我国煤矿硫化氢成因及防治对策

吴蒙 ，秦云虎，王晓青，王思云，宋雪娟，王柱国

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006；2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；3.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；4.国家能源集团宁夏煤业公司任家庄煤矿，宁夏 银川 751400；5.徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221018)

近年来，随着煤矿采煤深度增加，硫化氢异常突出致使矿工伤亡事故呈快速上升的趋势[1-8]。我国河南、山东、内蒙古、山西、甘肃、四川等省(自治区)30余处煤矿采空区、废弃巷道和煤层中均发现H2S涌出[9-12]。硫化氢(H2S)是一种无色、有臭鸡蛋气味的剧毒气体，常聚集于巷道底板，易与碱液发生化学反应[1-2]，腐蚀巷道中的金属材料和损害人体健康[4-5]。H2S浓度达到0.40 mg/dm3，人体能够嗅到臭鸡蛋气味；超过0.76 mg/dm3时，可使人发生支气管炎、肺炎和肺水肿等疾病；超过1.00 mg/dm3，可诱发电击死亡[6-9]。

同时，煤矿H2S浓度分布不均，加之，井下作业人员对H2S的危害认识不足，重视程度不够[10-13]，因此，一旦发生高浓度H2S涌出，容易造成安全事故[14-16]。本文概述了煤矿硫化氢成因及防治现状，提出了煤矿H2S防治技术存在问题，旨在为我国煤矿H2S防治技术发展提供一定的借鉴意义。

1 硫化氢成因及判识

在自然界中，H2S成因可分为有机成因和无机成因两大类，进一步可划分为5种成因类型(表1)。

表1 硫化氢成因[17-19]Table 1 Causes of hydrogen sulfide

生物降解成因多发生在煤化作用早期阶段，含硫有机质在微生物作用下因腐败分解而产生，因此，该H2S的规模和含量较小。此外，成煤植物腐烂，硫化物分解，也可产生H2S。

微生物还原成因(BSR)是硫酸盐还原菌在无氧条件下将硫酸盐吸收从而产生H2S的代谢过程[20]。BSR需要烃类有机质、硫酸盐和硫酸盐还原菌以及适宜的温度。其中，在20～80 ℃，pH为7.0～7.8的厌氧还原条件下，硫酸盐还原菌可以快速生长繁殖[21-22]。

BSR主要发生在埋深较浅的地层。其成因特征包括[19，23-26]：①煤中无机硫和有机硫含量均较高；②煤层埋藏温度<120 ℃；③还原菌繁殖的最佳温度为25～40 ℃；④硫同位素偏轻，尤其黄铁矿中的δ34S偏负，平均介于-15‰～-30‰，通常比硫酸盐中δ34S低20‰；⑤CO2组分含量<5.0%，CO2碳同位素δ13CCO2<-5.0‰；⑥BSR多发生在2 500 m以浅的地层。

岩浆成因指岩浆中挥发组分经过脱气，再随岩浆活动运移至煤岩层。H2S浓度不仅受地壳中硫元素丰度的制约，也受温度和其他储层条件的影响，从而决定了煤层中岩浆成因产生的H2S浓度多小于1%[29]。其中，低硫煤层H2S异常富集，且伴有明显的岩浆侵入现象，很容易被判识为岩浆成因[11]。含硫煤炭自燃等其他成因也可导致诸多煤矿瓦斯中H2S异常富集[12]。

2 矿井硫化氢防治对策

煤矿H2S防治技术成果显著，并且逐渐成熟，见表2。

表2 煤矿硫化氢防治措施和方法Table 2 Prevention measures and methods of hydrogen sulfide in coal mine

邓中等[41]通过压注Na2CO3溶液至巷道和工作面的煤体，实现了从源头上降低H2S浓度，同时增大通风量稀释H2S浓度，较好地解决了煤矿H2S涌出问题。刘奎[37]采用泡沫吸收液治理东山矿71507工作面的H2S涌出，实现了掘进面H2S体积分数去除率达到86%。张戈等[3]采用喷洒吸收液处置急倾斜特厚煤层工作面、上隅角和回风巷中的H2S，可使其浓度降低84.40%。卓军等[39]综合采用探抽防喷、综合探测、层面抽放和即注即堵等技术解决了龙门峡南矿高浓度H2S突出问题。林海等[1]在实验条件下利用Fenton试剂有效防治了矿井水中H2S的逸出。王建等[43]通过喷洒碱液、增大通风量和压注碱液等技术治理了神华宁煤H2S问题。张广太[44]试验发现pH值为9.5时，Na2CO3溶液对H2S的吸收率可达到80%以上。

工作面在进风顺槽掘进过程中，H2S瞬时浓度处于6.0×10-5～4.0×10-4时，应采取主动治理方案控制H2S的涌出量，即通过高压注碱液吸收煤体H2S。被动治理是通过H2S气体监测仪所控制的碱水喷洒装置动态治理H2S涌出，若监测仪检测到巷道空气中H2S超标时，碱水喷洒装置自动打开中和H2S。综合防治指煤矿采掘活动使工作面和巷道的煤岩层中聚集大量的H2S气体发生逸出，使得上隅角、采空区和水体中H2S浓度远超4.0×10-4[45]。综上所述，煤矿常根据自身情况，建立“除、排、堵、疏、抽”等防治措施[4]。其中，“除”指采用化学方法喷、洒、注(缓冲溶液、表面活性剂、碱性溶液)等方式中和空气、煤岩层或水体中的H2S；“排”指增大风量，或者改变采煤和通风方式，进而稀释、排除H2S；“堵”指利用浆液充填或渗透封堵裂隙，从而治理H2S；“疏”指利用特殊管网将封堵的H2S溶液疏排到指定地点，再用化学药剂给予治理；“抽”指利用特殊管网，借助压差抽采、排除煤体中的H2S。

个人防护法、化学中和法、通风改进法和泡沫防治法是煤矿H2S涌出常用的治理方法[10]。

个体防护法是为了确保工作人员安全和防止井下金属设备发生腐蚀，需要配备橡胶手套、防酸面罩、防护眼镜以及必要的药物和面罩等[35-36，42]。同时，巷道金属支架上往往涂上一层乳化油，并用塑料包裹，以防止发生腐蚀作用[10，32]。

化学中和法以喷雾和注液两种方式来中和防治H2S[5，7，10]。喷雾化学中和法是利用石灰水和碳酸钠等溶液，必要时加入氧化剂等辅助试剂制备碱性溶液治理巷道中H2S涌出[3-5，30-33]。该方法具有操作方便、设备简单、占地面积小等优点，是治理煤矿H2S涌出的一种常用方法。注液化学中和法是向煤层内部压注吸收液(碳酸钠、氢氧化钠和石灰浆水等)降低煤体中H2S浓度[33-34，39]。

通风改进法是通过改进通风系统或增大通风量以实现降低空气中H2S浓度[8，35，42]。然而，由于巷道内风速和通风机效能的限制，也可改变掘进通风方式降低H2S浓度[35]。其中，短距离掘进改为抽出式通风，长距离改为混合式通风，同时加大对巷道内和井下涌出的H2S进行监测、治理、预测和防治[10]。

另外，泡沫防治法的研究对象为采煤工作面和煤层垮落区域[3，31]。煤体因泡沫覆盖而将H2S隔离在源头处，同时，泡沫表面因有较大的比表面积，使吸收剂更易捕集到H2S，从而提高了泡沫防治法的应用效果[37]。

3 存在问题

煤矿H2S涌出防治技术取得了显著成果，同时也存在一些问题需要深入研究。

煤矿H2S治理包括巷道增大风量、煤层喷洒石灰水和注入Na2CO3溶液等[11]，然而石灰、纯碱(Na2CO3)等碱性试剂在H2S治理过程中会时常损坏设备，导致成本升高。因此，需要进一步研制H2S吸收液的新材料和新工艺[2]。同时，含K、Na的化学吸收液注入煤层后，煤层煤质发生改变影响工业生产。例如，冶金焦炭中含K化合物容易发生穿孔事故，直接缩短高炉寿命[10]。

压注Na2CO3溶液进入煤层过程中，存在流体活动范围有限、工程量大和耗费时间长等问题，需要加强增透压注理论研究[41]。煤矿H2S的防治措施所使用的试剂不能完全吸收，从而造成资源浪费，需要开展不同区域、不同浓度和智能化的H2S浓度自动检测和分级综合治理技术[2，46-48]。煤矿H2S涌出防治智能化程度不高，需要进一步开发全方位、多区域的煤矿H2S综合监测、检测和防治的技术体系。

4 结论

我国煤矿H2S防治措施包括个体防护法、化学中和法和通风改进法等。受开采深度、煤岩煤质和生态环境等因素影响，H2S精准高效防治尚存在一些问题，今后仍需要加强吸收剂相关理论和材料性能研究，构建智能化、全方位、多区域煤矿H2S综合监测、检测和预治的技术体系，加快实现煤矿H2S防治安全、经济、环保和可持续的目标。