基于硫同位素组分比的煤田火区探测方法

王雁鸣 欧阳林昊 张国锐等

摘要：地下煤田火区的高效准确圈定是火区治理的前提。已提出多种煤火探测方法，其中作为地球化学探测的一种，同位素测氡已进行了现场应用。但因氡气并非煤层燃烧直接裂解释放，该方法的火区圈定精度受到限制。为了发挥同位素探测方法的优势，本文根据煤自燃过程中同位素分馏效应，探讨了基于同位素硫异常的煤火探测方法，并提出了技术路线。

关键词：煤田火灾；地球化学探测；硫同位素分馏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.067

煤田火区在世界主要产煤国均普遍存在，煤田火灾在直接烧毁大量不可再生煤炭资源的同时，也对生态环境造成很大的破坏，煤田火区的治理问题依然始终严峻。煤田火区由于存在地表之下，地表热异常不明显，因而具有隐蔽性很难发现。

为了有效治理煤田火区，火区的准确圈定是前提。目前煤田火区的探测方法多达数十种，其中，同位素测氡法原理是利用高温影响下煤层及其围岩中天然放射性氡析出率增大的特性，通过在地表探测氡的浓度变化，从而圈定火区位置。该方法操作简单、精度高、成本低、且抗干扰能力强。但是，氡元素存在于煤层及其围岩中，并非煤层燃烧的直接产物，地热作用会使岩层中氡气的释放量增大，造成测量结果误差。

已有研究结果表明，虽然不同地区煤层的含硫量差距很大，但是在煤燃烧过程中，均会出现硫的同位素分馏现象，即煤燃烧释放出来气体中硫同位素组份，相对原煤有轻³⁴S的现象，此种现象为通过硫同位素分馏现象探测煤田火区提供了理论基础。相对于测氡方法，硫的氧化物为煤燃烧直接生成产物，对于探测煤田火区更具优势。

1硫同位素分馏效应机理

硫是地壳中第14位最丰富的元素，其中，硫在煤中普遍存在，含量一般在0.1～10%，存在形式分别为有机硫、硫铁矿硫和硫酸盐硫三种，按照国家有关规定，当煤中含硫量超过3%时，即为高硫煤。在自然界中，硫总共有4种稳定同位素，分别为：³²S、³³S、³⁴S、³⁶S，其丰度分别为95.02%、0.75%、4.21%、0.02%。可见在自然界中，³²S的含量最大。

硫的同位素分馏在自然界中非常常见，主要是由物理、化学和生物作用引起的热力学和动力学同位素分馏，几乎都是与质量相关的分馏。凡事遵循Hulston研究的质量分馏定律（式子1）的均为质量分馏效应。长期以来，大多学者均认为自然界的硫同位素分馏均与质量相关，不存在非质量分馏的情况，但是目前已经在陨石、南极冰芯、太古代沉积物中发现硫的非质量分馏现象。本文研究的煤田火区硫化物气体中的分馏现象为与质量相关的分馏效应，符合Hulston分馏定律。

3硫同位素探火技术路线

依据煤燃烧后硫同位素分馏效应探测煤田火区方法步骤与测氡大致相似，所不同的是，测氡可通过测氡仪直接测量测点的氡气含量与浓度，而由于同位素质谱仪目前没有便携式设备，需要采用集气袋将现场采集的气体在实验室由同位素质谱仪测量计算δ³⁴S值，并与煤样中的δ³⁴S值做对比分析，从而圈定煤田火区。为了更有效的采集地下燃煤生成的气体，设计了便携式气体采集装置。装置由上部的空心圆柱体和底端的实心圆锥体组成，并在圆柱体上部焊接把手，以助于向地下钻孔，圆柱体顶部设计有若干抽气孔，用于抽取地表下放气体，在圆柱体顶部设计接口连接集气袋。根据上述研究，建立根据燃煤分馏效应探测煤田火区的技术路线：火区现场测线测点规划→使用便携式气体采集装置进行气体采集→對比SO₂中的δ³⁴S值与原煤的δ³⁴S值→圈定煤田火区。

4结束语

根据燃煤的同位素分馏效应进行煤田火区的探测，探测媒介硫的氧化物气体为煤燃烧直接产物，相比于探测煤燃烧产生的间接产物，更加直接高效。目前本研究已在实验室条件下验证了此方法的有效性，未来将在现场进行实测研究，更大的发挥此方法的优越性。