煤田火區有害氣體排放的環境影響評估方法研究

陳曉坤，桑長波，李珍寶

煤田火區有害氣體排放的環境影響評估方法研究

陳曉坤1,2，桑長波1，李珍寶1

(1.西安科技大學能源學院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部

重點實驗室,陜西 西安 710054)

煤田火區有害氣體的排放非常顯著，已經引起廣泛關注。基于目前的研究進展，分析了煤田火區有害氣體排放的影響因素，在此基礎上建立了煤田火區有害氣體排放的現場調查方案，分析了適用于煤田火區有害氣體擴散計算的數學模型，提出煤田火區有害氣體排放的環境影響評估方法以及防治對策，并展望了其評估方法的應用前景，以為煤田火區區域大氣污染的治理效果分析提供科學依據。

煤田火區；有害氣體；擴散模型；環境影響評估方法

煤田火不同于礦井火，其在相對開放空間里大面積煤炭燃燒，從而導致區域內物理場、化學場、生物場發生改變,其釋放的有害氣體隨著風流流動在地下、近地表、中空、大氣層的四層空間環境中嚴重危害大氣環境安全。其中，在低空,煤田火區釋放的CO、NOx、H2S、SO2以及懸浮顆粒物等加劇了大氣中酸雨、霧霾等污染的形成;在高空,煤田火區產生的CO2、CH4、N2O以及水汽等溫室氣體使臭氧層受到破壞，形成大范圍的溫室效應。煤田火區有害氣體的逸出機制并不是遵循電站燃煤、取暖燃煤和生活燃煤呈單源與單通道的特點，而是在多釋放源與多通道條件下的產物，產生的危害很難控制和消除。此外，煤層的燃燒產生的有害氣體會危及礦工人身安全，是危害煤田安全生產的主要因素之一[1-2]。鑒于煤田火災在世界煤炭國家都有發生,產生的有害氣體對大氣環境造成嚴重破壞已演變成全球性的災害,因此煤田自燃形成大面積煤田火區對社會-經濟-自然復合生態系統造成的災害已經引起世界各國的高度重視。我國作為煤炭儲量大國將煤田火區災害及其治理已列入《中國21世紀議程》，并且近年來大力開展的煤田滅火工程和對重點區域大氣污染防治實行“以獎代補”的政策，以及《環境保護法》的修訂等都對大氣污染防治做出重點闡釋，而煤田火作為重大大氣污染源，足見對煤田火產生有害氣體的防治已經刻不容緩。

由于煤田火區排放有害氣體的廣闊性和區域性，其污染環境影響評估有別于居民區的大氣污染評估，而如何對煤田火區釋放的有害氣體進行全面的評估并防治是目前面臨的難題。為此，本文從目前國內外對煤田火區釋放有害氣體的研究現狀和進展等方面入手，分析了煤田火區有害氣體排放的影響因素，并在此基礎上提出了對煤田火區有害氣體排放進行環境影響評估的思路與方法。

1 煤田火區有害氣體排放研究現狀

在煤田火區地表存在兩類不同形式的有害氣體逸出：在對流作用下沿裂隙釋放的有害氣體和在擴散作用下通過孔隙介質釋放的有害氣體。國內外對煤田火區有害氣體排放量進行了一些研究與實踐，如Stracher等[3]經過長期監測得到煤田火區CO2的排放遠超過了其他氣體，并發現火區內的酸性水與碳酸鹽巖石、巖粉塵發生反應也會產生CO2，以及煤燃燒過程產生的H2S、SOx和NOx；Singh等[4]對煤田火區釋放的氣體進行了多方面的研究，其中包括氣體的產生范圍、檢測方法以及各種氣體作為指標氣體的優缺點等；徐永亮等[5]對煤火燃燒氣體產物與地表裂隙關系進行了分析研究，得出氣體濃度、溫度與地下燃燒煤體之間必然存在一定的量化關系；Carras等[6]研究了煤田火區釋放CO2及CH4氣體的情況，還通過現場測量定量研究了澳大利亞11個煤礦地面自燃火區溫室氣體的排放情況；Zeng等[7]、Ide等[8]對煤田火區釋放氣體排放量的檢測方法進行了研究。

針對煤田火區有害氣體的監測儀器研究應用上也取得了一些成果，且隨著科學技術的日益發展，航空遙感監測技術、計算機模擬技術在其監測應用上愈加廣泛。目前煤田火區有害氣體的檢測方法主要有兩種:一是人工監測，即使用煙氣分析儀以及輔助工具對煤田火區釋放有害氣體的釋放源地理位置、釋放強度、環境因素等進行實地監測；二是監測系統,即通過建立煤田火區有害氣體監測站，亦或通過遙感技術對大面積煤田火區有害氣體的排放進行監測。通過這兩種方法相結合建立重點煤田火區動態監測系統，定時預報煤田火區有害氣體演化趨勢,隨時掌握火區動態,為火區有害氣體的擴散提供動態資料。劉生根等[9]以空氣動力學法為基礎，開發出針對煤田火區CO2排放監測的實時采集系統，用于采集不同高度下CO2濃度、氣溫、風速和氣壓等環境參數，從而得到CO2排放通量，并將研制的系統在煤田火區進行了試驗觀測，驗證了其適用性。

通過上述對煤田火區產生有害氣體的相關研究可見，目前在檢測方法、產生量的推算以及動態監測等方面已取得了一定的進展，可為后續的定量評估指標、擴散模型以及評價方法等研究提供依據，從而解決了“怎樣衡量，用什么評估”的煤田火區有害氣體排放環境影響評估問題，且其評估是可行的。

2 煤田火區有害氣體排放的影響因素分析

由于煤田火區氣體成分復雜且濃度較高，同一排放點不同位置的氣體成分差異較大，且隨時間呈現較大的波動,煤火排放的有害氣體在煤田持續存在，故其擴散污染遵循高斯煙羽模型，空間某點(x,y,z)有害氣體濃度表達式為

式中:x、y、z為空間點位置坐標(m)，其坐標系統為笛卡爾坐標系，取決于火區源位置和方向;X軸為風向平均軸，Z軸為地表豎直方向，Y軸為與X軸和Z軸垂直交叉方向；Q為煤田火區有害氣體濃度(ppm);μ為10 m高度的平均風速(m/s)；H為火區釋放源上空的某一高度(m);R為地表影響系數;σz、σy分別為Z軸和Y軸方向上的擴散系數。

根據煤田火區有害氣體擴散模型，結合其排放的獨特性，綜合分析其影響因素有以下主要方面：

(1) 有害氣體源：包括煤田火區污染源類型、排放口分布位置、排放方式、排放時間規律以及有害氣體污染物種類、性質、數量等。

(2) 地理環境：包括煤田火區有害氣體源所在位置的地表狀況、火區源的高度等，此外地面的地形地物對有害氣體的擴散也有較大的影響，它們既會改變有害氣體擴散速度，又會改變其擴散方向。

(3) 氣象因子：包括風向、風速、大氣穩定度、季節變化等，其中風向、風速、大氣穩定度等因素對煤田火區有害氣體擴散范圍影響較大，風向決定了其擴散的方向，風速大小對其擴散的影響較為復雜，它決定了煤田火區有害氣體的輸送距離遠近和大氣擴散稀釋作用的強弱，如在較小的風速時，風會加大有害氣體的擴散范圍，在風速大到一定程度時，風會加速有害氣體的稀釋，進而使其危害范圍減小。

(4) 重力和浮力：煤田火區有害氣體密度相對于空氣密度的大或小，分別表現出在擴散中以重力作用或以浮力作用為主。重力作用會使有害氣體下降，地面濃度增加，其下降趨勢會因空氣的不斷稀釋作用而減弱，而浮力作用在有害氣體擴散初期導致其上升，地面濃度降低，被空氣不斷稀釋后其上升的趨勢減弱。

(5) 溫度和濕度：溫度的影響主要表現在煤田火區環境溫度的垂直梯度分布，當暖氣團經過火區時會產生大氣逆溫層，此時大氣本身的擴散稀釋能力就會下降，煤田火區有害氣體的濃度會隨逆溫層厚度和強度的增大而明顯增加。

3 煤田火區有害氣體排放的環境影響評估方法

3.1 調查方案的建立

煤田火區有害氣體排放主要來自于三個方面：①原有氣體，煤田火災發生前的原有氣體成分除了與地面大氣的氣體成分基本相同外，還含有瓦斯(CH4)；②火災生成氣體，煤田火災發生后,會產生一系列的化學反應,煤燃燒會產生大量的氣體,有CO、CO2、H2S、SOx、NOx、CH4等,以及脂肪碳氫化合物；③煤田涌出氣體，以瓦斯為主的烷烴類化合物(C2H2n+2)，主要包括C2H6、C3H8、C4H10、C3H6、C2H2、CH2O、CH2O2、C2H4O2、C2H2O2等。

針對煤田火災釋放的有害氣體，其調查方案的確立需要考慮以下因素：①能夠準確反映煤田火區有害氣體排放狀況；②監測與統計方法可行；③評估所需數據的可得性；④鑒于煤田火區具有的廣闊性以及地形復雜性，需構建多維度的綜合污染環境影響評估方法。煤田火區大氣環境現狀調查可以通過現場監測、資料收集等途徑進行，但不論通過什么方式都要確保調查點的合理性以及調查因素的全面性。此外，對于煤田火區以往的大氣監測以及遙感影像資料等要盡量收集，供制定調查方案時參考。表1為煤田火區有害氣體排放調查方案的具體內容。

表1 煤田火區有害氣體排放調查方案的具體內容

3.2 評估預測模型

煤田火區產生的有害氣體的擴散規律研究對其準確評估具有重要意義，只有對其進行精準的擴散判定，才能為有效防治提供基礎。由于煤田火區有害氣體所具有的本質特性,因此若要能夠將火區有害氣體對環境的影響時效直觀地反映出來，則需要開展污染源和污染物分布特征及其變化規律的研究，可通過計算機利用CFD建立擴散模型,采用定量與定性分析相結合的方法進行微觀與宏觀的綜合分析。

近年來氣體擴散模型的研究以及模擬軟件的開發等已取得了長足的進展。隨著計算機技術的發展,國外已經開發出了箱模式、高斯正態煙流模式、粒子-單元(PIC)模式、歐拉型K模式和煙團軌跡模式等數百種氣體污染擴散模型，目前美國開發的第三代空氣質量模式Models-3系統因應用范圍更為廣泛，已用于多范圍尺度、多種污染物的空氣質量的預報、評估和決策研究等。在國內，2008年我國開始實施新的《大氣環境影響評價技術導則》，導則中對大氣污染物濃度擴散模式做了推薦，并提出了SCREEN3估算模式以及三種進一步預測模式——ADMS、AERMOD、CALPUFF[11-12]。而目前針對煤田火區這一具有明顯特征的大氣環境類型,由于現有模型的局限性，利用該導則推薦的模型方法得出的結論往往偏離實際情況。因此，可考慮根據煤田火區污染源單一沒有其他污染源干擾、污染源相對集中且固定等特征,以及需要對火區內多點源影響下濃度貢獻的疊加進行模擬研究的目的,通過對比各種模型軟件的參數、運行特點,選擇適宜煤田火區特殊地貌、氣候、污染源、大氣污染擴散模式的擴散模擬軟件。如張春燕[13]以烏達煤田火區為研究區，以高斯煙羽模型為有害氣體擴散模擬算法，利用ArcGIS平臺采用點源模擬的方式對火區煤火釋放CO、CO2、CH4、SO2四種氣體的影響范圍和濃度分布進行模擬，并據此對人居大氣環境的影響程度進行了定量分析。

3.3 綜合評價方法

由于煤田火衍生的有害氣體受復雜的外在因素的制約，其擴散遷移的影響因素多,因此對煤田火區大氣環境影響評估就更為困難。就目前來說針對其評價還沒有具體的完整的預測與評估體系。借鑒于針對大氣排放的評價方法，目前在國際上有所發展的數學模式評價方法主要有模糊綜合評價法、灰色系統評價法、層次分析法、物元可拓集衍生的物元分析評價法、空氣污染指數法、集對分析、粗糙集理論、投影尋蹤技術、人工神經網絡、遺傳算法和蟻群算法等理論與技術[14-15]，這些正是處理具有模糊性、灰色性、不相容性等不確定性問題的新理論及優化方法，將這些理論技術引進到煤田火區有害氣體環境影響評價中，可使評價過程更體現數學模型化和最優化，可使評價結果更具科學性和先進性，以此得以合理和精確地服務于煤田火區有毒有害氣體排放的評價。此外，目前根據一些實際需要發展起來了一些新的大氣污染綜合評價方法，如于宗艷等[16]設計了一種基于免疫粒子群優化算法的環境空氣質量綜合評價方法;池澄[17]就目前先進的現場擴散試驗、實驗室風洞試驗以及模式計算等方法的適用性進行了分析;曹代勇等[18]建立了煤田火區環境影響評價的一般性指標體系,并以內蒙古烏達煤田火區為例,采用層次分析法與綜合指數法相結合,以此得出烏達煤田火區對環境的影響為較嚴重水平,且與定性分析結果相符。

根據對目前各種評價方法的綜合分析以及對煤田火區有害氣體的特征研究，煤田火區有害氣體排放的環境影響綜合評估方法的建立應依據《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)、《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426—2006)以及國家新修訂的《環境空氣質量標準》( GB 3095—2012)等標準以及當地績效考核標準來確定，實際應用中還應針對具體情況綜合考慮各種評價方法的優缺點，選擇出最為合適的評價方法，并對數值模擬的預測結果進行分析與驗證，對其危害等級進行劃分與評價。

3.4 評估流程

綜上所述，將煤田火區有害氣體排放的環境影響評估流程歸納為：根據具體煤田火區有害氣體影響因素展開勘查及監測，初步對煤田火區有害氣體的污染做出定性評估，將評價指標(即煤田火區有害氣體濃度、強度、環境因素等)數量化、定量化。選擇適用于煤田火區有害氣體擴散的模型，結合火區內污染強度及環境因素對模型參數進行修正，在此基礎上模擬出煤田火區有害氣體的影響區域及范圍，同時結合環境空氣質量相關標準，評價出煤田火區有害氣體排放對環境的影響，具體流程見圖1。

圖1 煤田火區有害氣體排放的環境影響評估流程Fig.1 Flowchart of environmental impact assessment of harmful gas emission pollution in the coalfield fire area

由于煤田火區有害氣體排放過程中種種不確定性因素和受外部條件的制約，而且一些監測技術也尚未應用于實踐當中[19]，因此應綜合分析目前評價模式體系、火區大氣污染物研究基礎方面存在的不足,摒棄人居區大氣污染的評估思路,結合其污染評估的關鍵因素：監測技術、監測儀器和氣體擴散模型的選擇以及煤田火區有害氣體影響標準，開展煤田火區有害氣體排放的環境影響評估。但評估過程中還必須注意以下問題：①煤田火區有害氣體擴散速率是影響其擴散模擬結果最重要的因素，通常模擬過程中擴散速率假設為不變量，這對于點源來說是可以接受的，但對于火區面源的擴散則會產生較大的誤差；②使用合理的當地氣象數據，如全年的風速、風向、風向水平變化方差以及大氣層的穩定度小時平均值；③確定合理的大氣污染影響標準。

3.5 防治對策

煤田火區有害氣體的排放是全球性大氣污染問題，目前仍沒有相對有效的方法防治煤田火區有害氣體排放造成的大氣污染，本文借鑒其他領域對有害氣體的防治對策[20]，對其防治提出如下思路：

(1) 對煤田火區有害氣體的防治有效手段要從根源入手，做好對開采過后礦井的保護措施，防止采空區遺煤的自燃而引發的人為性的煤田火災，同時應對煤田進行專門性的保護，及時發現有可能導致煤田火災的隱情，做出主動處理，進而杜絕煤田火區面積的擴大而產生更多的有害氣體。

(2) 鑒于煤田火區燃燒的廣闊性以及自發性，不能像人為用煤那樣對燃煤進行加工處理后再利用以及通過安裝減排設備以減少有害氣體的產生和排放，應采用更加先進的煤田火區探測技術和滅火技術，及時發現煤田火區并進行滅火，提高滅火的成功率。

(3) 在煤田火區與居民區間種植樹木形成隔離帶，植物的光合作用能有效阻擋和吸附有害氣體的流動并釋放出氧氣，并將實施樹木隔離帶工程進行植物凈化作為長期必須堅持的可持續綠化途徑。

4 結論與建議

由于煤田火區釋放有害氣體評估的復雜性以及缺乏可借鑒的研究成果,且環境污染影響評估考慮的因素很多，還需要不斷完善，本文只做了初步的研究，在具體實施過程中還需要在以下方面進行深入研究。

(1) 根據煤田火區的地理環境、自然條件以及有害氣體排放狀況等因素合理構建有害氣體監測方案，只有對其進行精確地量化，才能使評估結果更加準確、可靠。

(2) 煤田火區有害氣體的擴散在很大程度上取決于火區的氣象條件，尤其以溫度、風速、風向以及大氣穩定度為主，又限于火區范圍廣闊、地勢復雜等原因，還沒有精確的火區氣象資料供其評估作為參考，因此完善氣象監測數據庫，形成火區地表小氣候勘測的標準程序和方法，便于對煤田火區大氣污染擴散程度進行預測是今后研究的重要方向。

(3) 鑒于煤田火區有害氣體擴散的獨特性，應針對其排放研發專門的模擬軟件，著力解決火區各種特定尺度范圍有害氣體擴散程度和范圍的確定，使得評估模擬更加精確化。

(4) 鑒于煤田火為重大污染源，需專門針對煤田火區有害氣體排放制定自排放清單數據庫、評估標準和方法，以此為火區防治效果分析提供依據。

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Environment Impact Assessment Method of Harmful Gas Emission in Coalfield Fire Area

CHEN Xiaokun1,2,SANG Changbo1,LI Zhenbao1

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

Harmful gases released in coalfield fire area is very significant,and has caused widespread attention currently.Based on current research progress,this paper analyzes the influencing factors of the harmful gas emission,then establishes the site investigation scheme of harmful gas emission in coalfield fire area,and analyses the suitable mathematical model of harmful gas diffusion in coalfield fire area,also proposes the methods of environmental impact assessment of harmful gas and countermeasures for it.Finally the paper examines the application prospects of this assessment method.The research provides a scientific basis for the effectiveness analysis of the regional air pollution control of coalfield fire area.

coalfield fire area;harmful gas;diffusion model;environment impact assessment method

畢亞凡(1963—)，男，碩士，教授，主要從事環境工程等方面的教學與科研工作。E-mail：biyafan@21cn.com

1671-1556(2016)02-0055-05

2015-07-20

2015-11-23

陳曉坤(1961—)，教授，博士生導師，主要從事礦井火災災變理論與防治技術研究工作。E-mail:chenxk@xust.edu.cn

X822.5;X752

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.011