高硫化氢煤层巷道掘进超前注碱工艺及碱液配方.pdf

本发明涉及一种高硫化氢煤层巷道掘进时的硫化氢治理工艺，尤其是巷道掘进前超前注碱液的主动防护措施及碱液配方，目的是减少煤巷掘进时硫化氢的涌出量、提高施工安全性，属于含硫化氢煤层开采技术领域。目前采用的加大通风、喷射水雾及撒石灰粉等属于被动式防护，可靠性较差且对从业人员产生健康危害；而主动式注碱治理硫化氢技术在工艺、碱液配方等方面还不成熟。本发明目的在于通过煤层预先注碱工艺治理煤层巷道掘进过程中的硫化氢超标问题，碱液配方为1％的碳酸钠、0.1％十二烷基苯磺酸钠以及0.1％次氯酸钠。本发明涉及的注碱工艺及流程，能确保掘进巷道周围形成一定距离的、碱液润湿的安全帷幕，减少掘进时硫化氢的涌出量。

1.  一种高硫化氢煤层巷道掘进超前注碱工艺，其特征在于：
1)为确保掘进工作面注碱后，湿润的煤体形成完整严实的帷幕，建立注碱效率模型， 其中K为注浆效率，n为注碱孔数量，α为外倾角度， 根据注碱效率模型、经济性及煤层渗透性，确定最优注碱孔数量、布置位置及倾斜角度；
2)一般煤层巷道(断面面积10至16m²)可取8个注碱孔，沿工作面边缘分三层布置， 底层和层各3个，钻孔方向相对井筒轴线外斜6°角；
3)每一个注碱开挖循环中，沿轴向方向注碱30m，然后开挖20m，确保掘进面前方至少 有10m厚的注碱安全距离，接着在停挖面上喷射混凝土止浆墙，开始下一个注碱开挖循环；
4)注碱采用分段上行式注碱方式，一次性钻孔到注碱终深，使用止浆塞进行自下而上的 分段注碱，分3段、每段10m进行，即先注距离止浆墙20-30m段，然后调整止浆塞注10-20m 段，最后注0-10m段；
5)注碱完成后可进行巷道掘进，在掘进全过程中使用硫化氢在线监测，除煤层预注碱技 术外，根据开挖时硫化氢的浓度，还可以配合使用加强通风、喷射水幕等措施。

2.  一种高硫化氢煤层巷道掘进超前注碱工艺采用的碱液配方，其特征是碱液按照重量进行配 比，选用1％的碳酸钠、0.1％十二烷基苯磺酸钠以及0.1％次氯酸钠进行配比，物料之间无副反 应。在碱液中，碳酸钠作为硫化氢的主吸收液，但在矿井水的稀释以及水流的扰动作用下， 会重新释放出H₂S；加入次氯酸钠能迅速地氧化碳酸钠与硫化氢反应后生成的HS^-，防止H₂S 从水体中重新释放；为增加碱液的扩散(侵润)距离，以十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂， 能降低碱液的表面张力，增加渗透距离，还可以提高碳酸钠与硫化氢溶液的反应效率，提高 硫化氢的去除率。

高硫化氢煤层巷道掘进超前注碱工艺及碱液配方
技术领域
本发明涉及一种高硫化氢煤层在巷道掘进时的硫化氢治理工艺，尤其是通过掘进前预先 注入一种碱液，以显著减少采煤时硫化氢的涌出量，属于含硫化氢煤层开采技术领域。
背景技术
硫化氢是一种无色，带有臭鸡蛋味的剧毒气体，易溶于水。H₂S浓度为0.0001％时，就 能嗅到臭鸡蛋味，达到0.02％时，强烈刺激眼睛及喉咙粘膜，并感到头痛、呕吐、乏力；达 到0.05％时，经0.5h～1.0h就会严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔变大，甚至死亡。硫化氢 是一种神经毒剂，亦为窒息性和刺激性气体，通过人的中枢神经系统和呼吸系统产生毒性作 用。
目前煤矿H₂S的治理研究涉及得比较少，相关理论和工程措施还不够完善。近年来，随 着开采范围的扩大和开采深度的增加，不少煤矿瓦斯中H₂S气体异常，严重影响到矿井煤炭 资源的开发和工人的身体状况，尤其是在煤层巷道掘进过程中出现硫化氢严重超标机率更大。
为治理含硫化氢煤层巷道掘进时硫化氢超标的现象，目前多采用加大通风、巷道内喷射 碱液及撒石灰粉等措施，但均为硫化氢涌出后的被动式防护，效果有限，且碱液会对井下从 业人员产生严重危害；采取硫化氢涌出前的主动式措施主要是抽硫化氢和注碱，由于硫化氢 含量远比瓦斯低，因此后者更为实用，以碳酸钠碱溶液对硫化氢进行化学吸收为例，反应生 成碳酸氢钠，碳酸氢钠也能吸收H₂S，反应式为：
H₂S+Na₂CO₃＝NaHS+NaHCO₃
NaHCO₃+H₂S＝NaHS+H₂O+CO₂
但实际工程中，HS^-可能重新写成硫化氢从水中溢出，且注碱工艺、碱液种类、碱液配比 等均无成熟方案。总体来说，目前巷道掘进过程中的硫化氢治理效果比较差，遇到硫化氢含 量超标时只能撤人，这严重的影响了工程进度。
发明内容
本发明的目的在于克服目前高硫化氢煤层巷道掘进过程中产生的硫化氢超标问题，提供 一种煤层巷道掘进的超前注碱工艺，以及所注碱液的配方，以便通过超前注碱在掘进巷道周 围一定距离形成安全帷幕，掘进时硫化氢涌出量可显著减少。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下。
高硫化氢煤层(硫化氢涌出量超过煤矿安全标准)巷道掘进超前注碱工艺，主要包括以 下内容：
1)为确保掘进工作面注碱后，湿润的煤体形成完整严实的帷幕，建立注碱效率模型， 其中K为注浆效率(％)，n为注碱孔数量(个)，α 为外倾角度(°)。根据注碱效率模型、经济性及煤层渗透性，确定最优注碱孔数量、布置位 置及倾斜角度。
2)一般煤层巷道(断面面积10至16m²)可取8个注碱孔，沿工作面边缘分三层布置， 底层和层各3个，钻孔方向相对井筒轴线外斜6°角。
3)每一个注碱开挖循环中，沿轴向方向注碱30m，然后开挖20m，确保掘进面前方至少 有10m厚的注碱安全距离，接着在停挖面上喷射混凝土止浆墙，开始下一个注碱开挖循环。
4)注碱采用分段上行式注碱方式，一次性钻孔到注碱终深，使用止浆塞进行自下而上的 分段注碱，分3段、每段10m进行，即先注距离止浆墙20-30m段，然后调整止浆塞注10-20m 段，最后注0-10m段。
5)注碱完成后可进行巷道掘进，在掘进全过程中使用硫化氢在线监测，除煤层预注碱技 术外，根据开挖时硫化氢的浓度，还可以配合使用加强通风、喷射水幕等措施。
高硫化氢煤层巷道掘进超前注碱碱液配方如下：
1)碱液按照重量进行配比，根据实验和现场条件综合选用1％的碳酸钠、0.1％十二烷基 苯磺酸钠以及0.1％次氯酸钠进行配比，物料之间无副反应。在碱液中，碳酸钠作为硫化氢的 主吸收液，但在矿井水的稀释以及水流的扰动作用下，会重新释放出H₂S；加入次氯酸钠能 迅速地氧化碳酸钠与硫化氢反应后生成的HS-，防止H₂S从水体中重新释放；为增加碱液的 扩散距离，以十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂，能降低碱液的表面张力，增加渗透距离， 还可以提高碳酸钠与硫化氢溶液的反应效率，提高硫化氢的去除率。
本发明专利的有益效果是，可以实现煤层巷道掘进过程硫化氢涌出的提前预防和去除， 将以前硫化氢涌出后的被动防护转为硫化氢涌出前的主动防护，降低了安全风险，实现了本 质安全化矿山；避免一般喷射碱液对人体呼吸系统和皮肤带来的伤害；以上配方碱液能够有 效的吸收煤层硫化氢，且原理便宜易得；超前注碱工艺工序简单、便于操作，提高了巷道掘 进效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
图1为注碱开挖工艺图。
图中：1-开挖长度(20m)；2-掘进工作面；3-(第二)掘进工作面；4-(第三)掘进工 作面；5-注碱钻孔；6-注碱长度(30m)。
图2为掘进工作面注碱孔布置图。
图中1#～8#为注碱孔。
图3为注碱孔终孔图。
图中：1-注碱终孔位置；2-注碱扩散范围；3-注碱孔位置；4-煤层巷道。
具体实施方式
图1为沿巷道轴向方向剖面图，在首次掘进工作面(2)上按注碱孔数量和外倾角度设置 注碱孔(5)，注碱孔(5)在轴向方向长度(6)为30m，注碱全部完成后从首次掘进工作面(2) 开挖，至第二掘进工作面(3)后停止，沿轴向方向长度(1)为20m，确保掘进工作面前方至 少预留10m安全范围，防止硫化氢气体突然涌出，在第二掘进工作面(3)上设置注碱孔(5)， 沿轴向方向(6)注碱30m，依次循环以通过高硫化氢煤层区域。
图2为掘进工作面正面图，沿掘进工作面周边均匀设置3层8个注碱孔，注碱孔沿巷道轴向 方向外倾6°角。
图3为掘进工作面正面图，巷道按照三层8个注碱孔沿周边均匀布置，注碱孔相对巷道轴 向外倾6°，碱液扩散范围按照3m、5m、7m验算，结果在A-A’、B-B’截面注碱孔都能够形成 严密的碱液扩散(侵润)帷幕。