。

4) 钻孔角度：理论上钻孔应当与煤层相平行，但实际作业将钻杆下沉情况纳入考虑范畴，因此钻孔开口位置必须尽可能布置到煤层上部，现场将钻孔开孔角度确定为垂直于每次向上0～1°。

3.3 注水工艺参数

1) 单钻孔注水量：

可以根据公式(2)进行计算：

Q=BLγM(W1-W2)KQ

(2)

式中：B表示相邻钻孔之间的间距，取15 m；L表示钻孔深度，取95 m；M表示2.3号煤层煤层的最大厚度，取4.75 m；γ表示2.3号煤层自身的容重，取1.34 t/m3；W1表示煤层经过注水之后理想水分含量，取3%；W2表示2.3号煤层原煤水分含量，取1.2%；KQ表示煤层注水量系数，取1.5。

把12315工作面上述相关参数代进公式(2)当中，可以得出单钻孔注水量为245 m3。

2) 单钻注水压力：可以根据公式(3)进行计算：

(3)

式中：c为因水压增大渗透系数随之增大的指数系数，取0.158 1；γW表示水自身的容重，0.001 kg/cm3；q表示单孔单位长度在单位时间内的1/2注水量，cm3；α表示初始状态的渗透系数，α=0.003 6×2.017 0e-0.006 965×h，cm/h；Kp表示煤层注水压力系数，取1.2。

把12315工作面上述相关参数代进公式(3)当中，并结合现场施工情况，确定单孔注水压力为4～5 MPa。

3) 注水时间：保持连续24 h对注水钻孔进行动压注水，流量保持在0.3～2 m3/h的范围内。考虑到2.3号煤层自身的渗透性较差，暂时将注水流量设定为0.6 m3/h。

4) 同时注水钻孔数量：5个钻孔为一组。

5) 钻孔位置：正、副巷煤壁中部，距离工作面25 m。

6) 封孔深度：封孔深度确定为6 m以上。

7) 封孔方式：采用封孔泵注水泥砂浆封孔。

3.4 碱性溶液配比

碱性溶液浓度同煤层硫化氢含量、煤层中注水的流动性以及需要达到的硫化氢浓度控制效果等因素有关，结合其他矿井硫化氢治理相关实践经验，碳酸钠溶液配比浓度为3%～5%时，可以取得较为理想的治理效果，因此本次12315工作面硫化氢治理暂时取碳酸钠浓度为3%，据此单孔钻孔注碱量为2.45 t。在现场12315工作面硫化氢治理过程根据实际情况对参数调整。

3.5 钻孔施工设备

本次注水钻孔施工采用ZDY-1200S型全液压坑道钻机施工注水钻孔，其主要技术参数如表1所示。

表1 钻机主要技术参数

3.6 注水设备

采用MKZ型煤层脉冲式高压注水系统，主要由2BZ-40/12型煤层注水泵、FK型封孔泵、注水分配器、高压水表及注水管路系统组成，注水泵主要技术参数如表2所示。

表2 高注水泵主要技术参数

4 钻孔注碱性溶液治理硫化氢效果考察

12315工作面自推进50 m时，正巷回风流当中硫化氢浓度已超过了20×10-6，此时开始实施钻孔注碱性溶液治理硫化氢工作。图1所示为12315工作面正巷回风流硫化氢浓度变化情况。

通过图1可以表明，采用钻孔注碱性溶液治理硫化氢之后，12315工作面正巷回风流当中的硫化氢浓度开始显著降低，其浓度最终保持在4×10-6以下。

5 结 语

针对西曲矿12315工作面硫化氢浓度超限情况，对其来源情况进行分析后得出，吸附在煤层中的硫化氢工作面硫化氢的主要来源，在割煤期间从新裸露煤壁和落煤中释放到工作面，从而造成回风流含有硫化氢气体。利用12315工作面注水系统，对钻孔注碱性溶液治理硫化氢方案进行整体设计，现场监测效果表明，采用钻孔注碱性溶液治理硫化氢之后，12315工作面正巷回风流当中的硫化氢浓度开始显著降低，其浓度最终保持在4×10-6以下，取得了良好的现场应用效果。