焦春林， 傅雪海， 葛燕燕， 李 升， 田繼軍， 羅培培

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047;3.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤礦瓦斯中H2S 異常區(qū)是指礦井中H2S 的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)《礦井安全規(guī)程》規(guī)定的 6.6 ×10－4%的區(qū)域。H2S 是一種劇毒氣體，帶有臭雞蛋氣味。人體能夠聞到H2S 氣味的體積分?jǐn)?shù)下限為 (0.2～0.3)×10－4%。當(dāng) H2S 體積分?jǐn)?shù)為 (2～3)×10－3%時(shí)就出現(xiàn)強(qiáng)烈氣味;當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為 (1.0～1.5)×10－2%時(shí)，將使人嗅覺(jué)麻痹;當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，在數(shù)秒鐘內(nèi)會(huì)致人死亡[1]。我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、河南省、湖南省、新疆維吾爾自治區(qū)、陜西省、四川省、山西省、寧夏回族自治區(qū)等省區(qū)有30 余個(gè)煤礦出現(xiàn)了H2S 異常區(qū)。2004 年起，全國(guó)已有十余起H2S 氣體中毒身亡事故[2]。煤礦瓦斯中H2S 氣體異常，嚴(yán)重影響了礦井煤炭資源的開(kāi)發(fā)，對(duì)礦井工人健康和生命安全構(gòu)成重大威脅。

國(guó)內(nèi)煤礦中的H2S 研究則比較薄弱，積累的資料也相對(duì)較少。1958 年學(xué)者們開(kāi)始對(duì)新疆西山煤礦的H2S 進(jìn)行研究和治理;1966 年張廣太[3]對(duì)鶴壁礦務(wù)局四礦的H2S 進(jìn)行了研究和治理，取得了較好的效果;1982 年酈宗元等[4]對(duì)烏達(dá)煤礦的H2S 進(jìn)行治理，積累了經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)戴金星[5]的研究成果，煤礦H2S 應(yīng)該屬于低H2S 型 (0.5% ～2.0%)和微(貧)H2S 型(0～0.5%)。泥炭堆積早期生物化學(xué)降解作用，泥炭堆積期和成巖階段的硫酸鹽細(xì)菌還原作用(BSR)，煤變質(zhì)過(guò)程中熱化學(xué)分解、硫酸鹽熱化學(xué)還原(TSR)均可產(chǎn)生H2S 氣體。此外，巖漿活動(dòng)也可產(chǎn)生H2S 氣體。從已有的研究證據(jù)和我國(guó)煤礦H2S 氣體礦井的分布看，BSR、TSR 和巖漿活動(dòng)是煤礦H2S 氣體形成的主要成因類(lèi)型[2]。傅雪海等[6]研究了山東棗莊八一煤礦瓦斯中H2S 異常區(qū)段地質(zhì)背景、氣體成分、濃度及硫同位素，認(rèn)為燕山晚期輝綠巖巖墻的熱力作用使煤和圍巖中含硫有機(jī)質(zhì)、硫酸鹽巖發(fā)生熱化學(xué)分解作用和熱化學(xué)還原作用，生成H2S 氣體。筆者結(jié)合我國(guó)煤礦瓦斯H2S 異常礦井的地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、H2S 體積分?jǐn)?shù)、煤類(lèi)、煤自燃狀況，討論了我國(guó)煤礦瓦斯H2S 異常礦井的地域特征和層域特征，為H2S 的治理和防范提供了參考。

1 H2S 異常地域分布特征

含H2S 異常的煤礦主要分布在山東省微山縣崔莊煤礦、棗莊八一煤礦、淄博亭南煤礦，河北省唐山市馬家溝煤礦，河南省鶴壁礦務(wù)局四礦、洛陽(yáng)市新安煤礦，山西省晉城市鳳凰山煤礦、長(zhǎng)治市慈林山煤礦、石圪節(jié)煤礦、太原市西曲煤礦、太原市爐峪口煤礦，湖南雙峰縣蛇形山鎮(zhèn)新興煤礦，四川省達(dá)州市宣漢縣亂石溝煤礦、廣安市思源煤礦、華鎣山礦區(qū)龍灘煤礦，陜西省黃陵一號(hào)煤礦，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市石炭溝煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏達(dá)煤礦、阿左旗宗別立鎮(zhèn)百靈煤礦，新疆維吾爾自治區(qū)鐵廠溝煤礦、沙特布拉克煤礦、沙灣溝煤礦、四棵樹(shù)煤礦、紅溝煤礦、托克遜煤礦、奇臺(tái)北山煤礦、阜康鑫龍煤礦、金龍煤礦、堿溝煤礦、西山煤礦、七克臺(tái)煤礦、七泉湖煤礦等地區(qū)。其中，H2S 體積分?jǐn)?shù)最高的是山東微山縣的崔莊礦，達(dá)到0.35%，其次是山東棗莊八一煤礦，達(dá)到0.15%，屬于高H2S 異常區(qū)。

煤礦瓦斯中H2S 異常區(qū)主要集中于山西省、陜西省、河南省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)等地。其中，新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)由于煤層自燃普遍，導(dǎo)致諸多區(qū)域H2S 異常富集，尤其是以烏魯木齊、昌吉州、庫(kù)拜等地區(qū)的煤田H2S 涌出異常嚴(yán)重?？刂艸2S 分布的構(gòu)造因素主要有古構(gòu)造和新構(gòu)造。其中，古構(gòu)造決定煤層的形成與分布及海平面和湖平面的進(jìn)退，控制硫酸鹽的補(bǔ)充;新構(gòu)造決定良好的頂?shù)装搴兔簩勇裆?，決定H2S 氣體的聚集位置和保存。另外，H2S 極易溶于水形成氫硫酸，其在水中的溶解度是CO2的2.7 倍，約是CH4 的93 倍，而且其化學(xué)活性極強(qiáng)，很容易與地層水中的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，而消耗掉[2]，因此，異常區(qū)煤層含水性低或地下水與其他含水層無(wú)水力聯(lián)系。

2 H2S 異常層域特征

H2S 異常的地層在石炭系、三疊系和侏羅系分布最廣，主要H2S 異常地層如表1 所示。對(duì)部分煤礦/礦區(qū)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)煤礦中，存在著高濃度H2S異常(體積分?jǐn)?shù)大于0.000 1%)，而烏達(dá)煤礦甚至超過(guò)50%的工作面出現(xiàn)H2S 異常。

煤對(duì)CO2、CH4、N2的吸附實(shí)驗(yàn)表明，被吸附物質(zhì)的吸附能力隨氣體沸點(diǎn)的增高而增大。H2S 氣體的沸點(diǎn)為 －60.33 ℃，高于 CO2、CH4、N2等氣體，因此，煤對(duì)其具有很強(qiáng)的吸附能力[7]。異常區(qū)的H2S被煤層吸附或充填于煤孔、裂隙之中。

我國(guó)南方二疊紀(jì)龍?zhí)督M、北方石炭二疊紀(jì)太原組和山西組高硫煤層中普遍發(fā)育有黃鐵礦，平均含量占全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的67%以上，而且大多有機(jī)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%以上[8]。而H2S 是煤層黃鐵礦和部分有機(jī)硫生成的中間產(chǎn)物和基礎(chǔ)條件[9－10]，從而產(chǎn)生大量H2S 氣體。

表1 部分煤礦/礦區(qū)H2S 異常層域Table 1 Statistics of H2S anomaly layer domain in some coal mines

我國(guó)的石炭二疊紀(jì)煤層，煤種大多為焦煤及更高的煤級(jí)，對(duì)應(yīng)的鏡質(zhì)組反射率Ro，max＞1.2%。根據(jù)溫度與鏡質(zhì)組反射率對(duì)應(yīng)關(guān)系，煤層在變質(zhì)過(guò)程中的埋藏溫度要超過(guò)120℃[11]，而海相、濱海相和海陸交互相沉積環(huán)境提供大量硫酸鹽，發(fā)生熱化學(xué)硫酸鹽還原反應(yīng)，導(dǎo)致H2S 異常。

3 煤礦瓦斯中H2S 異常的原因

生物降解、微生物硫酸鹽還原作用形成的原生H2S 氣體只可能存在泥炭—褐煤階段，因泥炭—褐煤水分含量較高，H2S 氣體多溶于水，一般不會(huì)造成異常。微生物硫酸鹽還原作用形成的次生H2S 氣體可能存在泥炭—焦煤階段，硫酸鹽還原菌的繁殖靠地表水下滲灌入煤層，從而生成H2S，如烏達(dá)煤礦、亭南煤礦等;此外，硫化礦物水解和坑木等有機(jī)物腐爛，易通過(guò)次生的生物降解作用產(chǎn)生H2S 氣體，如爐峪口煤礦2812 皮帶巷中所產(chǎn)生的H2S 氣體就是從采空區(qū)積水中放出的。

煤及圍巖中熱化學(xué)分解成因、硫酸鹽熱化學(xué)還原成因形成的H2S 氣體不多，部分溶于煤層水中，部分被煤層吸附或充填于煤內(nèi)孔、裂隙之中。當(dāng)煤層在抬升過(guò)程或地下水作用下出現(xiàn)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，造成H2S 氣體異常，如八一煤礦、崔莊煤礦;煤系中存在大量硫酸鹽巖，在熱化學(xué)作用下往往造成H2S 氣體異常，如龍灘煤礦、廣安煤礦、亂石溝煤礦等。

煤礦瓦斯中H2S 其他來(lái)源為，含硫煤炭自燃發(fā)火，如新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)內(nèi)煤層自燃普遍，導(dǎo)致諸多區(qū)域H2S 異常富集;煤層內(nèi)打鉆，如新田煤礦4#、5#煤層不含 H2S，打鉆過(guò)程中煤層自燃，產(chǎn)生 H2S氣體。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)煤炭開(kāi)采深度正在逐步增加，一些礦井煤層中H2S 問(wèn)題將越來(lái)越突出。開(kāi)展煤礦瓦斯中H2S異常區(qū)分布規(guī)律的研究對(duì)H2S 治理具有積極意義。研究顯示，我國(guó)煤礦瓦斯中H2S 異常區(qū)分布廣泛，尤其新疆維吾爾自治區(qū)分布眾多，而H2S 異常的煤層主要分布在石炭系、二疊系和侏羅系等地層中。加強(qiáng)對(duì)H2S 形成的地質(zhì)過(guò)程、賦存規(guī)律，煤礦瓦斯中H2S 異常區(qū)地質(zhì)特征和地質(zhì)控制規(guī)律的研究，有利于揭示H2S 異常區(qū)分布規(guī)律，對(duì)H2S 異常區(qū)進(jìn)行治理。

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