综掘面泡沫治理硫化氢工艺参数研究

毕建乙

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

矿井开采时，采掘工作面会产生大量的有毒有害气体，硫化氢就是其中之一。采掘作业人员接触高浓度的硫化氢之后，会出现眼睛疼痛红肿、咳嗽等情况，甚至导致人员失去知觉、死亡等[1-2]；另外，硫化氢气体爆炸性强，还会腐蚀采掘工作面设备和各类监控设备[3-4]。我国有很多矿井受到硫化氢的危害，依据相关统计数据，山西、陕西、内蒙古、宁夏、河南、山东、新疆、四川、湖南和云南等地目前有100多座矿井都曾发生过采掘工作面硫化氢超限现象[5]。目前在治理采掘工作面硫化氢的过程中，国内外相关科研工作者和现场管理人员采用了喷洒碱溶液、向煤层注碱溶液和抽采等技术[6-8]。因部分矿井对采掘工作面硫化氢赋存情况和涌出规律了解不到位，使硫化氢治理技术缺乏一定的针对性、科学性。因现场喷洒碱溶液很难全面、有效捕获涌出的硫化氢，使得硫化氢治理效果较差[9-10]，例如：乌克兰顿巴斯矿区技术人员在现场将浓度为0.1%～0.2%的苏打水溶液混到浓度为0.2%～0.3%的表面活性剂喷洒液中，作业地点的硫化氢浓度减少了50%～80%，但在治理过程中发生因喷洒碱性液体淋湿工人衣服、严重影响作业人员视线等问题。由于煤体本身吸附硫化氢的能力较强及煤体孔隙率较低，使得现场硫化氢抽采效率较低，仅在10%.由于对向工作面煤体注碱性吸收液工艺研究不够深入，导致注后煤体吸收硫化氢效率较低，仅能达到50%[11-12]。本文将重点对掘进工作面硫化氢气体的分布规律和喷洒泡沫吸收液治理硫化氢技术进行研究，为矿井治理硫化氢奠定一定的基础。

1 综掘面硫化氢变化规律

1.1 工作面概况

斜沟煤矿25采区辅助运输上山掘进工作面断面尺寸为2.6 m×4.8 m(高×宽)，掘进断面积为12.48 m2，长度为2 643 m，工作面为走向近南北、倾向西的单斜构造，倾角为8.5～9.9°，平均为9.5°；工作面所在煤层为13号煤层，局部割顶底板岩石，煤厚12.25～14.79 m，平均13.89 m；所使用的风机为2×30 kW，型号为FBD-№6.3，风筒直径为800 mm。

1.2 测点布置

当掘进面综掘机分别割顶煤、中部煤层和底煤时，借助测试工具(CD4型便携式硫化氢检测仪)进行测定掘进面涌出的硫化氢气体浓度。斜沟煤矿25采区辅助运输上山掘进工作面硫化氢气体测点布置情况如图1所示。结合现场实际条件，从掘进面后部选取一段风流稳定、断面没有变化的巷道，沿着巷道纵向上布置测点4个，即在巷道顶底板高度方向上，各测点间距0.6 m，最下部测点距离底板0.4 m；沿着水平方向上布置测定5个，即从巷道左帮到右帮，每个测点保持与掘进面煤壁1 m距离，各测点间距0.8 m，两侧测点与煤帮间距0.8 m。

图1 测点布置

1.3 沿纵向方向

图2为当掘进面综掘机分别割顶煤、中部煤层和底煤时，沿着巷道纵向上，从巷道底板到顶板方向上的硫化氢浓度分布规律。从图2可发现，由于硫化氢气体比空气，从而形成沉降作用，导致在掘进机割煤所产生的硫化氢气体沿着巷道纵向上逐步减小；当割顶煤时，现场测得沿着巷道纵向上，距离底板0.6 m、1.2 m、1.8 m和2.4 m的4个测点的硫化氢体积分数分别为64.9×10-6、61.8×10-6、48.1×10-6和43.7×10-6。当掘进面煤体被进一步破碎，会向巷道释放大量的硫化氢气体，导致在截割顶煤和中部煤体时，掘进面所产生的硫化氢浓度明显超过割底煤时；在距离巷道底板0.6 m的测点，分别实测得到割顶煤、中部煤时掘进面产生硫化氢体积分数为64.9×10-6、60.8×10-6，对比割底煤时浓度升高了24×10-6、19.9×10-6。以上实测结果证明：在防治掘进面生产过程所产生的高浓度硫化氢时，防治的核心是掘进机截割顶煤、中部煤，另外也不可忽视割底煤。

图2 沿着巷道纵向上硫化氢分布规律

1.4 沿水平方向

图3为当掘进面综掘机割中部煤层时，沿着巷道水平方向上，从巷道左帮到右帮的硫化氢浓度分布规律。从图3可发现，由于掘进面通风情况与“U型”通风流场类似，导致掘进面左侧供风点到掘进机截齿头的上方、掘进面右侧回风点每个测点产生的硫化氢浓度逐步升高；现场实测巷道左侧进风地点距离截齿头1.6 m、0.8 m、0 m(截齿头正上方)水平距离及右侧回风地点距离截齿头0.8 m、1.6 m水平距离的硫化氢浓度分别为5.6×10-6、15.9×10-6、49.1×10-6、63.2×10-6和59.8×10-6。实测结果证明，在防治掘进面截齿头周围产生的硫化氢时， 防治的重点是截齿头到掘进面回风侧范围。

图3 沿水平方向上硫化氢分布规律

2 泡沫治理硫化氢

2.1 治理机理

通过在掘进机上安设泡沫喷射装置，当启动掘进机截割煤体前1～2 min和全部掘进过程中，向掘进面煤壁和落煤空间喷射泡沫吸收液。因泡沫具有较大比表面积的特点，提高泡沫吸收液与硫化氢气体的接触机率，从而提高硫化氢的治理效果；由于泡沫吸收液具有很强的覆盖效应，可将掘进中掘进面涌出的硫化氢控制在一定范围，防止硫化氢释放到整个掘进面，达到最大程度中和吸收硫化氢的效果；根据泡沫吸收液的酸碱中和作用，可在源头上中和吸收掘进过程产生的硫化氢，实现有效减少掘进面产生的硫化氢涌向巷道的目的[13-15]。泡沫治理硫化氢的机理如图4所示。

图4 治理硫化氢机理

2.2 泡沫喷射装置

2.2.1 吸收液流量及泡沫剂浓度初始值

根据泡沫吸收液治理硫化氢理论分析，结合掘进面泡沫、喷雾防尘实践经验，设置吸收液流量的初步值为40 L/min、泡沫剂浓度的初步值为0.5%.

2.2.2 计算吸收液浓度

1) 掘进面硫化氢涌出量VH采用公式(1)计算：

VH=10-6QC

(1)

式中：Q为掘进面供风量，取300 m3/min；C为掘进面产生的硫化氢浓度，取65×10-6。

代入数据计算得硫化氢涌出量为20 L/min。

2) 依据化学方程式A+H2S→BS+C(A代表吸收剂，BS、C代表生成物质)，根据公式(2)计算得到吸收剂A所用量MA：

MA=VHMmK/Vm

(2)

式中：Vm为硫化氢摩尔体积，取22.4 L/mol；Mm为吸收剂摩尔质量，取108 g/mol；K为泡沫剂吸收硫化氢的安全系数，取2.5。

代入数据计算得到所需吸收剂的使用量为0.24 kg/min。

3) 吸收液质量分数ρ采用公式(3)计算：

ρ=MA/(MA+L)×100%

(3)

式中：L为吸收液流量，取40 L/min。

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代入数据计算得到吸收液质量分数为0.6%.

2.2.3 设计泡沫喷射装置

通过机械设计方法研究泡沫装置的选型及安设，根据泡沫剂、吸收液的浓度流量计算结果，同时结合掘进面实际情况，选择2台矿用泡沫除尘装置，型号为ZJPK-06，连接方式为并联喷射，具体如图5所示，装置主要参数见表1。

图5 吸收液泡沫喷洒装置

表1 泡沫喷射装置主要参数

2.2.4 安设泡沫喷射系统

为实现泡沫吸收液喷射后将掘进面完全覆盖的目的，结合现场实际条件，在掘进机截齿头根部附近安设泡沫喷射装置，如图6所示。

图6 安设泡沫喷射系统

由于掘进面回风侧硫化氢浓度显著超过供风侧，要想实现充分吸收掘进面硫化氢的目的，根据泡沫喷射装置与掘进面煤壁2.5 m的距离及40°喷射张角，共布置8个喷头：喷射装置的中间安设2个喷头，调整与喷射装置90°夹角；在左右两侧分别安设3个喷头，调整与喷射装置70°、45°的夹角。在掘进机旋转盘上安设吸收液泡沫发生装置，供液泵站通过自制的安装架托住，安设固定在二部输送带的溜道后部，同时跟着掘进机不断向前移动。

3 泡沫治理硫化氢效果的影响因素分析

为充分了解泡沫吸收液治理硫化氢效果的影响因素，以斜沟煤矿25采区辅助运输上山综掘工作面为实验地点，重点研究泡沫剂质量分数、吸收液流量以及吸收液质量分数对硫化氢吸收效果的影响。现场试验时，利用CD4型便携式硫化氢检测仪分别测试掘进面回风侧掘进机司机后5 m处，再喷洒不同质量分数泡沫剂前后的硫化氢浓度，在喷洒泡沫剂之前，掘进面生产期间的硫化氢浓度在73.9%左右浮动。

3.1 泡沫剂质量分数

泡沫吸收液质量分数不同时，硫化氢的治理效果如图7所示。

由图7得到：当吸收液流量为40 L/min、质量分数为0.6%时，随着泡沫剂质量分数的增加，掘进面涌出的硫化氢气体的体积分数逐渐降低，硫化氢吸收效率逐渐升高。当泡沫剂的质量分数达到0.3%、0.4%、0.5%和0.6%时，现场实测位于掘进面回风侧的掘进机司机后方5 m处的硫化氢体积分数为26.8×10-6、13.9×10-6、12.8×10-6和12.6×10-6，与喷射泡沫剂前相比，硫化氢的吸收效率达到62.7%、80.9%、81.5%和81.8%。同时可发现：当泡沫剂的质量分数升高至0.4%之后，虽继续采取升高泡沫剂质量分数的手段，但是硫化氢的吸收效率增加幅度却不是非常明显；当泡沫剂质量分数升高到0.5%和0.6%时，相比泡沫剂质量分数为0.4%时，掘进面硫化氢的吸收效率仅升高0.6%和0.9%.结合现场硫化氢吸收效果以及治理费用，满足斜沟煤矿25采区辅助运输上山综掘工作面采用喷洒泡沫吸收液的方式来治理硫化氢的泡沫剂质量分数为0.4%，硫化氢吸收效率可高达80.9%.

3.2 吸收液流量

随着吸收液流量的变化，掘进面硫化氢治理效果的变化规律如图8所示。

图8 随吸收液流量的变化硫化氢治理效果

由图8得到：在泡沫剂质量分数为0.4%、吸收液质量分数为0.6%时，随着吸收液流量的升高，掘进面生产中涌出的硫化氢浓度逐步降低，硫化氢吸收效率逐步升高。当控制吸收液流量为30 L/min、40 L/min、50 L/min和60 L/min时，实测位于掘进面回风侧掘进机司机后5 m处，硫化氢浓度分别为20.1×10-6、15.1×10-6、14.2×10-6和12.9×10-6，与喷射吸收液泡沫前相对比，硫化氢吸收效率分别达到72.9%、80.9%、81.3%和81.7%.同时可发现：当吸收液流量升高至40 L/min后，再通过继续增加吸收液流量的方法以增强硫化氢吸收效率增加幅度不是非常明显；当吸收液流量升高至50 L/min、60 L/min时，与40 L/min的吸收液流量相比，硫化氢吸收效率仅增加了0.4%、0.8%.结合现场硫化氢吸收效果及治理费用，满足斜沟煤矿25采区辅助运输上山综掘工作面采用喷洒吸收液泡沫的方式来治理硫化氢的吸收液流量为40 L/min，硫化氢吸收效率可高达80.9%.

3.3 吸收液质量分数

吸收液质量分数不同时硫化氢的治理效果情况如图9所示。由图9发现：当泡沫剂质量分数为0.4%，吸收液流量控制在40 L/min时，随着吸收液质量分数的升高，掘进面涌出的硫化氢浓度在逐步降低，硫化氢的吸收效率在逐步升高。当吸收液的质量分数为0.4%、0.6%、0.8%和1.0%时，现场实测掘进面回风侧掘进机司机后方5 m处，硫化氢浓度达到22.9×10-6、15.1×10-6、10.8×10-6和10.4×10-6，与喷洒吸收液前相比，硫化氢吸收效率达到69.1%、81.6%、85.4%和85.7%.同时可发现：当吸收液质量分数升高至一定程度后，再继续通过升高吸收液质量分数的途径以增加硫化氢的吸收效率增加幅度不会非常明显；当吸收液质量分数达到0.4%时，掘进面硫化氢的吸收效率达到69.1%，当吸收液质量分数升高到0.6%时，与吸收液质量分数为0.4%时相比，掘进面硫化氢吸收效率的升高值为12.5%；当吸收液的质量分数分别升高到0.8%、1.0%时，与0.6%质量分数的吸收液相比，硫化氢的吸收效率的升高值为3.8%、4.1%.结合现场硫化氢吸收效果以及治理费用，满足斜沟煤矿25采区辅助运输上山综掘工作面喷洒吸收液的方式来治理硫化氢的吸收液质量分数为0.8%，硫化氢吸收效率可高达85.4%.

图9 吸收液质量分数不同时硫化氢的治理效果

4 结 语

1) 通过现场测试发现：掘进面割煤时沿着纵向上所产生的硫化氢逐渐降低；割底煤时所产生的硫化氢浓度小于割顶煤及中部煤层；掘进面生产期间所产生的硫化氢浓度由低到高的顺序：割底煤<割中部煤<割顶煤。

2) 通过在斜沟煤矿25采区辅助运输上山使用控制变量法测试获得泡沫高效治理硫化氢的工艺参数：泡沫剂质量分数、吸收液流量和吸收液质量分数分别为0.4%、40 L/min和0.8%.实施泡沫治理硫化氢工艺后，掘进面生产期间所产生的硫化氢体积分数由73.9×10-6减少到10.8×10-6，硫化氢吸收效率高达85.4%，掘进面的硫化氢得到了有效控制。