铁新矿硫化氢综合治理方案可行性研究报告.docx

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铁新矿硫化氢综合治理方案可行性研究报告

高压脉动注碱治理硫化氢技术研究

可行性研究报告

项目名称：

高压脉动注碱治理硫化氢技术研究

承担单位：

中国矿业大学

项目负责人：

联系电话：

一、项目提出背景

在煤矿开采过程中，在某些特殊区域的综采工作面会出现硫化氢异常，煤层中含的硫化氢大量溢出，局部区域超过安全规程规定值，严重影响到工人的身体健康及工作面正常生产。

是煤矿有毒有害气体之一，但

的存在远不如甲烷普遍，目前大部分矿井没有出现

气体或

含量很低，不影响矿井的安全生产，因此，对

的防治研究深度及广度远不及对甲烷的研究。

一般认为，煤矿硫化氢的主要来源有:

①硫化矿物水解，并由采空区、旧巷道的溢水出；②含硫煤炭自然发火;③含硫煤尘爆炸;④坑木等有机物腐烂;⑤煤岩层中涌出等。

原苏联马凯耶夫煤矿安全研究院于20世纪50年代初即开始对顿巴斯矿区一些煤矿中出现的硫化氢进行研究，在防治方面建立了一套措施，并取得了成效。

中国于1958年开始对新疆西山煤矿的硫化氢进行研究和治理;1966年对鹤壁矿务局四矿的硫化氢进行了研究和治理，都取得了较好的效果。

国内外目前的主要防治措施有增加风量和喷洒碱性溶液。

喷洒碱性溶液用于吸收煤层中的硫化氢，以减少采掘和运输过程中的硫化氢涌出量，是一项效果明显的措施。

可在落煤的同时或在装载点喷洒或预先向煤体打钻注入。

乌克兰顿巴斯矿区采用0.1%一0.2%苏打水溶液加入0.2一0.3%的表面活性剂喷洒液，使空气中硫化氢浓度降低了50一80%。

中国新疆西山煤矿在采掘地点喷洒l%的石灰水溶，使硫化氢浓度降低了60%一90%以上。

上述硫化氢治理方法一般用于低浓度均匀分布硫化氢的治理。

铁新矿9煤904A工作面开采过程中，也采了喷洒水雾、加强通风、个体防护、浅孔注碱等措施，实践证明效果不明显。

分析认为该矿硫化氢治理的过程中可能存在的问题为：

（1）硫化氢分布不均匀，只在靠近运输巷道巷帮10-40米范围，且呈跳跃性分布。

（2）工作面注碱钻孔深度有限，封孔段短，导致注液压力不高，效率较低。

（3）所注碱液对硫化氢的有效中和吸收能力有限，湿润煤壁时难以有效降低硫化氢含量

二、项目立项的必要性及市场需求分析

项目立项必要性：

我国煤炭经过多年开采，开采深度正在逐步加深，而深部开采时，一些矿井煤层中硫化氢的问题将越来越突出。

煤对CO2,CH4,N2的吸附实验表明，被吸附物质的吸附能力随气体沸点的增高而增大。

H2S气体的最低沸点为-60.33ºC，高于CO2,CH4,N2等气体，因此，煤对其具有很强的吸附能力

生物降解、微生物硫酸盐还原作用形成的原生H2S气体只可能存在泥炭一褐煤阶段，因泥炭一褐煤水分含量较高，H2S气体多溶于水，一般不会造成异常。

但个别干旱地区，褐煤中水分含量较低时，可能会出现H2S气体异常。

微生物硫酸盐还原作用形成的次生H2S气体可能存在泥炭一焦煤阶段，但硫酸盐还原菌的繁殖靠地表水下渗灌入煤层，即使生成的H2S，也多溶于水，并被地下水带走。

煤及围岩中热化学分解成因、硫酸盐热化学还原成因形成的H2S气体不多，部分溶于煤层水中，部分被煤层吸附或充填于煤内孔、裂隙之中。

若煤层已被CH4、N2、CO2等饱和，一般不会造成H2S气体异常;当煤层在抬升过程或地下水作用下瓦斯逸散后，后期在岩浆热力作用下新形成的H2S气体赋存到煤层中，容易造成H2S气体异常;若煤系中存在大量硫酸盐岩，在热化学作用下往往造成H2S气体异常。

若矿井煤系中存在岩浆活动，而岩浆活动伴有无机成因H2S气体，也容易造成矿井瓦斯中H2S气体异常。

因此，造成煤矿瓦斯中H2S气体异常的主要原因在于H2S气体的保存条件。

另外，我国很多矿区赋存有高硫煤层，随着低硫煤炭资源的枯竭及脱硫技术的不断发展，高硫煤开采势在必行，而高硫煤中含高硫化氢气体的可能性增大，以铁新矿9煤层等为例，我国部分煤矿将不同程度地受到硫化氢气体的威胁，而这些煤层是这些矿区的主采煤层，因此，煤矿硫化氢治理是目前很多矿井面临的技术难题，该课题的研究对保证矿井安全高效生产具有重要的理论价值及现实的指导意义。

市场需求分析：

项目直接来源于煤矿安全生产的重大科技需求，直接服务于煤矿安全生产，满足煤炭工业和煤矿安全的市场需求。

煤矿安全是全国安全生产工作的重中之重，煤矿安全形势的好转直接关系到安全生产形势的好转。

面对当前我国高硫煤开采势在必行的形势，煤矿治理硫化氢安全生产工作是一项重要的社会公益性事业，已经成为制约煤矿安全生产急需解决的重大问题。

依靠科技进步，提高煤矿安全管理水平，减少和控制有害气体对矿井工作人员的危害是安全生产的当务之急。

在工业生产中，煤矿业是灾害类型多、危险源最多、安全隐患最严重的领域。

据不完全统计，全国有各类煤矿2.8万余家。

煤矿灾害的发生往往具有潜在性、突发性特点，并极具破坏性和灾难性，煤矿硫化氢灾害逐渐成为制约煤矿安全生产有一种重大灾害。

我国高硫煤分布面很广,几乎遍布各产煤省,尤以山西、贵州、四川、陕西、山东高硫煤资源较多,占国有煤矿高硫煤储量的76%,从煤层情况看,优质煤层日益枯竭,部分矿区下部煤层含硫量较高。

今后煤炭开采,下部煤炭产量的比例将逐年增加,因而研究硫化氢治理是大势所趋。

因此本项目的实施对提高我国煤矿的硫化氢灾害防治的总体技术水平和能力起到重要的推动作用。

综上，项目的立项具有重大的市场需求，本项目形成的硫化氢运移规律及综合治理技术不仅适用于铁新矿，也同样可在其它高硫矿区中应用、推广，应用前景广阔。

三、相关领域国内外技术现状、发展趋势及国内现有工作基础

国内外技术现状：

原苏联马凯耶夫煤矿安全研究院于20世纪50年代初即开始对顿巴斯矿区一些煤矿中出现的硫化氢进行研究，在防治方面建立了一套措施，并取得了成效。

中国于1958年开始对新疆西山煤矿的硫化氢进行研究和治理;1966年对鹤壁矿务局四矿的硫化氢进行了研究和治理，都取得了较好的效果。

国内外目前的主要防治措施有增加风量和喷洒碱性溶液。

喷洒碱性溶液用于吸收煤层中的硫化氢，以减少采掘和运输过程中的硫化氢涌出量，是一项效果明显的措施。

可在落煤的同时或在装载点喷洒或预先向煤体打钻注入。

乌克兰顿巴斯矿区采用0.1%一0.2%苏打水溶液加入0.2一0.3%的表面活性剂喷洒液，使空气中硫化氢浓度降低了50一80%。

中国新疆西山煤矿在采掘地点喷洒l%的石灰水溶，使硫化氢浓度降低了60%一90%以上。

发展趋势：

我国高硫煤分布面很广,几乎遍布各产煤省,尤以山西、贵州、四川、陕西、山东高硫煤资源较多,占国有煤矿高硫煤储量的76%,从煤层情况看,优质煤层日益枯竭,部分矿区下部煤层含硫量较高。

今后煤炭开采,下部煤炭产量的比例将逐年增加,因而研究硫化氢治理是大势所趋。

国内现有工作基础：

我国很多矿区赋存有高硫煤层，随着低硫煤炭资源的枯竭及脱硫技术的不断发展，高硫煤开采势在必行，而高硫煤中含高硫化氢气体的可能性增大。

目前高浓度非均匀分布硫化氢成功治理研究目前尚属空白，主要措施仍采用煤层注水及喷洒水雾等。

中国矿业大学瓦斯防治研究所长期致力于硫化氢治理技术研究，开发了了高压脉动注碱治理硫化氢技术。

通过研究和分析高压脉动水力对煤体物理力学性质和硫化氢流动动力学的影响特征，研制开发了矿用防爆、周期和压力可调的高压脉动压裂装备和压裂工艺，利用高压脉冲水压力在煤体钻孔内部的周期性变化所产生的“水击”和“水劈”效应，迫使煤层中的宏观裂隙扩展联通，并促使微小孔裂隙形成和逐渐张开，形成新的再生裂隙网，提供水在煤层中的渗透通道，水中的碱性物质和煤层的硫化氢发生反应，降低了煤层硫化氢含量，治理效果极佳，为硫化氢提出了一种新的手段和方法。

四、项目目标、主要研究内容、技术指标

项目目标：

本项目研究的总体目标是：

探索一个原因（煤层内部高浓硫化氢产生的原因）、两项规律（硫化氢在煤层内部赋存及运移规律、脉动高压注碱压裂机理及裂隙拓展规律），研究二项技术（脉动高压压裂注碱技术与工作面浅孔高压注碱技术），提出一种方法（高压注碱钻孔多级密封方法），开发一项技术（煤层高压注碱消除硫化氢技术），实现一个目标（高硫化氢煤层的硫化氢含量降低），主要从源头上治理硫化氢，达到治理硫化氢超限这一主要目的。

主要研究内容：

为了实现上述项目研究的总体目标，需要开展如下研究工作：

（1）硫化氢在煤层内部赋存及运移规律与高压注碱消除硫化氢威胁的机理

煤层内部高浓硫化氢产生原因，煤体应力对硫化氢在煤层内部赋存及运移状态的影响；

研究顺层钻孔高压注碱时压裂的起裂机理、裂隙的发育拓展，主要包括压力水对煤层的压裂过程分析、弱面扩展延伸力学分析；

研究裂隙产生后硫化氢在煤层内部赋存及运移状态。

④研究工作面脉动高压注碱消除硫化氢机理。

（2）工作面硫化氢涌出量测试与预测预报技术

采用科学手段测试硫化氢在铁新矿904A工作面的赋存状态；

采用非线性预测与神经网络技术相结合预测预报工作面各区段的硫化氢涌出量；

根据预测预报结果提出相应硫化氢治理方案，综合考虑技术的适用性、可操作性与经济性。

（3）高压注碱技术的研究

顺层钻孔裂隙场分布规律、钻孔密封段位置的合理选择、钻孔周围密封介质渗漏规律等。

选用碱液种类、浓度、消除硫化氢性能等研究；

高压注碱压力、工作面浅孔布孔参数、脉动频率与方式的确定；

④高压多级密封技术的研究

技术指标：

（1）通过实施该综合治理技术，开发高压脉动注碱技术，提高煤层硫化氢治理水平；

（2）通过实施该项技术，使煤层工作面硫化氢浓度低于国家规定，保证安全生产。

五、项目实施方案、技术关键（包括技术难点、创新点）

实施方案：

根据研究内容的特点，本课题拟采用相应的理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的方法研究脉动高压注碱治理硫化氢技术，以降低煤层开采时硫化氢浓度，提高工作面的回采速度及施工安全性。

拟采取的技术路线为：

先根据理论分析和数值模拟及现场实测参数，设计或调整确定出设备的结构与工艺参数，然后研究脉动高压注碱治理硫化氢技术措施，并进行工业性试验，根据试验结果，对上述研究成果进行验证和修正。

技术难点：

（1）工作面和顺层钻孔间距、倾角、影响范围的确定；

（2）从源头上消除硫化氢，碱液的均匀、大范围的在煤层内部渗透；

（3）简单快速有效的抑制硫化氢从煤壁、落煤、运输等环节的解析、涌出等方法；

（4）脉动高压注碱系统的研究：

碱液的选择，注碱压力，脉动方式与频率、高压多级密封技术等。

创新点：

（1）脉动高压注液强化注碱，水中的碱性物质和煤层的硫化氢发生反应，降低了煤层硫化氢含量，源头上控制硫化氢；

（2）高压脉动注碱单孔影响范围大，减少钻孔施工量，加快煤层的开采时间；

（3）研究高效快速消除硫化氢的碱液；

（4）利用脉动高压注水与钻孔注碱技术相结合提出脉动高压注碱技术；

（5）研究高压多级密封技术。

六、项目承担单位和协作单位的支撑条件、组织措施、原辅材料供应、企业公用设施等配套条件

承担单位：

保利能源铁新矿

协作单位：

中国矿业大学

承担单位与协作单位技术力量概况：

承担单位技术力量：

中国保利集团公司成立于1993年2月。

1999年3月，根据党中央、国务院、中央军委关于“军队、武警部队和政法机关不再从事经商活动”的重大决策，中国保利集团公司由原隶属总装备部划归中央大型企业工作委员会领导管理，成为国有重要骨干企业。

2003年，由国务院国有资产监督管理委员会履行出资人职责，中国保利集团公司成为国资委管理的大型中央企业。

保利能源控股有限公司是中国保利集团公司所属保利科技有限公司的控股子公司，是保利集团专门从事煤炭和有色金属矿产资源开发的投资平台。

公司成立于2006年8月，注册资本10亿元。

目前在山西拥有焦煤和无烟煤储量3亿吨，焦煤和无烟煤生产能力240万吨/年，在新疆拥有优质动力煤和化工用煤储量4亿多吨和煤炭生产能力300万吨/年，此外还拥有两个洗煤厂、一个焦化厂和两个铁路发运站，形成集采掘、洗选、焦化、发运为一体的产业链。

公司的发展战略是以煤炭和有色金属开发为主业，以实业投资和资本运作为主要手段，联合业内有实力的合作伙伴，高起点、大规模地拓展能源资源领域，实现超常规、跨越式发展，力争5年内把保利能源打造成为保利集团继军民品贸易、房地产开发、文化艺术经营之后的第四大主业，成为国内有影响力的综合性能源上市企业。

灵石县两渡镇铁新煤矿有限公司地处美丽的汾河之畔、巍巍吕梁山麓。

矿井面积9.6平方公里，煤种为炼焦煤，原煤年生产能力60万吨，经过3年的改扩建现已投产，未来可扩建成年产120万吨的煤矿。

协作单位技术力量：

中国矿业大学是一所早期进入“211工程”的全国重点高校和“985”优势学科建设高校，其安全技术及工程学科具有博士学位授予权和获准设置“长江学者奖励计划”（特聘教授学术岗位）并且在2001年和2007年连续被评为国家级重点学科，排名全国第一。

有煤炭资源与安全开采国家重点实验室和煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，拥有许多国际先进水平的安全实验装备。

在矿井瓦斯治理方面，开展了瓦斯防治及预测预报技术、煤与瓦斯突出机理及其防治、瓦斯抽采、保护层开采、区域瓦斯治理等研究工作，在掘进工作面边掘边抽、保护层开采防治煤与瓦斯突出、区域性瓦斯预测技术、煤巷突出机理等方面取得重要成果。

在平顶山、山西、淮南、淮北、焦作、天府、邢台等矿区进行了大量的瓦斯突出机理及预测预报、突出危险性区域划分、保护层开采和区域性防治技术、局部性防治技术的研究工作，具有五十多年从事煤矿瓦斯灾害防治研究的经验和积累。

七、项目计划进度

2009.11-2009.12制定计划任务书和技术研究方案；

2009.12-2010.01理论分析，现场参数测试，实验室模拟；

2009.02-2010.05现场工业性试验；技术参数优化、完善；

2010.06整理研究成果、撰写研究报告。

八、投资概算（资金使用明细）（单位：

万元）

计划资金合计

设备购置

材料费

技术开发费

工程费

技术服务费

技术咨询费

设备名称

规格型号

数量

单价

资金

设备小计

主材料明细

费用

封孔器

胶囊

高压管

化学药品

15

25

5

5

2

九、经济效益和社会效益分析

本项目涉及许多基础性和机理性研究，可形成一批在复杂环境条件下硫化氢治理技术及装备方面具有自主知识产权的技术成果，煤层硫化氢治理研究方面代表国内领先水平、部分领域达到国际先进水平。

这不仅对保利集团铁新矿的安全生产具有重要保障作用，而且对全行业技术创新具有示范带动作用。

我国煤炭生产行业灾害十分严重，安全生产技术的落后已经成为制约煤炭产业发展的瓶颈。

例如本次项目的投标单位——保利集团铁新矿因硫化氢浓度超限，不仅危害了矿井职工的人身安全，同时也制约了矿井生产效率的提高。

本项目研究的技术将大幅提高高浓硫化氢矿井的安全生产技术水平，提高防灾、抗灾能力。

项目研究成果的应用示范及推广可以显著提高我国煤矿安全的技术装备水平，提高我国治理矿井硫化氢的能力，减少人员伤亡、维护煤炭职工的职业健康，培养和锻炼一批学科带头人、学术骨干和煤炭企业的技术人才，具有巨大的社会效益。

十、项目实施的风险分析（包括安全评价、环境评价、市场风险、技术风险、管理风险分析等）

项目实施风险分析：

项目实施能够有效的治理煤矿生产中产生的硫化氢，减少矿井中硫化氢的排放，现场工艺简单可行，能够提高矿井安全生产水平，保障职工人身安全，改善井下生产环境和矿区整体环境。

设备易于操作，设备占用空间小，主要材料的价格低廉，货源丰富，治理硫化氢效果好，有较好的市场前景。

该项目的研究实施过程中，不会因为采用新技术、生产方式的改变而产生的威胁人们生产与生活的风险，即无技术风险。

管理过程是可控的，加强管理，严格按照煤矿安全生产制度了管理生产，把安全生产摆在第一位，管理风险就能够大大降低甚至避免。

十一、推广应用范围、前景及市场分析

我国高硫煤分布面很广,几乎遍布各产煤省,尤以山西、贵州、四川、陕西、山东高硫煤资源较多,占国有煤矿高硫煤储量的76%。

煤炭经过多年开采，开采深度正在逐步加深，而深部开采时，煤层中硫化氢的问题将越来越突出。

同时随着低硫煤炭资源的枯竭及脱硫技术的不断发展，高硫煤开采势在必行，而高硫煤中含高硫化氢气体的可能性增大，越来越多的下层煤开采将不同程度地受到硫化氢气体的威胁。

因此，硫化氢治理技术具有广阔的市场及良好的应用前景。

该项技术的现场工艺流程简单，易于操作，设备占用空间小，主要材料的价格低廉，货源丰富，治理硫化氢效果好，满足矿井开采高硫煤层的需要，因此，该技术具有很大的推广市场。