煤矿硫化氢气体成因类型探讨

摇第36卷第6期煤摇摇炭摇摇学摇摇报Vol.36摇No.6摇摇2011年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune摇2011摇摇摇文章编号:0253-9993(2011)06-0978-06煤矿硫化氢气体成因类型探讨刘明举1,3,李国旗2,HANIMitri3,刘彦伟1,邓奇根1,赵发军1(1郾河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作摇454003;2郾义马煤业集团股份有限公司,河南义马摇472300;3郾DepartmentofMiningandMa鄄terialsEngineering,McGillUniversity,Montreal摇H3A2A7)摘摇要:在对国内外硫化氢成因研究及同位素研究分析对比的基础上,提出了煤矿硫化氢形成的硫酸盐生物还原(BSR)、热化学硫酸盐还原(TSR)和岩浆作用三大成因类型及其识别特征。对煤层H2S生物化学降解及热解成因进行了讨论,分析了煤层H2S的富集规律,并对国内外一些H2S矿井的成因类型进行了分析归类,提出了煤岩层H2S气体的研究方向。关键词:煤矿;H2S;成因;硫酸盐生物还原;热化学硫酸盐还原;岩浆活动中图分类号:TD711郾42摇摇摇文献标志码:A收稿日期:2010-09-25摇摇责任编辑:韩晋平摇摇基金项目:河南省杰出人才计划资助项目(084200510002);河南理工大学青年骨干教师资助项目(煤层硫化氢气体异常富集机理研究)摇摇作者简介:刘明举(1964—),男,河南桐柏人,教授,博士生导师。Tel:[phone],E-mail:mingju@hpu郾edu郾cnGenesismodesdiscussionofH2SgasincoalminesLIUMing鄄ju1,3,LIGuo鄄qi2,HANIMitri3,LIUYan鄄wei1,DENGQi鄄gen1,ZHAOFa鄄jun1(1郾SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo摇454003,China;2郾YimaMiningGroupCo.,Ltd.,Yima摇472300,Chi鄄na;3郾DepartmentofMiningandMaterialsEngineering,McGillUniversity,Montreal摇H3A2A7,Canada)Abstract:Basedondomesticandoverseasresearchesonthegenesisofhydrogensulfideandthecomparativeanalysisofsulfurisotopes,presentedthreegenesismodesofhydrogensulfide,bacterialsulfatereduction(BSR),thermochemi鄄calsulfatereduction(TSR)andigneousactivity,aswellasthecharacteristicsforidentification.H2Scausedbybio鄄chemicaldecompositionandpyrolysisincoalseamswasdiscussed,anditsdistributionincoalseamswasanalyzed.Andmeanwhile,analyzedandindentifiedthegenesismodesofsomehydrogensulfidecoalminesbothinChinaandabroad,andputforwardsuggestionsoffutureresearch.Keywords:coalmine;H2S;genesis;bacterialsulfatereduction(BSR);thermochemicalsulfatereduction(TSR);igne鄄ousactivity摇摇在煤矿开采中,煤层硫化氢(H2S)气体异常富集引起的异常涌出和灾害事故在国内外不断出现。在北美、俄罗斯、法国和澳大利亚已相继出现该类事故的报导,在澳大利亚的Bowen煤田的Collinsville,OakyCreek和SouthernColliery等煤矿都发生过H2S异常涌出[1-3]。我国的情况最为严重。目前我国河南、湖南、内蒙古、新疆、山东、山西等地有20多个煤矿发生过H2S气体突然涌出现象,并造成了事故。从2004年起,全国已经有十多起H2S气体中毒伤亡事故,如2004-08-10,新疆阿克苏区拜城县托克逊乡煤矿发生一起H2S气体中毒事故,造成3人死亡;2009-05-09,双峰县蛇形山镇新兴煤矿发生一起硫化氢中毒事故,造成2人死亡;2010-07-16,四川达州市宣汉县乱石沟煤矿发生一起较大H2S中毒窒息事故,造成6人死亡;2010-03-07,四川省广安市,思源矿业集团广安煤矿+550水平西北集中运输巷掘进工作面发生H2S中毒事故,造成3人死亡。还有相当一批矿井,如河南省新安煤矿,近年来多次发生H2S突发性涌出,虽然没有造成伤亡事故,但使多人晕倒,煤矿停工停产,对煤矿工人职业健康和生命安全构成重大威胁。1摇硫化氢成因的研究现状国外煤矿H2S气体异常涌出主要在澳大利亚。澳大利亚Bowen煤田的诸多矿井遭遇H2S异常涌出,其中位于煤田最北端的Collinsville自20世纪80第6期刘明举等:煤矿硫化氢气体成因类型探讨年代起就有H2S气体异常涌出。Simith等[2]根据煤层H2S气体、黄铁矿和有机硫以及硫酸盐的硫同位素数据,推测地下岩浆侵入活动是H2S异常的原因。Smith等[3]也以硫同位素特征为主要证据,提出OakyCreek和SouthernColliery矿二叠纪GermanCreek煤层的H2S成因为煤层有机硫热分解,而被热解还原为H2S的有机硫来自于海侵时期的硫酸盐生物还原(BSR)的H2S。傅雪海等[4]研究了山东枣庄八一煤矿瓦斯中H2S异常区段地质背景、气体成分、浓度及硫同位素,认为燕山晚期辉绿岩岩墙的热力作用使煤和围岩中含硫有机质和硫酸盐岩发生热化学分解作用和热化学还原作用,生成H2S气体。与油气田中H2S相比较,煤矿煤层中H2S气体的显著特点是浓度比较低[5]。根据戴金星[6]的分类,煤矿H2S应该属于低硫化氢型(0郾5%~2郾0%)和微(贫)硫化氢型(0~0郾5%)。澳大利亚的Col鄄linsville矿、OakyCreek矿、SouthernColliery矿,我国的山东枣庄八一煤矿、河南新安煤矿均属于微(贫)硫化氢型;山东微山崔庄煤矿属于低硫化氢型。煤矿H2S成因类型的研究远不如油气田深入,油气田,特别是低硫化氢型和微(贫)硫化氢型成因的研究结果,可为煤矿H2S形成机制提供很好的借鉴。国内外学者主要从BSR和TSR(热化学硫酸盐还原)成因类型的温度条件、硫酸盐来源、硫同位素特征和岩层的层序组合特征等方面开展研究[7-16]。我国学者在四川盆地[17-22]、塔里木盆地[23-24]、松辽盆地[25]、鄂尔多斯盆地[26-27]和渤海湾盆地[28]等地开展了油气田中H2S气体成因类型研究,结果表明,油气田中的H2S主要是由TSR形成的。国内外研究证实,H2S气体TSR成因的基本条件是烃类有机质、硫酸盐岩和适宜的温度。其中,温度是TSR反应的驱动力,也是控制TSR进程与H2S生成的关键因素之一,120益是TSR下限[7-24]。同时,这些研究还大量测定了H2S气体的硫同位素,发现啄34S一般大于+10郾0译,而且同一油气田的数值特别集中[7-25]。这些研究为确定煤层H2S气体的TSR成因和区别BSR成因提供了借鉴和参考[8-9,13,16]。2摇煤矿H2S气体的成因类型泥炭堆积早期生物化学降解作用、泥炭堆积期和成岩阶段的硫酸盐细菌还原作用和煤变质过程中热化学分解和TSR均可产生H2S气体。另外,岩浆活动也可产生H2S气体。但从已有的研究证据和我国煤矿H2S气体矿井的分布看,BSR、TSR和岩浆活动是煤矿H2S气体形成的主要成因类型。2郾1摇BSR成因硫酸盐还原菌在无氧条件下吸收硫酸盐,氧化有机化合物获取能量并将硫酸盐还原生成H2S排出的代谢过程被称为BSR[7-9,29-30]。在煤层中,硫酸盐还原菌利用成煤有机质,主要是各种不饱和烃,作为能量和物质来源,还原硫酸盐。这些有机质被硫酸盐还原菌氧化后,电子转移给被吸收到细胞膜内的硫酸盐,硫酸盐接受电子被还原为H2S排出。BSR作用发生需要3个基本条件:有机质、硫酸盐和硫酸盐还原菌[8-9]。有机质和硫酸盐在海相、滨海相和海陆交互相沉积环境中普遍存在,而硫酸盐还原菌在60~80益以下的无氧还原环境中繁殖,最适宜的温度为20~40益[7-16,29]。按照地温梯度3益/100m计算,BSR主要发生在埋藏深度2500m以浅的煤层中,在泥炭化阶段和成岩阶段更为普遍。我国中、高硫含煤地层中,BSR成因是普遍存在的,其主要证据有两个:一是我国南方二叠纪龙潭组和长兴组、北方石炭二叠纪太原组和山西组高硫煤层中普遍发育有黄铁矿,平均含量占全硫含量的67%以上,而且大多有机硫的含量在1郾0%以上[30],超过成煤植物含量(0郾8%)。H2S是煤层黄铁矿和部分有机硫生成的中间产物和基础条件[29,31],煤层中有机硫和黄铁矿含量高是BSR作用生成H2S的直接证据;二是硫同位素普遍偏轻,我国和世界高、中硫煤层(全硫含量1郾0%)的有机硫、分散性黄铁矿和块体状黄铁矿的硫同位素值相比变化较大,平均为负值,具有BSR分馏特征[29,31-35]。煤层中的硫主要有两个来源:一是成煤植物通过同化还原硫酸盐作用形成的有机硫,其含量一般小于0郾8%;二是通过BSR作用形成的黄铁矿和有机硫[33-35]。我国高硫煤层的全硫含量最高超过10%,如果生成的H2S全部转化为黄铁矿和有机硫,则吨煤H2S气体生成量可以达到64郾27m3。BSR作用形成的H2S只有很少一部分(10%)用于生成黄铁矿[29,31,33-34],由此可以粗略估计,BSR作用产生的H2S最高可以达到449郾87m3/t,与高变质无烟煤生成的甲烷量相当。由于这种BSR作用是在严格的厌氧环境中进行的,并且煤层埋藏比较深,故有利于H2S气体的保存和聚集,但我国目前高硫煤层H2S涌出超过国家煤矿安全规程的6郾6伊10-6的煤矿还不多,说明其保存要比甲烷苛刻的多。2郾2摇TSR成因TSR是指硫酸盐在热化学的作用下被还原生成979煤摇摇炭摇摇学摇摇报2011年第36卷H2S的过程,其本质是在较高温度条件下,硫酸盐与有机物或烃类发生作用,将硫酸盐矿物还原生成H2S和CO2[7-9]。在这个过程中硫酸盐被还原,有机物(烃类)被氧化。国内外大量的研究证实,TSR是生成高硫化氢型和硫化氢型天然气的主要成因[7-29],同时一些低硫化氢型和微(贫)硫化氢型天然气也被证明是TSR作用形成的[16,19,23-25]。一般认为,较高的温度、充足的烃类有机质和发育的硫酸盐是形成含H2S天然气所必需的3个基本条件[7-9,14]。其中,公认的TSR发生的温度下限在120益以上,加拿大学者[9,16]已经确认,在125益有TSR生成的H2S天然气。尽管TSR过程复杂,但在煤层H2S异常富集的条件下,仍然可以根据这些条件,结合岩石学、地层学、同位素分馏特征以及流体包裹体和磷灰石裂变径迹方法测温等来识别其成因类型。目前煤矿在H2S生成的TSR成因研究还是一个盲点,但从温度和硫同位素特征看,在硫酸盐具备的条件下,TSR成因的H2S还是可能的。我国有相当一部分煤田为高变质无烟煤和贫瘦煤,煤的镜质体反射率Rmax1郾5,根据温度与镜质体反射率的大致对应关系,热演化温度超过120益[35],具备了TSR发生的温度条件。如华北山西沁水盆地石炭二叠纪煤层(太原组和山西组),最高温度可达268益,一般在150益以上[36-37];南方二叠纪煤层(龙潭组和长兴组)均有