礦井硫化氫危險性分源分級評估方法研究及應用

金永飛，閆 浩，許亞奇，張 典

(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)

我國國民經濟快速發展，電力、化工等行業對煤炭的需求日益增長[1-3]。近年來，隨著煤礦開采范圍不斷擴大、開采深度持續增加，導致某些礦井硫化氫(H2S)異常涌出，硫化氫的危害越來越突出[4-6]。硫化氫是一種有毒有害氣體，在101.325 kPa大氣壓下，溫度為15.55 ℃時，其密度為1.438 kg/m3，容易溶入水，溶于水或在潮濕的環境下，呈酸性，可以腐蝕金屬物質，硫化氫氣體燃燒后會生成有毒氣體 SO2，與氧氣結合后容易發生爆炸。某些礦井受煤質等特殊條件的影響，回采時出現大量硫化氫涌出的現象，致使礦井不能安全正常生產。

目前，對礦井硫化氫的治理針對性較弱，大多停留在表面的噴灑堿液治理，較難根據特定濃度的硫化氫作出針對性預防與治理。筆者通過對礦井硫化氫進行分源分級評估，以實現硫化氫的經濟高效治理，有效保證井下作業人員的安全與健康，為安全生產提供有力保障。同時，通過治理硫化氫，減少其排放量，對環境保護具有一定的意義。

1 礦井硫化氫分源分級評估的原則及體系構建思路

1.1 評估的原則

在對礦井硫化氫進行分源分級評估時，應該針對礦井的實際情況和地理狀況等條件，并應遵循以下原則[7-9]：

1)可量化原則。篩選的所有評價指標都可以被科學量化，以科學合理地表達各指標的作用，達到良好的評價效果。

2)科學性原則。必須科學、客觀地評價，評估方法要運用客觀的理論分析來獲得，并形成一定的知識經驗互補。

3)可行性原則。評估方法的選定應考慮指標信息值的可獲得性，并且能體現出事物的可比性，盡可能簡化相關工作的相關程序，以保障方案的順利實施。

4)動態性原則。煤礦的生產系統是開放的損耗系統，并且隨著礦井環境的變化，影響因素的屬性也在變化，所以在對礦井硫化氫進行危險評估時，應該考慮這種動態變化。

5)定性與定量相結合原則。不同災害特征能夠由不同的指標來反映。在選擇指標時，應遵守定性與定量指標相結合的原則，不要漏掉任何重要指標。

6)準確性原則。所選定的評估方法要能夠對不同濃度、不同危害程度的硫化氫進行精確反映，這樣才能準確地傳達指示，確保作業人員的安全撤離。

1.2 評估體系構建的思路

根據礦井硫化氫的分源分布特征，提出的礦井硫化氫分源分級危險性評估體系構建的思路如圖1所示。

由圖1可以看出，首先針對礦井硫化氫的分源特點，選定工作面、采空區和原煤層3個硫化氫來源區域，以硫化氫吸收液的濃度為采空區和原煤層硫化氫的劃分依據，以硫化氫對人體的危害程度為工作面硫化氫的劃分依據。最后結合評估原則，將采空區和原煤層硫化氫劃分為易治理區域、難治理區域和較難治理區域3種類型；將工作面劃分為低硫化氫危險區域、中硫化氫危險區域、高硫化氫危險區域和超高硫化氫危險區域4類區域，并基于此對每個區域進行針對性治理。

2 礦井硫化氫分源分級評估體系構建

2.1 分級依據

1)根據《煤礦安全規程》對硫化氫濃度的規定，以及礦井不同濃度硫化氫對人體的危害程度，對工作面硫化氫嚴重等級進行劃分，以便于井下日常防范與管理，更好地保障井下工人的安全與健康。

《煤礦安全規程》規定，礦井中硫化氫的最高允許體積分數為0.000 66%。硫化氫濃度不同，對人體產生的危害也不同。硫化氫對人體影響的濃度等級[10]見表1。

表1 硫化氫對人體影響的濃度等級

2)根據采空區、原煤層硫化氫的測定結果，以硫化氫吸收液的消耗量所對應的硫化氫質量濃度為依據，對采空區不同位置的硫化氫濃度進行分級，針對不同級別的硫化氫采取不同的治理措施，以提高治理效果。采空區硫化氫吸收效率的影響因素[11-13]見表2。

表2 硫化氫吸收效率的影響因素

2.2 分級標準

1)工作面硫化氫分級標準。當硫化氫在空氣中的質量濃度低于6.60 mg/m3時，對人體感官產生影響，有輕微刺激，為低硫化氫危害區域；當質量濃度為6.60～72.07 mg/m3時，對人體有明顯刺激，使人產生強烈不適感，連續作業會危害人體健康，為中硫化氫危害區域；當質量濃度為72.07～144.14 mg/m3時，對人體產生嚴重刺激，短期暴露就會使人產生嚴重不適反應，對人體危害較大，為高硫化氫危害區域；當質量濃度超過144.14 mg/m3時，如果不立即撤離，就會對人體產生嚴重傷害，嚴重時會導致死亡，為超高硫化氫危害區域。

2)采空區、原煤層硫化氫分級標準。在采空區硫化氫質量濃度低于115.31 mg/m3的區域，對吸收液的濃度要求相對較小，為易治理區域；在質量濃度為115.31～216.21 mg/m3的區域，對吸收液的濃度要求較大，流量要求相對較小，為難治理區域；在質量濃度大于216.21 mg/m3的區域，對吸收液的流量要求較大，為較難治理區域。

2.3 評估體系構建

以礦井中硫化氫的最高允許濃度，以及不同濃度硫化氫的危害程度為劃分依據，對工作面硫化氫進行分級，并將工作面劃分為低硫化氫危險區域、中硫化氫危險區域、高硫化氫危險區域和超高硫化氫危險區域；以硫化氫吸收液的消耗量為依據，對采空區和原煤層硫化氫進行分級，并劃分為易治理區域、難治理區域和較難治理區域。結合評估原則，得到礦井硫化氫分源分級評估體系，如表3所示。

3 現場應用

依據上述礦井硫化氫分源分級危險性評估體系，對高家堡煤業202工作面原煤層的硫化氫危害程度進行判定：在采煤機割煤時，硫化氫的危害程度為Ⅱ級，用橙色預警，為難治理區域；在不割煤時，危害程度為Ⅲ級，用黃色預警，為易治理區域；將工作面的硫化氫危害程度評定為Ⅱ級，用橙色預警，屬于高硫化氫危害區域；將采空區的硫化氫危害程度評定為Ⅰ級，用紅色預警，為較難治理區域。

根據現場評估結果，對不同區域的硫化氫進行針對性治理，治理效果如下：

1)原煤層硫化氫治理效果

202工作面經過注堿性吸收液試驗，對注堿過程的監測數據進行分析整理，得到煤層采動過程中硫化氫的涌出情況，見表4。

2)工作面硫化氫治理效果

噴灑吸收液前后掘進機司機處硫化氫質量濃度測試結果見表5?？梢钥闯?，噴灑吸收液后，司機處硫化氫質量濃度隨噴灑吸收液體積分數的增大而減??；在噴灑吸收液體積分數為0.4%時，司機處硫化氫平均質量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的14.3 mg/m3，硫化氫吸收率為74.9%；在噴灑吸收液體積分數為0.8%時，司機處硫化氫平均質量濃度由噴液前的57.0 mg/m3降至噴液后的8.6 mg/m3，硫化氫吸收率達到84.9%，取得了較好的治理效果。

表5 噴灑吸收液前后掘進機司機處硫化氫濃度測試結果

3)采空區硫化氫治理效果

向采空區噴灑吸收液后，測得上隅角的硫化氫質量濃度由原來的196.0 mg/m3下降到57.0 mg/m3，當再次向上隅角噴灑體積分數為0.5%的吸收液后，硫化氫質量濃度下降至8.6 mg/m3，硫化氫吸收率達到95.0%，吸收效果較好。

將礦井硫化氫分源分級危險性評估方法，在陜西正通煤業高家堡煤礦進行了應用，經過試驗測試，各個區域的硫化氫濃度均下降至安全水平，效果良好。針對礦井不同區域的硫化氫隱患問題，所提出的分源分級評估方法能夠根據特定范圍內的硫化氫濃度，從而快速、有針對性地做出反饋，實現及時預警，提高了礦井管理水平，并且縮短了治理硫化氫的時間，節約了硫化氫吸收液的用量，對礦井硫化氫的治理有大的幫助。

4 結論

1)以硫化氫的危害程度和濃度為劃分依據，通過創建分級標準，結合評估原則，對礦井硫化氫危險性進行分源分級評估。

2)將工作面、采空區和原煤層的硫化氫劃分為低、中、高、超高4個等級，以便現場根據不同的等級來進行分源分級評估。

3)通過現場應用，依據分源分級評估結果采取的針對性治理措施效果明顯，驗證了所構建的礦井硫化氫分源分級評估體系的科學性和合理性，可為相似礦井硫化氫治理提供借鑒。