我国煤矿瓦斯中H2S 异常矿井的分布特征

焦春林， 傅雪海， 葛燕燕， 李 升， 田继军， 罗培培

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116;2.新疆大学 地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830047;3.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤矿瓦斯中H2S 异常区是指矿井中H2S 的体积分数超过《矿井安全规程》规定的 6.6 ×10－4%的区域。H2S 是一种剧毒气体，带有臭鸡蛋气味。人体能够闻到H2S 气味的体积分数下限为 (0.2～0.3)×10－4%。当 H2S 体积分数为 (2～3)×10－3%时就出现强烈气味;当体积分数为 (1.0～1.5)×10－2%时，将使人嗅觉麻痹;当体积分数达到0.1%时，在数秒钟内会致人死亡[1]。我国内蒙古自治区、山东省、河南省、湖南省、新疆维吾尔自治区、陕西省、四川省、山西省、宁夏回族自治区等省区有30 余个煤矿出现了H2S 异常区。2004 年起，全国已有十余起H2S 气体中毒身亡事故[2]。煤矿瓦斯中H2S 气体异常，严重影响了矿井煤炭资源的开发，对矿井工人健康和生命安全构成重大威胁。

国内煤矿中的H2S 研究则比较薄弱，积累的资料也相对较少。1958 年学者们开始对新疆西山煤矿的H2S 进行研究和治理;1966 年张广太[3]对鹤壁矿务局四矿的H2S 进行了研究和治理，取得了较好的效果;1982 年郦宗元等[4]对乌达煤矿的H2S 进行治理，积累了经验。根据戴金星[5]的研究成果，煤矿H2S 应该属于低H2S 型 (0.5% ～2.0%)和微(贫)H2S 型(0～0.5%)。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(BSR)，煤变质过程中热化学分解、硫酸盐热化学还原(TSR)均可产生H2S 气体。此外，岩浆活动也可产生H2S 气体。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]。傅雪海等[6]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、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。笔者结合我国煤矿瓦斯H2S 异常矿井的地质构造、水文条件、H2S 体积分数、煤类、煤自燃状况，讨论了我国煤矿瓦斯H2S 异常矿井的地域特征和层域特征，为H2S 的治理和防范提供了参考。

1 H2S 异常地域分布特征

含H2S 异常的煤矿主要分布在山东省微山县崔庄煤矿、枣庄八一煤矿、淄博亭南煤矿，河北省唐山市马家沟煤矿，河南省鹤壁矿务局四矿、洛阳市新安煤矿，山西省晋城市凤凰山煤矿、长治市慈林山煤矿、石圪节煤矿、太原市西曲煤矿、太原市炉峪口煤矿，湖南双峰县蛇形山镇新兴煤矿，四川省达州市宣汉县乱石沟煤矿、广安市思源煤矿、华蓥山矿区龙滩煤矿，陕西省黄陵一号煤矿，宁夏回族自治区石嘴山市石炭沟煤矿，内蒙古自治区乌达煤矿、阿左旗宗别立镇百灵煤矿，新疆维吾尔自治区铁厂沟煤矿、沙特布拉克煤矿、沙湾沟煤矿、四棵树煤矿、红沟煤矿、托克逊煤矿、奇台北山煤矿、阜康鑫龙煤矿、金龙煤矿、碱沟煤矿、西山煤矿、七克台煤矿、七泉湖煤矿等地区。其中，H2S 体积分数最高的是山东微山县的崔庄矿，达到0.35%，其次是山东枣庄八一煤矿，达到0.15%，属于高H2S 异常区。

煤矿瓦斯中H2S 异常区主要集中于山西省、陕西省、河南省、内蒙古自治区和新疆维吾尔自治区等地。其中，新疆维吾尔自治区内由于煤层自燃普遍，导致诸多区域H2S 异常富集，尤其是以乌鲁木齐、昌吉州、库拜等地区的煤田H2S 涌出异常严重。控制H2S 分布的构造因素主要有古构造和新构造。其中，古构造决定煤层的形成与分布及海平面和湖平面的进退，控制硫酸盐的补充;新构造决定良好的顶底板和煤层埋深，决定H2S 气体的聚集位置和保存。另外，H2S 极易溶于水形成氢硫酸，其在水中的溶解度是CO2的2.7 倍，约是CH4 的93 倍，而且其化学活性极强，很容易与地层水中的重金属离子发生反应，而消耗掉[2]，因此，异常区煤层含水性低或地下水与其他含水层无水力联系。

2 H2S 异常层域特征

H2S 异常的地层在石炭系、三叠系和侏罗系分布最广，主要H2S 异常地层如表1 所示。对部分煤矿/矿区统计表明，我国煤矿中，存在着高浓度H2S异常(体积分数大于0.000 1%)，而乌达煤矿甚至超过50%的工作面出现H2S 异常。

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 气体的沸点为 －60.33 ℃，高于 CO2、CH4、N2等气体，因此，煤对其具有很强的吸附能力[7]。异常区的H2S被煤层吸附或充填于煤孔、裂隙之中。

我国南方二叠纪龙潭组、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，平均含量占全硫质量分数的67%以上，而且大多有机硫质量分数在1.0%以上[8]。而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[9－10]，从而产生大量H2S 气体。

表1 部分煤矿/矿区H2S 异常层域Table 1 Statistics of H2S anomaly layer domain in some coal mines

我国的石炭二叠纪煤层，煤种大多为焦煤及更高的煤级，对应的镜质组反射率Ro，max＞1.2%。根据温度与镜质组反射率对应关系，煤层在变质过程中的埋藏温度要超过120℃[11]，而海相、滨海相和海陆交互相沉积环境提供大量硫酸盐，发生热化学硫酸盐还原反应，导致H2S 异常。

3 煤矿瓦斯中H2S 异常的原因

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—褐煤阶段，因泥炭—褐煤水分含量较高，H2S 气体多溶于水，一般不会造成异常。微生物硫酸盐还原作用形成的次生H2S 气体可能存在泥炭—焦煤阶段，硫酸盐还原菌的繁殖靠地表水下渗灌入煤层，从而生成H2S，如乌达煤矿、亭南煤矿等;此外，硫化矿物水解和坑木等有机物腐烂，易通过次生的生物降解作用产生H2S 气体，如炉峪口煤矿2812 皮带巷中所产生的H2S 气体就是从采空区积水中放出的。

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。当煤层在抬升过程或地下水作用下出现瓦斯逸散后，后期在岩浆热力作用下新形成的H2S 气体赋存到煤层中，造成H2S 气体异常，如八一煤矿、崔庄煤矿;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，如龙滩煤矿、广安煤矿、乱石沟煤矿等。

煤矿瓦斯中H2S 其他来源为，含硫煤炭自燃发火，如新疆维吾尔自治区区内煤层自燃普遍，导致诸多区域H2S 异常富集;煤层内打钻，如新田煤矿4#、5#煤层不含 H2S，打钻过程中煤层自燃，产生 H2S气体。

4 结束语

我国煤炭开采深度正在逐步增加，一些矿井煤层中H2S 问题将越来越突出。开展煤矿瓦斯中H2S异常区分布规律的研究对H2S 治理具有积极意义。研究显示，我国煤矿瓦斯中H2S 异常区分布广泛，尤其新疆维吾尔自治区分布众多，而H2S 异常的煤层主要分布在石炭系、二叠系和侏罗系等地层中。加强对H2S 形成的地质过程、赋存规律，煤矿瓦斯中H2S 异常区地质特征和地质控制规律的研究，有利于揭示H2S 异常区分布规律，对H2S 异常区进行治理。

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