硫化氫氣體治理實踐

劉廣宇

(山西介休義棠青云煤業有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

3#暗斜井主要服務于下組煤西翼的人員通行和物料、設備的運輸。傾角24°52′48″，斜長296 m，斜井為錨網噴加錨索聯合支護方式，底板混凝土硬化，并在3#暗斜井左側砌筑水溝，右側砌筑臺階。3#暗斜井掘至斜長140 m時，瓦斯涌出異常。經采取措施進行處理后，順利完成暗斜井貫通。

3#暗斜井在進行絞車、猴車等設備的安裝工作時發現有硫化氫、瓦斯從底板涌出，并在巷道底板附近積聚。140 m～180 m段為有害氣體主要涌出段，水溝內硫化氫氣體濃度較高(靠近底板局部硫化氫質量分數達到80×10-6～110×10-6，臺階側局部硫化氫質量分數達到10×10-6以上，斜井中部預留基礎處硫化氫質量分數達到5×10-6以上)，回風側風流中硫化氫質量分數為2×10-6～3×10-6，有較濃的臭雞蛋味。

2 地質概況

根據師6-3鉆孔及3#暗斜井掘進揭露實際情況，硫化氫涌出異常段主要地層如下：

2.1 8號煤層底板

8號煤底板為均厚5.89 m的細砂巖，具紋狀構造。

2.2 8號煤層

8號煤層與K2石灰巖相距20 m左右，其間巖性下部為灰色、灰黑色泥巖與砂質泥巖，常夾有黃鐵礦結核，上部為灰色石英砂巖，其頂部常具灰黑色泥巖或砂質泥巖。8號煤層層位穩定，揭露平均厚度0.31 m。

2.3 K3石灰巖

K3石灰巖為8號煤層的直接頂，呈灰至深灰色，夾扁豆狀燧石結核，含大量海相動物化石。層位穩定，平均厚度4.31 m。該灰巖與其上7號煤層間巖性為：下部為黑色或深灰色泥巖、砂質泥巖，常夾有菱鐵礦或黃鐵礦結核，上部為灰白至灰色砂巖，構成7號煤層底板。

2.4 7號煤層

7號煤層分7號下煤層和7號上煤層兩層，兩層煤間距0.64 m。7號上煤層平均厚度0.58 m，結構簡單。7號上煤層厚度平均0.36 m。

2.5 K4石灰巖

K4石灰巖呈深灰色，層位穩定，平均厚度3.83 m。含有大量海相動物化石?；規r之下為深灰色或灰黑色含炭質的鈣質泥巖，平均厚度2.63 m，含海相動植物化石，常為7號上煤層頂板。

2.6 厚層炭質泥巖

厚層炭質泥巖，平行整合于K4石灰巖之上，平均厚度7.93 m，為深灰色炭質泥巖，頂部微含砂質，中夾黑色植物化石及菱鐵礦結核。

3 硫化氫氣體涌出異常原因分析

井下硫化氫主要來源于煤巖層中含硫礦物的還原、水解、氧化與燃燒，坑木等有機物的腐爛等。煤的泥炭化階段，生物降解、微生物硫酸鹽還原作用形成的原生硫化氫氣體較多，多溶于水，隨地下水流動逸散，只有一小部分被封存在煤巖層的裂隙中。煤化階段，微生物硫酸鹽還原作用形成的次生硫化氫氣體，保存條件相對較好。煤及圍巖中熱化學分解成因、硫酸鹽熱化學還原成因形成的硫化氫氣體不多，除溶于煤層水以外，多被煤層吸附或充填于煤內孔、裂隙之中，保存幾率較大。若煤巖層已被CH4、N2、CO2等氣體充塞飽和，一般不會造成硫化氫氣體異?，F象。但是，當煤層在抬升過程或地下水作用下，瓦斯逸散后，后期在巖漿熱力作用下新形成的硫化氫氣體，賦存在煤巖層中，容易造成硫化氫氣體異常。煤系地層中存在大量硫酸鹽巖，在熱化學作用下往往造成硫化氫氣體異常[1-3]。

綜上所述，造成煤巖層中硫化氫氣體異常的主要原因在于硫化氫氣體的生成和保存條件。根據地質資料及掘進揭露實際情況，此段斜井布置在太原組K4至K3灰巖之間，包括8號煤層和7號下煤層、7號上煤層，多含有黃鐵礦及硫酸鹽，是硫化氫氣體的主要生成層。圍巖裂隙較發育，K4灰巖頂板上賦厚且致密的泥巖，為氣體保存的有利場所。并且太原組灰巖富水性較強，經長期疏放，水封的及逸散的硫化氫氣體同時釋放出來，造成硫化氫氣體涌出異常。本次硫化氫異常段巖層總厚度16.91 m，斜井底板揭露長度40.5 m，與瓦斯異常段長度吻合。

4 硫化氫的性質及危害

硫化氫是一種無色，微甜且帶有臭雞蛋氣味，有劇毒的氣體。硫化氫相對密度為1.19，極易溶于水形成氫硫酸。硫化氫氣體在水中的溶解度是CO2的2.7倍，是CH4的93倍。所以，它可以積存在巷道的積水、煤巖層的裂隙水中，隨著水流涌出，逸散到空氣中。硫化氫氣體可以燃燒，空氣中質量分數為43 000×10-6～455 000×10-6時，能夠爆炸；質量分數為1×10-6時就能嗅到強烈臭雞蛋氣味；達到200×10-6時，強烈刺激眼睛及喉嚨黏膜，將使人嗅覺麻痹，并感到頭痛、嘔吐、乏力；達到500×10-6時，經歷0.5 h～1 h，即嚴重中毒，失去知覺、抽筋、瞳孔放大；當達到1 000×10-6時，在數秒內即可致人死亡。因硫化氫氣體相對密度較空氣大，硫化氫氣體易于積聚在巷道底板低洼處，故地勢低處危險性比高處大。

5 處理方案

根據現場情況、地質資料以及硫化氫氣體的特性，選擇注漿封堵、中和吸收的辦法。通過氣腿式鑿巖機造孔，插管注漿。先注水壓通巖層裂隙，再注入水灰比5∶1的石灰漿，石灰水在壓力作用下被推向較遠處，不僅有利于圍巖內硫化氫氣體的溶解，而且與二氧化碳、硫化氫氣體發生化學反應。跑漿時提高石灰漿的濃度，最終以水灰比1∶1(質量比)的石灰漿懸濁液結束注漿。石灰漿在高壓情況下脫水成膏狀，封堵圍巖裂隙。通過固化、吸收硫化氫氣體，降低硫化氫氣體的異常涌出，徹底消除此區域內的硫化氫氣體隱患。反應見式(1)、(2)。

(1)

(2)

5.1 糊縫處理

在硫化氫涌出點，對圍巖噴漿體以及底板澆筑的裂隙、孔隙，用水泥砂漿進行糊縫處理。

5.2 造孔、固定注漿管

根據硫化氫涌出點分布情況，按規定布置注漿孔。用YT28型氣腿式風動鑿巖機打孔，孔深1.5 m。將Φ1″×3 mm×1 250 mm的鋼管纏麻絲打入孔內。注漿管末端做200 mm長花管，另一端車50 mm長管螺紋，車350 mm長的馬牙扣，并在螺紋端焊鋼筋肋用于打管。注漿管安裝好后，安上Φ1″的球閥，連接注漿裝置。

5.3 壓水試驗

注漿孔鉆孔到設計深度后，連接注漿系統，對鉆孔進行壓水，目的在于將裂隙中松軟的泥質充填物推到注漿范圍以外，從而提高注漿質量和封堵效果。對于大裂隙，壓水時間為10 min～20 min，對于中小裂隙，則需要15 min～30 min或更長一些。壓水壓力應由小到大，最大不超過注漿終壓。并據壓水情況確定漿液起始濃度。

注漿以石灰漿為主，漿液濃度先稀后濃。石灰漿起始水灰比為5∶1，逐漸調高漿液水灰比至1∶1，直至注漿結束。如壓力仍無變化，注C-S雙液漿，直到達到設計終壓。

5.4 注漿封堵

水泥砂漿糊縫施工結束后，針對硫化氫涌出段，均勻布置注漿管，進行注漿封堵工作。注石灰漿，跑漿時提高漿液濃度，封堵淺部瓦斯運移通道，并起到加固巷道圍巖松動圈的作用。

6 注漿工藝

6.1 注漿站布置

注漿站靠近施工地點，布置在施工地點的上風側，以便于注漿施工。同時，電氣設備盡量遠離硫化氫涌出點，電氣設備固定牢靠，防止向下滑動，造成事故。

6.2 注漿孔布孔方式與參數

水溝處，在距水溝500 mm處，平行水溝布置一排孔，間距1 500 mm。鉆孔豎直角35°，垂直斜井走向，扎向墻內，孔深1 500 mm。

6.3 注漿方式

注漿順序從下到上，形成分段隔離，保證注漿密實。

6.4 注漿材料選擇

根據硫化氫氣體的基本特性，選擇石灰漿代替單液水泥漿，熟石灰漿注入目的層位后，與酸性氣體硫化氫、二氧化碳中和反應。懸濁液石灰漿與煤巖層中的二氧化碳、硫化氫氣體反應，生成碳酸鈣固體和其他物質。石灰漿除了中和吸收有害氣體的特點外，還因其材料來源方便、價格便宜，在高壓脫水后，能夠很好地封堵圍巖裂隙。

熟石灰(利用生石灰加水制成熟石灰，過濾雜質后袋裝運到井下備用)。

水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

水玻璃：水玻璃模數2.8～3.1，45°Be′以上。

6.5 注漿漿液的制備

石灰漿是在氧化鈣中加水攪拌均勻制成的，因為氫氧化鈣溶解度不是很大，所以往往生成的是氫氧化鈣的懸濁液(水溶液中還存在著大量沒有溶解的氫氧化鈣)，利用攪拌桶混合均勻。

封堵瓦斯不僅要堵好大的裂隙，還要堵好細小裂隙以及孔隙。石灰漿水灰比1∶1～5∶1，沖孔階段選用水灰比較大的稀漿，封孔結束時選擇水灰比較小的濃漿。

跑漏漿特別嚴重時，注入適量C-S 雙液漿進行封堵。C-S雙液漿配比為水泥漿水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模數2.8～3.1，濃度為30～40°Be′，C∶S=1∶0.5～1∶0.7。

6.6 鉆注設備的選型

鉆進設備選擇YT28氣腿式風動鑿巖機，3臺，配備Φ32 mm釬頭。

注漿設備選擇2TGZ-60/210型注漿泵，1臺。

攪拌機選擇LJ-200防爆型水泥漿攪拌機，1臺。

6.7 注漿終壓

為盡量擴大注漿距離，使漿液擴散到更小的巖層裂隙中，以不破壞原支護混凝土為原則，注漿終壓3 MPa～5 MPa。注漿初期，裂隙、孔洞發育，注漿終壓選擇低值；注漿后期，注入量少，注漿終壓選擇高值。

6.8 注漿結束標準

為保證注漿封堵和加固質量,每孔注漿均要達到結束標準。注漿泵調到最低擋后，注漿終壓達到設計壓力，穩定時間大于20 min為合格。

7 結語

施工總工期為16 d。本段注漿消耗石灰漿21 t，水泥3.2 t，水玻璃1 t。石灰漿經濟實用，對硫化氫氣體有酸堿中和反應、吸收作用和封堵作用，起到了比單液水泥漿更好的注漿效果。經過注漿施工，3#暗斜井硫化氫涌出異常段，得到徹底治理，整段巷道沒有硫化氫涌出異?，F象。