綜放工作面注NaHCO3溶液治理硫化氫技術研究

黃 超

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

部分煤體由于在成煤過程中因硫酸鹽熱化學還原作用生成大量的硫化氫氣體，而硫化氫是一種無色、有臭雞蛋味的劇毒氣體[1-2]。在采掘過程中，涌出大量硫化氫氣體，嚴重危害作業人員的身心健康?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^現場試驗，率先提出噴灑石灰水治理硫化氫氣體的方法[3-4]。

張戈[5]通過對新疆烏東煤礦放頂煤工作面硫化氫氣體涌出規律的研究，采用在放煤口下風側攔截噴灑吸收液、正對支架放煤口噴灑吸收液等措施，治理放煤期間涌出的大量硫化氫氣體?，F場調試在下風側設置不同數量的攔截裝置，噴灑濃度、流量不同的吸收液，獲得合理的防治硫化氫氣體工藝參數，取得良好的治理效果。

劉俊等[6]在新疆烏東煤礦5754501工作面進行煤體硫化氫氣體抽放技術研究，現場試驗發現：硫化氫的有效抽放影響半徑隨著抽放負壓的升高而增加，硫化氫的抽放濃度隨抽放時間的延長而降低，抽放后硫化氫減少約10%。

馬興華[7]在鄂爾多斯盆地西緣馬家灘礦區雙馬煤礦提出四位一體硫化氫綜合防治體系，構建以地面超前封堵、以采前預注堿性吸收液和回采時高壓噴堿性吸收液為核心的“堵、注、噴、增、降、監、護、撤”治理系統，達到精細化治理礦井硫化氫的目的，有效解決煤油資源重疊開采煤礦區受廢棄油井影響，礦井采煤工作面硫化氫災害防治難題。

目前硫化氫治理方法大致有三種：改變工作面風量、噴灑吸收液及煤層注堿溶液[8-10]，但石灰、碳酸鈉溶液的成本較高，同時堿性較強，在噴灑過程中容易損壞設備，治理效果不佳[11-12]?？紤]到以上原因，本文將在斜溝煤礦23105和23114工作面注入碳酸氫鈉溶液治理煤層賦存的硫化氫，通過現場測試數據得到工作面硫化氫氣體涌出規律以及試驗室分析煤層可注性、滲透性，研究工作面注堿治理效果。

1 工作面硫化氫涌出規律

斜溝煤礦位于河東煤田離柳礦區北部，沉積地層存在大量的石灰巖和石膏礦，裂隙水充分發育，而且煤層內含有豐富的黃鐵礦結核，導致二水平13號煤層采煤工作面回采期間硫化氫濃度超限報警。

13號煤層傾角平均為9°，厚度平均為14.63 m，23105綜放工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤方法回采，工作面位于21采區北翼，采高為3.8 m，放煤高度10.83 m，采放比約為1∶2.85，可采走向長度為2 558 m，傾斜長度為242.5 m。

為有效降低硫化氫涌出，需要掌握工作面回采期間硫化氫的涌出規律，工作面涌出的硫化氫氣體濃度隨著每日割煤刀數的增加，變化曲線如圖1所示，2020年8月12日至16日23105材料巷不同地點硫化氫氣體濃度如圖2所示。

圖1 H2S 涌出量與日割煤刀數關系

因煤層局部地點存在大量硫化氫，在采煤活動的影響下，硫化氫氣體從煤層涌出。從圖1發現，工作面生產期間，從煤層中釋放出大量的硫化氫氣體涌入采煤工作面，隨著工作面開采強度不斷增加，回風流中硫化氫氣體濃度也在逐步升高，即工作面涌出的硫化氫氣體濃度伴隨日割煤刀數的增加而不斷升高。

圖2 23105材料巷回風流硫化氫濃度

從圖2得到，23105工作面停產期間，材料巷回風流硫化氫濃度達到0.000 3%～0.000 8%.工作面生產期間，材料巷回風流硫化氫濃度達到0.001 4%～0.003 5%.8月15日工作面生產期間，由于所處位置為向斜軸部區域，工作面需經過從頂板下向俯臥發育的瘤狀灰巖，導致工作面回風流硫化氫濃度異常升高。8月14日工作面生產期間，超前支護區域硫化氫濃度最高達到0.006 71%，超過《煤礦安全規程》(2016版)規定的10余倍。

2 煤層注堿可行性研究

在斜溝煤礦23105工作面采集煤樣開展13號煤注堿可行性分析，在試驗室測定煤樣全水分、吸水率、孔隙率、堅固性系數等數據，具體結果見表1。

從表1可知，13號煤浸潤性能較好。根據國家相關標準[13]，斜溝煤礦13號煤可注性參數測定結果滿足條件，屬于可注性煤層。

利用中煤科工集團沈陽研究院力學實驗室，借助自壓式三軸滲透儀測定斜溝煤礦13號煤層的滲透性系數，作為設計注堿液鉆孔間距的依據，煤樣尺寸要求達到50 mm×50 mm×100 mm(長×寬×高)。

表1 13號煤各參數測試結果

13號煤層的原始地應力為7.597 MPa，通過改變試驗過程中應力集中系數，研究煤層滲透系數與孔隙壓力之間的變化規律，應力集中系數調整為1.0、1.5和2.0，對應的應力為7.597、11.396和15.194 MPa，煤層滲透系數測定數值如圖3所示。

從圖3發現，在孔隙壓力相同的條件下，煤層滲透系數隨著應力集中系數升高而減小，此時向煤層內注入堿液，不利于堿液在煤層內的滲透擴散。在煤層原始地應力作用下(應力集中系數不變的條件下)，煤層滲透系數伴隨孔隙壓力的升高而增大，此時煤層裂隙得到擴展延伸，有利于煤層注堿液。

圖3 滲透系數隨著孔隙壓力變化規律

3 現場試驗

根據科研工作者的研究結果，影響采煤工作面硫化氫治理效果的因素主要有以下四個方面：

1) 堿性溶液濃度。所選用堿性溶液為碳酸氫鈉溶液即小蘇打，濃度為0.5%～1%.

2) 注堿鉆孔間距。結合煤層濕潤半徑經驗計算公式，注堿液鉆孔的間距一般是采高的5倍，即19 m。但結合現場實際，根據采煤工作面的煤層注水設計，利用煤層注水鉆孔開展試驗，注堿鉆孔間距選用8～10 m。

3) 堿液使用量、用水量。根據注堿治理硫化氫機理可知：注入堿性液體后，利用酸堿中和反應可有效減少煤層內部賦存的硫化氫含量，也就是注入煤層的OH-離子與硫化氫溶于堿性液體之后所產生的H+離子發生中和反應?；谒釅A中和化學反應方程式可知，要使用84 g碳酸氫鈉溶液才能酸堿中和1 mol硫化氫氣體，注入煤層內的碳酸氫鈉溶液質量，需結合試驗煤層內硫化氫的含量來定。參考相關科研工作者的研究成果[14-15]，確定煤層硫化氫含量的測定方法、注入煤層的堿性液體量和水量。

4) 超前注堿距離。超前距離就是提前注堿地點與工作面切眼之間的距離，一般主要受煤層滲透率、采動應力的影響，需要進行注堿試驗才可得到。伴隨工作面不斷向前推進，23105工作面堿性液體注入鉆孔流量變化規律如圖4所示。

分析圖4可知，隨著工作面不斷推進，煤層鉆孔注堿液流量呈現出先減小、后升高、再陡降的趨勢。當注堿液地點與工作面距離為65 m時，注堿液流量為0.43 m3/h，逐步減??；當距工作面達到50 m時，注堿液流量從0.22 m3/h逐步升高；當距工作面達到25 m時，注堿液流量再次達到最大，最大注堿液流量為0.51 m3/h，之后突然下降；當距工作面達到23 m時，注堿液流量減小到0.1 m3/h，證明注入煤層鉆孔內的堿液量已達到最大，基本呈飽和狀態。距離工作面25～65 m時實施超前注堿措施，注入煤層內的堿液量較高，距離工作面小于25 m時，注入煤層內的堿液量較低，表明最佳的超前注堿距離是25 m。

圖4 隨著工作面不斷推進注液流量變化規律

4 治理效果

在23105和23114綜放工作面實施注堿試驗以考察硫化氫治理效果。其中，在23105材料巷施工注堿孔11個，在膠帶巷施工注堿孔9個，鉆孔間距為10 m。在23114材料巷和膠帶巷分別施工注堿孔20個，鉆孔間距為8 m。鉆孔直徑為75 mm，鉆孔長度為60 m。在注堿時指派專人實時監測煤層注堿量和硫化氫涌出量，在23105和23114兩個工作面注堿鉆孔距工作面距離不同時，硫化氫治理效果與煤層注堿量之間的關系如圖5所示，硫化氫涌出量與注堿量之間的關系如圖6所示，采煤工作面在注堿前后硫化氫涌出量的變化情況見表2。

圖5 硫化氫治理效果、煤層注堿量與工作面推進度之間的關系

圖6 硫化氫涌出量與煤層注堿量之間的關系

表2 工作面實施注堿技術后硫化氫涌出量變化

從圖5可知，在距離工作面25～50 m時，煤層注堿治理硫化氫效果比較理想。由于采動作用，煤體中裂隙延伸擴展同時持續生成新的裂縫裂隙，增大了煤層滲透率系數，煤層注堿量升高。

從圖6可知，硫化氫涌出量與注堿量成反比關系，煤層鉆孔注堿量越高，采煤工作面硫化氫涌出量越低，明顯提高了硫化氫治理效果。從現場試驗結果可知，斜溝煤礦13號煤采煤工作面單孔注堿量達到2.5～2.75 m3時，硫化氫治理效果比較理想。

5 結 語

1) 對煤樣開展試驗研究的結果表明，斜溝煤礦13號煤屬于可注性煤層。

2) 在斜溝煤礦23105和23114工作面實施注碳酸氫鈉試驗，結果表明：距離工作面25～50 m時開展超前注堿，硫化氫涌出量與注堿量成反比關系，煤層鉆孔注堿量越高，采煤工作面硫化氫涌出量越低，治理效果越好。