鄂尔多斯盆地彬长矿区含H2S煤层沉积环境特征及成因分析

作者:张静非;赵继展;陈冬冬;李树刚;林海飞 刊名:天然气地球科学 上传者:白晓勇

【摘要】为了探讨含H2S煤层沉积环境特征;以彬长矿区小庄矿延安组4#煤层为研究对象;借助X-射线衍射仪、液晶库伦定硫仪、X-射线荧光光谱仪、等离子体质谱分析仪、稳定同位素质谱仪等实验仪器;从煤层显微组分、矿物组分、煤体孔隙及吸附特征、古盐度、沉积环境氧化还原性、水动力学表征指数、同位素特征及煤层热演化史等方面;对该区域煤层沉积环境特征进行了研究;并明确了煤层H2S的成因类型;研究结果表明:①研究区地质构造简单;井田中心带的南玉子向斜对H2S的富集有一定影响;且煤层顶底板岩性以泥岩为主;透气透水性差;对H2S富集起到封堵作用;②4#煤层富含有机质(植物化石)、碳酸盐矿物;地层古盐度Sr/Ba值较小(<0.5);沉积环境表征(U/Th值、Cu/Zn值以及还原性指数K)为厌氧-弱还原性;以上条件为该区域煤层H2S的生成提供了原料和环境基础;③煤层黄铁矿δ34S值(-9‰~-0.6‰)偏负、甲烷δ13C1值偏低(<-55‰);煤层热演化温度(96~113℃)低于120℃;综合得到研究区成因类型以生物硫酸盐还原成因(BSR)为主;

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0引言随着煤炭开采深度及广度的不断扩大,煤层构造及沉积环境越显复杂,煤层中异常富集的H2S气体对煤矿的生产造成较多不利影响。近年来,新疆阜康矿区、陕西彬长矿区、铜川崔家沟煤矿、内蒙古乌达矿区以及山西部分地区的煤矿都不同程度受到了H2S的威胁[1],对含H2S煤层沉积环境特征及成因分析的研究具有重要意义[2-3]。众多专家学者从煤层异常地质构造[4]、沉积环境[5]、同位素特征、矿物组分特征[6-7]等方面对H2S的生成、富集及异常涌出规律进行了深入研究。煤层H2S由含硫矿物及有机质在一定条件下发生还原作用而得,因此杨曙光等[8]基于灰成分指数(AI)表征法,探究了煤层沉积环境的还原性强弱程度;傅雪海等[9]通过分析枣庄八一煤矿异常地质因素,得出该区域H2S异常为岩浆岩热力作用的结果;汤达祯等[10]以华北晚古生代成煤环境为研究对象,探究了不同成煤阶段生成的H2S与含硫矿物含量的相关性;罗陨飞等[11]则通过探究煤层沉积环境的硫同位素特征,发现生物硫酸盐还原作用(BSR)下产生的黄铁矿以及H2S的δ34S平均值为负值,其中黄铁矿的δ34S值常被用作鉴别煤层H2S气体成因的重要指标之一。可见对含H2S煤层沉积环境特征进行系统分析有助于揭示H2S的富集规律与成因类型。本文以彬长矿区小庄矿延安组4#煤层为研究对象开展研究,该煤层含硫量较低(不超过0.9%),属低含硫煤层。工作面采掘过程中发生了H2S异常涌出的现象,最大涌出浓度为15×10-6。本文基于研究区地质背景,通过煤层有机显微组分、矿物组分、煤层吸附及孔隙特征、古盐度、沉积环境氧化还原性、水动力学条件及同位素特征等分析煤层沉积环境特征,并明确研究区煤层H2S成因类型。1区域地质背景鄂尔多斯盆地南缘彬长矿区划属华北地台区鄂尔多斯盆地分区。侏罗系中统延安组为该矿区主要含煤地层,其中延安组下部4#煤层分布稳定,煤层厚度大,为主要采煤层,属湖泊、河流、三角洲环境下的陆源碎屑岩地层,富含石膏矿物与黄铁矿,顶、底板以泥岩为主,渗透性差,煤体直接充水层埋藏深并且含水层的封闭性良好,导水性较弱,以上这种地质环境为H2S的生成和富集提供了有利基础。在延安组沉积时期,煤层地质条件稳定,厚度大,有利于H2S等气体的生成与保存;随着地质演化过程加剧(图1),燕山运动致使延安组煤系地层遭受严重剥蚀,封存在煤体中的H2S大量散逸,这也是造成该区域实际H2S浓度较低的原因之一。本文分析以小庄矿延安组4#煤层为研究对象,整体构造简单,埋深在350~850 m之间,煤系地层绝对温度范围为16~39°C;南玉子向斜处于井田聚煤中心,轴部应力集中,受该褶曲构造扰动作用,造成此处透气性较差,有利于H2S的富集(图1)。2样品测试及结果彬长矿区小庄矿主采4#煤层,为探究含H2S煤层的沉积环境特征及成因,选取具备条件的40202工作面为取样区域,在回风巷一侧,间隔50 m采集煤样及气样(顺煤层打钻取样),为保证数据论述具有一致性,选取8组典型煤样,所有后续测试分析均采用该序列样品。实验借助X-射线衍射仪、液晶库伦定硫仪、X-射线荧光光谱仪、等离子体质谱分析仪、稳定同位素质谱仪等仪器对样品进行了分析。样品的煤岩/煤质特征测试数据如表1所示,样品的微量元素及同位素测试结果如表2所示,孔隙及吸附特征如表3所示。其中,表1的煤岩及煤质特征参数、表3的吸附及孔隙特征参数、表2的微量元素及同位素测试参数(除甲烷δ13C外),采用煤样测试分析,甲烷δ13C采用气样进行测试分析;文中H2S浓度采用在线H2S浓度快速探测仪进行监测,来源于样品点煤层瓦斯;孔隙

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