艾純明周沁園夏季王大鵬穆效治李琨

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧葫蘆島 125000;2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧葫蘆島 125000;3.山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司,山西忻州 034000

硫化氫(H2S)是一種多存在于煤礦井下的有害氣體,較低濃度(＞9.13 mg/m3)即可造成人員中毒傷亡[1]。硫化氫還會(huì)導(dǎo)致燃燒、爆炸等事故發(fā)生,其強(qiáng)烈的化學(xué)活性使之易與金屬設(shè)備發(fā)生反應(yīng)[2],形成電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、“氫脆”破裂等,縮短井下金屬設(shè)備使用壽命,帶來(lái)安全隱患[3-5]。《煤礦安全規(guī)程》(2016)第一百三十五條規(guī)定,井下硫化氫最高允許濃度不得超過(guò)0.000 66%。

目前,煤礦治理硫化氫的方法主要包括加強(qiáng)通風(fēng)管理[6]、化學(xué)試劑處理[7]、安裝堿液噴灑裝置[8]、設(shè)置風(fēng)幕封閉綜掘面[9]、吸附法治理[10]等。采用以上方法雖然能降低煤礦中的硫化氫濃度,但實(shí)施效果不盡人意。為此學(xué)者針對(duì)在煤層中鉆孔注堿[11]展開(kāi)了相關(guān)研究。高鑫浩[11]運(yùn)用超前探查、復(fù)合增透技術(shù)抽采煤層氣體,并在鉆孔內(nèi)注入堿液,取得了良好的治理效果;趙義勝等[12]采用深孔脈沖動(dòng)壓注水(堿)技術(shù)后,工作面硫化氫涌出量大幅度下降;孫維吉等[13]采用向煤層中注碳酸氫鈉溶液的方法治理硫化氫,將硫化氫濃度從24.34 mg/m3降至9.13 mg/m3以下,并得出了日割煤刀數(shù)和硫化氫涌出量呈正比的結(jié)論;Zhang 等[14]通過(guò)改變堿液濃度來(lái)吸收硫化氫,得出碳酸鈉溶液的濃度與硫化氫的去除率呈正相關(guān)。由上述研究可知,相對(duì)其他方法而言,煤層注堿治理硫化氫的方法可以從根本上解決硫化氫超限的問(wèn)題。

山西某煤礦巷道空氣中硫化氫濃度達(dá)到了45.64 mg/m3,水中硫化氫濃度高達(dá)228.19 mg/m3,超出《煤礦安全規(guī)程》中允許濃度數(shù)倍,屬于高硫化氫礦井。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察和方案論證,決定采用煤層注堿的方式解決硫化氫超限的問(wèn)題。為確定合理的注堿參數(shù),本文建立煤層注堿數(shù)值模型,分析不同條件下堿液在煤層中的擴(kuò)散效果,為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 堿液選擇

山西某煤礦采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝,煤層厚為13 m。在采煤工作面掘進(jìn)階段,巷道風(fēng)流中硫化氫濃度超限,決定采用堿液中和的辦法去除硫化氫。

為確定堿液成分,模擬前選擇了Na2CO3、Ca(OH)2、NaHCO3三種溶液進(jìn)行硫化氫的吸收實(shí)驗(yàn)。堿液質(zhì)量濃度分別為50 mg/L 和10 mg/L,硫化氫濃度分別為1.7×10-3mg/m3、1.8×10-3mg/m3、2.1×10-3mg/m3、2.4×10-3mg/m3,共進(jìn)行了24 組(3×4×2)實(shí)驗(yàn)。

在硫化氫的吸收過(guò)程中,Ca(OH)2前期吸收效果高于NaHCO3,在后期吸收效果弱于NaHCO3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于不同濃度硫化氫,Na2CO3的吸收效果、吸收持續(xù)時(shí)間均高于其他堿液,且Na2CO3和硫化氫反應(yīng)生成的NaHCO3也能繼續(xù)吸收硫化氫。其化學(xué)反應(yīng)方程式為

因Na2CO3溶液對(duì)硫化氫的吸收效率最高,故采用Na2CO3作為堿液的主要成分。

2 數(shù)值模型

2.1 基本方程

選擇COMSOL Multiphysics 軟件中的稀物質(zhì)傳遞接口作為模型的化學(xué)場(chǎng),以Darcy 定律為模型的物理場(chǎng)。稀物質(zhì)傳遞接口中的Arrhenius 方程控制堿液與硫化氫的反應(yīng)速率[15]如下:

式中,K為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù);A為頻度因子,m3·mol/s;n為溫度的指數(shù);E為活化能,J/mol;Rg為氣體狀態(tài)常數(shù),J/(mol·K);T為溫度,K。

所注堿液為低濃度稀溶液,溶質(zhì)在煤層中傳遞運(yùn)移的擴(kuò)散過(guò)程滿足稀物質(zhì)傳遞接口中Fick 定律[16-17],即

式中,ci為參加反應(yīng)物質(zhì)濃度,mol/m3;Di為反應(yīng)物擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Ri為反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速度,mol/(m3·s);u為堿液流速,m/s。

根據(jù)煤樣工業(yè)分析結(jié)果,煤的孔隙率為1.94%,屬于孔隙率較小的多孔介質(zhì)[19]。液體在均質(zhì)煤層中的流動(dòng)符合Darcy 定律[18-21]。Darcy定律的公式為

式中,pw為孔隙水壓力,Pa;εp為煤體孔隙率;ρ為密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;k為煤體滲透率,md;Q為單位時(shí)間滲流量,m3/s;μ為流體動(dòng)力黏度,Pa·s。

2.2 模型建立

2.2.1 初始條件

煤層水中硫化氫的初始濃度為228.19 mg/m3,根據(jù)煤層含水率(3%)確定煤層中的硫化氫濃度為5.8 mol/m3;治理硫化氫所需堿液濃度為58.1 mol/m3;現(xiàn)場(chǎng)收集和相關(guān)檢測(cè)得出的物理參數(shù)及模型參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)煤層埋藏深度和以往煤層注水防塵的經(jīng)驗(yàn),確定注堿壓力的范圍為4～8 MPa。

表1 模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Model calculation parameters

2.2.2 幾何模型

由于注堿壓力的存在,重力對(duì)堿液在豎直方向的擴(kuò)散影響較小,堿液的擴(kuò)散范圍可視為圓柱形。因此,為簡(jiǎn)化計(jì)算,只研究堿液在水平方向的變化。建立幾何尺寸為20 m×15 m×1.4 m 的模型(圖1)。鉆孔直徑75 mm,鉆孔深度12 m,鉆孔方位垂直煤壁。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2.3 模型假設(shè)條件

模型的基本假定如下:

(1) 煤層是孔隙率恒定、各向同性的多孔介質(zhì),且滲透率恒定。

(2) 注堿過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)原始地應(yīng)力場(chǎng)不產(chǎn)生影響,計(jì)算中不考慮應(yīng)力變化造成的煤層參數(shù)變化。

(3) 堿液均勻混合,與煤層中硫化氫作用的傳質(zhì)過(guò)程符合Fick 定律,化學(xué)反應(yīng)速率通過(guò)求解Arrhenius 方程獲得。

(4) 液體在煤層中的滲流為層流,滲流過(guò)程符合Darcy 定律。

(5) 硫化氫氣體在煤層中均勻分布。

3 注堿溶液在煤層中的滲流規(guī)律研究

3.1 單孔注堿數(shù)值模擬

3.1.1 不同注堿壓力下的堿液擴(kuò)散效果

為確定最佳注堿時(shí)間和壓力,進(jìn)行單孔注堿模擬,觀察單孔狀態(tài)下的煤層注堿效果。圖2為注堿壓力4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa 條件下,1 h、24 h、48 h 內(nèi)堿液在煤層中的擴(kuò)散云圖。

圖2 不同注堿壓力下的堿液擴(kuò)散云圖Fig.2 The lye diffusion cloud diagram under different alkali injection pressures

以4 MPa 為例,注堿1 h 時(shí),因?yàn)殂@孔附近壓強(qiáng)較大,堿液在裂隙中的滲流速度較快,堿液擴(kuò)散半徑已經(jīng)達(dá)到2.87 m;注堿24 h 時(shí),距離鉆孔中心越遠(yuǎn),煤層所受注堿壓力越小,堿液在煤層中的滲流速度越慢,在毛細(xì)作用下堿液繼續(xù)擴(kuò)散,注堿半徑達(dá)到3.8 m;注堿48 h 時(shí),堿液擴(kuò)散速度進(jìn)一步減小,擴(kuò)散半徑為4.17 m。

3.1.2 不同壓力下堿液擴(kuò)散范圍

圖3為不同壓力下堿液濃度在1 h、2 h、6 h、12 h、24 h、48 h 內(nèi)隨鉆孔中心距離變化的曲線。以注堿壓力4 MPa 為例,注堿1 h 時(shí),距鉆孔0～1.05 m 處堿液濃度均為58.1 mol/m3,說(shuō)明此范圍硫化氫已經(jīng)被充分中和;距鉆孔1.05～2.79 m處的堿液濃度由 58.1 mol/m3降至0,說(shuō)明了該范圍的硫化氫正在被中和。

圖3 不同壓力下堿液濃度隨鉆孔距離變化曲線Fig.3 The changing curves of lye concentration with drilling distance under different pressures

增大注堿壓力,相同時(shí)間段內(nèi)的堿液擴(kuò)散范圍也有所增長(zhǎng)。當(dāng)注堿壓力為4 MPa 時(shí),堿液擴(kuò)散半徑在48 h 內(nèi)最遠(yuǎn)為4.17 m;而注堿壓力增加到8 MPa 時(shí),堿液擴(kuò)散半徑在48 h 內(nèi)最遠(yuǎn)達(dá)到5.32 m,相比于4 MPa 時(shí),增加了1.15 m。

3.1.3 不同時(shí)間下的注堿效果

圖4為不同壓力下堿液擴(kuò)散范圍隨時(shí)間變化的曲線。由圖4可知,注堿24 h 后堿液擴(kuò)散速度明顯降低,此時(shí)鉆孔的注堿壓力不足以抵消滲流阻力,且毛細(xì)作用不明顯,堿液只能通過(guò)潤(rùn)濕作用繼續(xù)擴(kuò)散;注堿48 h 后堿液擴(kuò)散速度極小。

圖4 不同壓力下堿液擴(kuò)散范圍Fig.4 Variation of lye diffusion range under different pressure

圖5為堿液擴(kuò)散范圍示意圖。由圖5可知,相同時(shí)間(t1)下的注堿體積(Vt)相同,堿液擴(kuò)散半徑r1＞r2,且擴(kuò)散面積S1=S2。

圖5 堿液擴(kuò)散范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of lye diffusion range

由S1=S2推出:

因r1＞r2,則,所以堿液擴(kuò)散越遠(yuǎn),就越小,即距鉆孔距離越遠(yuǎn)堿液擴(kuò)散速度越慢。

3.1.4 注堿時(shí)間和壓力選擇

由圖3、圖4可知,堿液擴(kuò)散的范圍隨著注堿時(shí)間的增加而增大。堿液擴(kuò)散范圍越大,說(shuō)明與硫化氫反應(yīng)越充分,煤層中被中和的硫化氫越多。堿液在注堿48 h 后擴(kuò)散速度極小,其擴(kuò)散距離增長(zhǎng)范圍可以忽略不計(jì),由此確定最佳注堿時(shí)間為48 h。

選擇注堿時(shí)間為48 h 時(shí)對(duì)注堿壓力和堿液擴(kuò)散范圍的關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖6所示。

由圖6得出,注堿壓力與堿液擴(kuò)散范圍的關(guān)系式為

圖6 不同壓力下注堿達(dá)到的最遠(yuǎn)距離Fig.6 The farthest distance reached by alkali injection at different pressures

式中,Y為距鉆孔最遠(yuǎn)距離,m;p為最初的注堿壓力,MPa。

由式(9)知,注堿壓力與堿液擴(kuò)散范圍呈正相關(guān)。

注堿壓力為8 MPa 的堿液擴(kuò)散效果最好,故選擇8 MPa 為煤層注堿治理硫化氫的最佳注堿壓力。

3.2 雙孔注堿數(shù)值模擬

3.2.1 不同孔距下的堿液擴(kuò)散范圍

在單孔注堿模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,為得出最佳注堿孔距進(jìn)行了孔距為6 m、8 m、10 m 的雙孔注堿模擬實(shí)驗(yàn)。8 MPa 時(shí)不同孔距下注堿6 h、48 h 的堿液擴(kuò)散云圖和范圍圖如圖7和圖8所示。

圖7 壓力為8 MPa 不同孔距下的堿液擴(kuò)散云圖Fig.7 The lye diffusion cloud diagram under different hole distances at 8 MPa

圖8 8 MPa 下不同孔距的堿液擴(kuò)散范圍Fig.8 Diffusion range diagram of lye with different hole spacing at 8 MPa

當(dāng)鉆孔間距為6 m 時(shí),由于孔距過(guò)近,雙孔堿液交匯過(guò)早導(dǎo)致注堿效率不高,注堿6 h 時(shí)雙孔堿液已經(jīng)交融,48 h 時(shí)堿液擴(kuò)散最大范圍為15.7 m。鉆孔間距為8 m 時(shí),注堿6 h,雙孔堿液有相互交匯的趨勢(shì);注堿48 h,雙孔堿液交匯且堿液擴(kuò)散最大范圍為17.4 m。鉆孔間距為10 m 時(shí),注堿6 h,雙孔之間存在未被堿液覆蓋的區(qū)域;注堿48 h,雙孔堿液交匯,堿液擴(kuò)散最大范圍為20 m。

由圖8知,堿液的擴(kuò)散速度在6 h 后出現(xiàn)拐點(diǎn),擴(kuò)散速率由快變慢。當(dāng)注堿時(shí)間達(dá)到48 h 時(shí),堿液擴(kuò)散速度趨向于0,此結(jié)果和單孔注堿結(jié)果一致。

3.2.2 不同孔距下的堿液濃度變化

圖9為不同孔距下堿液濃度隨鉆孔距離變化圖。由圖9可知,孔距為6 m 時(shí),2 h 后雙孔間的裂隙通道貫通,堿液在孔間出現(xiàn)“串流”現(xiàn)象。由于雙孔距離過(guò)近,堿液發(fā)生串流較早,所以在此之后堿液的擴(kuò)散范圍較小;孔距為8 m 時(shí),兩孔之間的堿液在24 h 之后相交形成串流。由于雙孔距離較遠(yuǎn),雙孔之間的堿液相融較晚,串流造成的影響較小,相較于孔距為6 m 時(shí)堿液擴(kuò)散范圍有所增大;孔距為10 m時(shí),由于雙孔之間距離過(guò)遠(yuǎn),當(dāng)注堿時(shí)間達(dá)到48 h之后,雙孔之間的堿液濃度大于0,此時(shí)兩孔同時(shí)注堿對(duì)堿液的擴(kuò)散范圍基本無(wú)影響。根據(jù)模擬結(jié)果,為避免所注堿液過(guò)早從相鄰鉆孔涌出,達(dá)到堿液擴(kuò)散范圍最大化,煤層注堿時(shí)的孔間距選擇10 m。

圖9 8 MPa 時(shí)不同孔距下堿液濃度隨鉆孔距離變化圖Fig.9 Variation of lye concentration with drilling distance under different hole spacing and pressure at 8 MPa

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為確定合理的鉆孔孔距,參考數(shù)值模擬結(jié)果,在該礦13 號(hào)煤層實(shí)施孔距為10 m、壓力為8 MPa的煤層注堿實(shí)驗(yàn)。在注堿之前,1 號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處硫化氫濃度高達(dá)30.43～45.64 mg/m3。在工作面兩平巷交錯(cuò)布置順層注堿鉆孔,距底板1.5 m 處垂直煤壁施鉆,鉆孔深度115 m,如圖10所示。堿液濃度為58.1 mol/m3。待相鄰鉆孔有堿液滲出時(shí),注堿停止。

圖10 鉆孔布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of drilling layout

從2020年12月20日開(kāi)始,經(jīng)過(guò)1 個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),在進(jìn)風(fēng)平巷和回風(fēng)平巷分別施工注堿鉆孔20 個(gè)。注堿2 d 后,分別在1 號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處進(jìn)行為期25 d 的硫化氫監(jiān)測(cè),采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。

注堿之前1 號(hào)架回風(fēng)隅角、煤機(jī)下風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處硫化氫濃度為30.43～45.64 mg/m3,如圖11所示,注堿2 d 后降至10.04 mg/m3以下,隨后的1周里硫化氫濃度有微小波動(dòng),但總體為下降趨勢(shì),甚至降至0;第7 d 開(kāi)始安排工人進(jìn)行回采,巷道空氣中硫化氫濃度有所上升,最高濃度為9.13 mg/m3,平均濃度為4.87 mg/m3。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,孔距為10 m、壓力為8 MPa 的注堿鉆孔治理效果明顯。

圖11 注堿后煤層空氣中硫化氫濃度Fig.11 H2S concentration in coal seam air after alkali injection

5 結(jié) 論

(1) 單孔注堿模擬結(jié)果表明,在堿液擴(kuò)散并覆蓋的范圍內(nèi),煤層中的硫化氫已經(jīng)被完全中和,注堿壓力與堿液擴(kuò)散范圍成正相關(guān)。

(2) 對(duì)比不同壓力下的注堿效果,選擇8 MPa為煤層注堿治理硫化氫的注堿壓力;注堿48 h 后堿液擴(kuò)散范圍基本不再增長(zhǎng),由此確定最佳注堿時(shí)間為48 h。

(3) 雙孔注堿時(shí),當(dāng)雙孔之間距離過(guò)近且小于單孔注堿擴(kuò)散范圍時(shí),雙孔堿液會(huì)串流,進(jìn)而影響堿液的最終擴(kuò)散范圍;當(dāng)雙孔距離大于單孔注堿擴(kuò)散范圍時(shí),堿液又不能完全覆蓋全部煤層。為使煤層注堿治理硫化氫的效率最大化,建議選擇煤層注堿的孔距為10 m。

(4) 參考數(shù)值模擬結(jié)果,在山西某煤礦工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)注堿實(shí)驗(yàn)。在工作面兩平巷交錯(cuò)布置間距為10 m 的順層注堿鉆孔。注堿后,回采時(shí)硫化氫沒(méi)有出現(xiàn)超限現(xiàn)象。