煤矿裂隙硫化氢综合防治技术应用

0 引言

在煤矿生产过程中有毒有害气体对人的健康、生命造成危害。我国政府不但成立了专门的政府机构，而且还相继出台并实施的《安全生产法》与《职业病防治法》等法津、法规，以保障职工的健康与安全，创造安全、健康的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故，保护人民生命和健康安全[1]。硫化氢（H2S）是一种剧毒气体，无色，有臭鸡蛋气味，相对密度为1.17，比空气重。H2S易燃，燃烧时火焰为蓝色，并产生另一种有毒气体SO2。与空气及氧气混合后遇火星易发生爆炸，其爆炸极限为4.0%～46.0%。H2S极易溶于水，溶于水或在潮湿的环境下呈酸性，对有机质和金属化合物具有很高的活性和腐蚀性。人的嗅觉能够感知硫化氢气味的浓度下限为0.2～0.3ppm（1ppm=10-6）。当硫化氢浓度为20～30ppm时就出现强烈臭鸡蛋气味；当浓度为100～150ppm时，会使人嗅觉麻痹；当浓度在10000ppm时，在数秒内会致人死亡[2]。《煤矿安全规程》*百条规定，井下H2S气体体积分数不得过6.6ppm。近年来，随着开采范围的扩大和开采深度的增加，一些煤矿中硫化氢问题越发突出。因此，煤矿硫化氢的防治对保障安全生产和工人身体健康具有重要的意义。

1 广安煤矿基本情况[3]

四川省鑫福矿业股份有限公司广安煤矿（以下简称广安煤矿）1987年10月开工，1995年10月投产，现生产能力为210kt/a。矿井为平硐开拓，主平硐口标高+497m，主要进风大巷和主要回风大巷均布置在底板茅口灰岩中。

煤矿井田在新华厦系第3沉降带四川盆地内，位于华蓥山复式褶皱带的龙王洞背斜中段北端，井田走向北15°东，恰位于龙王洞背斜面向北倾伏又局部抬起的高点部位，属倾伏状背斜埋藏，煤层未出露地表。背斜似“S”形，北部狭窄，两翼略宽，东翼稍陡，背斜南部宽阔呈箱状，深部西翼近于直立，东翼倾角还不到50°。在井田边界-100m标高以上范围内，一般为30°～47°，煤层大倾角约为70°，但范围极小，仅存在11线～12线之间的+100m至-100m的标高内。井田内构造形态简单，井田范围内地表未见断层，仅在12-3号和19-2号钻孔井深651.61m～653.63m和583.21m～558.17m处岩芯破碎，地层分别增厚18m和40m，推断分别存在一逆断层。

广安煤矿在采矿许可证划定的范围内允许开采K1煤层，K1煤层位于为二叠系龙潭组一段中部，层位稳定，全区可采。K1煤层上距龙潭组二段灰岩12.7～21.49m，平均16.28m；下距铝质泥岩0.7～14.84m，平均4.47m；距茅口组灰岩3.24～16.49m，平均6.76m。纯煤厚度0.70～2.85m，平均1.0m，属薄煤层。由东向西，由北向南有逐渐增厚趋势。煤层倾角变化较大，+600m标高以上5°～20°，+600～+500m标高为15°～30°。

井田内水文地质条件均属岩溶裂隙充水矿床，井田内高山脊偏离背斜轴部，一般标高+1000m左右，高山峰四方山，标高为+1139.5m，该山脊为地表的分水岭。两侧顺向冲沟发育，利于地表水的排泄，迳流条件好，并且无什么水体存在。大气降水后部分流入落水洞或漏斗中。根据矿井多年的开采实践，煤层采空区引起的顶板岩层坍塌带和塌陷裂隙带的高度，不会影响到长兴石灰岩含水层的水，因此对矿坑水也无威胁。井田内水地质条件简单，地下水动水位埋藏较深，循环能力不强，对矿坑水影响甚弱。由于矿井煤层属隐伏构造，煤层地表无出露，故未受小窑开采影响。

广安煤矿自建井以来有四次较严重的裂隙硫化氢、甲烷喷出，均发生在K1煤层底板茅口灰岩掘进工作面：*次是1991年11月在掘进+590m下车场时遇裂隙硫化氢、甲烷喷出，巷道回风侧硫化氢浓度达到16ppm，甲烷浓度达到2.6%，放炮后引起瓦斯燃烧，事后对该巷道进行了*性封闭；第二次是2006年8月+500m西南巷掘进至440m时遇裂隙硫化氢、甲烷喷出，巷道回风侧硫化氢浓度达到28ppm，甲烷浓度达到7.0%；第三次是2009年6月+500m西北运输巷掘进至350m时遇裂隙硫化氢、甲烷喷出，巷道回风侧硫化氢浓度达到21ppm，甲烷浓度达到8.0%；第四次是2010年3月7日在+500m西北运输巷掘进至720m时，发生裂隙硫化氢、甲烷喷出，据检测掘进工作面硫化氢浓度为2500ppm，甲烷浓度为12%，事故造成3人死亡，给矿井带来沉痛的教训。裂隙硫化氢、甲烷对岩巷掘进工作面以及其他采掘工作面安全生产造成了严重威胁。为了消除裂隙硫化氢、甲烷对安全生产的威胁，广安煤矿开展了对裂隙硫化氢、甲烷的防治工作。鉴于目前国内已有比较成熟的甲烷防治技术，本文重点阐述裂隙硫化氢防治技术的应用。 2 裂隙硫化氢成因及分布情况 硫化氢是在煤炭生成过程中有机物的腐烂所产生的一种气体。矿井开采后，采空区有机物质腐烂后也产生硫化氢。煤对硫化氢有很强的吸附能力。煤矿硫化氢异常的主要原因在于硫化氢的保存条件，华蓥山矿区喀斯特地形比较发育，有的溶洞和裂隙存在，这就为硫化氢的储存创造了条件。广安煤矿为华蓥山龙王洞背斜北端的末端，呈隐伏厢状，和地表没有通道，硫化氢呈高压状态封闭储存于溶洞和裂隙中。高压状态下的硫化氢喷出危害很大，如不采取措施或措施不到位，就会造成人员伤亡事故（2010年的“3.7”硫化氢中毒事故就是一个沉痛的教训）。 广安煤矿在揭露K1煤层进入底板茅口组30m～150m的黑色泥质灰岩中掘进+500m西北、西南运输大巷和+575m北、+590m南总回风巷等巷道，钎探和钻探时均遇到过裂隙构造，喷出高压硫化氢和甲烷气体。 在W55采区煤巷掘进中也出现过硫化氢，有硫化氢涌出的掘进工作面放炮后硫化氢浓度在10～20ppm（硫化氢涌出量为1.5～3L/min）之间，正常情况下硫化氢的浓度在0～3ppm（硫化氢涌出量0～0.45L/min）之间，在保持正常通风的情况下对安全生产的影响比较小。 在W5503和E5302采煤工作面局部区域出现过硫化氢涌出，有硫化氢涌出的区域放炮后浓度在10～30ppm，对安全生产构成威胁。 综上所述，广安煤矿在K1煤层底板茅口灰岩中距K1煤层层间距30～150m处岩溶发育，溶洞裂隙内及其影响区域富含高压力高浓度高含量的硫化氢；在K1煤层局部区域富含硫化氢气体。 3 裂隙硫化氢综合防治技术 3.1 硫化氢气体的监测监控 ①在有硫化氢气体涌出的采煤、掘进工作面、采区回风巷、一翼回风大巷、+818总回风斜井安装硫化氢传感器，安装位置符合《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》（AQ1029—2007）标准中甲烷传感器安装位置要求，实现对硫化氢气体的连续在线实时监测。当硫化氢传感器显示*，监控值班员必须立即向矿调度员报告。安监员和掘进工作面的瓦检员配备便携式硫化氢气体检测仪检测硫化氢，浓度*，及时向矿调度室汇报。调度员接到硫化氢限报告后，要及时组织硫化氢限区域停工撤人。 ②硫化氢检测地点和次数。前岩巷掘进工作面每班分别在工作面（拱顶、腰线、底板）和装岩机前后10m范围内中下部及回风风流进行详细检测。各班进班时、装药前和放炮后均必须检测硫化氢浓度。其他掘进工作面每班检测一次。 ③在距掘进工作面5m处的回风侧安装一台硫化氢传感器，在钻场钻机处安装一台硫化氢传感器，并对巷道内所有电气设备进行硫化氢电闭锁。硫化氢电闭锁断电浓度为≥6.6ppm，复电浓度为<6.6ppm。 3.2 岩巷掘工作面裂隙硫化氢防治技术 3.2.1 钻探技术 在岩巷掘进工作面必须通过长探钻孔探明裂隙硫化氢赋存情况，坚持“先探后掘”的原则。长探钻孔施工布置如图1。 ①每隔150m在巷道两帮各施工一个钻场，用液压钻机施工前探孔，每个钻场内施工2个探孔，探孔长度为160～200m，其中1个上向孔、1个下向孔，探孔终孔位置距巷帮10m～15m。②当掘进工作面距探孔终孔位置10m时，必须再次施工钻场和前钻孔探测裂隙硫化氢。硬岩探孔长度不足160m时，必须提前施工钻场、探孔，探孔要始终保持至少有10m的前距离。③钻孔方位角根据巷道方位角确定。钻孔相对于巷道的倾角、偏角均为3.9°。2#和4#钻孔开口位置距底板高1.0m，1#和3#钻孔开口位置距底板高1.4m。1#和3#孔为上向孔，2#和4#孔为下向孔。钻孔孔口距巷帮1.0m。④如前钻孔遇有裂隙硫化氢时，现场作业人员必须立即停止作业、关闭封孔器截止阀、不得拔出钻杆，撤出人员、向调度室汇报，由救护队员负责对其进行抽放施工。 3.2.2 钎探技术 掘进巷道前，先施工前钎探孔，钎探孔数量3个（如果岩石层理不清、紊乱，可适当增加钎探孔个数），分别位于碛头的左、右两帮和巷顶部，钎探孔外岔角30°（见图2）。钎探孔长度4m，循环进度不大于1.4m，每一循环必须施工钎探孔。如前钻孔未遇裂隙硫化氢，则可正常掘进，并在掘进工作面前方始终留足2.0m的安全屏障，再进行下一轮钎探。如前钎探孔遇有裂隙硫化氢时，现场作业人员必须立即停止作业、不得拔出钻杆、并立即撤出人员，向调度室汇报，由救护队员负责对其进行处理。只有当巷道风流中硫化氢浓度降到6.6ppm以下时才准恢复掘进。 3.2.3 防钻探喷孔技术 因钻探区域可能含高压力高浓度高含量的硫化氢气体，所有前长探钻孔施工均需安设防护装置，包括封孔器、截止阀等。 ①开孔及固管。用Φ75mm钻头开孔至孔深4m，再用Φ115mm钻头扩孔，插入Φ108mm无缝钢管制作的套管，并在管与孔壁间进行注浆密封和固定。②封孔器安装及试压。待固管砂浆凝固后，用Φ75mm钻头清水钻进至孔深5m，安装封孔器及钻杆逆止阀，通过注浆管加压至5MPa试压。合格后继续钻进。③探钻时如遇裂隙硫化氢涌出，必须立即关闭截止阀，撤出人员，由救护队员安装管路进行抽放。④裂隙硫化氢抽放。出现裂隙硫化氢气体后，当采取加大供风量、撒生石灰等措施处理后，仍然降不到安全浓度以下时，必须采取抽放措施进行处理。抽放裂隙硫化氢必须编制专门的安全技术措施，由救护队员负责实施。 3.3 煤巷掘进工作面裂隙硫化氢防治技术

①加大工作面风量。选用FBD5.6对旋式局部通风机替换原11kW局部通风机，将工作面有效风量由110m3/min提高到180m3/min，掘进工作面硫化氢稀释到安全浓度。②预抽硫化氢。预抽时间要尽量长，不得低于3个月。

3.4 采煤工作面硫化氢防治技术

①加强通风。采煤工作面实行分区通风，加大工作面风量，将硫化氢浓度稀释到安全浓度。

②预抽硫化氢。预抽时间不得低于3个月，顺层抽放孔孔间距3m。

③加强劳动组织。1）攉煤、支护、打眼放炮必须坚持两人一组作业，互相监护安全，搞好自主保安和互助保安工作。2）在攉煤前及攉煤过程中，作业人员必须利用乳化液系统的液压枪，对煤炭喷洒清水进行湿润，利用硫化氢溶于水的特性降低煤体中的硫化氢浓度。3）攉煤人员应先在基本支柱的*排与第二排之间攉煤壁侧煤炭，经安检员检测硫化氢浓度在安全规定范围内，在煤壁侧煤炭攉至平刮板机中部槽后，方能进入煤壁侧攉基本柱内的煤炭。

④及时封堵采空区及报废巷道。

3.5 个体防护

①进入采掘工作面的所有员工必须随身携带好压缩氧自救器，并达到应知应会，知道原理会使用，发现硫化氢异常时，迅速佩戴好自救器，撤离工作面到进风巷道。为避免硫化氢对眼睛刺激造成伤害，应佩戴护目镜。②在工作面机、风巷距安全出口30m处安装压风自救装置，压风自救装置数量应满足该工作面多工作人数需要，压风管径、风压、风量符合国家相关要求。当工作面硫化氢浓度过规程要求时，撤到进风巷的人员利用压风自救装置自救。③设置避灾硐室，避灾硐室符合国家相关要求。避灾硐室作为发爆器起爆位置，放炮时作业人员进入避灾硐室躲避。

4 结语

本文从分析研究广安煤矿裂隙硫化氢喷出特点和裂隙硫化氢的地质分布特征入手，结合本矿井的实际情况，提出裂隙硫化氢综合治理的技术方案并在现场实际应用，初步控制了底板岩巷掘进工作面揭穿岩溶喷出硫化氢、采煤工作面异常涌出硫化氢灾害和硫化氢中毒事故的发生，达到预期目标，为矿井安全生产创造了条件，取得了较好的安全经济效益和社会效益。