國(guó)家自然科學(xué)基金

“煤田火區(qū)自燃?xì)怏w滯留機(jī)制及早期探測(cè)技術(shù)研究”

(51874313)研究進(jìn)展

煤田火區(qū)自燃?xì)怏w滯留機(jī)制及早期探測(cè)技術(shù)研究，是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。課題成果可為地下煤火自燃的早期識(shí)別、煤火治理與綜合利用以及火區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 課題研究目的和意義

煤田自燃不僅破壞寶貴的煤炭資源，還加劇火區(qū)所在地的大氣污染，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境、生態(tài)環(huán)境與人類健康造成極大危害。根據(jù)我國(guó)新疆、內(nèi)蒙等地區(qū)和國(guó)外存在煤火國(guó)家多年來(lái)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一旦通過(guò)地表溫度異常、熱輻射變化、磁異常、電異常、電磁波譜輻射異常、氡異常等手段確定煤火時(shí)，火區(qū)已經(jīng)處于自燃較為劇烈階段，治理和滅火工程代價(jià)非常大，因此，上述方法不適合煤火中心形成前的煤層自燃潛伏階段的早期發(fā)現(xiàn)。煤田自燃的早期，煤層會(huì)釋放出以CO、CO、CH為主的氣體產(chǎn)物，其排放量的大小與煤層溫度直接相關(guān)。通過(guò)鉆孔取樣分析氣體產(chǎn)物組分，可以直接預(yù)測(cè)煤火的發(fā)展階段以及煤火強(qiáng)度。然而，鉆頭往往需穿透地下上覆巖石，耗時(shí)費(fèi)力，操作成本較高，不能大面積使用。

研究表明，斷層、構(gòu)造裂隙不是地下氣體源滲漏及微滲漏的唯一通道，上覆蓋層及地層中廣泛發(fā)育的裂隙或微裂系統(tǒng)是決定地表特征氣體分布的重要因素，煤層自燃釋放出的CO、CO、CH等氣體產(chǎn)物可在壓力、浮力的作用下在上覆蓋層中垂向微滲漏，以吸留、吸附、吸收、游離、溶解等多種形式保存下來(lái)，進(jìn)而使煤田自燃火區(qū)上覆土壤和沖積層中氣體組成及理化特性產(chǎn)生系列變化。因此，可通過(guò)研究近地表自燃初期產(chǎn)物的分布規(guī)律以及自燃火區(qū)土壤/沖積層內(nèi)理化參數(shù)變化特征以預(yù)測(cè)煤田早期自燃以及煤火發(fā)展趨勢(shì)。

本項(xiàng)目通過(guò)定性、定量分析與火區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合的方法，分析煤田火區(qū)自燃?xì)怏w產(chǎn)物在煤層、巖層、土壤及近地表大氣中的遷移與交換規(guī)律，以確定典型煤田火區(qū)自燃早期監(jiān)測(cè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及探測(cè)方法。

2 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

2.1 煤田火區(qū)近地表土壤理化參數(shù)調(diào)查研究

考察煤田火區(qū)的地表特點(diǎn)，將該煤田火區(qū)劃分為地表特征明顯的區(qū)域、地下已經(jīng)發(fā)生燃燒但尚未形成明顯特征的區(qū)域、植被枯萎區(qū)域以及背景區(qū)域。檢測(cè)各個(gè)區(qū)域淺層土壤以及近地表氣體成分與濃度，并采集淺層土壤樣本以分析土壤的理化參數(shù)。分析不同的區(qū)域淺層土壤理化特性以及淺層地表氣體組分，并根據(jù)某區(qū)域的氣體組分和溫度之間的關(guān)系推測(cè)地下煤火的燃燒程度和煤火的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)此進(jìn)一步分析地下煤火處于不同燃燒程度時(shí)對(duì)應(yīng)的淺層土壤的理化特征，并探究淺層土壤理化特征變化原因與淺層土壤內(nèi)氣體各組分、溫度的相關(guān)性，以探究地表土壤理化特征是否可作為煤火早期探測(cè)的補(bǔ)充性指標(biāo)。

2.2 煤田火區(qū)自燃實(shí)驗(yàn)?zāi)M的相似性分析研究

構(gòu)建煤層、巖層、土壤三重介質(zhì)3D物理模型，結(jié)合3D打印技術(shù)，制作含有不同裂隙/斷層的巖石模型。根據(jù)煤田火區(qū)地表土壤特點(diǎn)，使用不同類型的土壤，如黃土、沙土。將三重介質(zhì)放置在密閉的開(kāi)口箱內(nèi)，其箱體底部不同位置設(shè)置半徑相同的通氣孔以模擬火源點(diǎn)。配制以CH/CO/CO/N為主且比例不同的混合氣體，控制氣體流量并直接向箱體通氣以模擬氣體釋放過(guò)程。在土壤中心層以及地表層布置氣體傳感器，在氣體釋放過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)各點(diǎn)濃度接近平衡態(tài)時(shí)停止通氣。通過(guò)改變火源點(diǎn)位置、巖石類型、氣源特性、土壤類型等條件，研究自燃?xì)怏w在土壤中心層以及淺層地表層的濃度大小分布以及濃度增長(zhǎng)規(guī)律。

縮小箱體尺寸并只在中心點(diǎn)設(shè)置通氣孔，箱體內(nèi)單獨(dú)放置土壤，土壤類型分為黃土和沙土。根據(jù)實(shí)際火區(qū)地表土壤含水率范圍，通過(guò)向土壤內(nèi)灑水獲得不同含水率的土壤樣本?？刂茪怏w流量并直接向通氣孔注入以CH/CO/CO/N為主且比例不同的混合氣體，控制通氣時(shí)間，通氣結(jié)束后采集淺層地表土壤樣本，并分析土壤有機(jī)碳含量、pH、土壤鹽分等，研究不同土壤類型、土壤含水率、氣源濃度等因素對(duì)土壤理化特性的影響。

2.3 數(shù)值模擬自燃產(chǎn)物在上覆介質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律

建立含擴(kuò)散—滲流方程、多組分輸運(yùn)方程、N-S方程在內(nèi)的描述包括斷層/裂縫的煤層自燃的數(shù)學(xué)模型組。以搭建的含裂縫煤層自燃模擬系統(tǒng)為物理模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得不同介質(zhì)層的物理參數(shù)，如滲透率、孔隙度、飽和度、擴(kuò)散系數(shù)等。選取某一具體實(shí)驗(yàn)工況，采用Fluent模擬軟件，設(shè)置與實(shí)驗(yàn)工況相似的模擬參數(shù)，如氣源流量、濃度、介質(zhì)參數(shù)等。模擬煤自燃?xì)怏w在土壤層中運(yùn)移規(guī)律，獲取土壤層的壓力、流速、組分濃度分布云圖，以及濃度增長(zhǎng)曲線。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果，并定量分析巖石裂縫特征、壓力、流速以及介質(zhì)參數(shù)對(duì)土壤層自燃?xì)怏w濃度變化的影響。選擇某一實(shí)際煤田火區(qū)，并考察其地質(zhì)構(gòu)造、地表土壤類型以及環(huán)境特征，根據(jù)實(shí)際火區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)建立模型，采用Fluent軟件模擬在不同土壤類型、地表溫度以及氣壓條件下煤自燃?xì)怏w在淺層土壤內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律和時(shí)空分布特征。

3 研究成果

本課題的預(yù)期研究成果為:

(1)獲取煤田火區(qū)在不同地質(zhì)構(gòu)造和地表環(huán)境影響下自燃?xì)怏w產(chǎn)物在淺層土壤內(nèi)的遷移規(guī)律和分布特征，以及裂縫/斷層、氣源特性、土壤類型、地表環(huán)境等因素對(duì)淺層土壤內(nèi)氣體遷移的影響機(jī)理。

(2)獲取煤田火區(qū)地表與火區(qū)燃燒程度有對(duì)應(yīng)關(guān)系的土壤的理化參數(shù)，以及自燃?xì)怏w產(chǎn)物特性、土壤類型、土壤濕度等因素對(duì)土壤理化特性的影響機(jī)理。