综掘工作面硫化氢运移规律及其防治技术

综掘工作面硫化氢运移规律及其防治技术贾宝山;王洪达;贾牛骏【摘要】为掌握综掘工作面硫化氢的运移分布规律，基于湍流k—s方程、动力弥散方程,构建硫化氢运移扩散的数学模型,对其运移扩散过程进行了模拟,并提出了泡沫吸收技术与水幕净化技术相结合的综合治理措施.结果表明:硫化氢自工作面涌出后受流场及重力的影响,其运移过程大致可分为重力扩散、被动扩散及均匀扩散3个阶段;在工作面类似\"U\"形通风系统下硫化氢最容易积聚在回风侧下隅角处•综合治理措施应用后，使掘进机割煤涌出的硫化氢体积分数由47.7x10-6降低到6.0x10-6,对硫化氢的有效去除率达到83.8%.期刊名称】《矿业安全与环保》年(卷),期】2018(045)006【总页数】5页（P61-65）【关键词】综掘工作面;硫化氢;运移规律;数值模拟;防治技术【作者】贾宝山;王洪达;贾牛骏【作者单位】辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新123000;矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室（辽宁工程技术大学）,辽宁葫芦岛125000;辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新123000;矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室（辽宁工程技术大学）,辽宁葫芦岛125000;豹子沟煤业有限责任公司,山西临汾041204正文语种】中文【中图分类】TD711硫化氢(H2S)是矿井较为常见的有毒有害气体之一，当井下风流中的H2S体积分数为0.005%~0.010%时，对人的眼角膜及喉咙粘膜有强烈刺激作用，使人感到头痛、恶心、乏力；当H2S体积分数为0.1%~0.2%时，数秒内可致人死亡。《煤矿安全规程》规定井下空气中的H2S浓度不得超过6.6x10-6［1-4］。随着我国低硫煤炭资源的日斩枯竭，高硫煤矿的开采势在必行，回采过程中涌出的H2S会严重威胁到井下作业人员安全及矿区生产［5-6］。由于综掘工作面开采强度大、生产集中，H2S的涌出表现为涌出量大、强度高及分布不均匀的特点。因此，掌握工作面附近H2S的运移分布规律，可以科学有效地对其进行治理。目前国内外对于综掘工作面H2S的运移分布规律研究甚少，已有的研究也大多停留在现场测试阶段，然而由于综掘工作面空间的局限性及生产的集中性，并不利于人员进行实测［7-11］。为此，笔者运用COMSOL模拟软件对掘进采煤过程中H2S的运移分布规律进行数值模拟，并根据其分布特点，提出了相应的防治措施。物理模型数值模拟以山煤集团豹子沟煤矿10102综掘工作面为原型，工作面巷道断面为矩形，巷道宽4.5m、高3.0m,断面面积13.5m2;采用2台对旋轴流式通风机供风，供风量为300m3/min;风筒直径0.8m，中心线距离巷道底板2.4m，风筒出风口距离工作面端头5.0m，吊挂于巷道左侧壁面；考虑掘进机的体积较大对H2S的运移造成影响，所以不能忽略不计，将掘进机机身简化为长方体(5.00mx3.00mx1.48m),掘进机机身距离工作面4.5m。根据模拟实际需求，选取距离工作面端头30m的巷道建立物理模型，假设掘进机采煤速度恒定，H2S随采动过程自工作面端头涌出，考虑到煤层在自然状态下H2S的解吸量极小，因此忽略其从巷壁的涌出量，并假设作业场所内无明显热源对H2S的运移扩散造成影响。简化后的物理模型如图1所示。图1距工作面端头30m的巷道简化物理模型数学模型的建立气体流动数学模型矿井采用压入式通风机对掘进工作面供风，新鲜风流由风筒吹出经过综掘工作面反射后流出，供回风系统近似为“U”形，不论是风流在风筒中还是在掘进巷道中的流动均可视为管道流动。因此采用三维稳态不可压缩的Navier-Stoke方程作为整个巷道流场的控制方程，湍流模型采用工程中应用最为广泛的涡粘性模式，湍流流量采用k—s双方程模型，模型仅考虑动量传递且忽略传热的影响，方程求解速度(u)和压力(p)两个因变量。具体形式如下：连续性方程：•(pu)=0(1)运动方程：(u・)u二[-pl+(p+|jT)(u+(u)T)]+F+pg(2)湍动能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：为哈密顿算子；p为混合物密度，kg/m3;u为速度，m/s;p为压力，Pa;l为湍流长度,m;p为层流黏性系数，Pa・s;pT为湍流黏性系数，Pa・s;F为影响流体的体积力，N/kg;g为重力加速度，取9.81m/s2;k为湍动能，m2/s2;£为湍动能耗散率，m2/s3;CJ、Cz2、Cp、ok为经验常数，分别取1.42、1.68、0.09、1;Pk为剪切力变化引起的动能变化率。H2S运移扩散模型H2S在采场中的运移遵循流体动力弥散定律，由于H2S浓度远远低于其溶剂浓度，因此可以使用Fickian方法来描述物质传输中的扩散项。根据质量守恒定律和对流扩散方程得出H2S在采场中运移控制方程：•Dici-uci+Ri(5)p二ciVL・10-3pH+(1-ci・VL・10-3)・pa(6)式中：ci为溶解浓度，mol/m3;Di为H2S在空气中的扩散系数，m2/s;Ri为源项，每单位时间单位体积H2S的增加量，mol/(m3・s);u为平均流速，m/s;pH、pa分别为H2S和空气的密度，kg/m3;VL为气体在标准状况下的体积，取22.4L/mol。H2S作为溶质利用湍流模型计算出的速度场和压力场进行扩散(方程⑴~(4))，经过一定的时间达到新的平衡状态，这是一个溶质扩散与流体流动耦合的多物理场过程，联立方程(1)~(6)求解，得出H2S在采场的运移扩散规律，以及在工作面掘进巷道中的浓度分布特点。定解条件边界条件巷道顶底板与煤层交界面不发生物质对流扩散，表示为：-n・Ni=O出口为开边界无黏滞应力：{(p+pT)[p+(p)T]}n=O初始条件p|t=t0=p0，c|t=t0=c0式中：p0为巷道空气初始压力，MPa;c0为H2S流入浓度，mol/m3。基于现场实测，模型计算的其他参数如表1所示。表1模型计算参数物理量类别参数值温度T/K290H2S的流入浓度c0/(mol・m-5.38x10-3出口风速v/(m・s-1)10混合物动力黏度p*/(Pa・s)17.9x10-6巷道初始压力p0/MPa0.101H2S的密度pH/(kg・m-3)1.593巷道空气密度pa/(kg・m-3)1.29H2S的扩散系数Di/(m2・s-1)1.58x10-5模拟结果分析基于以上的模型和参数设置，应用COMSOL5.3软件运算，通过局部网格细化及软件自带的网格自适应等功能调试提高计算精度，得到掘进巷道的速度场、压力场及浓度场的计算结果。本文首先对速度场进行分析，再从浓度场的X、Z截面进行深入分析。综掘工作面流场分析由于掘进巷道空间的封闭性，在风筒供风条件下流场局部变化较大，而气体浓度的分布对流场的依赖较大，为此先对流场进行一些必要的分析。图2为掘进巷道风速流线图。图2掘进巷道风速流线图由图2可知，速度较高的风流自风筒流出后沿掘进工作面向外回流，工作面端部4m范围内为低速风流形成的涡旋，风速较高的壁面风流经过回风隅角的反射后分两路流出，其中大部分回风方向偏移约45。，向Z轴正方向及巷道左帮操作面射流，另一部分回风由于掘进机的阻挡沿着右侧巷道壁面回流，回流过程中风速减小且流线进一步封闭。巷道的出口风流近似层流状态。3.2综掘工作面H2S运移规律分析为清晰展示计算结果，在巷道走向方向（X轴正方向）均匀地取10个参考平面，平面间距平均为2.7m,Z截面自上而下分别截取2.40m（风筒中心平面）、1.55m（人的呼吸带）、0.75m为参考平面，计算绘制出的X与Z截面上H2S浓度分布图，如图3所示。（a） X截面（b） Z截面图3H2S浓度分布云图由图3可知，在掘进工作面类似“U”形通风系统下H2S最容易积聚在工作面回风侧下隅角；H2S自工作面涌出后大致可分3个阶段向外扩散，分别为重力扩散阶段、被动扩散阶段、均匀扩散阶段［12］。1） 重力扩散阶段。由图3（b）可知，在H2S扩散初期，巷道底板及工作面回风侧下隅角H2S浓度较高。在这一阶段，采动过程涌出的H2S还未与空气混合，受壁面风流和重力的沉降作用，掘进工作面涌出的H2S向风速较小的工作面回风下隅角处堆积。2） 被动扩散阶段。由图3可知，下隅角处的H2S逐渐向巷道顶板及风筒侧巷壁扩散，掘进机司机附近（距离工作面6~10m处）H2S浓度随之升高。在这一阶段，受风流的携带作用影响，下隅角处高浓度的H2S向巷道斜上方射流，随着风速的减小H2S卷吸混合空气量减少，巷道顶板H2S浓度也逐渐升高。3）均匀扩散阶段。由图3⑻可知，随着与工作面距离的增加，顶板处的H2S随风流向风筒侧巷壁平移扩散，而右帮下隅角处的H2S表现为沿着巷道底板随风流平移流出。在这一阶段，流场趋于稳定，巷道顶板处的H2S在重力作用下沉降，其随着与巷道距离的增加逐渐扩散均匀。4综掘工作面H2S防治技术吸附在煤层孔隙中的H2S性质比较稳定，在自然状态下的解吸量非常小，可以忽略，只是在采动过程中由于煤壁的垮落和煤岩破碎使赋存在煤体中的H2S才大量涌出，因此应该着重从产生源头上进行治理，将有害气体封堵在工作面的一定区域内，使其不向其他区域扩散。一般来说，矿井H2S的防治技术主要有泡沫吸收技术和喷雾稀释水幕净化技术。泡沫吸收技术目前国内主流的H2S治理方法为喷洒碱性水溶液稀释，同碱水溶液一样泡沫吸收剂的主要原理仍为酸碱中和，但是相比前者泡沫吸收剂具有比表面积大、覆盖效应强的优点，可增大与H2S的接触概率，提高吸收效率。因此可在掘进机机头前端安装泡沫喷射装置，在割煤前及采煤过程中将吸收液喷洒在待采煤壁上及煤体垮落的空间，将随采动过程中扩散出的H2S封堵在工作面一定区域内，避免H2S随风流扩散至整个巷道空间。泡沫喷射装置布置方式如图4所示，在掘进机机头前端截齿头两端分别布置3个喷头（喷头距离掘进工作面端头约为4m，喷射张角40°）。根据模拟结果工作面回风侧H2S浓度远远大于进风侧，为达到快速有效吸收掘进工作面涌出的H2S的目的，设置喷射装置左/右端的3个喷头与喷射装置夹角为70°和45°，中间的2个喷头与喷射装置夹角为90°，泡沫剂质量分数为0.4%，吸收液质量分数为0.8%左右［13-14］。泡沫发生装置安放于掘进机转盘上，吸收液泡沫泵站安装在二运输送带溜道后端的支架之上。图4泡沫喷射装置布置示意图喷雾稀释水幕净化技术针对工作面仍然向外扩散的H2S在掘进巷道顶板设置2道碱水净化水幕，如图5所示，碱水溶液采用质量分数为0.5%的NaHC03溶液［15］，水幕水平方向布置9个喷头(平均间距0.36m)，喷水流量35L/min，喷头工作压力0.1MPa。为保证工作面附近作业人员的视线清楚，首道喷淋水幕设置在掘进机尾部胶带处；参考《煤矿综合防尘标准及要求》规定第2道水幕与第1道水幕间距不得超过20m，结合实测得到的水幕吸收的有效范围，将第2道水幕设置在距离首道水幕8m处，净化水幕随掘进机向前推进，针对被风流卷吸到巷道顶板的H2S实施就地中和，同时捕获吸收向外逃逸的H2S气体。图5喷洒吸收液稀释H2S系统组成示意图工程应用为考察综合治理措施的应用效果，选用CD4便携式H2S测试仪，在豹子沟煤矿10102掘进工作面附近布点实地测试，在距离工作面端头分别为7、15、25m，共布置了3个测试断面，每个测试断面布置3个测试点，测试点的坐标表示为(与巷道左侧壁面水平距离，与巷道底板垂直距离)，坐标单位为m，3个测试点的坐标分别取为(1.00,1.55)、(2.30，1.55)、(4.30，0.80)，治理措施应用前后H2S浓度变化情况如表2所示。可以看出，仅泡沫吸收治理技术对H2S的有效去除率就达到71.0%以上，平均值为74.5%；增加水幕净化治理技术后H2S去除率达到82.0%以上，平均值为83.8%，在泡沫吸收治理技术基础上提高了近10.0%，综合治理效果显著。表2治理措施实施前后H2S体积分数测试结果测试条件测点位置H2S体积分数/10-6距工作面端头7m距工作面端头15m距工作面端头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仅用泡沫吸收治理技术10.49.57.675.8(4.30,0.80)11.710.29.071.6(1.00,1.55)6.76.56.182.7同时使用泡沫吸收和水幕净化治理技术6.05.65.185.2(4.30,0.80)7.25.94.783.65结论基于COMSOL5.3建立了较为符合实际的流体流动与H2S扩散数学模型，得出了风筒供风条件下掘进采煤作业过程中H2S运移分布规律。在受限空间内H2S浓度的分布受流场和重力的共同作用，H2S自工作面涌出后经过重力扩散、被动扩散、均匀扩散3个阶段向外扩散，在工作面类似“U”形供风系统下，H2S容易积聚在回风侧下隅角处，该区域应作为治理工作的重点。针对H2S的运移分布规律，提出了在源头处采用泡沫吸收技术与辅助性碱水幕净化技术相结合的综合治理措施。实践证明综合治理措施对H2S的有效去除率高达82.0%以上，可为高硫煤矿H2S治理提供重要参考。参考文献：【相关文献】胡夫•煤层注H2S吸收液的工艺参数研究J].矿业安全与环保，2017，44⑴：1-4.袁欣鹏，梁冰，孙维吉，等•煤层注碱治理矿井硫化氢涌出危害研究J].中国安全科学学报，2015，25(5)：114-119.王坤•乌东矿区硫化氢防治技术研究J].中州煤炭，2015