【摘 要】
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硫化氢（H2S）是煤矿中常见的有毒有害气体之一。当井下H2S气体浓度过高时,不仅会有爆炸危险,而且还会导致人员中毒甚至死亡。本文以山西沙坪矿13#煤为研究对象,采用镜质组反射率、离子检测和形态硫分析等技术方法,揭示了煤层中H2S的赋存环境及成因类型,并采用常温常压吸附实验和X射线光电子能谱（XPS）等技术,进一步探究了煤对H2S的化学吸附机理,拟合出煤层中H2S的赋存方程,对揭示H2S的赋存规律具
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硫化氢（H2S）是煤矿中常见的有毒有害气体之一。当井下H2S气体浓度过高时,不仅会有爆炸危险,而且还会导致人员中毒甚至死亡。本文以山西沙坪矿13#煤为研究对象,采用镜质组反射率、离子检测和形态硫分析等技术方法,揭示了煤层中H2S的赋存环境及成因类型,并采用常温常压吸附实验和X射线光电子能谱（XPS）等技术,进一步探究了煤对H2S的化学吸附机理,拟合出煤层中H2S的赋存方程,对揭示H2S的赋存规律具有重要意义。研究结果表明:沙坪矿13#煤层的地质演化和水系分布为H2S的形成提供了良好的生成环境;煤层直接顶、底板均以泥岩为主,渗透率较差,老顶以中粗粒砂岩为主,稳定性较强,为H2S的赋存提供了良好的密封环境;煤层热演化温度范围在51.47～108.12℃,均低于120℃,排除了H2S成因为硫酸盐热化学还原作用（TSR）的结果;煤层含H2S水中HCO3-离子浓度较高,SO42-离子浓度较低,说明13#煤层H2S成因是微生物硫酸盐还原作用（BSR）。经检测,煤中H2S浓度高的位置全硫含量也较大,不同取样点煤中硫酸盐硫最低,最高仅为0.06%,硫化铁硫含量最高,最高达4.5%,有机硫含量次之,最高为0.73%,推测煤层中硫酸盐在微生物的作用下,转化为黄铁矿和有机硫形式,煤中硫元素与H2S的赋存具有一定联系。H2S在煤体中的赋存状态主要以吸附态为主,同时存在游离态和水溶态等形式。常温常压下,煤对H2S的吸附在24 h基本达到平衡,H2S的吸附量随空间游离态H2S浓度、煤样含水率的增加而增大;除物理吸附外,煤对H2S还发生了化学吸附作用,吸附H2S后煤的全硫含量增加,且水会促进H2S向煤中硫的转化;其中无机硫含量增幅明显,大部分H2S以硫氢化物、硫化铁硫以及单质硫等无机硫形式留在煤体中,少部分H2S以噻吩、C-S-C和C-SH等有机硫形式键合在煤的结构中,因此H2S气体的赋存量越大煤中全硫含量越高;有机硫和黄铁矿与H2S共同赋存于煤体中,呈一定的伴生关系;H2S气体由煤中硫酸盐通过BSR作用生成,并与有机质和铁离子反应生成有机硫和黄铁矿,这与沙坪矿13#煤层中各采样点形态硫与H2S的实际赋存情况相吻合。煤层中H2S总量随平衡时游离态H2S浓度及煤的含水率呈指数上升趋势,依据拟合方程,通过测定空间游离态H2S浓度及煤层含水率,得到沙坪矿13#煤层平均H2S赋存量为0.92 m~3/t。在H2S总量一定的情况下,游离态H2S浓度随煤样含水率的增加线性减小,因此推测可通过向煤层注水即增加煤层含水率的方式减少空间H2S气体的浓度。通过一系列实验研究和理论分析,探究出沙坪矿13#煤层H2S的成因及赋存规律,其结果可为煤矿井下H2S的防治提供理论依据。
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