程 麗

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引 言

在礦井的開(kāi)采中,往往會(huì)伴隨著H2S氣體的產(chǎn)生,當(dāng)其濃度達(dá)到50×10-6時(shí),會(huì)使接觸人員產(chǎn)生咳嗽或眼睛紅腫疼痛等癥狀;濃度繼續(xù)增加可能會(huì)危脅生命。從物化性質(zhì)分析,H2S較為活潑,會(huì)很快腐蝕金屬及其他材質(zhì)儀器,濃度達(dá)到0.043～0.460時(shí),會(huì)有爆炸隱患[1-5]。H2S濃度較高是煤礦開(kāi)采中常見(jiàn)問(wèn)題,至今,我國(guó)新疆等多個(gè)地區(qū)的近百礦井有過(guò)H2S氣體異常的記錄。國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家從成因、H2S形成機(jī)理以及防治措施等方面進(jìn)行了研究,形成了較為系統(tǒng)的治理措施[6-10]。本文以烏東煤礦為研究背景進(jìn)行了綜采工作面的H2S災(zāi)害治理技術(shù)研究和工藝參數(shù)優(yōu)化。在烏東煤礦的開(kāi)采過(guò)程中,H2S氣體異常涌出,高于相關(guān)規(guī)程規(guī)定(6.6×10-6)近700倍,礦井H2S必須引起重視。由于放頂煤技術(shù)工藝的特性,在放煤時(shí)會(huì)有大量H2S氣體涌出,工作面H2S也主要是這一部分,因此有必要對(duì)支架放煤時(shí)H2S氣體的涌出規(guī)律監(jiān)測(cè)、分析,并結(jié)合噴灑液吸收H2S氣體試驗(yàn)研究,提出防治措施優(yōu)化參數(shù),進(jìn)行H2S治理,為相似礦井綜采工作面的H2S氣體防治提供借鑒和參考。

1 支架放煤擾動(dòng)H2S擴(kuò)散分布規(guī)律

在北區(qū)的+575水平45號(hào)煤層西翼綜采工作面設(shè)置了氣體測(cè)點(diǎn)。由于該工作面煤層較厚,故沿放煤支架下風(fēng)流方向及后部放煤空間至支架人行道方向布點(diǎn),并采用CD4型H2S便攜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1 支架放煤下風(fēng)流沿程方向H2S擴(kuò)散分布規(guī)律

在生產(chǎn)中放煤時(shí),由于放煤機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)和后部溜槽運(yùn)煤的擾動(dòng),會(huì)有H2S涌出,且隨著其后部氣體的流動(dòng)而流動(dòng)。

分別在不同位置設(shè)置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)(1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 m)。 采用 10-6為計(jì)數(shù)單位,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯河捎诜琶河砍龅腍2S體積分?jǐn)?shù)具有隨距離增加而減小的趨勢(shì);且在4.5 m后,H2S減小趨勢(shì)變?nèi)?這可能是由于受到了后溜槽運(yùn)煤擾動(dòng)涌出的H2S二次疊加的影響。

圖1 H2S在下風(fēng)流向分布Fig.1 Return airflow distribution of hydrogen sulfide

1.2 支架后溜槽至人行道方向H2S擴(kuò)散分布規(guī)律

分別在支架后溜槽、后溜槽與支架人行道中部、支架人行道靠近后立柱等處布點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),結(jié)果如圖2所示。可以看出,在后部煤體阻擋作用下,放煤時(shí)涌出的H2S會(huì)向人行道方向流動(dòng),并且隨距離的增加有逐漸減小的趨勢(shì)。

2 噴灑吸收液治理H2S的影響因素

噴灑液體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行H2S氣體吸收是現(xiàn)在業(yè)內(nèi)公認(rèn)的有效治理技術(shù)之一。但是因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行針對(duì)性的研究,致使吸收效率只能達(dá)到60%。通過(guò)改變治理技術(shù)條件進(jìn)行模擬,以深入了解各影響因素的作用,提高治理效果。目前使用的吸收液的主要化學(xué)添加成分為CaCO3,但中和反應(yīng)后形成的尾液不穩(wěn)定,有H2S揮發(fā)出來(lái),因此,在溶液中加入代號(hào)為WT的高效氧化劑,直接將溶液中吸收的硫元素變?yōu)閱钨|(zhì)硫。

圖2 H2S沿人行道方向變化Fig.2 Hydrogen sulfide changes along the sidewalk

2.1 噴灑吸收液治理煤礦H2S實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建立

模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。根據(jù)實(shí)際情況將風(fēng)速設(shè)置為 0.5 ～ 3.0 m/s、H2S 濃度為 50×10-6～200×10-6。改變微壓計(jì)、風(fēng)機(jī)及變頻器等設(shè)施,得到模擬試驗(yàn)所需外部條件;通過(guò)噴吸收液凈化H2S模擬裝置、H2S發(fā)送系統(tǒng)控制噴灑液濃度;通過(guò)調(diào)節(jié)噴吸收液裝置、吸收液供應(yīng)泵站控制液體噴灑量,尾液、尾氣處理裝置可避免環(huán)境污染。

圖3 噴灑吸收液治理H2S實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Laboratory test system of spray absorption liquid to control hydrogen sulfide

2.2 風(fēng)速的影響

參數(shù)設(shè)置：吸收液濃度 0.2%,流量 18、27、54 L/min,壓力 8 MPa;風(fēng)速0.5、1.0、2.0、3.0 m/s。 試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可以看出,當(dāng)條件固定時(shí),吸收效率和風(fēng)速成反比。當(dāng)流量為27 L/min時(shí),風(fēng)速由初始值增至最高值,吸收效率從峰值的97.1%減小到83.3%。原因是：流量一定,隨風(fēng)速增大,液體流動(dòng)加快,液體中的化學(xué)分子沒(méi)有完全接觸空氣中的H2S,導(dǎo)致吸收效果下降。風(fēng)速不變時(shí)單純?cè)龃笠后w的流量,吸收效率有變大的趨勢(shì)。如風(fēng)速為2 m/s時(shí),將流量從初始值逐漸增大到最終值的過(guò)程中,氣體的吸收效率增加了8.7%。因此,風(fēng)速和氣體吸收效率成反比,但在風(fēng)速不變的情況下,適當(dāng)增大吸收液流量,對(duì)H2S氣體的吸收有積極影響。

圖4 吸收效率隨風(fēng)速變化Fig.4 Absorption efficiency varies with wind speed

2.3 噴灑液量的影響

風(fēng)速為2 m/s,H2S體積分?jǐn)?shù)100×10-6,吸收液流量設(shè)置在18～54 L/min的4個(gè)等差檔次,濃度分別設(shè)置了 0.1%、0.2%、0.5%和 1%,將噴頭壓力設(shè)置在8 MPa,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?吸收液濃度不變的情況下,單純?cè)黾訃婌F流量,H2S氣體的吸收效率變大,但當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界值時(shí)增加量逐漸減小,并趨于穩(wěn)定。即在一定范圍內(nèi),吸收效率和流量增加量呈正比關(guān)系?；瘜W(xué)噴灑吸收液體的濃度為0.2%,液體的流量從27 L/min增加到最大值時(shí),氣體的吸收效率增加了近2%。試驗(yàn)中,化學(xué)噴灑吸收液的流量不變,而將低濃度的吸收液換成高濃度的吸收液,發(fā)現(xiàn)吸收效果與濃度在一定的范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系。如液體流量為27 L/min,將吸收液的濃度從0.1%增至0.5%后,氣體的吸收效果增加了近15%。因此,當(dāng)單純?cè)黾踊瘜W(xué)噴灑吸收液體吸收效果不顯著的情況下,適當(dāng)提高液體中化學(xué)成分的濃度,可對(duì)吸收效率產(chǎn)生積極的影響。

圖5 吸收效率隨流量變化Fig.5 Absorption efficiency varies with flow rate

2.4 涌出濃度的影響

試驗(yàn)風(fēng)速1 m/s,化學(xué)噴灑吸收液濃度0.2%,液體流量18、27和54 L/min,液體壓力為8 MPa,氣體濃度50×10-6～200×10-6。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸收效率隨涌出濃度變化Fig.6 Absorption efficiency varies with effluent concentration

由圖6看出,當(dāng)其他條件不變時(shí),氣體的吸收效率與其涌出量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。液體流量為18 L/min時(shí),氣體的涌出量從初始的最小值增加到最大值200×10-6時(shí),其吸收效率為90.4%,與初始相比降低了6%;涌出濃度降低一半,液體流量從最小值增加到最大值時(shí),氣體吸收效率增加3.6%。因此,如果氣體涌出量突然增加致使吸收效果減弱時(shí),可通過(guò)增大流量來(lái)提高吸收效率。

3 噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S工藝

采用特制的噴灑化學(xué)液進(jìn)行中和,在正對(duì)放煤口處布置化學(xué)液體噴灑裝置(圖7)?？紤]到放煤口處采用設(shè)施可能會(huì)有氣體溢出,在支架尾梁的下方布置攔截裝置(圖8)。

圖7 正對(duì)放煤口噴灑吸收液裝置示意Fig.7 Schematic of coal caving department spray absorbent device

3.1 噴霧裝置設(shè)計(jì)及布置

考慮到+575試驗(yàn)綜采工作面支架放煤氣體的濃度、工作面的風(fēng)量等因素,通過(guò)計(jì)算得出完全吸收放煤口H2S所需噴霧裝置流量約60 L/min。根據(jù)烏東礦+575試驗(yàn)工作面支架放煤空間并考慮到所噴吸收液有效覆蓋放煤涌出H2S的空間范圍,放煤口正對(duì)噴霧裝置安裝在支架尾梁2個(gè)千斤頂下方正對(duì)放煤口方向;噴霧裝置主體為外徑φ27 mm、壁厚5 mm的無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)度1 m,噴霧裝置上安裝10個(gè)PZ型噴嘴,噴嘴內(nèi)芯選型為φ2.5 mm。

圖8 放煤口擴(kuò)散H2S攔截噴霧示意Fig.8 Caving department diffusion hydrogen sulfide interception spray diagram

支架下風(fēng)流攔截噴霧裝置安裝在支架尾梁下方靠近下風(fēng)流側(cè),與風(fēng)流方向成70°夾角;噴霧裝置主體為外徑φ27 mm、壁厚5 mm的無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)度1.2 m,噴霧裝置上安裝 7個(gè) PZ型噴嘴,內(nèi)芯φ2.5 mm。

3.2 噴霧流量的影響

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),通過(guò)更換噴嘴內(nèi)芯孔徑以及閥門(mén)調(diào)節(jié),得出不同噴霧流量,流量通過(guò)噴霧系統(tǒng)中的SGS型雙功能水表測(cè)得,噴霧壓力取8 MPa,化學(xué)吸收液濃度為0.9%,治理效果與流量關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯觯孩佼?dāng)將噴嘴處的液體壓力篤固定時(shí),H2S的治理效率與噴嘴處的液體流量呈正相關(guān)關(guān)系。設(shè)置噴嘴處液體流量50 L/min不變,通過(guò)在特定點(diǎn)處安裝設(shè)置的氣體監(jiān)測(cè)儀對(duì)H2S的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)得回風(fēng)中,距離工作面1.5 m處的H2S濃度均值僅為573.4×10-6,與噴液相比,未噴液前減小了 751.8×10-6,降低效率為 56.7%;當(dāng)噴霧流量為70 L/min時(shí),測(cè)得放煤口下風(fēng)流1.5 m處的后溜槽上方H2S濃度均值為432.4×10-6,相比未噴液前減小了856.2×10-6,降低效率為 66.4%;當(dāng)噴霧流量為100 L/min時(shí),測(cè)得放煤口下風(fēng)流1.5 m的后溜槽上方H2S濃度均值為397.4×10-6,相比未噴液前減小了827.2×10-6,降低效率為67.5%。②當(dāng)將流量增大到臨界值時(shí),流量增大的治理效果不明顯。流量為70 L/min,氣體的吸收效率為66.4%;增大化學(xué)噴灑吸收液體流量至100 L/min,效果增加僅為67.5%。因此,適合急傾斜厚煤層綜采工作面噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S的噴霧流量約70 L/min。

圖9 噴灑吸收液不同流量條件下H2S治理效果測(cè)試Fig.9 Hydrogen sulfide treatment effect test of spray absorption liquid under different flow conditions

3.3 噴灑吸收液濃度的影響

噴灑吸收液壓力為8 MPa,噴灑吸收液流量約70 L/min,噴灑吸收液濃度分別取 0.9%、1.1%及1.3%,吸附液濃度與治理效果關(guān)系如圖10所示?？芍?①噴灑吸收液為0.9%時(shí),測(cè)得放煤口下風(fēng)流1.5 m 處的后溜槽上方 H2S均值為 432.4×10-6,相比未噴液前減小了 856.2×10-6,降低效率為66.4%;噴灑吸收液增加到1.1%時(shí),測(cè)得放煤口下風(fēng)流1.5 m處的后溜槽上方 H2S均值為404.2×10-6,比未噴液前減小了821.2×10-6,H2S降低效率為67%;噴灑吸收液增至1.3%時(shí),測(cè)得放煤口下風(fēng)流1.5 m的后溜槽上方 H2S均值為395.2×10-6,比未噴液前減小了 868.4×10-6,H2S降低效率為68.7%。②在噴霧壓力及噴霧流量一定條件下,化學(xué)噴灑吸收液體濃度達(dá)到臨界值0.9%時(shí),再增加濃度并沒(méi)有對(duì)吸收效率有較大影響。液體濃度增至1.1%和 1.3% 時(shí),效率僅增加 0.6% 和 2.3%。 因此,適合該礦綜采工作面的噴灑吸收液治理支架放煤涌出H2S的吸收液配比濃度約0.9%。

圖10 噴灑不同吸收液濃度條件下H2S治理效果測(cè)試Fig.10 Sulfate reduction test with different concentration of absorbing liquid

3.4 支架下風(fēng)流噴霧攔截組數(shù)的影響

為降低H2S擴(kuò)散濃度,在支架尾梁下方安裝噴灑吸收液裝置,利用其噴灑吸收液水霧對(duì)下風(fēng)流中的H2S進(jìn)行攔截捕捉并凈化吸收。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),噴霧壓力8 MPa,噴灑吸收液濃度0.9%。由支架下風(fēng)流不同攔截噴霧組數(shù)時(shí)H2S治理效果測(cè)試如圖11所示?？梢钥闯觯孩?一定范圍內(nèi),H2S氣體的吸收效率與噴霧裝置的開(kāi)啟組數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。在開(kāi)啟1組裝置時(shí),下風(fēng)側(cè)6 m處監(jiān)測(cè)H2S濃度為747.6×10-6;再開(kāi)啟1組裝置時(shí),濃度減弱到608.4×10-6,降低效果分別超過(guò)了40%和50.5%;繼續(xù)開(kāi)啟1組噴灑裝置時(shí),此處測(cè)得濃度已低至451.2×10-6,與之前未采取措施時(shí)相比,H2S吸收效率高達(dá)65.5%,與之前分別開(kāi)啟1組和2組噴灑裝置相比較,H2S的吸收效率分別提升22.1%和12%。②通過(guò)工程實(shí)踐看出,開(kāi)啟正對(duì)著放煤口的噴灑裝置時(shí),向外擴(kuò)散的H2S濃度明顯降低;再將風(fēng)流沿程方向的噴灑裝置打開(kāi),可以增加H2S的吸收效率。打開(kāi)工作面中設(shè)置的全部裝置,測(cè)得在下風(fēng)側(cè)6 m的后溜槽處,H2S的平均值有了較為明顯的降低(186×10-6),與采取噴灑措施之前比較,降低1 154×10-6,H2S的吸收效率高達(dá)86.1%。

圖11 支架下風(fēng)流不同攔截噴霧組數(shù)時(shí)H2S治理效果測(cè)試Fig.11 Hydrogen sulfide treatment effect test with different back pack air flow interception spray group

4 結(jié) 論

1)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析方法,得出支架放煤涌出規(guī)律：H2S濃度與距支架放煤口距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,一定范圍內(nèi),距放煤口越遠(yuǎn),氣體濃度越低。由于受H2S二次疊加影響,在距支架放煤口4.5 m后,H2S擴(kuò)散過(guò)程中減小量較小;由于受到支架后部風(fēng)流流場(chǎng)和后部溜槽煤體的遮擋,支架放煤涌出的H2S部分向支架人行道方向擴(kuò)散,且在后部溜槽至人行道方向上呈現(xiàn)逐步減小的擴(kuò)散分布規(guī)律。

2)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐得出噴灑吸收液治理H2S的最佳工藝參數(shù)為：噴霧壓力8 MPa,吸收液濃度0.9%,噴向滾筒的水霧流量70 L/min左右,放煤口和下風(fēng)流跟蹤H2S攔截噴灑吸收液裝置適合開(kāi)啟3組。該條件下測(cè)得下風(fēng)流6 m處后溜槽H2S濃度降至186×10-6,吸收效率86.1%。

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