煤礦硫化氫分布規律及綜合防治技術

豆兵利

（晉煤集團晉牛煤礦，山西 臨汾 041000）

硫化氫氣體是一種有毒有害氣體，當人體吸入1000 ppm 時會立即死亡。我國部分煤礦在開采過程中因硫化氫氣體中毒或死亡的安全事故時有發生，嚴重威脅工作面安全開采。晉牛煤礦1303 工作面巷道掘進過程中，掘進工作面及其回風巷道等地點有硫化氫氣體涌出。為保證工人生命健康及井下安全生產，分析煤體中硫化氫含量及涌出規律，從而進行有效的防治，以保證工作面安全回采[1-2]。

1 工作面硫化氫含量

1.1 工程概況

晉牛煤礦主采多煤層9+10+11 號煤層，平均煤厚5.14 m，含1～4 層夾矸，結構復雜，層位穩定，厚度變化不大，為賦煤區全區穩定可采煤層。頂板為K2 石灰巖（平均17.58 m）或泥巖，底板為泥巖、砂質泥巖。開采面為1303 綜放工作面，工作面走向長915.6 m，傾斜長185 m，采高2.8 m。工作面主要構造為向斜，向斜軸部距切眼353～670 m 范圍內。

1.2 工作面硫化氫含量

為確定硫化氫氣體含量，對工作面進風巷、回風巷、總回風巷、鉆孔氣體四處風流地點進行氣樣采集，對采集氣樣進行定性、定量分析[3]。

定性試驗采用對比排除法，分析儀器采用色譜—質譜聯用儀、氣相色譜儀，對40 余種含酸臭味刺激性氣體進行分析。結果顯示含有大量的甲烷、乙烷及微量的丙烷等物質，未檢出其他烴類，儀器檢測線均小于0.1 ppm。

定量分析工作面回風巷和總回風巷主要刺激性氣味氣體為乙醇、異丁烷，鉆孔刺激性氣味氣體主要為硫化氫、乙醇、異丁烷。鉆孔中硫化氫達到437.07 ppm，而回風巷、總回風巷中基本檢測不到硫化氫。原因是取樣時回采工作面沒有割煤，井下巷道少，風量大，所含硫化氫已被井下風流稀釋。

2 硫化氫來源分析

2.1 多煤層硫化氫含量測試

晉牛煤礦開采煤層為9+10+11 多煤層，煤層有夾矸，結構相對復雜。分別對1303 采煤工作面大塊煤體、鉆孔煤芯及分層進行取樣，煤樣進行硫化氫含量及涌出規律試驗[4]。對大塊煤體進行表面剝離，提取新鮮煤芯，稱重，然后放入固定體積密閉容器，以10 L/min 的速率充入氮氣，每2 min 檢測硫化氫含量。測得鉆孔煤樣硫化氫含量為10.55 L/t，9 號煤層硫化氫含量為0.32 L/t， 10 號煤層硫化氫含量為12.3 L/t，11 號煤層硫化氫含量為21.0 L/t，硫化氫主要存在于10 號煤層、11 號煤層。

2.2 工作面硫化氫氣體來源

工作面受向斜控制，在向斜構造軸部硫化氫含量較高，吸附在煤層中，巷道含量很少。工作面回采期間，新裸露煤壁和落煤中大量硫化氫釋放到工作面，造成工作面和巷道硫化氫超限，影響工作面安全生產。根據現場硫化氫探頭測試可知，采煤工作面的硫化氫大量釋放主要是在落煤、運煤和放煤的過程中，則運煤、落煤、放煤時硫化氫平均涌出比例分別為28.5%、65.2%、6.3%，如圖1。采煤機破煤速度越快，工作面硫化氫含量越高。由于工作面向斜構造的作用逆向破煤高于正向割煤，隨著采煤面漸漸朝向斜軸部推進，硫化氫含量逐漸增大。因此，為采取合理的防治措施，分析硫化氫來源規律是十分重要的。

圖1 工作面不同時期硫化氫濃度（ppm）

3 硫化氫綜合治理技術及效果

根據硫化氫賦存規律提出工作面割煤前深淺孔預注堿液、割煤過程中工作面噴灑堿液、割煤后風簾引排和水幕吸收聯合治理硫化氫技術[5-6]。

3.1 割煤前深淺孔預注堿液技術

工作面深淺孔預注堿液技術基本原理是將化學試劑溶液注入煤體，使化學試劑溶液通過煤的層理、節理和微小的孔（裂）隙擴散，與賦存在煤體中的硫化氫發生化學反應生成對人體無害或傷害較小的物質。本次采用化學試劑為碳酸鈉，碳酸鈉與硫化氫反應生成Na2S、H2O 和CO2，碳酸鈉濃度1%。

3.1.1 深孔預注堿液鉆孔布置方式

在進風巷、回風巷對工作面進行超前預注堿液，鉆孔直徑75 mm，鉆孔設計角度5°，距離底板1.5 m，間排距5 m，孔深30～160 m，封孔采用雙液注漿材料，封孔長度12 m。深孔注堿液布置圖如圖2。

圖2 深孔注堿液布置圖

3.1.2 淺孔預注堿液鉆孔布置方式

根據采煤工作面煤的硬度、孔隙率、頂底板情況和透水性，沿工作面煤壁設計鉆孔，每隔4 m 布置一個，孔深為10 m，孔徑為Ф42 mm。為防止煤壁片幫，距回風順槽留10 m 不施工鉆孔。鉆孔高度1.5 m，仰角20°，鉆孔要求距頂、底板1.2 m以上，且距回風順槽注液孔周邊保持1 m 的距離，嚴禁與回風順槽注水孔貫穿。

3.1.3 效果分析

通過考察采煤機運轉時回風巷硫化氫濃度，分析深淺孔預注堿液的效果。探頭監測結果顯示硫化氫濃度總體較注液前降低，注液前回風巷硫化氫濃度峰值89 ppm，注液后峰值為41 ppm，硫化氫濃度降低了46.1%，說明深淺孔預注堿液起到了一定效果。

3.2 割煤過程中工作面噴灑堿液

3.2.1 工作面噴灑堿液設計

工作面噴霧可以對采掘面降塵起到有效作用，改善井下作業環境。晉牛煤礦采掘過程中煤層中賦存的硫化氫氣體大量釋放，對工作面工作人員身體健康影響很大，在采煤機外噴霧中加入一定濃度的堿液進行噴霧，可以進一步降低硫化氫濃度，降低硫化氫對井下人員的傷害。

噴霧泵采用BPW125/20 礦用噴霧泵，噴霧壓力達到20 MPa，噴灑堿液濃度采用配置的0.4%的碳酸氫鈉和0.4%的碳酸鈉混合溶液。在采煤機機身上及滾筒上方支架分別布置噴向滾筒方向的外加噴霧裝置，覆蓋采煤機組，利用滾筒割煤過程中形成的立體的硫化氫吸收液水霧包圍圈，從采煤機割煤產生硫化氫的源頭處吸收硫化。

3.2.2 效果分析

通過檢測工作面反向割煤過程中60#液壓架、70#液壓架、80#液壓架、90#液壓架位置處噴灑堿液與不噴灑堿液的硫化氫濃度含量，分析工作面噴灑硫化氫防治效果，結果如圖3。

圖3 堿液噴灑對照圖

由圖3 試驗數據可以看出：在開啟清水噴霧的情況下，測得硫化氫平均濃度為97.5 ppm；在開啟含有堿液噴霧的情況下，測得硫化氫含量54.5 ppm。硫化氫含量降低了55.9%。

3.3 割煤后風簾引排和水幕吸收

3.3.1 風簾引排

風簾引排的原理是通過安設有噴霧裝置的防塵網來稀釋工作面回風氣體中的硫化氫和風塵等有害氣體。

在工作面70#～134#架以及回風巷中部布置透明風簾，工作面端布置60 m，回風段約20 m。風簾的末端安設有3～5 道防塵網，噴霧裝置在防塵網上，防塵網間距分別為1～2 m。風簾材質采用透明硬塑料，面積6.60 m2，用鐵絲通固定搭液壓支架或巷道頂底板上進行搭接。

3.3.2 水幕吸收

在引排的通道中安裝防塵網形成水幕，可進一步吸收開采過程產生的硫化氫。水幕吸收流經風流中的硫化氫，進一步減少硫化氫含量。設計安裝噴灑堿液的噴口正對著防塵網，噴出的堿液形成一堿液水幕。合理布置噴嘴位置，保證水幕全部覆蓋，使含有硫化氫氣體的風流流經水幕后進一步消除硫化氫含量。

3.3.3 效果分析

通過風簾引排和水幕吸收的前后探頭檢測硫化氫含量，分析治理效果。防塵網上風側和下風側探頭硫化氫濃度對比，見表1。

表1 網上風側和下風側硫化氫濃度對比表

通過表1 可以看出，硫化氫濃度平均降低73.2%，表明風簾引排和水幕吸收對硫化氫治理有很好的效果，保證了工作面安全生產。

4 結論

（1）為確定硫化氫含量，現場采集晉牛煤樣，通過氣樣試驗分析，鉆孔中硫化氫達到437.07 ppm，割煤時硫化氫氣體含量高。

（2）通過對不同煤層硫化氫含量分析可知，硫化氫主要吸附10 號煤層和11 號煤層中。在采煤過程中，煤體被破壞，硫化氫大量涌出，且硫化氫受向斜構造控制，向斜軸部推進硫化氫含量逐漸增加。

（3）為有效控制硫化氫超限，采用割煤前深淺孔預注堿液、割煤過程中工作面噴灑堿液、割煤后風簾引排和水幕吸收聯合治理硫化氫技術，使硫化氫含量得到有效控制。