新疆龙煤能源有限责任公司
摘要：硫化氢是一种神经性毒气，气体毒性较大，危害也较大，而且与铁质材料反应生成的硫化铁容易产生自燃，成为高含硫的井下采掘工作面的主要危害之一。根据硫化氢的腐蚀机理、对钢材的脆化条件及影响因素，采取不同的防腐蚀措施是保障安全开采，延长机械设备与金属支护的使用寿命。新疆西山煤矿含煤地层属侏罗系中统西山窑组，共含煤层22～34层，煤层总厚36.16米，可采和局部可采的有22层，总厚34.10米，可采煤层总平均厚度为23.72米，主要集中在下段。其中主要可采煤层为B7、B8、B10、B11、B12、B13、B14、B15、B16、B17-18，除B17-18煤层外，其余各煤层含硫量均低于1.2%，属中、低硫煤层，而B17-18煤层含硫量为3.19%，属高硫煤。
据该矿区地质报告显示，该区内共有6个含水层。其中，第Ⅰ含水层组位于B7～B8煤层间，厚度20～30米，以中、细粒砂岩为主，水质属硫酸盐、氯化物～钾钠类型，矿化度高达6144毫克/升。第Ⅱ含水层组位于B14～B16煤层间，厚度20～30米，以细、中、粗砂岩为主。第Ⅲ含水层组位于中侏罗统西山窑组中段（J2x2）底部，厚度40～60米，中、粗粒砂岩、砂砾岩为主，该组渗透性较强。而第Ⅳ含水层组、第Ⅴ含水层组、第Ⅵ含水层组水质属氯化物、硫酸盐、重炭酸盐～钾、钠类型，其矿化度分别达1530毫克/升、5940毫克/升、1840毫克/升。可见该区域内水质为高矿化度、高硫酸根型。
临近矿区的大、小泉河均距离工作区较近，且都有一定水量，但水质较差，口感发苦，大泉河水质属硫酸盐、氯化物、重碳酸盐—钾钠、钙型。矿化度1140～1246毫克/升，总硬度120～200（CaCO3毫克/升），小泉河水质属硫酸盐、氯化物—钾钠、钙类型，矿化度1354～2132毫克/升，总硬度130～210毫克/升（以CaCO3计）。其中，大泉河及区内小溪流对区内地下水有直接补给作用。
一、硫化氢赋存及涌出现象
1.硫化氢涌出事故情况
该区B19号煤层曾多次发生过硫化氢突然涌出情况，其中在2011年11月5日零点班，轨道上山工作面打眼放炮后穿层揭煤（煤厚0.3米，不可采），由于受到冲击振动影响，突然从B19号煤层顶板及四周涌出大量积水和有害气体。硫化氢浓度高达400ppm，瓦斯浓度高达19.5%。在2011年11月8号再次发生类似的硫化氢涌出现象。
2.硫化氢赋存及成因分析
（1）+880水平回风石门探测钻孔情况分析
在风井+880水平回风石门进行探孔，共计打钻孔三个，并记录了打钻过程中硫化氢、瓦斯及温度变化情况。其中一号钻孔打至24m时，涌水量增大，水温升至30度，孔内硫化氢气体浓度高达899ppm，瓦斯浓度为16%。二号钻孔由于积水无法测定气体浓度，故钻进3m后即停钻。三号孔钻至3m时，孔内硫化氢浓度达59ppm，水温为26度。推进至7m时硫化氢升高至105ppm，一氧化碳浓度为42ppm。推进到22m时涌水量明显增大，水温达30℃，硫化氢浓度升至280ppm，一氧化碳浓度达到158ppm。由此推测矿井区域赋存有大量硫化氢。
（2）硫化氢成因分析
由于矿井地面大泉河、小泉河富含硫酸根离子，推测B19上部含水层应含有大量硫酸盐。加之地表火烧区的存在。此外，B17-18煤层全硫含量较高为3.19%，既而推测B19煤层含硫量也较高。综合来看，该区域具备了硫酸盐热化学还原成因（TSR）、硫酸菌还原成因（BSR）及硫化物热解（TDS）产生硫化氢的系列条件。既而判断生成的硫化氢气体主要赋存于含水层中。
（3）井下实地调研情况
通过对井下+745m水平轨道石门实地观测，在通风情况下，硫化氢探头显示浓度为5ppm。在B19煤层顶板第三含水层中有少量裂隙水流出，同时伴随硫化氢逸出现象，用硫化氢便携仪实测硫化氢浓度最大达38ppm。通过以上情况可推断硫化氢随着裂隙水向外逸出，而且+745m水平涌出浓度明显要低于+880水平，初步推测硫化氢赋存浓度规律为下部水平低于上部水平。进一步证明了上部火烧区的硫化物热解（TDS）是硫化氢形成的一种来源方式。
从以上情况可知每个含水层中均有硫化氢赋存。在B7、B8顶板掘进裂隙水中同样有硫化氢逸出现象，但通过一段时间抽排后，水量明显减少，硫化氢浓度随之降低，这为通过堵排治理硫化氢提供了依据。
二、硫化氢气体的危害
1、对工作面人员造成伤害。硫化氢是一种无色有臭鸡蛋气味的剧毒气体，相对密度为1.19kg/m3，易溶于水，形成氢硫酸。硫化氢是一种窒息性刺激性气体，主要损害中枢神经和呼吸系统，对人的毒作用最敏感的组织是脑和粘膜接触部位，其毒作用随浓度增加和接触时间的长短而异。硫化氢浓度达到0.0001%时，就能嗅到臭鸡蛋气味；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0.5-1.0小时，就会严重中毒，抽筋、失去知觉，瞳孔变大，甚至死亡。井下硫化氢主要来源于高含硫矿物，煤体中也含有部分硫化氢，溶于水中的硫化氢随开采和掘进而释放出来。硫化氢气体可燃上线为45.5%，可燃下线为4.3%，燃点为292℃。
2、硫化氢酸性气体对设备和金属支护的损害。硫化氢气体溶于水后形成氢硫酸，与工作面铁质设备及其表面氧化物接触产生化学反应，形成FeS、FeS2、Fe2S3等几种化学物质组成的混合物，主要反应式为：
Fe+S→FeS
FeO+H2S→FeS+H2O
Fe3O4+H2+3H2S→3FeS+H2O
（1）氢鼓泡。腐蚀过程中氢原子向钢体表面扩散，在钢材非金属连续物夹杂处表面聚集形成分子氢，由于氢分子难以从钢体内部组织结构中逸出，从而形成巨大内压，导致内部组织屈服，形成表面层下的平面孔穴。
（2）氢致开裂。在氢气压力的作用下，不同层面上的氢鼓泡裂纹相互连接形成阶梯状，内部裂纹形成氢致开裂。
（3）硫化物应力腐蚀开裂。应力腐蚀属于一种低应力脆性破坏，断裂前很少出现宏观的塑性变形，因此往往会导致无先兆的灾难性事故。湿硫化氢环境中的氢原子渗透到钢铁的内部，使钢铁的脆性增加，严重的部位（如在运输巷）的金属网，用手一捏就粉碎，如图2.a所示。在外加拉力或应力以及残余应力作用下形成开裂，主要出现在高强度刚或焊缝上，如图2.b所示。
（4）应力导向氢致开裂—氢脆。在应力引导下，夹杂物和缺陷处因氢聚集形成的裂纹沿垂直应力方向开裂，形成应力导向氢致开裂。硫化氢浓度对应力腐蚀影响明显，湿硫化氢引起的开裂有硫化氢应力腐蚀氢诱导、应力导向氢致开采、氢鼓泡等。它的破坏敏感度随硫化氢浓度增加而增加。在饱和硫化氢中，破坏敏感度达到最大值，在很短的时间内、几小时、几天发生，也可能在数周、数月发生，如图3所示。
（5）诱致煤层自然倾向性。由于硫化氢的存在，容易产生硫化铁。硫化铁可与空气中的氧气接触发生氧化还原反应，并放出大量的热量，散热受到阻碍，使得热量积蓄，逐渐达到自燃点从而引发自燃事故的发生。
三、治理方案及措施
1、人员安全防护
（1）首先为所有进入该工作面人员（包括管理人员）配戴H2S防护面罩。
（2）在保证该区域作业人员安全的前提下，进行地面黄土回填和采空区裂缝堵漏工作，消除采空区及火烧区漏风。
2、治理方案及措施
采取如下有效治理措施，从源头上杜绝事故发生。
（1）调节风量与改变通风方式
增大工作面风量。西山煤矿建井在掘进期间工作掘进7号煤层，工作面掘进期间风筒末端风量由原来的260m3/min增加到450m3/min，局扇更换为由原来的2×15KW变为2×30KW，利用风量的增加来减低空气中H2S浓度。掘进巷道布置独立通风系统，回风巷直接与下山专用回风道贯通，采区设置专用回风巷，保证有害气体直接进入风道。另外，风速的增加使得供养条件得到改善，从而增加了单位时间内氧气分子与硫化铁分子的接触机会，使得氧气分子在硫化铁内部的有效扩散系数增大，扩散更为容易，缩短了氧气分子向硫化铁内部扩散的时间，因此通风条件成为影响反应速率的主要因素。
（2）屏蔽水幕设置
掘进回风巷距迎头20米设置水幕进行屏蔽，利用H2S易溶于水的特点，以达到减低H2S浓度的目的。
（3）利用碱性添加剂—石灰（水）降低硫化氢
在掘进巷道洒干燥的石灰与喷石灰水，该方法蕴涵的化学反应原理为：
Ca（OH）2+H2S=CaS↓+2H2O
这种方法简单易行，起到了降低硫化氢气体的作用，在掘进巷道可以看到黄色的磁黄铁矿（FeS）和硫化钙，表明该方法起到一定作用。
（4）在煤体及上部老空超前预注石灰水
要从源头上降低硫化氢气体，杜绝事故发生，采用超前预注碱性石灰水，石灰水溶液比例是1：3。一方面降低硫化氢气体，另外一方面可以弱化煤体强度，其工艺措施如下：
在掘进工作面两侧超前30m的位置打二排扇形孔，进行注石灰水工业试验。一排扇形布置3个孔，全工作面布置6个孔，孔的倾角依次为：30°、5°、-10°。钻孔参数如表1所示。
表1 扇形孔布置参数
同时，在掘进工作面灌装石灰水水炮泥，利用爆破后石灰水飞扬来减低H2S气体浓度。每个炮眼外部放一个石灰水水炮泥后加黄土炮泥封堵。
（5）抽放硫化氢。利用地面瓦斯抽放泵站抽取煤体内的H2S气体。在煤巷掘进期间，采取两巷道交替掘进，一条巷道治理，一条巷道掘进。在掘进打钻注石灰水后，对钻孔实施抽放。抽放时间基本在10天左右。
（6）导排硫化氢。巷道有时裂隙出水地点，硫化氢浓度较高，采取裂隙出水地点用风钻打一个小眼，将小眼周边裂隙进行封堵，设管将水和硫化氢引自抽排管路内，无抽放管路地点，将导水管路引到风道内，减少掘进巷道硫化氢涌出浓度。
（7）巷道掘进支护锚网采用非金属矿用塑性网，减少腐蚀。
（8）巷道内各种管线（水管、风管、抽排管）等均采用山东东宏管业生产的矿用PE管，耐腐蚀，轻便，便于安装施工。
（9）每条掘进巷道内设置两台硫化氢传感器（重庆煤科院生产），地面适时进行监控，浓度超过10PPm，报警、断电、撤人。
（10）班组长、瓦检员、段队长等现场每人携带硫化氢检测仪，并悬挂在掘进工作面迎头处。工作面设专职瓦检员，没班对工作面及回风各地点瓦斯、硫化氢等不少于三次检查。
四、治理效果评价
通过以上措施，综合实施，各条巷道在掘进期间H2S浓度降到《煤矿安全规程》规定以下，炮后硫化氢气体浓度由原来的54ppm降到3-5ppm，效果明显。
结论与建议
经过综合分析和现场综合治理实践，取得了一定效果，为开拓掘进提供了安全保障，积累了一些经验，并得出如下结论：
（1）硫化氢（H2S）气体毒性较大，危害也较大，而且与铁质材料反应的硫化铁容易产生自燃。根据硫化氢的腐蚀机理、钢材的伤害条件及影响因素，采取不同的防腐蚀措施，是保障安全开采，延长开采装备与支护结构物寿命的重要因素。
（2）硫化氢（H2S）气体在乌鲁木齐矿区普遍存在，实践证明，用某一种方法很难其完全治理，必须使用综合性的方法，进行综合治理方能取得明显效果。该方法在矿区所属同类矿井可以进行推广，同时要加强监测力度。
（3）硫化氢（H2S）气体的治理尚属于世界难题，还应进一步探索更简易、更快捷的、成本较低的方法。
（4）高含硫或硫化氢气体的急倾斜特厚煤层安全生产工作所面临形势十分严峻，除了高含硫开采本身具有的风险性以外，还与安全管理有关。因此，必须加强安全管理工作，提高企业员工安全意识水平，保证安全生产。
作者简介：
王玉民（1966-），大学本科学历，现任新疆龙煤能源有限责任公司通风安全部部长
论文作者:王玉民
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/24
标签：硫化氢论文; 浓度论文; 煤层论文; 气体论文; 工作面论文; 巷道论文; 含水层论文; 《基层建设》2018年第14期论文;