國家自然科學基金

“煤田火區自燃氣體滯留機制及早期探測技術研究”

(51874313)研究進展

煤田火區自燃氣體滯留機制及早期探測技術研究，是中國礦業大學(北京)承擔的國家自然科學基金項目。課題成果可為地下煤火自燃的早期識別、煤火治理與綜合利用以及火區生態恢復提供重要的理論和實驗基礎。

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，還加劇火區所在地的大氣污染，對當地土壤環境、生態環境與人類健康造成極大危害。根據我國新疆、內蒙等地區和國外存在煤火國家多年來的調查發現，一旦通過地表溫度異常、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，火區已經處于自燃較為劇烈階段，治理和滅火工程代價非常大，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現。煤田自燃的早期，煤層會釋放出以CO、CO、CH為主的氣體產物，其排放量的大小與煤層溫度直接相關。通過鉆孔取樣分析氣體產物組分，可以直接預測煤火的發展階段以及煤火強度。然而，鉆頭往往需穿透地下上覆巖石，耗時費力，操作成本較高，不能大面積使用。

研究表明，斷層、構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育的裂隙或微裂系統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，進而使煤田自燃火區上覆土壤和沖積層中氣體組成及理化特性產生系列變化。因此，可通過研究近地表自燃初期產物的分布規律以及自燃火區土壤/沖積層內理化參數變化特征以預測煤田早期自燃以及煤火發展趨勢。

本項目通過定性、定量分析與火區現場調查相結合的方法，分析煤田火區自燃氣體產物在煤層、巖層、土壤及近地表大氣中的遷移與交換規律，以確定典型煤田火區自燃早期監測指標標準及探測方法。

2 項目內容

2.1 煤田火區近地表土壤理化參數調查研究

考察煤田火區的地表特點，將該煤田火區劃分為地表特征明顯的區域、地下已經發生燃燒但尚未形成明顯特征的區域、植被枯萎區域以及背景區域。檢測各個區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。分析不同的區域淺層土壤理化特性以及淺層地表氣體組分，并根據某區域的氣體組分和溫度之間的關系推測地下煤火的燃燒程度和煤火的發展趨勢。據此進一步分析地下煤火處于不同燃燒程度時對應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氣體各組分、溫度的相關性，以探究地表土壤理化特征是否可作為煤火早期探測的補充性指標。

2.2 煤田火區自燃實驗模擬的相似性分析研究

構建煤層、巖層、土壤三重介質3D物理模型，結合3D打印技術，制作含有不同裂隙/斷層的巖石模型。根據煤田火區地表土壤特點，使用不同類型的土壤，如黃土、沙土。將三重介質放置在密閉的開口箱內，其箱體底部不同位置設置半徑相同的通氣孔以模擬火源點。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，在氣體釋放過程中實時監測氣體濃度并存儲數據，當各點濃度接近平衡態時停止通氣。通過改變火源點位置、巖石類型、氣源特性、土壤類型等條件，研究自燃氣體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規律。

縮小箱體尺寸并只在中心點設置通氣孔，箱體內單獨放置土壤，土壤類型分為黃土和沙土。根據實際火區地表土壤含水率范圍，通過向土壤內灑水獲得不同含水率的土壤樣本。控制氣體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，控制通氣時間，通氣結束后采集淺層地表土壤樣本，并分析土壤有機碳含量、pH、土壤鹽分等，研究不同土壤類型、土壤含水率、氣源濃度等因素對土壤理化特性的影響。

2.3 數值模擬自燃產物在上覆介質的運移規律

建立含擴散—滲流方程、多組分輸運方程、N-S方程在內的描述包括斷層/裂縫的煤層自燃的數學模型組。以搭建的含裂縫煤層自燃模擬系統為物理模型，通過實驗測量以及理論經驗公式計算獲得不同介質層的物理參數，如滲透率、孔隙度、飽和度、擴散系數等。選取某一具體實驗工況，采用Fluent模擬軟件，設置與實驗工況相似的模擬參數，如氣源流量、濃度、介質參數等。模擬煤自燃氣體在土壤層中運移規律，獲取土壤層的壓力、流速、組分濃度分布云圖，以及濃度增長曲線。結合實驗數據驗證模擬結果，并定量分析巖石裂縫特征、壓力、流速以及介質參數對土壤層自燃氣體濃度變化的影響。選擇某一實際煤田火區，并考察其地質構造、地表土壤類型以及環境特征，根據實際火區地質特點建立模型，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氣體在淺層土壤內的擴散規律和時空分布特征。

3 研究成果

本課題的預期研究成果為:

(1)獲取煤田火區在不同地質構造和地表環境影響下自燃氣體產物在淺層土壤內的遷移規律和分布特征，以及裂縫/斷層、氣源特性、土壤類型、地表環境等因素對淺層土壤內氣體遷移的影響機理。

(2)獲取煤田火區地表與火區燃燒程度有對應關系的土壤的理化參數，以及自燃氣體產物特性、土壤類型、土壤濕度等因素對土壤理化特性的影響機理。