斜沟煤矿23109工作面硫化氢综合治理技术研究

刘 伟

(山西焦煤西山煤电斜沟煤矿,山西 吕梁 033602)

硫化氢气体性能活泼,可附着在煤孔或煤层中间,于煤矿开采过程中释放,具有剧毒性、易燃易爆、溶于水等物理性质[1-2]。硫化氢气体如果在开采时涌出并聚集,瞬间即可导致人员中毒昏迷甚至死亡,严重威胁煤矿工人的生命安全[3];其与水结合后,会形成酸性溶液,腐蚀井下机械设备[4];一旦发生燃烧爆炸,就会造成无法估量的损失。国内外诸多专家深入研究了硫化氢气体的赋存规律与防治方法,旨在解决该气体对煤矿开采造成的不利影响。金永飞等[5-6]建立硫化氢分源分级评估体系,以此为标准将井下分成不同区域,为实现硫化氢分级治理提供思路方法;汪伟[7]、贾宝山等[8]利用风幕风机封闭综掘断面,防止硫化氢外溢,可以降低掘进机司机处的硫化氢体积分数,但对其他区域的治理效果有待提高。

综上所述,本文基于硫化氢运移规律,提出工作面3个阶段的硫化氢治理措施,回采前通过长钻孔和“钻墙”注入碱液[9-10],生产时借助采煤机外喷雾向作业空间喷洒碱液,割煤后利用风帘引排及水幕酸碱中和硫化氢的综合治理工艺,同时考察硫化氢的治理效果。

1 工作面硫化氢赋存规律

1.1 硫化氢运移规律

1.1.1 工作面基本情况

山西焦煤西山煤电斜沟煤矿23109工作面位于21采区北翼中东部,西侧为23107工作面,东侧为23111采空区和旧斜沟煤矿13号煤层采空区、马圐圙煤矿13号煤层采空区影响范围,南侧为21采区大巷保护煤柱,北侧为实煤区。工作面上覆有8号煤层18101、18103、18105、18115采空区,切割北侧上覆有麻墕塔沟8号煤小窑巷道。

23109工作面主要开采13号煤层,煤层倾角为8.1°～9.6°,平均倾角为8.7°,工作面倾斜长度为247.8 m,共计布置142个支架,可采走向长度为2 910 m,采高为3.8 m,放煤高度为11.06 m.工作面回采时受到向斜影响,工作面开切眼位于向斜轴部以西369～705 m.向斜两翼岩层呈现对称分布,轴长约1.4 km,倾角为5.7°～7.8°.

1.1.2 硫化氢赋存规律

在23109工作面现场取样,送至实验室使用硫化氢测定仪器进行测定,并依据测定数据画出硫化氢含量等值线,从而得到工作面硫化氢分布规律。

由于23109工作面开采范围内存在汾渭地堑、霍山断层、罗云山断裂带、紫金山断裂带等地质构造,属于非对称分布的复式向斜构造。根据硫化氢含量等值线,发现断层和向斜轴部地点的煤层具有高浓度的硫化氢,以带状分布呈现。

1.2 23109工作面硫化氢分布规律

结合工作面硫化氢传感器监测数据发现,采煤机的运行速度对23109工作面涌出的硫化氢影响很大,工作面硫化氢体积分数随着采煤机运行速度的增大而升高;与向斜轴部的距离越小,工作面生产时涌出的硫化氢越多。在采动作用影响下,13号煤的原生裂隙持续延伸,进而形成大量的相互连通的裂隙,煤层内赋存的硫化氢通过裂缝裂隙释放至工作面内。

当工作面没有进行生产时,硫化氢绝大多数以吸附态赋存于煤体内,向工作面释放出少量的硫化氢。当工作面生产时,赋存于煤体内的吸附态硫化氢不断向工作面释放,导致工作面硫化氢体积分数超限,对矿井安全高效生产以及职工的身心健康造成严重的威胁[11-12]。在23109工作面现场实测中发现,产生硫化氢的生产环节为落煤、运煤和放煤。由于工作面下一步的回采方向是向斜轴部区域,此处煤层赋存的硫化氢在不断增加,所以了解工作面硫化氢的源头对下一步实施的治理手段具有重要指导作用。

依靠硫化氢传感器监测数据发现:23109工作面落煤、放煤、运煤3个生产环节向作业空间释放的硫化氢比例分别为63.6%、5.9%、30.5%.

2 落煤前硫化氢治理

2.1 施工长钻孔拦截硫化氢

2.1.1 长钻孔布置

施工顺层长钻孔提前注碱液治理硫化氢的机理为向煤层内输入碱液,碱液运移扩散至煤的裂缝裂隙内,煤层内积存的硫化氢与碱液发生酸碱中和反应,形成无毒无害的物质。

注碱钻孔布置见图1,先利用采煤工作面之前施工的煤层注水钻孔注碱液,同时在两巷补打顺层长钻孔注碱液,注碱钻孔长度为40～150 m,封孔深度应超过巷帮煤体的破碎带,借助注浆泵进行封孔,封孔长度为15 m,要求封孔长度不得小于煤体的采动破坏区。钻孔施工和封孔工作完成后,将配置好的碳酸钠水溶液(摩尔浓度为1%～1.5%)通过高压脉动泵注入煤层长钻孔中。

图1 长钻孔布置图

单孔注液量和注液时间计算见公式(1)、(2):

1) 单个钻孔注碱量计算见公式(1):

Q1=LBMγKv

(1)

式中:Q1为单个钻孔注碱液体积,m3;L为采煤工作面倾斜距离,m;B为两个注碱钻孔的距离,m;M为回采煤层的厚度,m;γ为回采煤的密度,t/m3;K为注碱液润湿不均衡系数,取1.2;v为向1 t煤注入的水的体积,结合前人注水实践,取0.01 m3/t.

2) 注碱液所需要的时间计算见公式(2):

τ=Q2/q

(2)

式中:τ为注碱液所需要的时间,h;Q2为注碱液的总体积,m3;q为单位时间内每孔注液量,m3/h,现场实践时利用分流器设置。

2.1.2 长钻孔注碱液治理硫化氢效果

依靠分析工作面生产时回风巷硫化氢传感器的监测数据,对采取长钻孔注碱液治理硫化氢效果进行研究,发现回风巷硫化氢体积分数发生明显下降,采取长钻孔注碱液之后回风巷硫化氢平均体积分数由53%下降到32%,硫化氢体积分数的最大值下降了29%,表明采取长钻孔注碱液治理硫化氢具有一定的治理效果。

2.2 钻墙治理硫化氢

2.2.1 钻墙布置

施工钻墙治理硫化氢的原理为利用钻机沿着工作面煤帮钻进多个倾斜钻孔,每列钻孔形成拦截硫化氢的墙面,接着通过高压脉动泵对钻孔注碱液,依靠钻墙吸收采动破坏后释放出的硫化氢。由于通过长钻孔注碱液的手段无法有效治理硫化氢,加之工作面不断往向斜轴部开采,硫化氢体积分数逐步增大,所以通过在工作面煤帮布置钻墙以拦截采落时涌出的硫化氢。

图2为23109工作面“钻墙”布置图,钻墙到煤壁的垂直距离设计为5.8 m,工作面每割煤4.8 m(3个循环)施工1次钻墙以拦截硫化氢,封孔完成后,向5个钻孔开始注碱液。现场实测发现1号支架到70号支架硫化氢体积分数较低,因此暂不施工钻墙。从70号支架到机尾区域,一共布置12组钻墙,共计48个钻孔。

图2 钻墙布置情况(单位:m)

2.2.2 布置钻墙治理硫化氢效果

通过钻墙布置预注碱液的目的是在工作面布置一竖排钻孔,利用所产生的墙面对硫化氢进行拦截和阻挡,基于原有煤层注水钻孔的基础上,优化钻孔注碱液设计,从而达到减少工作面硫化氢涌出量的目的。

工作面在布置钻墙和未布置钻墙两种条件下,根据采煤机割煤到70号支架至120号支架时,分析工作面回风巷硫化氢体积分数,进而判断钻墙注碱液治理硫化氢效果。

采煤面没有施工钻墙时,工作面回风巷硫化氢平均体积分数为25.13×10-6;钻墙施工完成后,工作面回风巷硫化氢平均体积分数为10.24×10-6,硫化氢体积分数下降了59.25%.

3 落煤时硫化氢治理效果

3.1 外喷雾治理硫化氢方案

在工作面采煤机摇臂以及两侧安设外喷雾,外喷雾向作业空间喷洒碱液,酸碱中和生产时煤体向外涌出的硫化氢,从而降低工作面回风流硫化氢体积分数,图3为采煤机外喷雾系统。

图3 采煤机外喷雾系统

与采煤机外喷雾装置配套使用的喷雾泵型号为BPW125/20,可以提供的最大压力为20 MPa.外喷雾装置包括以下几部分:供水管路、供水箱、输液管路、注液泵、压力表、阀门等。外喷雾装置所使用的碱液是摩尔浓度均为0.4%的碳酸氢钠和碳酸钠的混合物。

工作面设置移动式碱液喷洒系统,注液泵站安设在控制列车处,向供水箱内放入核算出的碳酸钠及碳酸氢钠,加入一定量的水,搅拌均匀,配置成所需要的碱液,之后开启注液泵,碱液沿着管路流动至采煤工作面,实现生产过程中正常喷洒碱液,具体如图4所示。

图4 喷洒碱液流程

3.2 外喷雾治理硫化氢效果

通过现场实测发现,工作面生产期间,采煤机外喷雾向作业空间喷洒碱液,23109工作面59、71、75、83号4个支架处的硫化氢平均体积分数为39.2×10-6;采煤机外喷雾停止运行时,23109工作面59号、71号、75号、83号4个支架处的硫化氢平均体积分数为61.7×10-6;采煤机外喷雾装置喷洒碱液前后对比发现,喷洒碱液后硫化氢体积分数下降了36.47%.

4 落煤后硫化氢治理效果

4.1 风帘引排和水幕酸碱中和硫化氢治理方案

硫化氢引排的原理为通过在顶底板或支架上设置风帘,将采煤面生产期间煤层释放出的硫化氢气体引排出,并把带有喷雾设施的防尘网安装在引排路线内,实现降低硫化氢体积分数的目的。使用硬制塑料材质加工透明风帘,宽度约2.2 m、高度约3 m,透明风帘固定位置选在支架或顶底板,同时保证透明风帘有足够的搭接长度。根据工作面风流方向搭接风帘时,将1号风帘安装在2号风帘外侧,控制0.7 m的搭接长度,具体安装如图5所示。

将喷洒碱液的风流净化水幕安装在引排路线上,用来酸碱中和生产时所释放的硫化氢。

喷嘴方向要求直接朝向防尘网,碱液喷射出后形成一层水幕覆盖在防尘网上,风流净化水幕安装在硫化氢引排路线中,水幕需要全断面覆盖引流巷道,第一时间酸碱中和采煤面释放出的硫化氢。根据采煤面回风巷断面尺寸,调整喷嘴方向并合理布置,喷嘴均匀布置在回风巷,要求能够360°全面覆盖回风巷,如图6所示。

图6 水幕拦截硫化氢

喷嘴选用不锈钢2分外牙可调雾化喷头,2.0 mm孔,如图7所示,喷嘴雾化后的液滴尺寸规格见表1.

表1 孔径及流量参数

图7 喷嘴示意图

将2层过滤网安设在水幕上,过滤网保持0.2 m的间距,支架与过滤网的距离控制在0.1 m,支架高度为3.1 m、宽度为4.2 m,喷嘴安装在支架上,如图7所示。

选用自主配制摩尔浓度为2%的碳酸钠溶液,通过胶管、注液泵供至喷嘴,通过水幕上的喷嘴向巷道喷洒碳酸钠溶液。

4.2 风帘引排和水幕治理硫化氢效果

对采取风帘引排和水幕喷洒碱液治理硫化氢效果进行研究,图8为采煤工作面、回风巷KGQ8矿用硫化氢传感器安设情况。

图8 硫化氢传感器安设位置

在地面调度监控中心站采集KGQ8矿用硫化氢传感器数据并开始分析,重点分析采煤工作面生产期间硫化氢传感器数据,水幕喷洒碳酸钠溶液酸碱中和硫化氢的量计算见公式(3):

(3)

式中:△W1、△W2为每日上风侧和下风侧的硫化氢体积分数,×10-6.

依据采煤工作面硫化氢测定体积分数进行计算发现:水幕喷洒碳酸钠溶液酸碱中和硫化氢的占比高达47.9%,表明采用风流引排硫化氢至防尘网水幕处进行酸碱中和,硫化氢治理效果良好。

5 结 语

1) 结合现场实测煤层硫化氢结果,发现决定硫化氢含量的重要因素之一是地质构造,处于较大断层和向斜周围的煤层,其硫化氢含量测定值较大;从向斜轴部到两侧,煤层硫化氢含量伴随标高增大而缓慢减小。

2) 根据现场实测工作面生产期间的硫化氢体积分数发现:23109工作面落煤、放煤、运煤3个生产环节向作业空间释放的硫化氢比例分别为63.6%、5.9%、30.5%.采取长钻孔注碱液之后,回风巷硫化氢平均体积分数由53%下降到32%,硫化氢体积分数的最大值下降了29%;钻墙施工完成后,工作面回风巷硫化氢平均体积分数为10.24×10-6,硫化氢体积分数下降了59.25%;工作面采煤机外喷雾装置喷洒碱液前后对比发现,喷洒碱液后硫化氢体积分数下降了36.47%;落煤后水幕喷洒碳酸钠溶液酸碱中和硫化氢的占比高达47.9%,表明采用风流引排硫化氢至防尘网水幕处进行酸碱中和,硫化氢治理效果良好。