綜掘面泡沫治理硫化氫工藝參數(shù)研究

畢建乙

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

礦井開(kāi)采時(shí)，采掘工作面會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，硫化氫就是其中之一。采掘作業(yè)人員接觸高濃度的硫化氫之后，會(huì)出現(xiàn)眼睛疼痛紅腫、咳嗽等情況，甚至導(dǎo)致人員失去知覺(jué)、死亡等[1-2]；另外，硫化氫氣體爆炸性強(qiáng)，還會(huì)腐蝕采掘工作面設(shè)備和各類監(jiān)控設(shè)備[3-4]。我國(guó)有很多礦井受到硫化氫的危害，依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、河南、山東、新疆、四川、湖南和云南等地目前有100多座礦井都曾發(fā)生過(guò)采掘工作面硫化氫超限現(xiàn)象[5]。目前在治理采掘工作面硫化氫的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研工作者和現(xiàn)場(chǎng)管理人員采用了噴灑堿溶液、向煤層注堿溶液和抽采等技術(shù)[6-8]。因部分礦井對(duì)采掘工作面硫化氫賦存情況和涌出規(guī)律了解不到位，使硫化氫治理技術(shù)缺乏一定的針對(duì)性、科學(xué)性。因現(xiàn)場(chǎng)噴灑堿溶液很難全面、有效捕獲涌出的硫化氫，使得硫化氫治理效果較差[9-10]，例如：烏克蘭頓巴斯礦區(qū)技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)將濃度為0.1%～0.2%的蘇打水溶液混到濃度為0.2%～0.3%的表面活性劑噴灑液中，作業(yè)地點(diǎn)的硫化氫濃度減少了50%～80%，但在治理過(guò)程中發(fā)生因噴灑堿性液體淋濕工人衣服、嚴(yán)重影響作業(yè)人員視線等問(wèn)題。由于煤體本身吸附硫化氫的能力較強(qiáng)及煤體孔隙率較低，使得現(xiàn)場(chǎng)硫化氫抽采效率較低，僅在10%.由于對(duì)向工作面煤體注堿性吸收液工藝研究不夠深入，導(dǎo)致注后煤體吸收硫化氫效率較低，僅能達(dá)到50%[11-12]。本文將重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)工作面硫化氫氣體的分布規(guī)律和噴灑泡沫吸收液治理硫化氫技術(shù)進(jìn)行研究，為礦井治理硫化氫奠定一定的基礎(chǔ)。

1 綜掘面硫化氫變化規(guī)律

1.1 工作面概況

斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山掘進(jìn)工作面斷面尺寸為2.6 m×4.8 m(高×寬)，掘進(jìn)斷面積為12.48 m2，長(zhǎng)度為2 643 m，工作面為走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，傾角為8.5～9.9°，平均為9.5°；工作面所在煤層為13號(hào)煤層，局部割頂?shù)装鍘r石，煤厚12.25～14.79 m，平均13.89 m；所使用的風(fēng)機(jī)為2×30 kW，型號(hào)為FBD-№6.3，風(fēng)筒直徑為800 mm。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

當(dāng)掘進(jìn)面綜掘機(jī)分別割頂煤、中部煤層和底煤時(shí)，借助測(cè)試工具(CD4型便攜式硫化氫檢測(cè)儀)進(jìn)行測(cè)定掘進(jìn)面涌出的硫化氫氣體濃度。斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山掘進(jìn)工作面硫化氫氣體測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，從掘進(jìn)面后部選取一段風(fēng)流穩(wěn)定、斷面沒(méi)有變化的巷道，沿著巷道縱向上布置測(cè)點(diǎn)4個(gè)，即在巷道頂?shù)装甯叨确较蛏希鳒y(cè)點(diǎn)間距0.6 m，最下部測(cè)點(diǎn)距離底板0.4 m；沿著水平方向上布置測(cè)定5個(gè)，即從巷道左幫到右?guī)停總€(gè)測(cè)點(diǎn)保持與掘進(jìn)面煤壁1 m距離，各測(cè)點(diǎn)間距0.8 m，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)與煤幫間距0.8 m。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

1.3 沿縱向方向

圖2為當(dāng)掘進(jìn)面綜掘機(jī)分別割頂煤、中部煤層和底煤時(shí)，沿著巷道縱向上，從巷道底板到頂板方向上的硫化氫濃度分布規(guī)律。從圖2可發(fā)現(xiàn)，由于硫化氫氣體比空氣，從而形成沉降作用，導(dǎo)致在掘進(jìn)機(jī)割煤所產(chǎn)生的硫化氫氣體沿著巷道縱向上逐步減小；當(dāng)割頂煤時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得沿著巷道縱向上，距離底板0.6 m、1.2 m、1.8 m和2.4 m的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別為64.9×10-6、61.8×10-6、48.1×10-6和43.7×10-6。當(dāng)掘進(jìn)面煤體被進(jìn)一步破碎，會(huì)向巷道釋放大量的硫化氫氣體，導(dǎo)致在截割頂煤和中部煤體時(shí)，掘進(jìn)面所產(chǎn)生的硫化氫濃度明顯超過(guò)割底煤時(shí)；在距離巷道底板0.6 m的測(cè)點(diǎn)，分別實(shí)測(cè)得到割頂煤、中部煤時(shí)掘進(jìn)面產(chǎn)生硫化氫體積分?jǐn)?shù)為64.9×10-6、60.8×10-6，對(duì)比割底煤時(shí)濃度升高了24×10-6、19.9×10-6。以上實(shí)測(cè)結(jié)果證明：在防治掘進(jìn)面生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的高濃度硫化氫時(shí)，防治的核心是掘進(jìn)機(jī)截割頂煤、中部煤，另外也不可忽視割底煤。

圖2 沿著巷道縱向上硫化氫分布規(guī)律

1.4 沿水平方向

圖3為當(dāng)掘進(jìn)面綜掘機(jī)割中部煤層時(shí)，沿著巷道水平方向上，從巷道左幫到右?guī)偷牧蚧瘹錆舛确植家?guī)律。從圖3可發(fā)現(xiàn)，由于掘進(jìn)面通風(fēng)情況與“U型”通風(fēng)流場(chǎng)類似，導(dǎo)致掘進(jìn)面左側(cè)供風(fēng)點(diǎn)到掘進(jìn)機(jī)截齒頭的上方、掘進(jìn)面右側(cè)回風(fēng)點(diǎn)每個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的硫化氫濃度逐步升高；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道左側(cè)進(jìn)風(fēng)地點(diǎn)距離截齒頭1.6 m、0.8 m、0 m(截齒頭正上方)水平距離及右側(cè)回風(fēng)地點(diǎn)距離截齒頭0.8 m、1.6 m水平距離的硫化氫濃度分別為5.6×10-6、15.9×10-6、49.1×10-6、63.2×10-6和59.8×10-6。實(shí)測(cè)結(jié)果證明，在防治掘進(jìn)面截齒頭周圍產(chǎn)生的硫化氫時(shí)， 防治的重點(diǎn)是截齒頭到掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)范圍。

圖3 沿水平方向上硫化氫分布規(guī)律

2 泡沫治理硫化氫

2.1 治理機(jī)理

通過(guò)在掘進(jìn)機(jī)上安設(shè)泡沫噴射裝置，當(dāng)啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)截割煤體前1～2 min和全部掘進(jìn)過(guò)程中，向掘進(jìn)面煤壁和落煤空間噴射泡沫吸收液。因泡沫具有較大比表面積的特點(diǎn)，提高泡沫吸收液與硫化氫氣體的接觸機(jī)率，從而提高硫化氫的治理效果；由于泡沫吸收液具有很強(qiáng)的覆蓋效應(yīng)，可將掘進(jìn)中掘進(jìn)面涌出的硫化氫控制在一定范圍，防止硫化氫釋放到整個(gè)掘進(jìn)面，達(dá)到最大程度中和吸收硫化氫的效果；根據(jù)泡沫吸收液的酸堿中和作用，可在源頭上中和吸收掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的硫化氫，實(shí)現(xiàn)有效減少掘進(jìn)面產(chǎn)生的硫化氫涌向巷道的目的[13-15]。泡沫治理硫化氫的機(jī)理如圖4所示。

圖4 治理硫化氫機(jī)理

2.2 泡沫噴射裝置

2.2.1 吸收液流量及泡沫劑濃度初始值

根據(jù)泡沫吸收液治理硫化氫理論分析，結(jié)合掘進(jìn)面泡沫、噴霧防塵實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置吸收液流量的初步值為40 L/min、泡沫劑濃度的初步值為0.5%.

2.2.2 計(jì)算吸收液濃度

1) 掘進(jìn)面硫化氫涌出量VH采用公式(1)計(jì)算：

VH=10-6QC

(1)

式中：Q為掘進(jìn)面供風(fēng)量，取300 m3/min；C為掘進(jìn)面產(chǎn)生的硫化氫濃度，取65×10-6。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得硫化氫涌出量為20 L/min。

2) 依據(jù)化學(xué)方程式A+H2S→BS+C(A代表吸收劑，BS、C代表生成物質(zhì))，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到吸收劑A所用量MA：

MA=VHMmK/Vm

(2)

式中：Vm為硫化氫摩爾體積，取22.4 L/mol；Mm為吸收劑摩爾質(zhì)量，取108 g/mol；K為泡沫劑吸收硫化氫的安全系數(shù)，取2.5。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到所需吸收劑的使用量為0.24 kg/min。

3) 吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)ρ采用公式(3)計(jì)算：

ρ=MA/(MA+L)×100%

(3)

式中：L為吸收液流量，取40 L/min。

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代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%.

2.2.3 設(shè)計(jì)泡沫噴射裝置

通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究泡沫裝置的選型及安設(shè)，根據(jù)泡沫劑、吸收液的濃度流量計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合掘進(jìn)面實(shí)際情況，選擇2臺(tái)礦用泡沫除塵裝置，型號(hào)為ZJPK-06，連接方式為并聯(lián)噴射，具體如圖5所示，裝置主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 吸收液泡沫噴灑裝置

表1 泡沫噴射裝置主要參數(shù)

2.2.4 安設(shè)泡沫噴射系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)泡沫吸收液噴射后將掘進(jìn)面完全覆蓋的目的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，在掘進(jìn)機(jī)截齒頭根部附近安設(shè)泡沫噴射裝置，如圖6所示。

圖6 安設(shè)泡沫噴射系統(tǒng)

由于掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)硫化氫濃度顯著超過(guò)供風(fēng)側(cè)，要想實(shí)現(xiàn)充分吸收掘進(jìn)面硫化氫的目的，根據(jù)泡沫噴射裝置與掘進(jìn)面煤壁2.5 m的距離及40°噴射張角，共布置8個(gè)噴頭：噴射裝置的中間安設(shè)2個(gè)噴頭，調(diào)整與噴射裝置90°夾角；在左右兩側(cè)分別安設(shè)3個(gè)噴頭，調(diào)整與噴射裝置70°、45°的夾角。在掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤上安設(shè)吸收液泡沫發(fā)生裝置，供液泵站通過(guò)自制的安裝架托住，安設(shè)固定在二部輸送帶的溜道后部，同時(shí)跟著掘進(jìn)機(jī)不斷向前移動(dòng)。

3 泡沫治理硫化氫效果的影響因素分析

為充分了解泡沫吸收液治理硫化氫效果的影響因素，以斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山綜掘工作面為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，重點(diǎn)研究泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、吸收液流量以及吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硫化氫吸收效果的影響。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，利用CD4型便攜式硫化氫檢測(cè)儀分別測(cè)試掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后5 m處，再噴灑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)泡沫劑前后的硫化氫濃度，在噴灑泡沫劑之前，掘進(jìn)面生產(chǎn)期間的硫化氫濃度在73.9%左右浮動(dòng)。

3.1 泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)

泡沫吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)，硫化氫的治理效果如圖7所示。

由圖7得到：當(dāng)吸收液流量為40 L/min、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，隨著泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，掘進(jìn)面涌出的硫化氫氣體的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，硫化氫吸收效率逐漸升高。當(dāng)泡沫劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%、0.4%、0.5%和0.6%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位于掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)的掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后方5 m處的硫化氫體積分?jǐn)?shù)為26.8×10-6、13.9×10-6、12.8×10-6和12.6×10-6，與噴射泡沫劑前相比，硫化氫的吸收效率達(dá)到62.7%、80.9%、81.5%和81.8%。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)泡沫劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至0.4%之后，雖繼續(xù)采取升高泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的手段，但是硫化氫的吸收效率增加幅度卻不是非常明顯；當(dāng)泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到0.5%和0.6%時(shí)，相比泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，掘進(jìn)面硫化氫的吸收效率僅升高0.6%和0.9%.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)硫化氫吸收效果以及治理費(fèi)用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山綜掘工作面采用噴灑泡沫吸收液的方式來(lái)治理硫化氫的泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，硫化氫吸收效率可高達(dá)80.9%.

3.2 吸收液流量

隨著吸收液流量的變化，掘進(jìn)面硫化氫治理效果的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 隨吸收液流量的變化硫化氫治理效果

由圖8得到：在泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，隨著吸收液流量的升高，掘進(jìn)面生產(chǎn)中涌出的硫化氫濃度逐步降低，硫化氫吸收效率逐步升高。當(dāng)控制吸收液流量為30 L/min、40 L/min、50 L/min和60 L/min時(shí)，實(shí)測(cè)位于掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后5 m處，硫化氫濃度分別為20.1×10-6、15.1×10-6、14.2×10-6和12.9×10-6，與噴射吸收液泡沫前相對(duì)比，硫化氫吸收效率分別達(dá)到72.9%、80.9%、81.3%和81.7%.同時(shí)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)吸收液流量升高至40 L/min后，再通過(guò)繼續(xù)增加吸收液流量的方法以增強(qiáng)硫化氫吸收效率增加幅度不是非常明顯；當(dāng)吸收液流量升高至50 L/min、60 L/min時(shí)，與40 L/min的吸收液流量相比，硫化氫吸收效率僅增加了0.4%、0.8%.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)硫化氫吸收效果及治理費(fèi)用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山綜掘工作面采用噴灑吸收液泡沫的方式來(lái)治理硫化氫的吸收液流量為40 L/min，硫化氫吸收效率可高達(dá)80.9%.

3.3 吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)硫化氫的治理效果情況如圖9所示。由圖9發(fā)現(xiàn)：當(dāng)泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，吸收液流量控制在40 L/min時(shí)，隨著吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，掘進(jìn)面涌出的硫化氫濃度在逐步降低，硫化氫的吸收效率在逐步升高。當(dāng)吸收液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.6%、0.8%和1.0%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掘進(jìn)面回風(fēng)側(cè)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后方5 m處，硫化氫濃度達(dá)到22.9×10-6、15.1×10-6、10.8×10-6和10.4×10-6，與噴灑吸收液前相比，硫化氫吸收效率達(dá)到69.1%、81.6%、85.4%和85.7%.同時(shí)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至一定程度后，再繼續(xù)通過(guò)升高吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的途徑以增加硫化氫的吸收效率增加幅度不會(huì)非常明顯；當(dāng)吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%時(shí)，掘進(jìn)面硫化氫的吸收效率達(dá)到69.1%，當(dāng)吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高到0.6%時(shí)，與吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)相比，掘進(jìn)面硫化氫吸收效率的升高值為12.5%；當(dāng)吸收液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別升高到0.8%、1.0%時(shí)，與0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吸收液相比，硫化氫的吸收效率的升高值為3.8%、4.1%.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)硫化氫吸收效果以及治理費(fèi)用，滿足斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山綜掘工作面噴灑吸收液的方式來(lái)治理硫化氫的吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，硫化氫吸收效率可高達(dá)85.4%.

圖9 吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)硫化氫的治理效果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：掘進(jìn)面割煤時(shí)沿著縱向上所產(chǎn)生的硫化氫逐漸降低；割底煤時(shí)所產(chǎn)生的硫化氫濃度小于割頂煤及中部煤層；掘進(jìn)面生產(chǎn)期間所產(chǎn)生的硫化氫濃度由低到高的順序：割底煤<割中部煤<割頂煤。

2) 通過(guò)在斜溝煤礦25采區(qū)輔助運(yùn)輸上山使用控制變量法測(cè)試獲得泡沫高效治理硫化氫的工藝參數(shù)：泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、吸收液流量和吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、40 L/min和0.8%.實(shí)施泡沫治理硫化氫工藝后，掘進(jìn)面生產(chǎn)期間所產(chǎn)生的硫化氫體積分?jǐn)?shù)由73.9×10-6減少到10.8×10-6，硫化氫吸收效率高達(dá)85.4%，掘進(jìn)面的硫化氫得到了有效控制。