煤礦硫化氫防治技術的研究現狀及趨勢

金永飛，許亞奇，張 典，郭 軍

(1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 712000)

我國煤炭賦存較為豐富，石油與燃氣相對較少，當前可以使用的煤炭儲量較多，世界排名第三位[1-2]。長久以來，在我國的資源利用中，煤炭一直使用最多，超過其他能源，且短期內依然如此[3-4]。隨著時代的發展，煤炭行業中的相關工藝也在不斷創新，原煤產量快速增長，與此同時，礦井硫化氫危害也逐漸突出[5-6]。硫化氫會腐蝕井下機械設備[7]，對人體有嚴重的危害。當硫化氫濃度為0.000 1%時就可以嗅到輕微氣味，濃度達到0.001 0%時會有明顯的氣味，濃度達到0.005 0%時，短期內就會出現乏力、視覺衰弱、咽喉疼痛、咳嗽、頭暈、意識不清晰等癥狀，時間過長極可能產生植物神經功能紊亂；當硫化氫濃度達到0.050 0%時，短期吸入就會使人出現腦水腫、肺水腫等癥狀[8]。

近年來，國內外煤礦生產中發生硫化氫異常聚集現象逐漸增多，人們對硫化氫的防治也逐漸重視。林海等[9]在實驗室中模擬了堿液除硫化氫的過程，使堿液噴出水霧并與硫化氫充分接觸、反應；孫維吉等[10]判定了某礦煤層注水的可行性并進行了滲透性試驗，結合現場實踐，認為超前工作面向煤層中注射堿液能有效降低開采時硫化氫氣體的涌出量；ZHANG等[11]針對小莊礦硫化氫超限的問題，提出了高壓循環脈動注堿治理硫化氫技術；趙登育等[12]為防治煤礦硫化氫氣體，建立了硫化氫分解模擬實驗系統，采用臭氧紫外分解技術對硫化氫進行分解。此外，還有許多專家學者對硫化氫的防治技術進行了研究，并取得了顯著成果。

本文主要概述了煤礦硫化氫的危害及成因，對目前國內外煤礦硫化氫防治研究狀況進行總結，通過對現有硫化氫治理方法進行分析，探討其適用性、經濟性，提出了煤礦硫化氫防治技術存在的問題及發展趨勢，旨在為我國煤礦硫化氫防治工作做出指導，對硫化氫治理技術的發展起到借鑒意義。

1 煤礦硫化氫危害

硫化氫呈氣態，無色，毒性強烈，可燃。硫化氫在氧氣或空氣環境中可能會接觸火花造成爆炸，爆炸極限為4.3%～45.5%[13]。硫化氫具有腐蝕性，會使井下的機械設備受到損害，使機械設備的使用壽命大大降低[14]。硫化氫的最主要危害是刺激人的黏膜并影響人的呼吸功能，會對人體的生理氧化功能造成障礙，即硫化氫與細胞色素氧化酶中二硫鍵起作用，影響細胞氧化過程，從而造成人體供氧不足使人窒息。工作空間中硫化氫的含量不同，對人造成的危害也不同，同時人體在硫化氫環境下的暴露時間也影響硫化氫對人體的傷害程度。硫化氫對人體的危害性分析見表1。

表1 硫化氫對人體的危害性分析Table 1 Harm analysis of hydrogen sulfide to human body

2 煤礦硫化氫成因及來源

2.1 煤礦煤層中硫化氫成因

硫化氫的形成一般有兩種途徑，一種是地面工廠制造的產物或尾氣，如造紙廠、污水處理廠以及化工廠等排出的廢氣中都含有硫化氫，特點是人為因素形成;另一種是礦井開采生產中形成的，如煤炭開采、石油開采、天然氣開發等，都會產生硫化氫，與工廠工業相比，特點是自然形成[15]。

煤礦硫化氫屬于自然形成。目前，多數人認同的煤層硫化氫成因有3個：生物硫酸鹽還原成因(BSR)、硫酸鹽熱還原成因(TSR)、巖漿成因[16-17]。硫化氫成因原理見表2。

表2 硫化氫成因原理Table 2 Genesis of hydrogen sulfide

現有研究表明，判定硫化氫成因的條件或主要依據如下所述。

1) 生物硫酸鹽還原成因的判定條件：①在沉積環境中形成硫酸鹽和有機質；②在120 ℃以下的無氧還原環境中生成硫酸鹽還原菌；③有黃鐵礦的存在。

2) 硫酸鹽熱還原成因的判定條件：①煤層中的硫酸鹽含量較為豐富；②烴類物質在煤層較為豐富；③硫酸鹽熱還原作用的發生溫度在120 ℃以上。

3) 巖漿成因的判定條件主要是有明顯的巖漿侵入。

2.2 煤礦硫化氫來源

1) 硫化礦物水解。在煤衍生進程中，可能存在一些如特殊的氣候或地質等外界條件，這種條件促進了硫化氫的產生，并存在于煤體裂隙中。

2) 煤(巖)體中涌出。在采煤過程中，采煤機采煤使煤層受到外力影響，煤體中的硫化氫由于外力干擾向外涌出。

3) 其他來源。含硫煤氧化與燃燒、含硫煤塵爆炸、坑木等有機物腐敗分解、含有硫化氫的老空水或舊巷積水等也是煤礦硫化氫涌出的主要來源。

3 煤礦硫化氫防治技術

3.1 煤礦硫化氫防治的國內外技術研究

國內外最初治理硫化氫，在油田、氣井方面的研究較多，而在煤礦方面的研究相對較少，屬于研究的起步期。最早是從蘇聯時期開始進行研究，通過分析頓巴斯礦區的硫化氫異常涌出情況，研究其防治技術。 山西晉煤鳳凰山煤礦在對15號煤層進行開采時，155301工作面出現了硫化氫濃度過高情況，經檢測，回風風流中硫化氫檢測濃度最高約80 ppm，在工作面空間中，部分地點濃度超過200 ppm，通過在工作面煤壁打淺鉆孔進行注水，同時在進風順槽與回風水槽打深鉆孔進行注水，治理硫化氫[18]。山西焦煤汾西礦業高陽煤礦在對S1105工作面開采時，檢測到硫化氫濃度將近80 ppm，分別在進風巷與回風巷打深鉆孔，注入碳酸鈉溶液，使得工作面硫化氫突出情況得到治理[19-20]。神華寧煤石炭井焦煤公司石炭井二礦在開采21062工作面時，硫化氫檢測超標，通過向煤層注入堿液同時在工作面噴灑吸收液，使得異常情況得到治理[21]。

煤礦硫化氫防治的國內外技術在不斷研究中得到很大的進步，硫化氫的各種防治技術也逐漸出現，現場常用的硫化氫治理方法見表3。

表3 現場常用的硫化氫治理方法Table 3 Common treatment methods of hydrogensulfide on site

3.2 煤礦硫化氫防治的主要技術

3.2.1 煤層注堿

目前在我國煤礦開采過程中，對于硫化氫突出危害多是通過向煤層注入堿性溶液來治理。煤層注堿是從源頭進行治理，在硫化氫危害發生之前進行防治。煤層注堿鉆孔之間的距離設計對硫化氫治理效果有很大影響。注堿鉆孔之間距離過大，超過堿液滲透范圍，未滲透范圍的煤層內硫化氫不能與堿性溶液進行接觸，發生反應，使得硫化氫吸收不徹底，治理效果差。注堿鉆孔之間距離過小，堿液滲透范圍發生重疊，造成堿液注入過多，經濟成本增大。同時，鉆孔數量增加，會極大增加工程量，影響注堿進度。針對這一問題，王宇鋒[22]在煤層打鉆之前進行了注堿鉆孔間距試驗，設置3個鉆孔用來試驗，其中，在1個孔內進行注入堿液，通過另外2個孔進行觀察，如圖1所示。根據煤層濕潤半徑公式，同時參照中國煤層注水一般間距，最終確定鉆孔布置間距。

圖1 注堿鉆孔間距試驗Fig.1 Alkali injection hole spacing test

確定注堿孔距后，根據煤礦現場實際情況，在煤層的中間部位打鉆，打鉆方向盡量垂直于煤壁，在材料巷與運輸巷交錯、間隔布置鉆孔，如圖2所示。

圖2 煤層注堿鉆孔布置圖Fig.2 Layout of alkali injection holes in coal seam

3.2.2 噴灑吸收液

在工作面噴灑吸收液是治理硫化氫的一種主要手段。將吸收液噴灑設備安裝在采煤機上，在割煤過程中，噴灑吸收液，吸收煤體破碎涌出的硫化氫，進行消除。然而，據統計分析，在采煤機采煤過程中噴灑吸收液吸收硫化氫后，風流中的硫化氫并不能完全吸收。有部分殘余硫化氫會隨著風流運移，且放煤區域也會產生硫化氫，僅對割煤處硫化氫進行吸收，治理并不徹底。針對這一問題，楊宏偉等[23]、劉奎[24]根據采煤時煤層破碎產生的硫化氫含量以及隨風流在工作面空間內的運移規律，提出了在割煤處噴灑吸收液進行治理，同時在風流下游進行攔截的綜合治理措施。

1)割煤區域硫化氫治理。將吸收液噴灑裝置安裝在采煤機上，在割煤同時噴灑吸收液，在源頭處消除硫化氫，進行初步治理。割煤區域硫化氫治理如圖3所示。

2) 隨風流擴散硫化氫治理。工作面空間內隨著風流傳播運移的硫化氫，在支架下風側安裝噴灑裝置，噴灑吸收液，消除風流中的硫化氫，進行二次治理。隨風流擴散硫化氫攔截噴霧布置如圖4所示。

3) 放煤區域硫化氫治理。支架移動后，頂煤層垮落會釋放其中的硫化氫，可以對放煤區域噴灑吸收液，吸收放煤區域涌出的硫化氫，使得治理更徹底，更全面。放煤區域硫化氫治理如圖5所示。

圖3 割煤區域硫化氫治理示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydrogen sulfidetreatment in coal cutting area

圖4 隨風流擴散硫化氫攔截噴霧示意圖Fig.4 Sketch diagram of hydrogen sulfide interceptingspray with air flow diffusion

圖5 放煤區域硫化氫治理示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrogen sulfidetreatment in coal caving area

3.2.3 泡沫治理技術

泡沫治理技術是在工作面煤壁及煤體垮落區域噴射泡沫吸收劑，在硫化氫產生源頭進行吸收治理。對煤體而言，有著較低的孔隙率，且對硫化氫有著相對較大的吸附性，導致煤層硫化氫抽采效果不好。同時，對于垮落區域，吸收液總是不能布滿整個空間，使得吸收效果并不理想。劉奎[25]針對這一問題，設計了泡沫吸收液噴射裝置，如圖6和圖7所示，在整個割煤過程中，割煤前2 min，在工作面煤體表面及放煤區域噴射泡沫吸收劑，泡沫吸附在煤體表面，會把硫化氫隔離消除在其產生源頭處，防止其隨風流傳播到全部工作空間；同時，泡沫有著相對較大的比表面積，使得吸收劑更容易捕捉到游離的硫化氫，大大提高硫化氫的吸收效果，進一步提高治理效率。

圖6 泡沫吸收液噴射裝置Fig.6 Foam absorption liquid ejection device

圖7 泡沫治理技術原理Fig.7 Foam treatment technology principle

4 煤礦硫化氫防治技術存在的問題及發展趨勢

4.1 存在的問題

我國政府部門、相關單位及煤礦開采技術人員對煤礦開采過程中的硫化氫突出問題高度關注，針對硫化氫的防治，許多學者也做了相關研究，并獲得了較為顯著的成果。目前，對我國煤礦硫化氫的防治技術來說，還有以下問題需要解決。

1) 進一步加大煤礦硫化氫防治技術的基礎理論研究。目前，對煤礦硫化氫的產生來源、吸收液的新材料及硫化氫防治新工藝等理論基礎還需加強研究。

2) 在煤礦硫化氫防治技術方面雖然已經取得了許多成果，但就治理效果而言，難以實現完全吸收。還需對煤礦硫化氫的原煤層、工作面、采空區等多源頭綜合治理技術進行研究。

3) 在硫化氫防治過程中，總是會有吸收液材料利用不充分的現象，造成資源浪費。 需要對不同區域不同濃度的硫化氫進行分級，針對濃度等級分級治理。

4) 煤礦硫化氫防治中的自動化程度不高，難以實現快速智能監測與多區域聯合治理。

4.2 發展趨勢

1) 加強對煤礦硫化氫防治技術理論基礎的研究，開發煤礦硫化氫防治新工藝。 緊跟科技的進步，運用現代化手段，對煤礦原煤層硫化氫賦存規律、工作面硫化氫運移規律以及采空區硫化氫分布規律進行模擬，對影響硫化氫治理效率的各種因素進行研究。

2) 分別對原煤層、工作面以及采空區提出硫化氫治理措施，進行硫化氫分源治理，使得治理效果更佳。

3) 對煤礦硫化氫進行分級預警，以便針對不同級別的硫化氫危害采取不同的治理措施，使硫化氫治理更高效、更經濟。

4) 今后可考慮向智能化方向發展，實現不同區域硫化氫的自動化監測、智能識別與分級預警、多區域聯合分級治理，并不斷完善其管理制度，逐步實現煤礦硫化氫防治技術的標準化和經濟高效化。

5 結 語

通過近些年研究與應用，我國煤礦硫化氫防治技術取得了顯著成就，研究出了加大工作面風量、堿性溶液中和、煤層硫化氫抽放、泡沫封閉吸收、屏蔽水幕以及個體防護等多種硫化氫防治工藝，并提出了多方位硫化氫綜合應用，使得我國煤礦硫化氫防治技術達到了一個新高度。煤礦硫化氫的防治，對于保障煤礦工人的生命安全、保護機器設備不受腐蝕損害進而減少經濟財產損失有著重大意義。然而，受開采深度加深等因素影響，硫化氫精準高效防治還存在一些難題，今后還需要進一步加強相關理論基金研究，掌握硫化氫的產生賦存特征，構建硫化氫分級預警體系與智能監測預警系統，開發多區域煤礦硫化氫防治新工藝，在實踐中對煤礦硫化氫防治技術不斷研究、不斷創新。使硫化氫治理更高效、更經濟。