沙坪煤业13号煤层碱液与硫化氢反应规律数值模拟

王武

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 河曲 036500）

0 引言

随着科学技术的发展，采煤工艺不断改进，煤产量也随之增高，但矿井下的危害也越来越多，同时H2S 涌出量随之增多，H2S 浓度达到0.05%时，经0.5～1.0 h 就会严重中毒，失去知觉，抽筋、瞳孔变大，甚至死亡[1]，即H2S 引起的人员伤亡事故也逐渐增多[2]。

各个国家逐渐开始重视H2S 气体的危害，对于防治H2S 气体的危害，在国外一些煤矿采用化学催化脱硫方式，尤其美国和澳大利亚广泛应用这种方式[3-4]。在我国许多学者提出使用碱液治理H2S，毕胜等人提出了以高压预注碱性液中和硫化氢为主、局部喷洒吸收液与抽采为辅助以及个体防护的综合治理体系[5]；梁冰等人对煤层注碱应用数值模拟和现场测试[6]；雷建华在高硫工作面合理注碱孔距进行数值模拟与实验研究，数值模拟结果能够很好的在现场展开应用[7]。

本文以山西晋神沙坪煤业有限公司13 号煤层为原型，使用COMSOL Mutiphysics 数值仿真软件中建立简化三维模型并建立其数学、物理模型，通过多孔介质反应流和局部热非平衡多物理场耦合的数值模拟，研究不同孔距下H2S 的去除效果及碱液在煤层中的流动和扩散规律，并指导现场实践。

1 煤层注碱的数值模拟

煤层注碱的过程是由含湿非饱和到饱和的过程，包含分子扩散和对流传质2 个方面，流体分子的随机运动及碱液中的OH-与煤层中H2S 的反应扩散，碱液（Na2CO3） 与H2S 反应方程式如下。

由于煤层注碱过程是一个复杂的含湿非饱和多孔介质多相多组分流体非稳态层流运动[8-9]，并且在传质过程中涉及到化学反应，这就需要从力学、化学反应动力学、传热学等不同学科的角度进行数学和物理描述，而对如此复杂的系统进行精确的数学和物理分析是相当困难的，因此，本文在不脱离实际的情况下对该系统做出一定的假设来简化模型和数值计算成本。

（1） 假设煤储层是孔隙率恒定、各向同性的多孔介质，且渗透率恒定。

（2） 注碱的过程产生应力场对原始地应力场不产生影响，计算中不考虑应力变化造成的煤层参数变化。

（3） 碱液均匀混合，与煤储层中的H2S 作用的传质过程符合Fick 定律，化学反应速率通过求解阿伦尼乌斯方程获得。

（4） 液体在煤层中的渗流为层流且渗流过程符合Darcy 定律。

（5） H2S 气体在煤储层中均匀分布。

2 数值模拟

2.1 几何模型的建立

数值建模以沙坪煤业13 号煤层为原型，建立几何尺寸为20 m×15 m×1.4 m 的模型，即沿煤层走向长度为20 m，倾向15 m，为简化计算取煤层厚度1.4 m。在作面煤壁施工注碱钻孔，钻孔直径94 mm，深度为12 m，钻孔方位垂直煤壁，初始注碱浓度为60 mol/m3，如图1所示。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

2.2 初始条件

模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数Table 1 Model Calculation Parameters

2.3 模拟结果

2.3.1 单孔注碱

在煤壁实施顺层钻孔，注碱管连接封孔器，通过注浆泵向钻孔注入碱液，在注碱压力（4 MPa）作用下，碱液渗入煤层孔隙裂隙，与孔隙裂隙中的H2S 反应，以此达到降低煤层H2S 的目的。先进行单孔注碱模拟，确定单孔注碱时碱液的扩散范围，可以为接下来的双孔注碱模拟以及往后的矿下煤层多孔注碱提供参照。图2为不同时段碱液的渗流情况，图3为煤层碱液的浓度变化。

由图2可知，通过煤层钻孔注碱，随着时间增长注碱影响范围逐渐增大，碱溶液不断渗入煤层孔隙裂隙中，与H2S 气体反应。同时由图3也可明显看出，距离钻孔越近碱溶液渗流越快，距离越远渗流越慢压力梯度减小。经过1 h 注碱，碱液渗流到距钻孔2 m 范围，距钻孔1 m 处，碱溶液浓度达到50 mol/m3左右，距钻孔1.5 m 处，浓度约为40 mol/m3。注碱6 h 以后，碱液渗流到2 m 范围，距钻孔2.5 m 处，碱液浓度达到50 mol/m3，在3 m 处约为20 mol/m3。经过12 h 以后，注碱影响范围达到3.5 m 以上，距钻孔4 m 远处，碱溶液浓度约为20 mol/m3。注碱24 h 后，注碱影响范围远于4 m，距钻孔4 m 位置处，碱液浓度达到40 mol/m3以上。注碱48 h 后，注碱影响范围增长速度逐渐减小，最远到达5 m。

图2 碱液浓度随注碱时间变化情况Fig.2 Variation of alkali concentration with alkali injection time

图3 煤层碱液浓度变化值Fig.3 Variation of alkali concentration in coal seam

2.3.2 单孔变压注碱

通过改变注碱压力来对煤层进行注碱，研究不同压力下碱液的渗流状况。图4为不同注碱压力下单孔碱液随时间扩散图，图5为不同压力注碱时煤层碱液浓度变化值。

由图4和图5可以看出，随着注碱压力的增大，碱液的扩散范围也在逐渐增大。碱液的扩散范围增长速度减慢，并无非常明显增长；当注碱压力为4 MPa 注碱时间为48 h 时，碱液的扩散范围最远达到了5 m。

图4 不同注碱压力下单孔碱液随时间扩散图Fig.4 Diffusion diagram of single pore alkali solution with time under different alkali injection pressure

图5 不同压力注碱时煤层碱液浓度变化值Fig.5 Variation of coal seam alkali concentration under different pressure injection

2.3.3 双孔注碱

由于单孔注碱模拟显示碱液的扩散范围最远会到达5 m，因此进行双孔注碱时双孔的间距设置为10 m，这样碱液会充分和H2S 反应，效率更高。于是对煤层进行注碱压力不同时孔距为10 m 的双孔注碱数值模拟研究。如图6所示双孔的y 轴坐标分别为5 和-5。碱液随时间的渗透情况如图7所示。

图6 几何模型Fig.6 Geometric model

图7 注碱压力为4 MPa 时双孔注碱的碱液渗透图Fig.7 Alkali permeation diagram of double hole alkali injection at 4 MPa

图8是孔距为10 m 注碱压力为4 MPa 时碱液浓度随时间变化曲线，注碱1 h 后，碱液扩散至距钻孔约3.5 m，1 m 内浓度达59 moL/m3，距钻孔1～3 m 浓度下降，距钻孔2 m 处碳酸氢钠溶液的浓度为40 mol/m3，此时两钻孔间碱液未发生串流及相互影响。注碱6 h 后，碱液扩散至距钻孔约5.5 m，3.5 m 浓度达59 mol/m3，距钻孔3～4.5 m 内浓度开始下降，距钻孔4 m 碱液浓度为4 mol/m3，两钻孔中间碱液浓度为24 mol/m3，可以明显看出两钻孔间已经出现碱液交叉的情况。注碱12 h 后，钻孔周围约5 m 内分布有碳酸氢钠溶液，两钻孔中心位置碱液浓度约为48 mol/m3，两钻孔间碱液已经完全交叉，钻孔中间上部和下部碱液浓度较低。注碱24 h 后，两钻孔中心位置碱液浓度约为59 mol/m3，此时，钻孔间煤层已经被碱液充分浸润。

图8 注碱压力为4 MPa 时双孔注碱的碱液浓度随时间变化曲线Fig.8 The curve of alkali concentration changing with time under the pressure of 4 MPa for double-hole alkali injection

2.3.4 双孔变压注碱

图9分别为压力在2、3、4 MPa 下双孔注碱时的碱液渗透图，图10为不同注碱压力下，碱液随时间延长的渗透范围变化图。

图9 不同注碱压力下双孔碱液随时间扩散图Fig.9 Diffusion diagram of alkali solution with time under different pressure

图10 不同压力注碱时碱液浓度变化图Fig.10 Chart of alkali concentration change under different pressure

由图9和图10可以看出，随着注碱压力的增大，碱液的扩散范围也在逐渐增大。当逐渐压力为4 MPa 注碱时间为48 h 时，碱液的扩散范围最远达到了9.8 m；碱液的扩散范围增长速度减慢，并无非常明显的增长。

3 现场应用

为达到更好的注碱效果，现场采用多孔注碱注碱方式，根据模拟结果和经验值，确定煤层注碱时的孔间距为8 m、注碱压力为4 MPa，在工作面两顺槽交错布置顺层注碱钻孔，如图11所示，进行煤层注碱。

图11 注碱钻孔间距Fig.11 Borehole spacing of alkali injection

为全面提高13 号煤层的H2S 气体治理效果，分别在1 号架回风隅角、煤机下风侧、回风流处进行打孔注碱，为期30 d 的现场试验，采集数据结果如图12所示。

图12 注碱钻孔间距Fig.12 Borehole spacing for alkali injection

如图12所示，纵坐标为煤层空气中H2S 浓度，横坐标为注碱天数，注碱5 d 后，1 号架回风隅角、煤机下风侧、回风流处H2S 浓度都从20～30 ppm降至6.6 ppm 以下，随后的一周里H2S 浓度有微波动，但是总体为下降趋势，甚至降至0；第13 d 安排工人进行回采，煤层空气中H2S 浓度略有所上升，最高浓度为6 ppm，平均浓度为3.2 ppm。现场应用结果表明，孔距为8 m、压力为4 MPa 的注碱钻孔可行，治理效果明显。

4 结论

（1） 模拟结果证明，单孔注碱时随着时间的增长注碱影响范围越大，碱溶液不断深入煤层孔隙中，与煤层中的H2S 进行反应，当注碱48 h、注碱压力为4 MPa，注碱影响范围增长最远到达6.4 m。

（2） 双孔注碱时选用的孔距为8 m，当注碱6 h、距孔4 m 时2 个钻孔之间已经出现碱液交叉的情况，注碱24 h 后，钻孔间煤层已经被碱液充分浸润。当注碱48 h、注碱压力为4 MPa 时，碱液扩散范围最远达到了9.8 m。

（3） 依据模拟结果，在沙坪煤业13 号煤层1号架回风隅角、煤机下风侧、回风流处进行煤层注碱实验，现场实验表明，孔距为8 m、压力为4 MPa 的注碱钻孔可行，治理效果明显。