乌东煤矿急倾斜特厚煤层H2S防治技术研究
摘 要：针对神华新疆能源股份有限公司乌东煤矿急倾斜特厚煤层以及H2S涌出浓度高的特殊性，采用现场实测分析手段，对煤体H2S赋存运移规律、煤体H2S抽放半径以及煤体注水湿润半径进行了研究；提出了“抽、注、喷、洒、排、护”H2S综合防治技术体系。研究结果表明，H2S涌出浓度降至6.6×10-6以下，解决了采煤工作面H2S气体超限难题，为H2S煤矿的安全、高效开采提供有效的技术保障。
关键词：综放工作面；急倾斜特厚煤层；H2S防治；安全高效
0 引 言
H2S防治是急倾斜特厚煤层安全、高产、高效开采中面临的主要技术难题之一[1-3]。我国部分学者很早就对煤矿的H2S气体的形成机理和防治措施开始了研究，并取得了诸多成果[4-5]。神华新疆能源公司乌东煤矿是以急倾斜特厚煤层开采为主的典型矿区，赋存30多层厚度不同、间距不同的煤层，主采43号和45号两层煤。煤层开采过程中出现 H2S气体显现异常，影响矿井的安全高效开采。2010年+620 m 水平45号煤层东翼工作面回采期间，由于 H2S气体涌出量大，出现气体伤人事故。因此，针对乌东煤矿北区采煤工作面 H2S防治问题，基于影响煤层 H2S治理涌出因素、煤层 H2S涌出及运移规律、煤层 H2S抽放工艺技术、煤体超前预注吸收液工艺技术、开采扰动涌出 H2S的喷洒吸收液工艺技术、涌出 H2S的集中抽取净化技术及新型有害气体监测平台建设等研究，形成“抽、注、喷、洒、排、护”H2S防治体系，为乌东煤矿安全、高效及可持续发展提供了技术保障。
1 煤体H2S赋存运移规律
1.1 H2S涌出影响因素研究
在+575 m 45号煤层西翼综放面开采过程中，采用CD4型H2S便携仪，对采煤机不同割煤速度、割煤位置(割顶煤、割底煤)时涌出H2S以及支架不同放煤强度条件下涌出的H2S进行了测试分析。通过数值计算，得出采煤机割煤速度(强度)、支架放煤强度以及采煤机割煤、支架放煤及拉溜3种工序的并行程度均为H2S涌出的影响因素。
1.2 煤层采动时H2S涌出及运移特征研究
在+575 m 45号煤层西翼综放面开采过程中，采用CD4型H2S便携仪检测分析：采煤机割煤及支架放煤扰动涌出的H2S在下风流方向上，随着距涌出源头距离的增加呈现逐渐减小的扩散分布规律；同断面高度方向上，呈现出随距底板高度的增加而逐渐减小的扩散分布规律。采煤机割煤、支架放煤及前/后溜运煤3工序并行时涌出扩散至回风巷的H2S是单独进行时的2倍左右。
1.3 煤层注水湿润半径及H2S抽采半径测定
根据乌东煤矿北区煤层瓦斯抽放情况，选择在+575 m 45号煤层东翼准备工作面的1号煤门与2号煤门之间未受瓦斯抽放影响的煤体，开展煤体H2S抽放半径试验、钻孔H2S抽放浓度随不同抽放负压(28、26、24、18 kPa)变化规律试验，同时利用该区域抽、注系统进行了煤体注水湿润半径测试[6]。+575 m东翼45号煤层H2S抽放试验系统如图1所示。
图1 +575 m东翼45号煤层H2S抽放试验系统
Fig.1 H2S drainage test system of +575 m east wing No.45 coal seam
煤体H2S抽放影响半径随抽放负压增加而增加，在抽放负压为28 kPa时，煤体H2S抽放量在15 d左右达到相对稳定状态，抽放浓度由4 600×10-6降至300×10-6，纯量由抽放时的3.2×10-4 m3/min降至2.1×10-5 m3/min，抽放影响半径约为2.6 m。钻孔实施静压注水5 d后湿润半径达3.3 m左右。
2 H2S防治技术
乌东煤矿H2S治理根据其物理和化学性质，借助上述基础数据研究、现场实践、数据采集分析及防治方案优化，结合煤矿井下已有的H2S防治技术[7-9]，形成了适用于乌东矿煤层赋存及H2S涌出特点的“抽、注、喷、洒、排、护”的防治体系。
2.1 煤层预抽 H2S技术
针对矿井急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采现状，通过利用采掘工作面已施工的瓦斯抽放孔采取超前预抽煤层中H2S技术，有效降低工作面开采扰动后涌出的H2S浓度，避免工作面因 H2S气体超限而停产或降低采煤机割煤及支架放煤速度，影响工作面高产高效开采。
2.2 煤层预注吸收液技术
根据H2S的化学性质，优化+575 m 45号煤层西翼试验工作面进风巷距工作面煤壁40 m范围内顶煤超前预裂孔，使其也能满足煤层注水条件，然后根据H2S的化学性质，利用工作面超前爆破孔预注H2S吸收液主动防治硫化，如图2所示。同时调整煤体预注吸收液浓度分别为1.3%、1.8%、2.3%及2.8%条件下，检测分析效果，找到最佳配比浓度，达到最好治理效果。
图2 煤层预注吸收液系统组成
Fig.2 System diagram of coal pre-absorbing liquid injection
现场试验表明，煤层注水中添加H2S吸收液后，对煤体全水分增量及湿润半径影响较小；适合该面进风巷开展煤层预注吸收液的工艺参数为：进风巷断面煤壁注液孔为1～3号、5～8号钻孔，钻孔排间距为4 m，封孔深度应大于3 m，注吸收液压力应控制在4～7 MPa，煤体注水中添加吸收液浓度及湿润剂浓度分别为1.8%及0.2%，注水流量控制在20～22 L/min，单孔注水时间控制在250～360 min，单孔注水量控制在5.43～7.89 m3。
2.3 外喷吸收液防治 H2S技术
通过在采煤机割煤及支架放煤过程中，采取喷洒吸收液对开采扰动涌出的 H2S进行有效吸收，达到降低 H2S涌出浓度的目的。同时利用喷洒的吸收液水雾，降低粉尘危害，为工作面高产高效开采提供保障。
2.3.1 煤机滚筒割煤涌出 H2S治理
通过在煤机面上下风侧安装喷向滚筒方向的高压外喷吸收液装置，利用喷出的吸收液水雾，在滚筒割煤产生 H2S源头处对其包围吸收；同时利用安装在支架伸缩梁上的 H2S源自动跟踪喷洒吸收液装置，实现对煤机滚筒割产生随风流向外扩散的 H2S的拦截，如图3所示。
图3 煤机滚筒割煤喷洒装置系统
Fig.3 System diagram of stoker coal cutting drum spraying device
2.3.2 架后放煤 H2S涌出治理
在上述基础上，采用在支架尾梁2个千斤顶下方正对放煤口位置布置安装喷洒中高压吸收液装置，利用形成的能有效包围覆盖放煤口空间的吸收液水雾，从产生源头上中和吸收H2S，放煤口 H2S源喷洒吸收液示意如图4a所示；对于仍然有向外扩散的 H2S，通过在支架尾梁下方靠近下风侧布置安装喷洒吸收液装置，对支架后部随风流扩散的 H2S进行拦截捕获并净化吸收，达到有效降低放煤过程中涌出的 H2S目的，减少随风流扩散至上隅角及回风巷的 H2S浓度，如图4b所示。
图4 支架放煤H2S治理示意
Fig.4 H2S governance of bracket caving
2.3.3 回风隅角及回风巷 H2S治理
综放面回风隅角 H2S来源主要为支架放煤、后溜槽运煤以及后转载机落煤等扰动涌出来的 H2S随风流扩散而来。回风巷 H2S来源主要为支架放煤及煤机割煤涌出的 H2S随风流扩散而来。因此，上隅角及回风巷 H2S治理技术措施为：在上述煤层 H2S抽放及预注吸收液降低煤体 H2S含量基础上，通过在上隅角及回风巷分别布置喷洒吸收液拦截装置，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，达到治理 H2S目的，如图5所示。
图5 隅角及回风巷喷装置布置示意
Fig.5 The sprinkler arrangement of upper corner and return airway
通过在采煤机割煤及支架放煤过程中，采取喷洒吸收液对开采扰动涌出的 H2S进行现场试验分析表明，适合采煤工作面喷洒吸收液治理H2S的基本参数为：喷液压力为8 MPa，喷洒吸收液浓度为0.9%；采煤机滚筒处的喷液流量为150 L/min左右，下风流适合开启3道跟踪喷雾装置，其单道流量控制在20 L/min左右；放煤口喷雾流量为60 L/min左右，其下风流方向上适合开启3道拦截喷雾，其单道喷雾流量为40 L/min左右，上隅角喷雾流量控制在70 L/min左右；回风巷适合开启2道喷雾，单道喷雾流量控制在70 L/min左右。
2.4 巷道及工作面浮煤洒 H2S吸收剂
根据H2S的化学性质和涌出规律，工作面回采期间，在回风巷道洒Na2CO3、NaHCO3等碱性粉，主要稀释巷道底部溢出的H2S气体；在回采工作面浮煤洒上述碱性粉，吸收工作面底部及浮煤中溢出的H2S气体。
2.5 采用风排稀释 H2S浓度
在上述防治措施基础上，采煤工作面回风流中 H2S浓度虽然控制在6.6×10-6以下，但仍然可闻到刺鼻的臭鸡蛋气味，因此根据测算并考虑潜在防灭火问题，将原设计风量836 m3/min调整为1 100 m3/min，更有效稀释了 H2S气体。
2.6 加强个体防护
为确保职工的作业环境，保护身心健康，日常管理中还给作业区的职工配发了H2S防护全面罩，并定期检查更换。
3 结 论
1)急倾斜特厚煤层开采具有特殊性，H2S气体在采煤工作面静态和动态条件下运移规律差异大，要采用静、动同治技术思路。
2)形成了急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下“抽、注、喷、洒、排、护”H2S防治体系。
3)最终测算确定+575 m试验工作面煤体中H2S含量约为0.05 m3/t。
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Prevention technologies of H2S in heavy and steep coal seams in Wudong coal mine
Abstract:High H2S emission concentration in heavy and steep coal seams in Wudong coal mine was a huge security hazard.To resolve the problem,the H2S migration law,H2S drainage radius and coal injection wetting radius were analyzed.A comprehensive prevention and treatment system was provided which included pumping,spraying,sprinkling,injecting and protecting technologies.The results showed that the H2S emission concentration was decreased to below 6.6×10-6.The research provided technical support for safety production.
Key words:fully mechanized caving face;heavy and steep coal seams;prevention and control of H2S;safe and efficient
收稿日期：2016-06-16；
责任编辑：孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.024
引用格式：孙秉成.乌东煤矿急倾斜特厚煤层H2S防治技术研究[J].洁净煤技术，2016，22(6)：123-126.
SUN Bingcheng.Prevention technologies of H2S in heavy and steep coal seams in Wudong coal mine[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：123-126.
中图分类号：P593
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)06-0123-04
