綜掘工作面硫化氫運(yùn)移規(guī)律及其防治技術(shù)

綜掘工作面硫化氫運(yùn)移規(guī)律及其防治技術(shù)賈寶山;王洪達(dá);賈牛駿【摘要】為掌握綜掘工作面硫化氫的運(yùn)移分布規(guī)律，基于湍流k—s方程、動(dòng)力彌散方程,構(gòu)建硫化氫運(yùn)移擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其運(yùn)移擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了模擬,并提出了泡沫吸收技術(shù)與水幕凈化技術(shù)相結(jié)合的綜合治理措施.結(jié)果表明:硫化氫自工作面涌出后受流場(chǎng)及重力的影響,其運(yùn)移過(guò)程大致可分為重力擴(kuò)散、被動(dòng)擴(kuò)散及均勻擴(kuò)散3個(gè)階段;在工作面類(lèi)似\"U\"形通風(fēng)系統(tǒng)下硫化氫最容易積聚在回風(fēng)側(cè)下隅角處?綜合治理措施應(yīng)用后，使掘進(jìn)機(jī)割煤涌出的硫化氫體積分?jǐn)?shù)由47.7x10-6降低到6.0x10-6,對(duì)硫化氫的有效去除率達(dá)到83.8%.期刊名稱(chēng)】《礦業(yè)安全與環(huán)?！纺?卷),期】2018(045)006【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)（P61-65）【關(guān)鍵詞】綜掘工作面;硫化氫;運(yùn)移規(guī)律;數(shù)值模擬;防治技術(shù)【作者】賈寶山;王洪達(dá);賈牛駿【作者單位】遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新123000;礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)）,遼寧葫蘆島125000;遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新123000;礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（遼寧工程技術(shù)大學(xué)）,遼寧葫蘆島125000;豹子溝煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西臨汾041204正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TD711硫化氫(H2S)是礦井較為常見(jiàn)的有毒有害氣體之一，當(dāng)井下風(fēng)流中的H2S體積分?jǐn)?shù)為0.005%~0.010%時(shí)，對(duì)人的眼角膜及喉嚨粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，使人感到頭痛、惡心、乏力；當(dāng)H2S體積分?jǐn)?shù)為0.1%~0.2%時(shí)，數(shù)秒內(nèi)可致人死亡。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下空氣中的H2S濃度不得超過(guò)6.6x10-6［1-4］。隨著我國(guó)低硫煤炭資源的日斬枯竭，高硫煤礦的開(kāi)采勢(shì)在必行，回采過(guò)程中涌出的H2S會(huì)嚴(yán)重威脅到井下作業(yè)人員安全及礦區(qū)生產(chǎn)［5-6］。由于綜掘工作面開(kāi)采強(qiáng)度大、生產(chǎn)集中，H2S的涌出表現(xiàn)為涌出量大、強(qiáng)度高及分布不均勻的特點(diǎn)。因此，掌握工作面附近H2S的運(yùn)移分布規(guī)律，可以科學(xué)有效地對(duì)其進(jìn)行治理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于綜掘工作面H2S的運(yùn)移分布規(guī)律研究甚少，已有的研究也大多停留在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段，然而由于綜掘工作面空間的局限性及生產(chǎn)的集中性，并不利于人員進(jìn)行實(shí)測(cè)［7-11］。為此，筆者運(yùn)用COMSOL模擬軟件對(duì)掘進(jìn)采煤過(guò)程中H2S的運(yùn)移分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)其分布特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的防治措施。物理模型數(shù)值模擬以山煤集團(tuán)豹子溝煤礦10102綜掘工作面為原型，工作面巷道斷面為矩形，巷道寬4.5m、高3.0m,斷面面積13.5m2;采用2臺(tái)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，供風(fēng)量為300m3/min;風(fēng)筒直徑0.8m，中心線距離巷道底板2.4m，風(fēng)筒出風(fēng)口距離工作面端頭5.0m，吊掛于巷道左側(cè)壁面；考慮掘進(jìn)機(jī)的體積較大對(duì)H2S的運(yùn)移造成影響，所以不能忽略不計(jì)，將掘進(jìn)機(jī)機(jī)身簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體(5.00mx3.00mx1.48m),掘進(jìn)機(jī)機(jī)身距離工作面4.5m。根據(jù)模擬實(shí)際需求，選取距離工作面端頭30m的巷道建立物理模型，假設(shè)掘進(jìn)機(jī)采煤速度恒定，H2S隨采動(dòng)過(guò)程自工作面端頭涌出，考慮到煤層在自然狀態(tài)下H2S的解吸量極小，因此忽略其從巷壁的涌出量，并假設(shè)作業(yè)場(chǎng)所內(nèi)無(wú)明顯熱源對(duì)H2S的運(yùn)移擴(kuò)散造成影響。簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1所示。圖1距工作面端頭30m的巷道簡(jiǎn)化物理模型數(shù)學(xué)模型的建立氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型礦井采用壓入式通風(fēng)機(jī)對(duì)掘進(jìn)工作面供風(fēng)，新鮮風(fēng)流由風(fēng)筒吹出經(jīng)過(guò)綜掘工作面反射后流出，供回風(fēng)系統(tǒng)近似為“U”形，不論是風(fēng)流在風(fēng)筒中還是在掘進(jìn)巷道中的流動(dòng)均可視為管道流動(dòng)。因此采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮的Navier-Stoke方程作為整個(gè)巷道流場(chǎng)的控制方程，湍流模型采用工程中應(yīng)用最為廣泛的渦粘性模式，湍流流量采用k—s雙方程模型，模型僅考慮動(dòng)量傳遞且忽略傳熱的影響，方程求解速度(u)和壓力(p)兩個(gè)因變量。具體形式如下：連續(xù)性方程：?(pu)=0(1)運(yùn)動(dòng)方程：(u?)u二[-pl+(p+|jT)(u+(u)T)]+F+pg(2)湍動(dòng)能k方程：(u?)k二Pk-ps(3)耗散率s方程：(u?)s=(4)其中：Pk=pT{u?[u+(u)T]}式中：為哈密頓算子；p為混合物密度，kg/m3;u為速度，m/s;p為壓力，Pa;l為湍流長(zhǎng)度,m;p為層流黏性系數(shù)，Pa?s;pT為湍流黏性系數(shù)，Pa?s;F為影響流體的體積力，N/kg;g為重力加速度，取9.81m/s2;k為湍動(dòng)能，m2/s2;￡為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3;CJ、Cz2、Cp、ok為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.42、1.68、0.09、1;Pk為剪切力變化引起的動(dòng)能變化率。H2S運(yùn)移擴(kuò)散模型H2S在采場(chǎng)中的運(yùn)移遵循流體動(dòng)力彌散定律，由于H2S濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其溶劑濃度，因此可以使用Fickian方法來(lái)描述物質(zhì)傳輸中的擴(kuò)散項(xiàng)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和對(duì)流擴(kuò)散方程得出H2S在采場(chǎng)中運(yùn)移控制方程：?Dici-uci+Ri(5)p二ciVL?10-3pH+(1-ci?VL?10-3)?pa(6)式中：ci為溶解濃度，mol/m3;Di為H2S在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;Ri為源項(xiàng)，每單位時(shí)間單位體積H2S的增加量，mol/(m3?s);u為平均流速，m/s;pH、pa分別為H2S和空氣的密度，kg/m3;VL為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積，取22.4L/mol。H2S作為溶質(zhì)利用湍流模型計(jì)算出的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)散(方程⑴~(4))，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這是一個(gè)溶質(zhì)擴(kuò)散與流體流動(dòng)耦合的多物理場(chǎng)過(guò)程，聯(lián)立方程(1)~(6)求解，得出H2S在采場(chǎng)的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律，以及在工作面掘進(jìn)巷道中的濃度分布特點(diǎn)。定解條件邊界條件巷道頂?shù)装迮c煤層交界面不發(fā)生物質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散，表示為：-n?Ni=O出口為開(kāi)邊界無(wú)黏滯應(yīng)力：{(p+pT)[p+(p)T]}n=O初始條件p|t=t0=p0，c|t=t0=c0式中：p0為巷道空氣初始?jí)毫?，MPa;c0為H2S流入濃度，mol/m3?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，模型計(jì)算的其他參數(shù)如表1所示。表1模型計(jì)算參數(shù)物理量類(lèi)別參數(shù)值溫度T/K290H2S的流入濃度c0/(mol?m-5.38x10-3出口風(fēng)速v/(m?s-1)10混合物動(dòng)力黏度p*/(Pa?s)17.9x10-6巷道初始?jí)毫0/MPa0.101H2S的密度pH/(kg?m-3)1.593巷道空氣密度pa/(kg?m-3)1.29H2S的擴(kuò)散系數(shù)Di/(m2?s-1)1.58x10-5模擬結(jié)果分析基于以上的模型和參數(shù)設(shè)置，應(yīng)用COMSOL5.3軟件運(yùn)算，通過(guò)局部網(wǎng)格細(xì)化及軟件自帶的網(wǎng)格自適應(yīng)等功能調(diào)試提高計(jì)算精度，得到掘進(jìn)巷道的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及濃度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。本文首先對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行分析，再?gòu)臐舛葓?chǎng)的X、Z截面進(jìn)行深入分析。綜掘工作面流場(chǎng)分析由于掘進(jìn)巷道空間的封閉性，在風(fēng)筒供風(fēng)條件下流場(chǎng)局部變化較大，而氣體濃度的分布對(duì)流場(chǎng)的依賴(lài)較大，為此先對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行一些必要的分析。圖2為掘進(jìn)巷道風(fēng)速流線圖。圖2掘進(jìn)巷道風(fēng)速流線圖由圖2可知，速度較高的風(fēng)流自風(fēng)筒流出后沿掘進(jìn)工作面向外回流，工作面端部4m范圍內(nèi)為低速風(fēng)流形成的渦旋，風(fēng)速較高的壁面風(fēng)流經(jīng)過(guò)回風(fēng)隅角的反射后分兩路流出，其中大部分回風(fēng)方向偏移約45。，向Z軸正方向及巷道左幫操作面射流，另一部分回風(fēng)由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋沿著右側(cè)巷道壁面回流，回流過(guò)程中風(fēng)速減小且流線進(jìn)一步封閉。巷道的出口風(fēng)流近似層流狀態(tài)。3.2綜掘工作面H2S運(yùn)移規(guī)律分析為清晰展示計(jì)算結(jié)果，在巷道走向方向（X軸正方向）均勻地取10個(gè)參考平面，平面間距平均為2.7m,Z截面自上而下分別截取2.40m（風(fēng)筒中心平面）、1.55m（人的呼吸帶）、0.75m為參考平面，計(jì)算繪制出的X與Z截面上H2S濃度分布圖，如圖3所示。（a） X截面（b） Z截面圖3H2S濃度分布云圖由圖3可知，在掘進(jìn)工作面類(lèi)似“U”形通風(fēng)系統(tǒng)下H2S最容易積聚在工作面回風(fēng)側(cè)下隅角；H2S自工作面涌出后大致可分3個(gè)階段向外擴(kuò)散，分別為重力擴(kuò)散階段、被動(dòng)擴(kuò)散階段、均勻擴(kuò)散階段［12］。1） 重力擴(kuò)散階段。由圖3（b）可知，在H2S擴(kuò)散初期，巷道底板及工作面回風(fēng)側(cè)下隅角H2S濃度較高。在這一階段，采動(dòng)過(guò)程涌出的H2S還未與空氣混合，受壁面風(fēng)流和重力的沉降作用，掘進(jìn)工作面涌出的H2S向風(fēng)速較小的工作面回風(fēng)下隅角處堆積。2） 被動(dòng)擴(kuò)散階段。由圖3可知，下隅角處的H2S逐漸向巷道頂板及風(fēng)筒側(cè)巷壁擴(kuò)散，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)附近（距離工作面6~10m處）H2S濃度隨之升高。在這一階段，受風(fēng)流的攜帶作用影響，下隅角處高濃度的H2S向巷道斜上方射流，隨著風(fēng)速的減小H2S卷吸混合空氣量減少，巷道頂板H2S濃度也逐漸升高。3）均勻擴(kuò)散階段。由圖3⑻可知，隨著與工作面距離的增加，頂板處的H2S隨風(fēng)流向風(fēng)筒側(cè)巷壁平移擴(kuò)散，而右?guī)拖掠缃翘幍腍2S表現(xiàn)為沿著巷道底板隨風(fēng)流平移流出。在這一階段，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，巷道頂板處的H2S在重力作用下沉降，其隨著與巷道距離的增加逐漸擴(kuò)散均勻。4綜掘工作面H2S防治技術(shù)吸附在煤層孔隙中的H2S性質(zhì)比較穩(wěn)定，在自然狀態(tài)下的解吸量非常小，可以忽略，只是在采動(dòng)過(guò)程中由于煤壁的垮落和煤巖破碎使賦存在煤體中的H2S才大量涌出，因此應(yīng)該著重從產(chǎn)生源頭上進(jìn)行治理，將有害氣體封堵在工作面的一定區(qū)域內(nèi)，使其不向其他區(qū)域擴(kuò)散。一般來(lái)說(shuō)，礦井H2S的防治技術(shù)主要有泡沫吸收技術(shù)和噴霧稀釋水幕凈化技術(shù)。泡沫吸收技術(shù)目前國(guó)內(nèi)主流的H2S治理方法為噴灑堿性水溶液稀釋?zhuān)瑝A水溶液一樣泡沫吸收劑的主要原理仍為酸堿中和，但是相比前者泡沫吸收劑具有比表面積大、覆蓋效應(yīng)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可增大與H2S的接觸概率，提高吸收效率。因此可在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭前端安裝泡沫噴射裝置，在割煤前及采煤過(guò)程中將吸收液噴灑在待采煤壁上及煤體垮落的空間，將隨采動(dòng)過(guò)程中擴(kuò)散出的H2S封堵在工作面一定區(qū)域內(nèi)，避免H2S隨風(fēng)流擴(kuò)散至整個(gè)巷道空間。泡沫噴射裝置布置方式如圖4所示，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭前端截齒頭兩端分別布置3個(gè)噴頭（噴頭距離掘進(jìn)工作面端頭約為4m，噴射張角40°）。根據(jù)模擬結(jié)果工作面回風(fēng)側(cè)H2S濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)風(fēng)側(cè)，為達(dá)到快速有效吸收掘進(jìn)工作面涌出的H2S的目的，設(shè)置噴射裝置左/右端的3個(gè)噴頭與噴射裝置夾角為70°和45°，中間的2個(gè)噴頭與噴射裝置夾角為90°，泡沫劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，吸收液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%左右［13-14］。泡沫發(fā)生裝置安放于掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上，吸收液泡沫泵站安裝在二運(yùn)輸送帶溜道后端的支架之上。圖4泡沫噴射裝置布置示意圖噴霧稀釋水幕凈化技術(shù)針對(duì)工作面仍然向外擴(kuò)散的H2S在掘進(jìn)巷道頂板設(shè)置2道堿水凈化水幕，如圖5所示，堿水溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaHC03溶液［15］，水幕水平方向布置9個(gè)噴頭(平均間距0.36m)，噴水流量35L/min，噴頭工作壓力0.1MPa。為保證工作面附近作業(yè)人員的視線清楚，首道噴淋水幕設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)尾部膠帶處；參考《煤礦綜合防塵標(biāo)準(zhǔn)及要求》規(guī)定第2道水幕與第1道水幕間距不得超過(guò)20m，結(jié)合實(shí)測(cè)得到的水幕吸收的有效范圍，將第2道水幕設(shè)置在距離首道水幕8m處，凈化水幕隨掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)，針對(duì)被風(fēng)流卷吸到巷道頂板的H2S實(shí)施就地中和，同時(shí)捕獲吸收向外逃逸的H2S氣體。圖5噴灑吸收液稀釋H2S系統(tǒng)組成示意圖工程應(yīng)用為考察綜合治理措施的應(yīng)用效果，選用CD4便攜式H2S測(cè)試儀，在豹子溝煤礦10102掘進(jìn)工作面附近布點(diǎn)實(shí)地測(cè)試，在距離工作面端頭分別為7、15、25m，共布置了3個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)測(cè)試斷面布置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)表示為(與巷道左側(cè)壁面水平距離，與巷道底板垂直距離)，坐標(biāo)單位為m，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)分別取為(1.00,1.55)、(2.30，1.55)、(4.30，0.80)，治理措施應(yīng)用前后H2S濃度變化情況如表2所示?？梢钥闯觯瑑H泡沫吸收治理技術(shù)對(duì)H2S的有效去除率就達(dá)到71.0%以上，平均值為74.5%；增加水幕凈化治理技術(shù)后H2S去除率達(dá)到82.0%以上，平均值為83.8%，在泡沫吸收治理技術(shù)基礎(chǔ)上提高了近10.0%，綜合治理效果顯著。表2治理措施實(shí)施前后H2S體積分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果測(cè)試條件測(cè)點(diǎn)位置H2S體積分?jǐn)?shù)/10-6距工作面端頭7m距工作面端頭15m距工作面端頭25mH2S有效去除率平均值/%(1.00,1.55)41.537.434.5未采取措施44.636.133.2(4.30,0.80)47.735.228.2(1.00,1.55)9.89.18.476.1僅用泡沫吸收治理技術(shù)10.49.57.675.8(4.30,0.80)11.710.29.071.6(1.00,1.55)6.76.56.182.7同時(shí)使用泡沫吸收和水幕凈化治理技術(shù)6.05.65.185.2(4.30,0.80)7.25.94.783.65結(jié)論基于COMSOL5.3建立了較為符合實(shí)際的流體流動(dòng)與H2S擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，得出了風(fēng)筒供風(fēng)條件下掘進(jìn)采煤作業(yè)過(guò)程中H2S運(yùn)移分布規(guī)律。在受限空間內(nèi)H2S濃度的分布受流場(chǎng)和重力的共同作用，H2S自工作面涌出后經(jīng)過(guò)重力擴(kuò)散、被動(dòng)擴(kuò)散、均勻擴(kuò)散3個(gè)階段向外擴(kuò)散，在工作面類(lèi)似“U”形供風(fēng)系統(tǒng)下，H2S容易積聚在回風(fēng)側(cè)下隅角處，該區(qū)域應(yīng)作為治理工作的重點(diǎn)。針對(duì)H2S的運(yùn)移分布規(guī)律，提出了在源頭處采用泡沫吸收技術(shù)與輔助性堿水幕凈化技術(shù)相結(jié)合的綜合治理措施。實(shí)踐證明綜合治理措施對(duì)H2S的有效去除率高達(dá)82.0%以上，可為高硫煤礦H2S治理提供重要參考。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】胡夫?煤層注H2S吸收液的工藝參數(shù)研究J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2017，44⑴：1-4.袁欣鵬，梁冰，孫維吉，等?煤層注堿治理礦井硫化氫涌出危害研究J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，25(5)：114-119.王坤?烏東礦區(qū)硫化氫防治技術(shù)研究J].中州煤炭，2015