彬长矿区低煤级烟煤H-sub-2-_sub-S赋存条件及成因类型_刘会彬.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China Abstract Based on the analysis of geological characteristics of the study area, it is considered that the geological conditions of H2S occurrence are the capping effect of dense surrounding rock on the roof and floor, the wa- ter-conducting fractured zone is unable to guide the overlying aquifer, and the low degree of coal metamorphism is not conducive to H2S adsorption, resulting in maximum H2S concentration of about 0.001 4 in the main mined coal seam 4 during the construction of Yadian mine at the north of Binchang mining area. Through the analysis of sulfur distribution, sulfate type, groundwater, ground temperature and unsaturated hydrocarbons in the raw coal of No.4 coal seam, it is considered that the ation conditions of H2S in the study area are as follows the ground temperature of 30-40 was suitable for the reproduction of SRB, sulfate provided the material basis, C℃ 2-C8 un- saturated hydrocarbon provided the energy and material conditions, weak alkaline ground water provided the living environment and BSR was easy to occur. It is judged that the H2S gas in the mine is caused by BSR type. By opti- mizing ventilation, grouting and plugging, strengthening drainage and spraying alkalinity and other measures, the H2S overrun is effectively prevented, and the health of workers and mine safety are guaranteed. Keywords Binchang mining area; low metamorphic bituminous coal; occurrence conditions of H2S; genetic type of H2S; genesis of sulfate bioreductionBSR 煤矿瓦斯中 H2S 异常区是指矿井中 H2S 的含量 超过煤矿安全规程规定的 6.610–6的区域，主 要来源是有机物的腐烂、含硫煤炭自燃和煤岩层释 放等[1]。H2S 含量为0.20.310–6时，能明显闻到 第 5 期 刘会彬等 彬长矿区低煤级烟煤 H2S 赋存条件及成因类型 27 臭鸡蛋气味；当 H2S 含量为2310–5时，气味十 分强烈；当 H2S 含量为1.01.510–4时，麻痹人的 嗅觉神经；含量为 1.010–3时，引起人体迅速昏迷 或者死亡[2-3]。H2S 具有较强的化学活性，对金属铁 质设备造成腐蚀，大大减少井下设备的运行周期和 寿命[4-7]。低阶煤在 55℃、12 MPa 以下吸附量随温 度、压力增大而增加较快，基于煤阶–温度–压力条 件下的深层低阶煤 H2S 饱和吸附模型被建立；煤层 随着埋藏深度的增加，吸附量呈现出快速增加缓 慢增加缓慢递减的过程[8]。 H2S 气体极易溶于水形 成氢硫酸，CH4溶解度约是其的 1.08，CO2溶解度 约是其的 37，具有极强的化学活性，地层水中的 重金属离子与其发生反应被消耗掉[9]。H2S 含量与 矿井瓦斯中的 CH4、CO2、N2等气体含量呈负相关， 也与煤层本身的埋深、水分含量、灰分产率等因素 呈负相关，与全硫含量、挥发分产率及地层压力呈 正相关[9-10]。煤对 H2S 的吸附等温线符合 Langmuir 吸附模型，整体吸附量无烟煤＞瘦煤＞气煤[11]。中 低煤阶煤的吸附是煤变质作用控制下的一种逐步控 制模式，长焰煤气煤主要依靠吸附扩散孔100 nm 的孔隙结构[12]。对矿井瓦斯中 H2S、CO2、CO、N2、 重烃含量等成分的异常聚集成因分析，认为造成 H2S、CO2等成分异常的主要因素为异常热化学作 用、地表水渗透作用、顶板封盖作用及煤级、煤岩 类型等[13]。 国内外 H2S 煤矿分布特征研究成果表明， H2S 的成因类型为硫酸盐生物还原BSR、 热化学硫 酸盐还原TSR和岩浆活动TDS[14-17]，其中 BSR、 TSR 为主要类型[18-20]，还有煤层自燃、混合成因及 地下水的迁移[9]。综合成煤环境、煤岩热演化史和 碳、硫同位素组成特征及瓦斯气体组分等特征来识 别煤矿 H2S 成因类型[21]。TSR 作用具备的条件是较 高的温度、硫酸盐较为发育及烃类有机质较为充足 和硫酸盐被还原生成 H2S 热化学作用过程[22]；BSR 为微生物硫酸盐还原作用的基本条件是有机质、硫 酸盐和硫酸盐还原菌[7,23-24]，识别方法有同位素法、 基因法和绝迹稀释法 3 种[25]。我国矿井 H2S 含量超 限的问题主要在内蒙古、新疆、山西、陕西等地区 存在，综合治理技术尚不成熟，造成采区或矿区封 闭，资源严重浪费[26-29]。 陕西彬长矿区主要赋存低煤级烟煤，煤类为不 黏煤BN31，近十多年研究区发展较快，矿区中南 部的下沟、亭南、胡家河煤矿发生 H2S 气体异常和 超限情况[30-32]，矿区北部的雅店煤矿在建设期间就 存在 H2S 异常涌出和浓度超限，矿井在大巷揭煤以 及首采工作面回采期间均出现 H2S 超限，H2S 气体 在采掘工程活动的扰动下自然涌出或者随地下水涌 出， 造成回风流中 H2S 浓度较高， 超出规定安全值， 威胁人员安全健康，形成安全隐患。笔者结合研究 区地质特征，并通过对 4 号煤层原煤中硫的分布、 硫酸盐类型、地下水、地温和不饱和烃等分析，探 讨 H2S 的赋存特征和低煤级烟煤 H2S 成因类型，以 期为矿区 H2S 的有效治理和安全生产提供指导。 1 矿区概况 雅店煤矿隶属于彬县煤炭有限责任公司，位于 陕西省彬州市和长武县境内彬长矿区北东部，设计 生产能力 400 万 t/a，井田为长条形沿 NEE 向展布， 长约 19 km，宽约 4.2 km，面积 53.05 km2图 1，煤 炭地质储量 6.37108 t，该矿井为陕西省及咸阳市 “十二五”重点建设项目。井田位于七里铺西坡背 斜构造的北翼，为一倾向 NW 的单斜构造，整体呈 现为北缓南陡特征，北部倾角 58，南部倾角 23， 井田地质构造简单， 断层和岩浆岩等未发现。 研究区发育地层自下而上依次为三叠系、侏罗系、 白垩系、新近系和第四系，其中，侏罗系中统延安 组J2y为主要含煤地层，共含 8 层煤，4 号煤为主采 煤层， 产状近水平， 厚度 0.1520.87 m， 平均 12.07 m， 含夹矸 03 层， 一般 12 层， 夹矸厚度为 0.200.66 m， 夹矸岩性为泥岩。属于分布范围内大部可采的稳定 偏较稳定煤层。4 号煤层厚度总体由北到南厚度由 厚变薄至尖灭，以特厚煤层为主，主要位于矿区北 西部一带。 2 煤岩煤质特征 2.1 样品采集 在矿井首采区下山掘进过程中，分别在轨道 下山端头和胶带下山中部采集 4 号煤层典型样品 4 块M1M4，样品详细记录和编号后，再用松软 材料如软纸等捆扎后用胶带固定，放入密封带中， 尽快送至实验室开展相关实验及测试。所有样品均 采集于新鲜掘进面部位，采样位置煤层未发生断层 和褶皱构造变形，节理较发育。 4 号煤层呈黑色，棕褐–褐黑色，沥青光泽，参 差状和贝壳状断口， 层状及块状构造， 夹亮煤带M1， 有方解石脉体侵入M2、M4，密度为 1.38 t/m3。煤岩 类型主要为暗淡型煤，半暗型煤次之表 1。 2.2 煤质煤类分析 选取典型煤样 2 件进行了工业分析测试，结果 显示表 2干燥基灰分Ad介于 5.078.96，均 值为 7.02，属特低灰煤；干燥基固定碳FCd质量 分数介于 63.0969.56，均值为 66.325，属中 等固定碳煤；空气干燥基水分Mad体积分数介于 28 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 1 彬长矿区构造纲要及井田位置 Fig.1 Tectonic outline and underground mine field location of Binchang mining area 表 1 煤样宏观特征描述 Table 1 Description of the macrofeature of the coal samples 样品编号 特征描述 宏观煤岩类型 M1 有一层夹矸约2 cm，煤层较破碎，层理状 暗淡型煤 M2 煤体较破碎，煤质较坚硬，黄铁矿颗粒与方解石脉侵入体共生 暗淡型煤 M3 煤质较坚硬，煤体完整 暗淡型煤 M4 煤质较坚硬，煤体完整，黄铁矿颗粒和方解石脉侵入体共生 半暗型煤 表 2 样品工业分析基本信息 Table 2 Basic ination of the proximate analysis of the coal 工业分析 ω/ 样品 编号 Mad Ad Vdaf FCd R max/ M2 2.64 8.96 30.71 63.09 0.70 M3 2.14 5.07 26.73 69.56 0.63 2.142.64，均值为 2.39，属特低全水分煤； 干燥无灰基挥发分Vdaf含量介于 26.73 30.71， 均值为 28.72，属中等–中高挥发分煤。镜质组 最大油浸反射率Rmax测试显示表 2， 4 号煤层属 于长焰煤–气煤，Rmax为 0.630.70，均值为 0.665，属Ⅰ–Ⅱ变质阶段之烟煤，即不黏煤–长 焰煤。 2.3 显微组分特征 选择 4 号煤层典型煤样 2 件进行显微组分测 定表 3，有机组分体积分数分别为 96.5、97.7。 其中镜质组体积分数为 60.0、80.1；惰质组体 积分数为 35.2、17.6；壳质组体积分数分别为 1.3、0；无机组分体积分数为 3.5、2.3，其中 M2 无机组分以黏土矿物为主，硫化物与碳酸盐次 之，M4 无机组分主要为碳酸盐，硫化物次之，无其 他无机成分，宏观煤样有明显的方解石脉体侵入， 造成碳酸盐无机组分含量较高。 2.4 煤中硫分含量及分布特征 雅店煤矿 4号煤层原煤全硫变化范围为 0.25 1.72，平均值为 0.72。按 GB/T 15224.22010 煤炭质量分级 第 2 部分硫分 ，研究区以低硫 第 5 期 刘会彬等 彬长矿区低煤级烟煤 H2S 赋存条件及成因类型 29 分煤为主占 55，矿区中西部大部都有分布，东 部较少，特低硫煤占 24主要分布在矿区东部，中 高硫煤占 19在中东部的边缘部位呈现为局部孤立 点，中硫煤位于勘查区边部及其他局部孤立点图 2。 表 3 4 号煤层显微组分统计结果 Table 3 Statistical results of macerals in No.4 coal seam 煤岩显微组分及矿物体积分数 φ/ 样号 镜质组 惰质组 壳质组 矿物 M2 60.0 35.2 1.3 3.5 M4 80.1 17.6 0 2.3 图 2 4 号煤层硫含量分布与 H2S 异常区域 Fig.2 Schematic of the sulfur content distribution and H2S abnormal area in No.4 coal seam 3 H2S 的赋存地质条件 3.1 煤层围岩的封盖作用 雅店矿井首采区 4 号煤层发育 3 种顶板 伪顶， 直接顶和基本顶， 伪顶多为炭质泥岩和灰黑色泥岩， 厚度多数小于 0.6 m，发育程度较差，局部地区不发 育，煤层未采动条件下具有很好的隔气作用，直接 顶多为泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，厚度较大，平均 3.0 m 左右，分布比较稳定，是主要隔气岩层。4 号煤 层直接底板普遍发育泥岩或炭质泥岩， 厚度 3.04.0 m， 含丰富的植物根化石，遇水膨胀表 4。 4 号煤层顶底板主要为泥岩和砂质泥岩，裂隙 发育较差，分布范围广，封盖性较强，表现为良好 的隔气性，为 H2S 等气体提供了较好的保存条件， 使得 H2S 在局部形成异常区域富集。 3.2 地下水动力条件 地下水的水动力机制，特别是水动力活动强度 和地下水流动路径对煤储层中气水运移具有重要的 意义[33]。彬长矿区水文地质特征分析将矿区划分为 3 个水动力强弱不同的区域侧向径流补给区、弱 径流区和相对滞流区，其中，位于矿区东南部的相 对滞流区， 也是水势低洼带煤层气汇集区， 有利于煤 层的富集成藏。 东南部煤层的含气量最高， 说明该区 水文地质条件确实对煤层气成藏起着关键作用[34]。 表 4 雅店煤矿 4 号煤层顶底板特征 Table 4 Characteristics of the roof and the floor of No.4 coal seam in Yadian coal mine 围岩 岩性 厚度/m 岩层类型 分布特征 伪顶 泥岩 ＜0.6 软弱岩石 零星分布 直接顶 泥岩、砂质泥岩及粉砂岩 05.0 软弱岩石 分布较连续 底板 泥岩、炭质泥岩 3.04.0 软弱易膨胀 大部分区域 据雅店井田水文地质测绘与钻孔资料，以赋水 特征将矿区含隔水层自上而下划分为孔隙潜水含 水层和基岩裂隙含水层 2 种含水类型。基岩裂隙水 对矿井开采影响较大， 主采 4 号煤层厚度变化较大， 受裂隙带延伸高度的影响，延安组与直罗组砂岩裂 隙地下水为矿区北部的厚煤层区的直接充水含水 层；延安组砂岩裂隙地下水为薄煤层区矿井直接充 水含水层。但是矿井建设阶段扰动影响较小，裂隙 不能导通洛河组含水层，地下水径流性较差，勘探 结果显示，洛河组、直罗组和延安组矿化度分别为 4.826、18.751 和 15.449 g/L，地下水多处于滞流状 态，无法将 H2S 很快地溶解、消耗和逸散，生产的 H2S 多赋存在煤层和岩层裂隙或者孔隙间，因此， 在 4 号煤层揭露时 H2S 气体沿孔隙和裂隙涌出进入 巷道影响生产。 3.3 煤的物性特征 较低的变质程度不利于煤层对 H2S 的吸附[11]， 镜质体反射率显示雅店煤矿 4 号煤层变质程度较 低，为低变质阶段不黏煤BN31。彬长矿区 4 号煤 层储层压力 0.289.22 MPa，平均 5.59 MPa[35-36]，介 于 39 MPa，煤层对 H2S 的吸附相对较慢，因此， 雅店井田在地质演化历史阶段形成的 H2S 气体主要 以游离态存在于煤的孔隙或者裂隙之中，采矿活动 使得孔–裂隙互相连通， 造成 H2S 气体随瓦斯或者地 下水涌出。 4 硫酸盐还原菌生存条件及成因分析 4.1 生存条件判断 4.1.1 温 度 英国地质调查局和美国能源部深部地层微生物 30 煤田地质与勘探 第 48 卷 已有的研究成果表明，微生物可以适应的温度高达 125℃， 酸性和碱性以及有氧或缺氧等条件下都可以 生长，几乎无处不在，在条件恶劣的情况下保持休 眠长达几千年之久，在环境适宜的条件下可以迅速 苏醒[36]。硫酸盐还原菌SRB是一类厌养菌，生产 能力很强。SRB 生存的温度条件为–575℃[37]，最 适宜的温度为 2040℃[9,24,38]，准噶尔盆地东南缘煤 矿为低阶煤，地层温度小于 40℃，适宜硫酸盐还原 菌的生长与繁衍， SRB 繁衍激烈[25]。 关于 SRB 适应 的温度条件并没有定论，还需要进一步探索。雅店 井田侏罗系中统延安组煤系为河沼相内陆环境沉 积，4 号煤原煤全硫含量平均值为 0.72，煤层中各 种硫以硫化铁硫为主。镜质体反射率为 0.665，属 Ⅰ–Ⅱ变质阶段的烟煤，即不黏煤–长焰煤范畴，据 此判断煤层在埋藏过程中的温度不大于 150℃。 通过近似稳态测温，确定雅店井田的恒温带温 度为 18.5℃，深度约为 160 m。由 18 个钻孔的测温 资 料 可 知 ， 地 温 梯 度 最 大2.58/hm℃， 最 小 1.52/℃ hm，平均地温梯度均小于 3/hm℃，10 个钻 孔的煤系地温梯度大于 3/hm℃，存在地温梯度异 常。由于本区煤层埋藏深度较深，孔底最低温度为 27.9℃，最高温度 34.4℃，11 个钻孔的孔底温度大 于 31℃而小于 37℃，故在井田北部形成一级高温 区。温度范围为 2040℃，为硫酸盐还原菌SRB 生存较好条件。 4.1.2 pH 值 据研究 pH 值和硫酸根浓度对硫酸盐生物还 原BSR作用有着重要的影响[39]。 按照 pH 值由小到 大 SRB 菌量生存特征为，当 pH3.0 时，少量存活； 3.0＜pH＜6.5 时，逐渐增加；pH 值介于 6.57.5 时， 变化不大；pH 值＞7.5 时，逐渐减少；pH9.0 时， 少量存活；pH≥9.5 时，不能生存；但是如果条件 允许，SRB 又能从休眠状态复苏而大量繁殖[31]。雅 店井田白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙含水层为影 响煤层开采的最主要的充水含水层， 全区分布， 岩性 以紫红、 暗紫红色中、 粗砂岩为主， 一般厚 200300 m。 据勘查区钻孔抽水资料显示，水质属 HCO3-CaMg、 HCO3SO4-NaCa、SO4-Na 及 SO4Cl-Na 型，HCO – 3含 量高，Ca2/Mg2含量低，呈弱碱性，pH 值为 7.7 8.3[40]，具备硫酸盐还原菌SRB生存的 pH 值条件。 4.1.3 不饱和烃 原油作为碳源和能源可被 SRB 菌直接利用 [41]， 在煤层中，硫酸盐还原菌SRB利用煤中的各种不饱 和烃作为能量和物质基础来还原硫酸盐[24]。说明 BSR 作用在煤硫共存条件下能够实现。雅店井田 4 号煤瓦斯参数鉴定表 5结果表明， 其自然瓦斯 C2-C8 不饱和烃含量均为 0.03， 具备硫酸盐还原菌SRB 利用成煤有机质形成 H2S 的物质和能量条件。 表 5 研究区煤层瓦斯含量及成分测定结果 Table 5 Measurements of the gas content and the components of the coal seam in the study area 自然瓦斯成分体积分数 φ/ 瓦斯含量/mLg–1可燃质 煤样 质量/g 可燃质 质量/g N2 CH4 CO2C2-C8 水分 ωMAD/ 灰分 ωAAD/ 挥发分 ωVDAF/ 瓦斯 成分 粉碎前脱气 粉碎后脱气 残存量 CH40.11 0.02 0 CO20.14 0.01 0 288.5 225.9 91.52 6.94 1.510.03 0.57 21.13 34.15 C2-C80.25 0.03 0 4.2 硫酸盐发育特征 根据雅店勘查区地质勘探成果表 6， 4 号煤原煤 中各种硫主要为硫化铁硫Sp,d，其次为有机硫So,d， 还有少量的硫酸盐硫Ss,d。 浮煤中主要为有机硫So,d， 其次为硫化铁硫Sp,d，少量的硫酸盐硫Ss,d。地勘阶 段 4 号煤层显微测试无机组分以碳酸盐类为主，黏土 类和硫化物次之，存在的少量硫酸盐为微生物硫酸盐 还原菌无氧条件下还原生产 H2S 提供了物质条件。 4.3 硫酸盐与 H2S 异常的关系 雅店矿井建设揭煤期间以及首采工作面回采期 间在低硫和中硫区均出现 H2S 异常和超限现象，超 限区域煤体破碎，裂隙较为发育，大部分区域不出 现淋水或者小范围的锚杆、锚索淋水，说明煤层中 的硫酸盐在地质历史时期形成 H2S 后具有较好的保 存环境，4 号煤层中硫分含量及分布与 H2S 异常超 限区域非常吻合图 2，表 6。 表 6 4 号煤层各种硫测定成果 Table 6 Measurements of various sulphurs in No.4 coal seam 各种形态硫的体积分数 φ/ 煤别 Ss,d Sp,d So,d St,d 原煤 0.010.11/ 0.0559 0.071.29/ 0.4559 0.130.51/ 0.2359 0.251.72/ 0.7262 浮煤 0.010.05/ 0.0351 0.030.31/ 0.0751 0.130.66/ 0.2551 0.100.87/ 0.3862 注数据表示最小值最大值/平均值样品数。 4.4 成因类型 研究区地温特征为适合硫酸盐还原菌SRB生 第 5 期 刘会彬等 彬长矿区低煤级烟煤 H2S 赋存条件及成因类型 31 存的最佳温度， 水质类型为矿化度较高的弱碱性水， pH 值介于 7.78.3，且硫酸盐少量发育，并综合分 析 SRB 生存条件及 4 号煤中赋存的不饱和烃，该 矿 H2S 气体成因类型为 BSR 成因。 5 H2S 异常与治理 雅店矿井采用立井单水平开拓， 通风方式为中 央并列式。首采区位于井田西部，4 煤层开拓巷道 采取联合布置，集中胶带下山与 1 煤共用，轨道下 山与回风下山独立布置。矿井开拓期间，在 4 号煤 层揭煤、 掘进和试生产期间均出现 H2S 浓度超限异 常表 7。 针对矿井首采区各个区域的 H2S 异常，主要采 取了加强监测监控和个人防护、 优化通风排放系统、 巷道喷浆封堵异常涌出点、及时抽排 H2S 异常处积 水、定期撒石灰和碱性溶液、积极落实循环作业等 措施， 从而有效控制风流、 涌水和异常涌出点的 H2S 异常超限。 表 7 雅店煤矿各阶段 H2S 异常特征及治理措施 Table 7 Abnormal characteristics of H2S and treatment measures in each stage of Yadian coal mine 时间 位置 H2S 含量/10–6 治理措施 效果评价 揭煤 轨道大巷 610 加强通风撒生石灰 很快降低，为1310–6 轨道下山 1630 撒石灰局部喷浆 浓度降低较快，轻微臭鸡蛋味 掘进 胶带下山 60140南段、100北段 撒石灰局部喷浆 浓度降低，有臭鸡蛋味，交替施工 试生产 ZF1403工作面上隅角 420 优化通风低洼区撒生石灰浓度降低，加强防护 6 结 论 a. 雅店井田 4 号煤为低变质阶段烟煤，在矿区 的周边均形成高硫区。研究区 H2S 异常超限的主要 影响因素为煤层顶底板致密围岩透气性差，形成 良好的保存条件；局部区域受采动影响，裂隙带导 通洛河组地下水，H2S 随着地下水大量涌出；低变 质程度使煤对 H2S 吸附性较弱，所以其大多以游离 态存在，采动扰动后沿裂隙大量涌出。 b. 通过对雅店井田的地温特征、硫酸盐还原 菌SRB大量繁殖温度条件、硫酸盐分煤共存、自然 瓦斯 C2-C8不饱和烃的存在、弱碱性地下水等综合 判断雅店煤矿 H2S 气体为 BSR 成因类型。 c. 针对研究区 H2S 异常问题，主要采取措施为 监控监测与个人防护，优化通风排放系统，巷道喷 浆封堵异常点等，该区域 H2S 异常分析与治理案例 为其他类似地区提供借鉴。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 专家解读编委会. 煤矿安全规程专家解读井工煤矿2016 修订版[M]. 徐州中国矿业大学出版社，2016. 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