張樹豐

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046600)

在開采有硫化氫賦存的煤層時(shí),煤層中的硫化氫會(huì)大量溢出,而硫化氫是煤礦有毒有害氣體之一,毒性強(qiáng),對(duì)人體有很大的危害。采掘作業(yè)人員接觸低濃度的硫化氫,會(huì)造成眼睛紅腫和呼吸道不適,吸入少量高濃度的硫化氫便可以導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)死亡[1]。硫化氫還會(huì)腐蝕井下機(jī)械設(shè)備[2]。對(duì)硫化氫的研究最早起源于20世紀(jì)50年代初,蘇聯(lián)對(duì)頓巴斯礦區(qū)煤礦中出現(xiàn)的硫化氫進(jìn)行防治并取得了成效。國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的主要防治措施有增加風(fēng)量和噴灑堿性溶液等。高宏[3]針對(duì)回采工作面硫化氫涌出問題,采用多排鉆孔注堿液攔截硫化氫的方法,使回風(fēng)流硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低了61.32%;李樹剛等[4]為了提高堿液的吸收率,通過試驗(yàn)方法對(duì)堿液進(jìn)行改進(jìn),得到硫化氫治理改進(jìn)堿液的最佳配比;孟慶安[5]提出在煤層注碳酸氫鈉溶液的方法進(jìn)行硫化氫治理,并對(duì)注液參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,取得良好效果;張戈等[6-7]針對(duì)硫化氫涌出的影響因素和擴(kuò)散規(guī)律,采用正對(duì)支架放煤口噴灑吸收液、放煤口下風(fēng)側(cè)攔截噴灑吸收液的措施進(jìn)行治理,硫化氫降低效率達(dá)到86.1%;楊宏偉等[8]針對(duì)硫化氫的治理提出了長(zhǎng)鉆孔注堿液、采煤機(jī)噴霧、風(fēng)簾引排等綜合治理方法,不同程度上降低了硫化氫的體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于低透氣性煤層,液態(tài)CO2致裂技術(shù)可以增加煤層透氣性,強(qiáng)化瓦斯抽采效果。如趙丹等[9]的研究試驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)CO2相變爆破后,煤層透氣性系數(shù)提高顯著,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了73.7%.李棟[10]通過玉溪煤礦CO2增透實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,CO2氣相爆破預(yù)裂提高了瓦斯抽采濃度和抽采量。但是對(duì)于低透氣性煤層的硫化氫治理研究較少,因此如何在增透煤層的同時(shí),同步治理硫化氫是一個(gè)值得研究的課題。

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)臨汾晉牛煤礦投資有限責(zé)任公司批采2～11號(hào)煤層,其中2號(hào)、9+10+11號(hào)煤層為可采煤層,其他煤層為不可采煤層。晉牛煤礦前期開采9+10+11號(hào)煤層,后期開采9+10+11號(hào)煤層和2號(hào)煤層,礦井瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井。9+10+11號(hào)煤層鉆孔流量衰減系數(shù)為0.381 8 d-1,透氣性系數(shù)為0.096 m2/ (MPa2·d),屬較難抽放煤層。主采煤層井下工作面回采過程中,在工作面及其回風(fēng)巷道等地點(diǎn)有強(qiáng)烈刺激性氣體涌出,1303回采工作面割煤時(shí)最大硫化氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)61×10-6,部分有水涌出的地點(diǎn),有大量的黃色或白色絮狀物晶體析出,井下作業(yè)人員經(jīng)常有頭暈、惡心、呼吸困難等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員身體健康及生命安全。

因此,提出了在回采工作面采用CO2預(yù)裂爆破增透和煤體注堿液治理硫化氫同步進(jìn)行的方案。

2 CO2致裂措施

研究液態(tài)CO2相變致裂煤層強(qiáng)化增透技術(shù),分析致裂增透效果,確定增透范圍內(nèi)的應(yīng)力變化和滲透率變化情況,增加煤層裂隙及透氣性,進(jìn)而在注液孔中注入堿液,降低硫化氫體積分?jǐn)?shù),為工作面的安全生產(chǎn)提供保障。

2.1 CO2相變致裂技術(shù)

2.1.1 CO2致裂裝備

CO2致裂器是一種新型的用于煤炭開采的致裂設(shè)備,與傳統(tǒng)的火藥爆破器材不同,CO2致裂器由高強(qiáng)度的可以重復(fù)使用的充裝液態(tài)CO2的金屬管、加熱器(發(fā)熱裝置)、定壓泄能機(jī)構(gòu)等組成。將致裂器置于煤體鉆孔內(nèi),使用發(fā)爆器啟動(dòng)加熱器,加熱使內(nèi)部的液態(tài)CO2成為氣體,管道中壓力持續(xù)增大壓迫定壓泄能機(jī)構(gòu),使其中的定壓卸能片破斷,隨后釋放出體積擴(kuò)大600倍、壓力達(dá)到300 MPa的CO2氣體,進(jìn)行爆破致裂。

2.1.2 工藝流程

為了滿足CO2致裂器的現(xiàn)場(chǎng)使用,需完成鉆孔施工,CO2致裂器的組裝、充裝、固定以及起爆、回收等多個(gè)工藝流程,見圖1.

圖1 CO2致裂器工藝流程示意

2.2 工藝流程

2.2.1 致裂增透設(shè)計(jì)

致裂鉆孔布置剖面圖見圖2和圖3,平面圖見圖4.輔助孔與裂隙孔間距0.65 m,第一個(gè)輔助孔到最后一個(gè)輔助孔間距11.7 m.

圖2 預(yù)裂鉆孔布置剖面圖

圖3 輔助鉆孔布置剖面圖

圖4 預(yù)裂鉆孔和輔助鉆孔布置平面圖

由于1303回采工作面80～90號(hào)支架處硫化氫體積分?jǐn)?shù)較大,所以在這個(gè)區(qū)間進(jìn)行CO2致裂增透試驗(yàn)。設(shè)計(jì)鉆孔布置見圖2～圖4,上排輔助孔距液壓支架頂部0.5 m,下排輔助孔距底板0.3 m.鉆孔長(zhǎng)度均為9 m.預(yù)裂孔爆破完后,在預(yù)裂孔中注堿液。共施工輔助孔40個(gè),孔徑42 mm;預(yù)裂孔27個(gè),孔徑50 mm.

2.2.2 致裂起爆

CO2致裂器可以多根同時(shí)起爆,每個(gè)鉆孔中致裂器以串聯(lián)的方式鏈接(致裂器沒有正負(fù)極),孔和孔之間以串聯(lián)方式連接如圖5所示。同時(shí)起爆3個(gè)預(yù)裂孔,起爆后利用預(yù)裂孔注堿液,然后再起爆3個(gè)預(yù)裂孔,再注堿液,起爆和注堿液交替進(jìn)行。注當(dāng)前的3個(gè)注液孔時(shí),前后的兩列鉆孔用膠囊封孔器密封。

圖5 致裂器起爆連線圖

2.2.3 啞炮處理

當(dāng)發(fā)生啞炮時(shí),先將發(fā)爆器端的炮線從發(fā)爆器上取下,短接,等待5 min后,用專用工具將致裂器放氣即可。

3 鉆孔注堿液工藝流程

根據(jù)硫化氫體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,確定打鉆范圍為70號(hào)支架到回風(fēng)巷處,共12組48個(gè)鉆孔。

3.1 堿液配制

堿液由水和碳酸鈉配制,水由井下供水管路引出。碳酸鈉和水質(zhì)量比為1.5∶98.5,配制成1.5%的碳酸鈉水溶液。配制時(shí)應(yīng)使碳酸鈉充分溶解,可加入適量煤塵抑制劑(或洗衣粉),將溶液混合均勻。

3.2 封孔及注堿液

同一組5個(gè)鉆孔全部施工完畢后,封孔,利用三通連接同一組的5個(gè)鉆孔同時(shí)注堿液,進(jìn)而吸收煤層卸壓區(qū)硫化氫。采用封孔器封孔,封孔長(zhǎng)度為3 m.具體操作步驟為:首先通過三通快速接頭將液壓管路與自動(dòng)膨脹式封孔管連接起來(連接時(shí)先將閥門關(guān)閉),將連接好的封孔管插入施工好的鉆孔,封孔器必須全部插入鉆孔內(nèi),以保證注堿液效果。注堿液壓力控制在2.5 MPa以下。

3.3 停止注液條件

1) 當(dāng)出現(xiàn)煤層從裂隙中大量跑水,壓力表急速下降的情況。

2) 4個(gè)孔必須同時(shí)注堿液,當(dāng)某個(gè)孔大量跑水時(shí),關(guān)掉此孔閥門。

3) 每組鉆孔(4個(gè))注液完成后,停頓15 min,待堿液充分吸收后,再拔出封孔器進(jìn)行下一組封孔。

4 CO2致裂及注堿液效果分析

2022年12月12日對(duì)回采面實(shí)施了CO2致裂增透實(shí)驗(yàn),爆破共進(jìn)行了2組,對(duì)爆破后鉆孔注堿液,注液量為1.5 m3.爆破增加了煤層裂隙,使一部分硫化氫得到了釋放,在一定程度上降低了煤層中的硫化氫。

通過考察采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)硫化氫體積分?jǐn)?shù)分析鉆孔注液的效果,監(jiān)測(cè)顯示硫化氫體積分?jǐn)?shù)總體較注液前降低,注液前回風(fēng)硫化氫體積分?jǐn)?shù)峰值61×10-6,注液后峰值為21×10-6,說明淺孔注液起到了良好的效果,硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低比例為65.57%.

5 結(jié) 語

1) 采用液態(tài)CO2致裂煤層強(qiáng)化增透,增加煤層裂隙及透氣性,使一部分硫化氫得到了釋放。于此同時(shí),在致裂孔中注入堿液,使堿液進(jìn)入煤層裂隙深處,與更多的硫化氫反應(yīng),達(dá)到降低硫化氫體積分?jǐn)?shù)的目的。

2) 通過在1303回采工作面對(duì)工作面迎頭煤體進(jìn)行CO2致裂增透與注堿,硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低比例為65.67%,治理效果顯著。