急倾斜煤层综放工作面H2S 治理技术与实践

2020-12-16姬周飞

山东煤炭科技 2020年11期

姬周飞

（神华新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830027）

H2S 是一种煤矿井下常见的无色剧毒气体，相对密度为1.19，易溶于水。H2S 气体会对人体造成强烈刺激，使人感到头痛、呕吐、乏力甚至死亡，当浓度过高还能够燃烧爆炸，对矿井安全生产造成不利影响[1]。通过现场实测，乌东煤矿+575 m 水平45#煤层综放面开采扰动时涌出的H2S 严重超规定的上限值6.6 ppm，威胁井下工人生命安全[2]。

围绕乌东煤矿急倾斜煤层采煤工作面作业条件，根据H2S 气体的赋存情况，乌东煤矿按照“注、抽、喷、洒、护”的H2S 治理技术路线，建立了高压注碱性吸收液、各转载落煤点喷碱性吸收液、巷道内洒Na2CO3粉（或NaHCO3粉）及个体防护的综合防治体系，降低矿井H2S 危害，提高矿井安全生产能力，保护工人身体健康。

1 矿井及工作面概况

+575 m 水平45#煤层东翼综采工作面位于副井以东2540 m，工作面西部为+575 m 水平45#煤层西翼综采工作面，南部为45#煤层顶板，北部为45#煤层底板，上部存在+600 m 水平45#煤层东翼综采工作面采空区。工作面走向长度2540 m，工作面平均宽度为40 m，阶段高度为25 m，停采线位置为275 m，工作面回采长度为2265 m。工作面目前已回采至1340 m。该工作面H2S 含量较高，主要集中在2、3、4、5#煤门区域，在工作面割煤和架后放煤环节中涌出量较大，对安全生产和工人健康带来一定的影响。

从+575 m 水平45#煤层综放工作面开采过程中掌握的情况可知，45#煤层及采空区都含有H2S气体成分。测得2#煤门10#钻孔内H2S 气体最高达到12 000 ppm，4#煤门孔内H2S 气体浓度最高达到870～2500 ppm。工作面在生产的情况下，回风流中H2S 气体浓度最高达到200 ppm，上隅角H2S 气体浓度最高达到1200 ppm。采煤机正常割煤时其下风流滚筒附近H2S 浓度达到500 ppm 左右。支架放煤时，其下风侧邻近支架后部、支架放煤及后部转载机转载落煤时随风流扩散到上隅角的H2S 浓度更高，达到900 ppm 以上，而回风巷的H2S 浓度也达到200 ppm 以上。

2 综放工作面H2S 治理技术应用

根据H2S 气体的赋存情况，围绕采煤工作面作业条件，乌东煤矿对H2S 气体采取抽放和煤层注碱性溶液相结合的分区域治理方式。将碱性溶液用水泵注入煤体，同时在工作面及其回风巷抛洒Na2CO3粉末，其次建立碱性溶液配料点，实施碱性液体喷雾。

（1）探孔观测

表1 煤体H2S 观测孔施工参数

+575 m 水平45#东翼工作面回采期间，为更好掌握煤体中H2S 赋存情况，在工作面北巷1340 m处施工煤体H2S 观测孔，由东向西每隔15 m 施工一个观测孔，直至停采线。该设计共计施工80 个观测钻孔，孔内气体由相关工作人员定时取样进行分析，并保留记录。施工参数具体见表1。

（2）埋管及上隅角卸压抽采治理H2S

+575 m水平45#煤层东翼工作面尾巷埋管抽采。采空区瓦斯及H2S 在开采过程中向回风隅角涌出，易造成回风隅角瓦斯及H2S 积聚，采用埋管抽采方式对采空区瓦斯及H2S 实施抽采，有效解决回风隅角瓦斯及H2S 积聚问题[3]。

目前+575 m 水平45#煤层东翼抽采主管路流量保持在65.1 m³/min，管内负压9.3 kPa，管内H2S浓度30 ppm，未达到H2S 治理的预期效果。经生产期间对上隅角H2S 进行测定，H2S 浓度最高达到1200 ppm。鉴于以上数据分析，对现有埋管抽采方式进行调整。在深管、浅管抽采的基础上，在上隅角处布置第三趟抽采管路，加工鸭嘴式抽采装置与第三趟管路对接，对上隅角高浓度H2S 气体进行针对性治理，并根据实际抽采参数对主管路抽采量进行调整。尾巷埋管及上隅角卸压抽采示意图如图1所示。

图1 尾巷埋管及上隅角卸压抽采示意图

（3）回风隅角治理H2S

采用卸压抽采措施后，预计将截断一部分来自采空区及受采动影响煤体涌出的H2S 气体。因此，继续在工作面前、后溜落煤点及端头支架以南中部设置高压喷洒装置，分别对落煤时随风流扩散而来的H2S 及采空区涌出的残余H2S 进行稀释，利用其形成的吸收液水雾对扩散在断面空间中的H2S 进行拦截并吸收净化[4]，并在端头支架与南巷煤壁之间设置捕尘网来增大雾化断面及效果，达到治理H2S的目的。回风隅角喷洒吸收液治理H2S 的系统布置示意图如图2 所示。

图2 隅角喷吸收液布置示意图

（4）回风巷治理H2S

根据对回风巷H2S 进行现场实测（见表2），回风巷H2S 来源主要是采煤机割煤及支架放煤过程中急倾斜煤层受到扰动涌出的H2S 以及由于自然风压的变化造成的采空区内外存在压差进而由采空区涌出的H2S，随风流通过工作面进入回风巷[5]。

因此，回风巷H2S 的治理方式，分别在南巷距工作面30 m 处及装载机布置上、下2 组全断面喷雾，通过在回风巷布置喷洒吸收液拦截装置，对扩散来的H2S 进行喷洒吸收液捕捉净化吸收。该点喷洒吸收液压力设置为1.5～2.6 MPa 之间，喷洒吸收液浓度取1.2%。当开启喷洒吸收液装置时，扩散至回风巷的H2S 大大降低。回风巷喷洒吸收液装置布置系统示意图如图3 所示。

表2 工作面生产过程H2S 测定参数

（5）煤门抽采及注碱液

在工作面回采期间（图4），利用联络（2#、4#）煤门现有钻孔接抽，并在3#煤门布置钻孔进行接抽。每3 d 安排专人对2～4#煤层钻孔进行测定，当孔内H2S 浓度降至30 ppm 以下时，对该钻孔进行煤层高压注液，使煤体中的H2S 中和。同时，将高压水注入煤层后，借助流体在煤层各种弱面内对弱面两壁面的支撑作用可使煤层内部弱面发生变化（张开扩展和延伸），增加了煤层透气性，从而达到治理H2S 的同时提高煤层瓦斯（H2S）抽采效果的目的。

图3 回风巷喷洒吸收液装置布置系统示意图

图4 煤门注水钻孔布置图

（6）其他补充措施

① 抛洒碱性粉末。在工作面及其回风巷抛洒碳酸钠粉末治理H2S 气体，主要抛洒地点有工作面后溜、架间、尾巷及回风巷。

② 注意个体防护。在工作面回采过程中，H2S气体会进入巷道回风风流中，在放煤时，风流中的H2S 浓度会成倍增加，严重威胁作业人员的安全。因此作业人员进入含H2S 气体的工作环境中，就必须佩戴防H2S 面具。

3 综放工作面H2S 治理效果

每周周一、周三、周五对该抽采管路取样送瓦斯实验室分析，根据气体分析结果对埋管抽采管路进行调整。每天对该抽采管路流量、浓度、负压、H2S 浓度等进行测定，重点关注管内H2S 浓度变化情况。

煤体中的H2S 具有在开采扰动时才涌出的特点，采煤机滚筒割煤及支架放煤是工作面开采扰动涌出H2S 的主要工序，同时操作两工序涌出H2S 为上隅角及回风巷H2S 主要来源。通过上述方法分区域采取措施对H2S 进行治理，在回风隅角及回风巷距工作面40 m 处布置测点，比较治理前后的H2S 浓度变化情况，如图5 所示。

图5 治理前后回风巷、回风隅角H2S 浓度变化

由图5 可知，在综放工作面H2S 治理技术运用之前，回风隅角和回风巷H2S 浓度普遍较高，最高分别接近1054 ppm 和118 ppm，回风隅角H2S 平均浓度可达964.4 ppm，回风巷H2S 平均浓度可达110 ppm。在实施防治措施后，各区域H2S 浓度得到有效遏制，H2S 浓度降低效率达到80%以上。乌东煤矿+575 m 水平45#煤层综放面经过“注、抽、喷、洒、护”的H2S 治理技术路线，大幅度降低该工作面H2S 浓度，有效遏制了H2S 的产生。