综放工作面注NaHCO3溶液治理硫化氢技术研究

2021-10-11黄超

煤 2021年10期

黄超

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602)

部分煤体由于在成煤过程中因硫酸盐热化学还原作用生成大量的硫化氢气体，而硫化氢是一种无色、有臭鸡蛋味的剧毒气体[1-2]。在采掘过程中，涌出大量硫化氢气体，严重危害作业人员的身心健康。科研工作者通过现场试验，率先提出喷洒石灰水治理硫化氢气体的方法[3-4]。

张戈[5]通过对新疆乌东煤矿放顶煤工作面硫化氢气体涌出规律的研究，采用在放煤口下风侧拦截喷洒吸收液、正对支架放煤口喷洒吸收液等措施，治理放煤期间涌出的大量硫化氢气体。现场调试在下风侧设置不同数量的拦截装置，喷洒浓度、流量不同的吸收液，获得合理的防治硫化氢气体工艺参数，取得良好的治理效果。

刘俊等[6]在新疆乌东煤矿5754501工作面进行煤体硫化氢气体抽放技术研究，现场试验发现：硫化氢的有效抽放影响半径随着抽放负压的升高而增加，硫化氢的抽放浓度随抽放时间的延长而降低，抽放后硫化氢减少约10%。

马兴华[7]在鄂尔多斯盆地西缘马家滩矿区双马煤矿提出四位一体硫化氢综合防治体系，构建以地面超前封堵、以采前预注碱性吸收液和回采时高压喷碱性吸收液为核心的“堵、注、喷、增、降、监、护、撤”治理系统，达到精细化治理矿井硫化氢的目的，有效解决煤油资源重叠开采煤矿区受废弃油井影响，矿井采煤工作面硫化氢灾害防治难题。

目前硫化氢治理方法大致有三种：改变工作面风量、喷洒吸收液及煤层注碱溶液[8-10]，但石灰、碳酸钠溶液的成本较高，同时碱性较强，在喷洒过程中容易损坏设备，治理效果不佳[11-12]。考虑到以上原因，本文将在斜沟煤矿23105和23114工作面注入碳酸氢钠溶液治理煤层赋存的硫化氢，通过现场测试数据得到工作面硫化氢气体涌出规律以及试验室分析煤层可注性、渗透性，研究工作面注碱治理效果。

1 工作面硫化氢涌出规律

斜沟煤矿位于河东煤田离柳矿区北部，沉积地层存在大量的石灰岩和石膏矿，裂隙水充分发育，而且煤层内含有丰富的黄铁矿结核，导致二水平13号煤层采煤工作面回采期间硫化氢浓度超限报警。

13号煤层倾角平均为9°，厚度平均为14.63 m，23105综放工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法回采，工作面位于21采区北翼，采高为3.8 m，放煤高度10.83 m，采放比约为1∶2.85，可采走向长度为2 558 m，倾斜长度为242.5 m。

为有效降低硫化氢涌出，需要掌握工作面回采期间硫化氢的涌出规律，工作面涌出的硫化氢气体浓度随着每日割煤刀数的增加，变化曲线如图1所示，2020年8月12日至16日23105材料巷不同地点硫化氢气体浓度如图2所示。

图1 H2S 涌出量与日割煤刀数关系

因煤层局部地点存在大量硫化氢，在采煤活动的影响下，硫化氢气体从煤层涌出。从图1发现，工作面生产期间，从煤层中释放出大量的硫化氢气体涌入采煤工作面，随着工作面开采强度不断增加，回风流中硫化氢气体浓度也在逐步升高，即工作面涌出的硫化氢气体浓度伴随日割煤刀数的增加而不断升高。

图2 23105材料巷回风流硫化氢浓度

从图2得到，23105工作面停产期间，材料巷回风流硫化氢浓度达到0.000 3%～0.000 8%.工作面生产期间，材料巷回风流硫化氢浓度达到0.001 4%～0.003 5%.8月15日工作面生产期间，由于所处位置为向斜轴部区域，工作面需经过从顶板下向俯卧发育的瘤状灰岩，导致工作面回风流硫化氢浓度异常升高。8月14日工作面生产期间，超前支护区域硫化氢浓度最高达到0.006 71%，超过《煤矿安全规程》(2016版)规定的10余倍。

2 煤层注碱可行性研究

在斜沟煤矿23105工作面采集煤样开展13号煤注碱可行性分析，在试验室测定煤样全水分、吸水率、孔隙率、坚固性系数等数据，具体结果见表1。

从表1可知，13号煤浸润性能较好。根据国家相关标准[13]，斜沟煤矿13号煤可注性参数测定结果满足条件，属于可注性煤层。

利用中煤科工集团沈阳研究院力学实验室，借助自压式三轴渗透仪测定斜沟煤矿13号煤层的渗透性系数，作为设计注碱液钻孔间距的依据，煤样尺寸要求达到50 mm×50 mm×100 mm(长×宽×高)。

表1 13号煤各参数测试结果

13号煤层的原始地应力为7.597 MPa，通过改变试验过程中应力集中系数，研究煤层渗透系数与孔隙压力之间的变化规律，应力集中系数调整为1.0、1.5和2.0，对应的应力为7.597、11.396和15.194 MPa，煤层渗透系数测定数值如图3所示。

从图3发现，在孔隙压力相同的条件下，煤层渗透系数随着应力集中系数升高而减小，此时向煤层内注入碱液，不利于碱液在煤层内的渗透扩散。在煤层原始地应力作用下(应力集中系数不变的条件下)，煤层渗透系数伴随孔隙压力的升高而增大，此时煤层裂隙得到扩展延伸，有利于煤层注碱液。

图3 渗透系数随着孔隙压力变化规律

3 现场试验

根据科研工作者的研究结果，影响采煤工作面硫化氢治理效果的因素主要有以下四个方面：

1) 碱性溶液浓度。所选用碱性溶液为碳酸氢钠溶液即小苏打，浓度为0.5%～1%.

2) 注碱钻孔间距。结合煤层湿润半径经验计算公式，注碱液钻孔的间距一般是采高的5倍，即19 m。但结合现场实际，根据采煤工作面的煤层注水设计，利用煤层注水钻孔开展试验，注碱钻孔间距选用8～10 m。

3) 碱液使用量、用水量。根据注碱治理硫化氢机理可知：注入碱性液体后，利用酸碱中和反应可有效减少煤层内部赋存的硫化氢含量，也就是注入煤层的OH-离子与硫化氢溶于碱性液体之后所产生的H+离子发生中和反应。基于酸碱中和化学反应方程式可知，要使用84 g碳酸氢钠溶液才能酸碱中和1 mol硫化氢气体，注入煤层内的碳酸氢钠溶液质量，需结合试验煤层内硫化氢的含量来定。参考相关科研工作者的研究成果[14-15]，确定煤层硫化氢含量的测定方法、注入煤层的碱性液体量和水量。

4) 超前注碱距离。超前距离就是提前注碱地点与工作面切眼之间的距离，一般主要受煤层渗透率、采动应力的影响，需要进行注碱试验才可得到。伴随工作面不断向前推进，23105工作面碱性液体注入钻孔流量变化规律如图4所示。

分析图4可知，随着工作面不断推进，煤层钻孔注碱液流量呈现出先减小、后升高、再陡降的趋势。当注碱液地点与工作面距离为65 m时，注碱液流量为0.43 m3/h，逐步减小；当距工作面达到50 m时，注碱液流量从0.22 m3/h逐步升高；当距工作面达到25 m时，注碱液流量再次达到最大，最大注碱液流量为0.51 m3/h，之后突然下降；当距工作面达到23 m时，注碱液流量减小到0.1 m3/h，证明注入煤层钻孔内的碱液量已达到最大，基本呈饱和状态。距离工作面25～65 m时实施超前注碱措施，注入煤层内的碱液量较高，距离工作面小于25 m时，注入煤层内的碱液量较低，表明最佳的超前注碱距离是25 m。

图4 随着工作面不断推进注液流量变化规律

4 治理效果

在23105和23114综放工作面实施注碱试验以考察硫化氢治理效果。其中，在23105材料巷施工注碱孔11个，在胶带巷施工注碱孔9个，钻孔间距为10 m。在23114材料巷和胶带巷分别施工注碱孔20个，钻孔间距为8 m。钻孔直径为75 mm，钻孔长度为60 m。在注碱时指派专人实时监测煤层注碱量和硫化氢涌出量，在23105和23114两个工作面注碱钻孔距工作面距离不同时，硫化氢治理效果与煤层注碱量之间的关系如图5所示，硫化氢涌出量与注碱量之间的关系如图6所示，采煤工作面在注碱前后硫化氢涌出量的变化情况见表2。