鐵新礦硫化氫綜合治理方案可行性研究報告報告

-.z高壓脈動注堿治理硫化氫技術研究可行性研究報告工程名稱：高壓脈動注堿治理硫化氫技術研究承當單位：中國礦業(yè)大學工程負責人：聯(lián)系：一、工程提出背景在煤礦開采過程中，在*些特殊區(qū)域的綜采工作面會出現硫化氫異常，煤層中含的硫化氫大量溢出，局部區(qū)域超過平安規(guī)程規(guī)定值，嚴重影響到工人的身體安康及工作面正常生產。是煤礦有毒有害氣體之一，但的存在遠不如甲烷普遍，目前大局部礦井沒有出現氣體或含量很低，不影響礦井的平安生產，因此，對的防治研究深度及廣度遠不及對甲烷的研究。一般認為，煤礦硫化氫的主要來源有:①硫化礦物水解，并由采空區(qū)、舊巷道的溢水出；②含硫煤炭自然發(fā)火;③含硫煤塵爆炸;④坑木等有機物腐爛;⑤煤巖層中涌出等。原蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦平安研究院于20世紀50年代初即開場對頓巴斯礦區(qū)一些煤礦中出現的硫化氫進展研究，在防治方面建立了一套措施，并取得了成效。中國于1958年開場對**西山煤礦的硫化氫進展研究和治理;1966年對**礦務局四礦的硫化氫進展了研究和治理，都取得了較好的效果。國內外目前的主要防治措施有增加風量和噴灑堿性溶液。噴灑堿性溶液用于吸收煤層中的硫化氫，以減少采掘和運輸過程中的硫化氫涌出量，是一項效果明顯的措施?？稍诼涿旱耐瑫r或在裝載點噴灑或預先向煤體打鉆注入。烏克蘭頓巴斯礦區(qū)采用0.1%一0.2%蘇打水溶液參加0.2一0.3%的外表活性劑噴灑液，使空氣中硫化氫濃度降低了50一80%。中國**西山煤礦在采掘地點噴灑l%的石灰水溶，使硫化氫濃度降低了60%一90%以上。上述硫化氫治理方法一般用于低濃度均勻分布硫化氫的治理。鐵新礦9煤904A工作面開采過程中，也采了噴灑水霧、加強通風、個體防護、淺孔注堿等措施，實踐證明效果不明顯。分析認為該礦硫化氫治理的過程中可能存在的問題為：〔1〕硫化氫分布不均勻，只在靠近運輸巷道巷幫10-40米*圍，且呈跳躍性分布?！?〕工作面注堿鉆孔深度有限，封孔段短，導致注液壓力不高，效率較低。〔3〕所注堿液對硫化氫的有效中和吸收能力有限，濕潤煤壁時難以有效降低硫化氫含量二、工程立項的必要性及市場需求分析工程立項必要性：我國煤炭經過多年開采，開采深度正在逐步加深，而深部開采時，一些礦井煤層中硫化氫的問題將越來越突出。煤對CO2,CH4,N2的吸附實驗說明，被吸附物質的吸附能力隨氣體沸點的增高而增大。H2S氣體的最低沸點為-60.33oC，高于CO2,CH4,N2等氣體，因此，煤對其具有很強的吸附能力生物降解、微生物硫酸鹽復原作用形成的原生H2S氣體只可能存在泥炭一褐煤階段，因泥炭一褐煤水分含量較高，H2S氣體多溶于水，一般不會造成異常。但個別干旱地區(qū)，褐煤中水分含量較低時，可能會出現H2S氣體異常。微生物硫酸鹽復原作用形成的次生H2S氣體可能存在泥炭一焦煤階段，但硫酸鹽復原菌的繁殖靠地表水下滲灌入煤層，即使生成的H2S，也多溶于水，并被地下水帶走。煤及圍巖中熱化學分解成因、硫酸鹽熱化學復原成因形成的H2S氣體不多，局部溶于煤層水中，局部被煤層吸附或充填于煤內孔、裂隙之中。假設煤層已被CH4、N2、CO2等飽和，一般不會造成H2S氣體異常;當煤層在抬升過程或地下水作用下瓦斯逸散后，后期在巖漿熱力作用下新形成的H2S氣體賦存到煤層中，容易造成H2S氣體異常;假設煤系中存在大量硫酸鹽巖，在熱化學作用下往往造成H2S氣體異常。假設礦井煤系中存在巖漿活動，而巖漿活動伴有無機成因H2S氣體，也容易造成礦井瓦斯中H2S氣體異常。因此，造成煤礦瓦斯中H2S氣體異常的主要原因在于H2S氣體的保存條件。另外，我國很多礦區(qū)賦存有高硫煤層，隨著低硫煤炭資源的枯竭及脫硫技術的不斷開展，高硫煤開采勢在必行，而高硫煤中含高硫化氫氣體的可能性增大，以鐵新礦9煤層等為例，我國局部煤礦將不同程度地受到硫化氫氣體的威脅，而這些煤層是這些礦區(qū)的主采煤層，因此，煤礦硫化氫治理是目前很多礦井面臨的技術難題，該課題的研究對保證礦井平安高效生產具有重要的理論價值及現實的指導意義。市場需求分析：工程直接來源于煤礦平安生產的重大科技需求，直接效勞于煤礦平安生產，滿足煤炭工業(yè)和煤礦平安的市場需求。煤礦平安是全國平安生產工作的重中之重，煤礦平安形勢的好轉直接關系到平安生產形勢的好轉。面對當前我國高硫煤開采勢在必行的形勢，煤礦治理硫化氫平安生產工作是一項重要的社會公益性事業(yè)，已經成為制約煤礦平安生產急需解決的重大問題。依靠科技進步，提高煤礦平安管理水平，減少和控制有害氣體對礦井工作人員的危害是平安生產的當務之急。在工業(yè)生產中，煤礦業(yè)是災害類型多、危險源最多、平安隱患最嚴重的領域。據不完全統(tǒng)計，全國有各類煤礦2.8萬余家。煤礦災害的發(fā)生往往具有潛在性、突發(fā)性特點，并極具破壞性和災難性，煤礦硫化氫災害逐漸成為制約煤礦平安生產有一種重大災害。我國高硫煤分布面很廣,幾乎遍布各產煤省,尤以**、**、**、**、**高硫煤資源較多,占國有煤礦高硫煤儲量的76%,從煤層情況看,優(yōu)質煤層日益枯竭,局部礦區(qū)下部煤層含硫量較高。今后煤炭開采,下部煤炭產量的比例將逐年增加,因而研究硫化氫治理是大勢所趨。因此本工程的實施對提高我國煤礦的硫化氫災害防治的總體技術水平和能力起到重要的推動作用。綜上，工程的立項具有重大的市場需求，本工程形成的硫化氫運移規(guī)律及綜合治理技術不僅適用于鐵新礦，也同樣可在其它高硫礦區(qū)中應用、推廣，應用前景廣闊。三、相關領域國內外技術現狀、開展趨勢及國內現有工作根底國內外技術現狀：原蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦平安研究院于20世紀50年代初即開場對頓巴斯礦區(qū)一些煤礦中出現的硫化氫進展研究，在防治方面建立了一套措施，并取得了成效。中國于1958年開場對**西山煤礦的硫化氫進展研究和治理;1966年對**礦務局四礦的硫化氫進展了研究和治理，都取得了較好的效果。國內外目前的主要防治措施有增加風量和噴灑堿性溶液。噴灑堿性溶液用于吸收煤層中的硫化氫，以減少采掘和運輸過程中的硫化氫涌出量，是一項效果明顯的措施。可在落煤的同時或在裝載點噴灑或預先向煤體打鉆注入。烏克蘭頓巴斯礦區(qū)采用0.1%一0.2%蘇打水溶液參加0.2一0.3%的外表活性劑噴灑液，使空氣中硫化氫濃度降低了50一80%。中國**西山煤礦在采掘地點噴灑l%的石灰水溶，使硫化氫濃度降低了60%一90%以上。開展趨勢：我國高硫煤分布面很廣,幾乎遍布各產煤省,尤以**、**、**、**、**高硫煤資源較多,占國有煤礦高硫煤儲量的76%,從煤層情況看,優(yōu)質煤層日益枯竭,局部礦區(qū)下部煤層含硫量較高。今后煤炭開采,下部煤炭產量的比例將逐年增加,因而研究硫化氫治理是大勢所趨。國內現有工作根底：我國很多礦區(qū)賦存有高硫煤層，隨著低硫煤炭資源的枯竭及脫硫技術的不斷開展，高硫煤開采勢在必行，而高硫煤中含高硫化氫氣體的可能性增大。目前高濃度非均勻分布硫化氫成功治理研究目前尚屬空白，主要措施仍采用煤層注水及噴灑水霧等。中國礦業(yè)大學瓦斯防治研究所長期致力于硫化氫治理技術研究，開發(fā)了了高壓脈動注堿治理硫化氫技術。通過研究和分析高壓脈動水力對煤體物理力學性質和硫化氫流動動力學的影響特征，研制開發(fā)了礦用防爆、周期和壓力可調的高壓脈動壓裂裝備和壓裂工藝，利用高壓脈沖水壓力在煤體鉆孔內部的周期性變化所產生的“水擊〞和“水劈〞效應，迫使煤層中的宏觀裂隙擴展聯(lián)通，并促使微小孔裂隙形成和逐漸*開，形成新的再生裂隙網，提供水在煤層中的滲透通道，水中的堿性物質和煤層的硫化氫發(fā)生反響，降低了煤層硫化氫含量，治理效果極佳，為硫化氫提出了一種新的手段和方法。四、工程目標、主要研究內容、技術指標工程目標：本工程研究的總體目標是：探索一個原因〔煤層內部高濃硫化氫產生的原因〕、兩項規(guī)律〔硫化氫在煤層內部賦存及運移規(guī)律、脈動高壓注堿壓裂機理及裂隙拓展規(guī)律〕，研究二項技術〔脈動高壓壓裂注堿技術與工作面淺孔高壓注堿技術〕，提出一種方法〔高壓注堿鉆孔多級密封方法〕，開發(fā)一項技術〔煤層高壓注堿消除硫化氫技術〕，實現一個目標〔高硫化氫煤層的硫化氫含量降低〕，主要從源頭上治理硫化氫，到達治理硫化氫超限這一主要目的。主要研究內容：為了實現上述工程研究的總體目標，需要開展如下研究工作：〔1〕硫化氫在煤層內部賦存及運移規(guī)律與高壓注堿消除硫化氫威脅的機理=1\*GB3①煤層內部高濃硫化氫產生原因，煤體應力對硫化氫在煤層內部賦存及運移狀態(tài)的影響；=2\*GB3②研究順層鉆孔高壓注堿時壓裂的起裂機理、裂隙的發(fā)育拓展，主要包括壓力水對煤層的壓裂過程分析、弱面擴展延伸力學分析；=3\*GB3③研究裂隙產生后硫化氫在煤層內部賦存及運移狀態(tài)。④研究工作面脈動高壓注堿消除硫化氫機理。〔2〕工作面硫化氫涌出量測試與預測預報技術=1\*GB3①采用科學手段測試硫化氫在鐵新礦904A工作面的賦存狀態(tài)；=2\*GB3②采用非線性預測與神經網絡技術相結合預測預報工作面各區(qū)段的硫化氫涌出量；=3\*GB3③根據預測預報結果提出相應硫化氫治理方案，綜合考慮技術的適用性、可操作性與經濟性?！?〕高壓注堿技術的研究=1\*GB3①順層鉆孔裂隙場分布規(guī)律、鉆孔密封段位置的合理選擇、鉆孔周圍密封介質滲漏規(guī)律等。=2\*GB3②選用堿液種類、濃度、消除硫化氫性能等研究；=3\*GB3③高壓注堿壓力、工作面淺孔布孔參數、脈動頻率與方式確實定；④高壓多級密封技術的研究技術指標：〔1〕通過實施該綜合治理技術，開發(fā)高壓脈動注堿技術，提高煤層硫化氫治理水平；〔2〕通過實施該項技術，使煤層工作面硫化氫濃度低于國家規(guī)定，保證平安生產。五、工程實施方案、技術關鍵〔包括技術難點、創(chuàng)新點〕實施方案：根據研究內容的特點，本課題擬采用相應的理論分析、數值模擬和現場工業(yè)性試驗相結合的方法研究脈動高壓注堿治理硫化氫技術，以降低煤層開采時硫化氫濃度，提高工作面的回采速度及施工平安性。擬采取的技術路線為：先根據理論分析和數值模擬及現場實測參數，設計或調整確定出設備的構造與工藝參數，然后研究脈動高壓注堿治理硫化氫技術措施，并進展工業(yè)性試驗，根據試驗結果，對上述研究成果進展驗證和修正。技術難點：〔1〕工作面和順層鉆孔間距、傾角、影響*圍確實定；〔2〕從源頭上消除硫化氫，堿液的均勻、大*圍的在煤層內部滲透；〔3〕簡單快速有效的抑制硫化氫從煤壁、落煤、運輸等環(huán)節(jié)的解析、涌出等方法；〔4〕脈動高壓注堿系統(tǒng)的研究：堿液的選擇，注堿壓力，脈動方式與頻率、高壓多級密封技術等。創(chuàng)新點：〔1〕脈動高壓注液強化注堿，水中的堿性物質和煤層的硫化氫發(fā)生反響，降低了煤層硫化氫含量，源頭上控制硫化氫；〔2〕高壓脈動注堿單孔影響*圍大，減少鉆孔施工量，加快煤層的開采時間；〔3〕研究高效快速消除硫化氫的堿液；〔4〕利用脈動高壓注水與鉆孔注堿技術相結合提出脈動高壓注堿技術；〔5〕研究高壓多級密封技術。六、工程承當單位和協(xié)作單位的支撐條件、組織措施、原輔材料供給、企業(yè)公用設施等配套條件承當單位：保利能源鐵新礦協(xié)作單位：中國礦業(yè)大學承當單位與協(xié)作單位技術力量概況：承當單位技術力量：中國保利集團公司成立于1993年2月。1999年3月，根據黨中央、國務院、中央軍委關于“軍隊、武警部隊和政法機關不再從事經商活動〞的重大決策，中國保利集團公司由原隸屬總裝備部劃歸中央大型企業(yè)工作委員會領導管理，成為國有重要骨干企業(yè)。2003年，由國務院國有資產監(jiān)視管理委員會履行出資人職責，中國保利集團公司成為國資委管理的大型中央企業(yè)。保利能源控股**是中國保利集團公司所屬保利科技**的控股子公司，是保利集團專門從事煤炭和有色金屬礦產資源開發(fā)的投資平臺。公司成立于2006年8月，注冊資本10億元。目前在**擁有焦煤和無煙煤儲量3億噸，焦煤和無煙煤生產能力240萬噸/年，在**擁有優(yōu)質動力煤和化工用煤儲量4億多噸和煤炭生產能力300萬噸/年，此外還擁有兩個洗煤廠、一個焦化廠和兩個鐵路發(fā)運站，形成集采掘、洗選、焦化、發(fā)運為一體的產業(yè)鏈。公司的開展戰(zhàn)略是以煤炭和有色金屬開發(fā)為主業(yè)，以實業(yè)投資和資本運作為主要手段，聯(lián)合業(yè)內有實力的合作伙伴，高起點、大規(guī)模地拓展能源資源領域，實現超常規(guī)、跨越式開展，力爭5年內把保利能源打造成為保利集團繼軍民品貿易、房地產開發(fā)、文化藝術經營之后的第四大主業(yè)，成為國內有影響力的綜合性能源上市企業(yè)。靈石縣兩渡鎮(zhèn)鐵新煤礦**地處美麗的汾河之畔、巍巍呂梁山麓。礦井面積9.6平方公里，煤種為煉焦煤，原煤年生產能力60萬噸，經過3年的改擴建現已投產，未來可擴建成年產120萬噸的煤礦。協(xié)作單位技術力量：中國礦業(yè)大學是一所早期進入“211工程〞的全國重點高校和“985〞優(yōu)勢學科建立高校，其平安技術及工程學科具有博士學位授予權和獲準設置“長江學者獎勵方案〞〔特聘教授學術崗位〕并且在2001年和2007年連續(xù)被評為國家級重點學科，排名全國第一。有煤炭資源與平安開采國家重點實驗室和煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，擁有許多國際先進水平的平安實驗裝備。在礦井瓦斯治理方面，開展了瓦斯防治及預測預報技術、煤與瓦斯突出機理及其防治、瓦斯抽采、保護層開采、區(qū)域瓦斯治理等研究工作，在掘進工作面邊掘邊抽、保護層開采防治煤與瓦斯突出、區(qū)域性瓦斯預測技術、煤巷突出機理等方面取得重要成果。在**、**、**、**、**、天府、**等礦區(qū)進展了大量的瓦斯突出機理及預測預報、突出危險性區(qū)域劃分、保護層開采和區(qū)域性防治技術、局部性防治技術的研究工作，具有五十多年從事煤礦瓦斯災害防治研究的經歷和積累。七、工程方案進度2009.11-2009.12制定方案任務書和技術研究方案；2009.12-2010.01理論分析，現場參數測試，實驗室模擬；2009.02-2010.05現場工業(yè)性試驗；技術參數優(yōu)化、完善；2010.06整理研究成果、撰寫研究報告。八、投資概算〔資金使用明細〕(單位：萬元)方案資金合計設備購置材料費技術開發(fā)費工程費技術效勞費技術咨詢費設備名稱規(guī)格型號數量單價資金設備小計主材料明細費用封孔器膠囊高壓管化學藥品1525552九、經濟效益和社會效益分析本工程涉及許多根底性和機理性研究，可形成一批在復雜環(huán)境條件下硫化氫治理技術及裝備方面具有自主知識產權的技術成果，煤層硫化氫治理研究方面代表國內領先水平、局部領域到達國際先進水平。這不僅對保利集團鐵新礦的平安生產具有重要保障作用，而且對全行業(yè)技術創(chuàng)新具有示*帶動作用。我國煤炭生產行業(yè)災害十分嚴重，平安生產技術的落后已經成為制約煤炭產業(yè)開展的瓶頸。例如本次工程的投標單位——保利集團鐵新礦因硫化氫濃度超限，不僅危害了礦井職工的人身平安，同時也制約了礦井生產效率的提高。本工程研究的技術將大幅提高高濃硫化氫礦井的平安生產技術水平，提高防災、抗災能力。工程研究成果的應用示*及推廣可以顯著提高