硫化氢气体治理实践

刘广宇

(山西介休义棠青云煤业有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概况

3#暗斜井主要服务于下组煤西翼的人员通行和物料、设备的运输。倾角24°52′48″，斜长296 m，斜井为锚网喷加锚索联合支护方式，底板混凝土硬化，并在3#暗斜井左侧砌筑水沟，右侧砌筑台阶。3#暗斜井掘至斜长140 m时，瓦斯涌出异常。经采取措施进行处理后，顺利完成暗斜井贯通。

3#暗斜井在进行绞车、猴车等设备的安装工作时发现有硫化氢、瓦斯从底板涌出，并在巷道底板附近积聚。140 m～180 m段为有害气体主要涌出段，水沟内硫化氢气体浓度较高(靠近底板局部硫化氢质量分数达到80×10-6～110×10-6，台阶侧局部硫化氢质量分数达到10×10-6以上，斜井中部预留基础处硫化氢质量分数达到5×10-6以上)，回风侧风流中硫化氢质量分数为2×10-6～3×10-6，有较浓的臭鸡蛋味。

2 地质概况

根据师6-3钻孔及3#暗斜井掘进揭露实际情况，硫化氢涌出异常段主要地层如下：

2.1 8号煤层底板

8号煤底板为均厚5.89 m的细砂岩，具纹状构造。

2.2 8号煤层

8号煤层与K2石灰岩相距20 m左右，其间岩性下部为灰色、灰黑色泥岩与砂质泥岩，常夹有黄铁矿结核，上部为灰色石英砂岩，其顶部常具灰黑色泥岩或砂质泥岩。8号煤层层位稳定，揭露平均厚度0.31 m。

2.3 K3石灰岩

K3石灰岩为8号煤层的直接顶，呈灰至深灰色，夹扁豆状燧石结核，含大量海相动物化石。层位稳定，平均厚度4.31 m。该灰岩与其上7号煤层间岩性为：下部为黑色或深灰色泥岩、砂质泥岩，常夹有菱铁矿或黄铁矿结核，上部为灰白至灰色砂岩，构成7号煤层底板。

2.4 7号煤层

7号煤层分7号下煤层和7号上煤层两层，两层煤间距0.64 m。7号上煤层平均厚度0.58 m，结构简单。7号上煤层厚度平均0.36 m。

2.5 K4石灰岩

K4石灰岩呈深灰色，层位稳定，平均厚度3.83 m。含有大量海相动物化石。灰岩之下为深灰色或灰黑色含炭质的钙质泥岩，平均厚度2.63 m，含海相动植物化石，常为7号上煤层顶板。

2.6 厚层炭质泥岩

厚层炭质泥岩，平行整合于K4石灰岩之上，平均厚度7.93 m，为深灰色炭质泥岩，顶部微含砂质，中夹黑色植物化石及菱铁矿结核。

3 硫化氢气体涌出异常原因分析

井下硫化氢主要来源于煤岩层中含硫矿物的还原、水解、氧化与燃烧，坑木等有机物的腐烂等。煤的泥炭化阶段，生物降解、微生物硫酸盐还原作用形成的原生硫化氢气体较多，多溶于水，随地下水流动逸散，只有一小部分被封存在煤岩层的裂隙中。煤化阶段，微生物硫酸盐还原作用形成的次生硫化氢气体，保存条件相对较好。煤及围岩中热化学分解成因、硫酸盐热化学还原成因形成的硫化氢气体不多，除溶于煤层水以外，多被煤层吸附或充填于煤内孔、裂隙之中，保存几率较大。若煤岩层已被CH4、N2、CO2等气体充塞饱和，一般不会造成硫化氢气体异常现象。但是，当煤层在抬升过程或地下水作用下，瓦斯逸散后，后期在岩浆热力作用下新形成的硫化氢气体，赋存在煤岩层中，容易造成硫化氢气体异常。煤系地层中存在大量硫酸盐岩，在热化学作用下往往造成硫化氢气体异常[1-3]。

综上所述，造成煤岩层中硫化氢气体异常的主要原因在于硫化氢气体的生成和保存条件。根据地质资料及掘进揭露实际情况，此段斜井布置在太原组K4至K3灰岩之间，包括8号煤层和7号下煤层、7号上煤层，多含有黄铁矿及硫酸盐，是硫化氢气体的主要生成层。围岩裂隙较发育，K4灰岩顶板上赋厚且致密的泥岩，为气体保存的有利场所。并且太原组灰岩富水性较强，经长期疏放，水封的及逸散的硫化氢气体同时释放出来，造成硫化氢气体涌出异常。本次硫化氢异常段岩层总厚度16.91 m，斜井底板揭露长度40.5 m，与瓦斯异常段长度吻合。

4 硫化氢的性质及危害

硫化氢是一种无色，微甜且带有臭鸡蛋气味，有剧毒的气体。硫化氢相对密度为1.19，极易溶于水形成氢硫酸。硫化氢气体在水中的溶解度是CO2的2.7倍，是CH4的93倍。所以，它可以积存在巷道的积水、煤岩层的裂隙水中，随着水流涌出，逸散到空气中。硫化氢气体可以燃烧，空气中质量分数为43 000×10-6～455 000×10-6时，能够爆炸；质量分数为1×10-6时就能嗅到强烈臭鸡蛋气味；达到200×10-6时，强烈刺激眼睛及喉咙黏膜，将使人嗅觉麻痹，并感到头痛、呕吐、乏力；达到500×10-6时，经历0.5 h～1 h，即严重中毒，失去知觉、抽筋、瞳孔放大；当达到1 000×10-6时，在数秒内即可致人死亡。因硫化氢气体相对密度较空气大，硫化氢气体易于积聚在巷道底板低洼处，故地势低处危险性比高处大。

5 处理方案

根据现场情况、地质资料以及硫化氢气体的特性，选择注浆封堵、中和吸收的办法。通过气腿式凿岩机造孔，插管注浆。先注水压通岩层裂隙，再注入水灰比5∶1的石灰浆，石灰水在压力作用下被推向较远处，不仅有利于围岩内硫化氢气体的溶解，而且与二氧化碳、硫化氢气体发生化学反应。跑浆时提高石灰浆的浓度，最终以水灰比1∶1(质量比)的石灰浆悬浊液结束注浆。石灰浆在高压情况下脱水成膏状，封堵围岩裂隙。通过固化、吸收硫化氢气体，降低硫化氢气体的异常涌出，彻底消除此区域内的硫化氢气体隐患。反应见式(1)、(2)。

(1)

(2)

5.1 糊缝处理

在硫化氢涌出点，对围岩喷浆体以及底板浇筑的裂隙、孔隙，用水泥砂浆进行糊缝处理。

5.2 造孔、固定注浆管

根据硫化氢涌出点分布情况，按规定布置注浆孔。用YT28型气腿式风动凿岩机打孔，孔深1.5 m。将Φ1″×3 mm×1 250 mm的钢管缠麻丝打入孔内。注浆管末端做200 mm长花管，另一端车50 mm长管螺纹，车350 mm长的马牙扣，并在螺纹端焊钢筋肋用于打管。注浆管安装好后，安上Φ1″的球阀，连接注浆装置。

5.3 压水试验

注浆孔钻孔到设计深度后，连接注浆系统，对钻孔进行压水，目的在于将裂隙中松软的泥质充填物推到注浆范围以外，从而提高注浆质量和封堵效果。对于大裂隙，压水时间为10 min～20 min，对于中小裂隙，则需要15 min～30 min或更长一些。压水压力应由小到大，最大不超过注浆终压。并据压水情况确定浆液起始浓度。

注浆以石灰浆为主，浆液浓度先稀后浓。石灰浆起始水灰比为5∶1，逐渐调高浆液水灰比至1∶1，直至注浆结束。如压力仍无变化，注C-S双液浆，直到达到设计终压。

5.4 注浆封堵

水泥砂浆糊缝施工结束后，针对硫化氢涌出段，均匀布置注浆管，进行注浆封堵工作。注石灰浆，跑浆时提高浆液浓度，封堵浅部瓦斯运移通道，并起到加固巷道围岩松动圈的作用。

6 注浆工艺

6.1 注浆站布置

注浆站靠近施工地点，布置在施工地点的上风侧，以便于注浆施工。同时，电气设备尽量远离硫化氢涌出点，电气设备固定牢靠，防止向下滑动，造成事故。

6.2 注浆孔布孔方式与参数

水沟处，在距水沟500 mm处，平行水沟布置一排孔，间距1 500 mm。钻孔竖直角35°，垂直斜井走向，扎向墙内，孔深1 500 mm。

6.3 注浆方式

注浆顺序从下到上，形成分段隔离，保证注浆密实。

6.4 注浆材料选择

根据硫化氢气体的基本特性，选择石灰浆代替单液水泥浆，熟石灰浆注入目的层位后，与酸性气体硫化氢、二氧化碳中和反应。悬浊液石灰浆与煤岩层中的二氧化碳、硫化氢气体反应，生成碳酸钙固体和其他物质。石灰浆除了中和吸收有害气体的特点外，还因其材料来源方便、价格便宜，在高压脱水后，能够很好地封堵围岩裂隙。

熟石灰(利用生石灰加水制成熟石灰，过滤杂质后袋装运到井下备用)。

水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

水玻璃：水玻璃模数2.8～3.1，45°Be′以上。

6.5 注浆浆液的制备

石灰浆是在氧化钙中加水搅拌均匀制成的，因为氢氧化钙溶解度不是很大，所以往往生成的是氢氧化钙的悬浊液(水溶液中还存在着大量没有溶解的氢氧化钙)，利用搅拌桶混合均匀。

封堵瓦斯不仅要堵好大的裂隙，还要堵好细小裂隙以及孔隙。石灰浆水灰比1∶1～5∶1，冲孔阶段选用水灰比较大的稀浆，封孔结束时选择水灰比较小的浓浆。

跑漏浆特别严重时，注入适量C-S 双液浆进行封堵。C-S双液浆配比为水泥浆水灰比1∶1～2∶1。水玻璃模数2.8～3.1，浓度为30～40°Be′，C∶S=1∶0.5～1∶0.7。

6.6 钻注设备的选型

钻进设备选择YT28气腿式风动凿岩机，3台，配备Φ32 mm钎头。

注浆设备选择2TGZ-60/210型注浆泵，1台。

搅拌机选择LJ-200防爆型水泥浆搅拌机，1台。

6.7 注浆终压

为尽量扩大注浆距离，使浆液扩散到更小的岩层裂隙中，以不破坏原支护混凝土为原则，注浆终压3 MPa～5 MPa。注浆初期，裂隙、孔洞发育，注浆终压选择低值；注浆后期，注入量少，注浆终压选择高值。

6.8 注浆结束标准

为保证注浆封堵和加固质量,每孔注浆均要达到结束标准。注浆泵调到最低挡后，注浆终压达到设计压力，稳定时间大于20 min为合格。

7 结语

施工总工期为16 d。本段注浆消耗石灰浆21 t，水泥3.2 t，水玻璃1 t。石灰浆经济实用，对硫化氢气体有酸碱中和反应、吸收作用和封堵作用，起到了比单液水泥浆更好的注浆效果。经过注浆施工，3#暗斜井硫化氢涌出异常段，得到彻底治理，整段巷道没有硫化氢涌出异常现象。