露天礦遺煤區地表CO2通量變化規律測試分析

張曉明，劉禮龍，王永軍，張河猛， 黃 亮，佐佐木久郎

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 12300； 2.遼寧工程技術大學 工程與環境研究所，遼寧 葫蘆島 125000； 3.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000； 4.九州大學 工學府，日本 福岡 819-0385)

0 引言

在礦井開采過程中，采空區內遺煤自燃會產生有毒有害氣體，引發次生災害，造成環境破壞，如某露天礦周邊區域，出現廢棄礦井采空區遺煤自燃引發了露天礦邊坡滑坡、空氣質量差、復墾種植的樹木因地熱而枯死等問題[1]。另外，淺埋深煤層的氧化自燃現象也造成了大量的資源損失和環境破壞，所以預測和控制廢棄礦井采空區內遺煤和淺埋煤層氧化自燃的程度及范圍成為目前研究的重要課題。目前，鄧軍等[2]通過對比分析格氏火災系數和烷烴、烯烴和炔烴等氣體之間的比值，優化煤樣的氣體指標選擇，從而提高煤自燃預報的可靠性；文虎等[3]使用分布式光纖測溫系統監測采空區溫度變化，為采空區煤自燃早期預防提供重要基礎數據；鄔劍明、牛立東等[4]提出電法勘探廢棄小煤窯自燃火源位置。

這些方法都具有其實用價值，但也存在不適用于封閉采空區和淺埋煤層、成本高、實施復雜等問題[5]。基于此，本研究采用自主研發的智能土壤氣體監測系統對廢棄礦井采空區上覆地表CO2涌出進行連續測定，探討了地表CO2涌出規律及遺煤氧化自燃特征與地表CO2通量變化的關聯性問題。此研究方法相對于其他預報方法具有監測在地表進行，操作簡單且成本低、受環境因素影響更小、可長時間連續對煤由低溫氧化到高溫燃燒這一整個過程，地表CO2通量情況進行監測等優點。

1 應用理論及實驗方法

1.1 應用理論

煤氧化自燃過程中會伴有相關特性指標氣體(如CO，CO2及烴類等)的產生[6-8]。從煤低溫氧化到高溫燃燒的整個過程，CO2在所生成的氣體中占有較高比例，特別是在煤低溫氧化階段，CO2是主要的產生氣體[9-10]。自然風壓導致的漏風(采空區上覆地表因開采導致沉陷，產生大量的裂隙、環境溫度變化，導致的內外壓差等)、煤在氧化自燃的過程中，采空區內溫度高，氣體密度小，采空區是相對密閉的空間，上覆巖層塌陷產生的壓力等原因都有利于采空區內CO2向地表擴散。采空區內CO2向地表運移過程中，一部分會溶于含水層、吸附于巖石介質或被地表附近的微生物及植物通過固定效應所吸收，而大量的CO2會擴散到地表[11]。另外，表土中的微生物及植物根系的呼吸作用也會產生CO2，產生量受環境條件影響。因此，對地表CO2通量的連續監測并區別植物根系和微生物的影響尤為重要。本研究采用自主研發設計的智能土壤氣體監測系統對地表CO2通量、土壤溫濕度和環境溫濕度連續測定。分析采空區和非采空區上覆地表的CO2通量值的區別及變化規律。

地表CO2通量是土壤單位面積上單位時間內CO2氣體質量的涌出量。

(1)

式中：F為氣體通量，μmol·m-2·s-1；v為儀器氣室的容積，m3；A為氣室覆蓋地表的面積，m2；ρ為標準狀態下的被測氣體密度，μmol·m-3；Ct為t時刻氣室內被測氣體的體積分數，10-6；t為時間，s；T0為標準狀態下的空氣絕對溫度，273 K；P0為標準狀態下的空氣絕對氣壓，101 325 Pa；T為采樣時的絕對氣溫，K；P為采樣地點的氣壓，Pa。

(2)

式中：R為氣體常數，m3/(Pa·k·mol)；M為氣體的等效分子量，g·mol-1；g為重力加速度，m·s-2；z為樣點海拔高度，m。

1.2 實驗方法

本實驗以海州露天礦周邊的停產井工開采礦井采空區為研究對象。在露天礦東幫邊坡東西200 m×南北940 m的測定區域內，設定采空區上部地表測點1#,2#和3#(圖1)，并在非采空區上部地表設立對比測點(4#)，每個測點的監測周期為15 d，定義各個測點通量值分別為F1#，F2#，F3#，F4#。由于3#測點地表存在明顯的冒煙現象，為更加精準的測定其上方CO2的涌出特性和確定火區的范圍，在3#測點區域沿地表裂縫進行流動監測。土壤氣體監測系統采用動態氣室法監測原理[12]，實現對地表CO2通量的連續監測。系統主要有CO2采樣系統①主機控制系統;②溫濕度數據采集系統;③數據處理系統;④這4部分組成，如圖2所示。

圖1 測點位置衛星圖 Fig.1 Satellite map of measuring point

圖2 地表CO2通量監測系統Fig.2 Surface CO2 flux monitoring system

實驗對大氣和表層土壤溫度進行了連續監測，全天候實時記錄降雨量并采集風向、風速數據(采集周期為1 h)；為掌握地表土壤特性，采用環刀法對測點地表地下100 mm土壤進行取樣，在實驗室內測定土壤孔隙度、容重等參數，如表1所示。測點位置及地質條件，如表2所示。

表1 測點表層土壤及大氣相關參數Tab.1 Surface soil and atmospheric parameter

表2 測點地下采空區地質情況Tab.2 Geological condition of measuring point underground goaf

2 結果與分析

2.1 采空區及地表環境

1#～3#測點地表景觀均為草地、地下均為采空區，測點的土壤組成、孔隙度差異較小，如表1所示。各測點下部煤層開采情況如表2所示。1#，2#，3#測點地表距采空區及未開采煤層的高度分別為：h1#=160～230 m，h2#=50～160 m和h3#=140～280 m。

其中3#測點地下采空區年限相對較短(1.3m煤層采空區形成于2006年，其他煤層采空區形成時間與1#，2#測點一致)且與露天礦邊坡距離較近。因邊坡向采空區漏風，導致其內部發生遺煤氧化自燃。受遺煤燃燒和露天礦邊坡滑動影響，距3#測點3.2 m處地表出現從北往南發展的冒煙裂縫帶。通過便攜式紅外線氣體分析儀對裂縫帶氣體進行監測顯示，裂隙帶擴散氣體主要成分為CO2(濃度>20 000(10-6))，且氣體溫度達到50℃以上。而1#和2#測點地下采空區年限長達約30a，雖然開采時存在遺煤但是由于年限較長，處于密閉狀態、漏風條件差，因此不具備煤自燃的條件。相對于3#測點采空區，該區域可視為采空區窒息帶。

2.2 采空區上部地表CO2通量監測結果

在晝夜時間尺度上1#～4#測點地表CO2通量變化范圍如表3所示，各監測參數隨時間變化情況如圖3～圖5所示。

表3 晝夜地表CO2通量變化范圍(無降雨影響)Tab.3 CO2 flux variation range(without rainfall effect)

由表3可知，F1#和F2#的變化范圍接近，3#測點的通量值F3#則遠大于F1#，F2#。同時，采空區上覆地表CO2通量值F1#～F3#明顯高于非采空區地表CO2通量值F4#。由于3#測點位于有漏風自燃的采空區上部，其CO2通量的變化也呈獨自的規律性，將在2.3中進一步闡述。由圖3～5可知，采空區地表CO2通量值隨溫度升高而下降，而非采空區地表CO2通量值隨溫度升高而上升，兩者所呈現的規律區別較大。草地、森林等生態系統的地表CO2通量與氣溫存在很強的正相關[13]，如圖3所示。這是因為溫度升高促進了土壤中的微生物活動。

圖3 4#測點監測結果Fig.3 Measuring point(4#)monitoring result

1#，2#測點地表景觀同為草地，2個測點地下為采空區，雖然1#，2#測點地下采空區漏風條件差，不具備煤自燃的條件。但其受晝夜氣溫變化影響，導致采空區內外出現壓差變化，較低的氣溫會促進采空區的漏風強度，有利于CO2向地表擴散。因此CO2通量與氣溫不存在如圖3所示關聯，反而在白天氣溫高的時段，地表CO2通量值反而相對更小，如圖4～5所示。這說明采空區上覆地表CO2通量既受生物和環境因素影響[14]，也受采空區遺煤氧化影響。采空區上覆地表測得的CO2涌出不僅有表層土壤呼吸還包含較大比重的由采空區擴散至地表的CO2。

圖4 1#測點監測結果Fig.4 Measuring point(1#)monitoring result

圖5 2#測點監測結果Fig.5 Measuring point(2#)monitoring result

2.3 自燃采空區上覆地表CO2通量變化規律

實驗區域礦井均已停產且主副井口已封閉。由于3#測點地下采空區臨近邊坡，邊坡漏風促進采空區遺煤的氧化自燃。由表3可知，3#測點地表CO2通量變化主要受采空區遺煤氧化自燃影響，通量值遠大于未自燃采空區地表。通量值與采空區遺煤氧化程度有密切關系。

根據現場環境條件分析，影響3#測點采空區漏風量的主要環境因素為溫度、風速和風向。由圖6可知，風向主要為西風，故實驗只討論風速的影響。

圖6 3#測點環境風速(0:00AM～23:59PM)Fig.6 Measuring point(3#)ambient wind speed

3#測點地表CO2通量與環境溫度及風速變化關系如圖7和圖8所示。由于3#測點區域采空區遺煤自燃，其地表CO2通量值較1#，2#測點高出接近一個數量級。由圖7可知，在以天為時間尺度上，CO2通量值的變化和溫度的相關性不明顯，其總體變化趨勢與風速的趨勢一致(見圖8)。

圖7 3#測點地表CO2通量與大氣溫度關系Fig.7 CO2 flux and atmospheric temperature

圖8 3#測點地表CO2通量與風速變化關系Fig.8 CO2 flux and wind speed variation

當測點區域風速變大時，采空區漏風量也同步增加，進一步促進了遺煤的氧化自燃，產生的CO2量增加，同時采空區風壓增加也使得地表CO2通量值變大。本實驗研究證實了露天礦邊坡漏風與采空區瓦斯變動的聯系以及漏風強度與風速的聯動關系，解釋了該礦在生產期間因井下瓦斯濃度不規則變化而嚴重困擾礦井安全生產的原因。

圖9～10分別為在晝夜時間尺度上，風速V風< 2ms-1和V風>2 ms-1時，CO2通量與溫度及風速的關系。當V風< 2 ms-1時(見圖9)，地表CO2通量受溫度影響明顯，而與風速無明顯的相關性；當V風>2 ms-1時(見圖10)，地表CO2通量與溫度變化相關性不明顯，而受風速影響明顯。這說明較大風速對漏風的影響削弱了溫度的影響效果。

圖9 CO2通量與溫度及風速的關系(V風<2 m·s-1)Fig.9 Relationship between surface CO2 flux and temperature and wind speed(V風<2 m·s-1)

圖10 CO2通量與溫度及風速關系(V風>2 m·s-1)Fig.10 Relationship between surface CO2 flux and temperature and wind speed(V風>2 m·s-1)

綜上所述，影響上覆地表CO2通量的環境因素主要是風速和溫度。在晝夜時間尺度上，當風速V風< 2 ms-1時，溫差是影響地表CO2涌出的主要因素；當V風>2 ms-1時，風速主導地表CO2通量變化。根據實際測定數據的變化規律可知，風速和溫度通過影響采空區的漏風量來間接影響遺煤的氧化程度；不同環境條件下，存在自燃的采空區上覆地表CO2涌出規律所受主導因素不同。

2.4 地表CO2通量與地下火區關系分析

為進一步了解自燃采空區的特性，在3#測點區域，實驗沿冒煙裂縫帶流動監測裂縫周圍地表CO2通量的變化特征。

通過現場勘察可知，3#測點監測區域地表存在1條由北向南的可見裂縫帶，目前北側無冒煙現象(之前存在冒煙)，而南側一直冒煙，裂縫帶的冒煙現象說明其地下所連通的采空區存在遺煤自燃。該區域內地表CO2通量監測結果如圖11所示，分界曲線以東區域所測通量值明顯小于以西區域的測定值。在通量值較大的曲線以西區域，實際測定的通量值由北向南呈逐漸增大的趨勢，說明自燃區域的位置靠近南部位置。由于露天礦邊坡土質疏松，漏風量大、難以蓄熱，所以靠近邊坡的采空區上部地表通量值會相對較小[15]。同時，自燃產生的部分CO2會向裂縫帶運移，對采用地表測定CO2通量來判定采空區遺煤自燃區域范圍的方法存在一定的影響。在綜合分析所測區域地表CO2通量值的大小分布變化，并對可能存在的影響因素進行論證的基礎上，最終可大致確定圖11中所圈的區域地下采空區遺煤正在自燃。

圖11 流動測點地表CO2通量平均值(μmol·m-2·s-1)Fig.11 Measuring point surface CO2 flux

綜上所述，采空區自燃區域上覆地表CO2通量明顯高于非自燃區域，且變化具有規律性。受地下遺煤氧化程度的影響，地表CO2通量值會出現不同幅度的變化。因此研究地表CO2通量變化規律，可進一步了解采空區遺煤自燃火區的相關特性。

3 結論

1)廢棄礦井采空區遺煤的氧化程度可以通過其上覆地表CO2涌出量進行監測。根據本次實驗測定結果，存在自燃的采空區其地表CO2通量值是無自燃采空區的10倍以上；無自燃采空區地表CO2通量值明顯高于非采空區地表的CO2通量值。

2)實驗監測區域采空區上覆地表CO2通量變化規律主要受環境溫度影響，大氣溫度降低CO2通量會隨之增大。

3)監測結果顯示地表CO2通量與采空區遺煤的氧化反應程度具有關聯性。一定程度上可確定自然發火區的范圍。

4)通過本研究監測數據，說明了礦井開采時曾困擾安全生產的瓦斯涌出不規律性的原因，是大氣環境變化影響露天礦邊坡向采空區漏風的結果。

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