国家自然科学基金

“煤田火区自燃气体滞留机制及早期探测技术研究”

(51874313)研究进展

煤田火区自燃气体滞留机制及早期探测技术研究，是中国矿业大学(北京)承担的国家自然科学基金项目。课题成果可为地下煤火自燃的早期识别、煤火治理与综合利用以及火区生态恢复提供重要的理论和实验基础。

1 课题研究目的和意义

煤田自燃不仅破坏宝贵的煤炭资源，还加剧火区所在地的大气污染，对当地土壤环境、生态环境与人类健康造成极大危害。根据我国新疆、内蒙等地区和国外存在煤火国家多年来的调查发现，一旦通过地表温度异常、热辐射变化、磁异常、电异常、电磁波谱辐射异常、氡异常等手段确定煤火时，火区已经处于自燃较为剧烈阶段，治理和灭火工程代价非常大，因此，上述方法不适合煤火中心形成前的煤层自燃潜伏阶段的早期发现。煤田自燃的早期，煤层会释放出以CO、CO、CH为主的气体产物，其排放量的大小与煤层温度直接相关。通过钻孔取样分析气体产物组分，可以直接预测煤火的发展阶段以及煤火强度。然而，钻头往往需穿透地下上覆岩石，耗时费力，操作成本较高，不能大面积使用。

研究表明，断层、构造裂隙不是地下气体源渗漏及微渗漏的唯一通道，上覆盖层及地层中广泛发育的裂隙或微裂系统是决定地表特征气体分布的重要因素，煤层自燃释放出的CO、CO、CH等气体产物可在压力、浮力的作用下在上覆盖层中垂向微渗漏，以吸留、吸附、吸收、游离、溶解等多种形式保存下来，进而使煤田自燃火区上覆土壤和冲积层中气体组成及理化特性产生系列变化。因此，可通过研究近地表自燃初期产物的分布规律以及自燃火区土壤/冲积层内理化参数变化特征以预测煤田早期自燃以及煤火发展趋势。

本项目通过定性、定量分析与火区现场调查相结合的方法，分析煤田火区自燃气体产物在煤层、岩层、土壤及近地表大气中的迁移与交换规律，以确定典型煤田火区自燃早期监测指标标准及探测方法。

2 项目内容

2.1 煤田火区近地表土壤理化参数调查研究

考察煤田火区的地表特点，将该煤田火区划分为地表特征明显的区域、地下已经发生燃烧但尚未形成明显特征的区域、植被枯萎区域以及背景区域。检测各个区域浅层土壤以及近地表气体成分与浓度，并采集浅层土壤样本以分析土壤的理化参数。分析不同的区域浅层土壤理化特性以及浅层地表气体组分，并根据某区域的气体组分和温度之间的关系推测地下煤火的燃烧程度和煤火的发展趋势。据此进一步分析地下煤火处于不同燃烧程度时对应的浅层土壤的理化特征，并探究浅层土壤理化特征变化原因与浅层土壤内气体各组分、温度的相关性，以探究地表土壤理化特征是否可作为煤火早期探测的补充性指标。

2.2 煤田火区自燃实验模拟的相似性分析研究

构建煤层、岩层、土壤三重介质3D物理模型，结合3D打印技术，制作含有不同裂隙/断层的岩石模型。根据煤田火区地表土壤特点，使用不同类型的土壤，如黄土、沙土。将三重介质放置在密闭的开口箱内，其箱体底部不同位置设置半径相同的通气孔以模拟火源点。配制以CH/CO/CO/N为主且比例不同的混合气体，控制气体流量并直接向箱体通气以模拟气体释放过程。在土壤中心层以及地表层布置气体传感器，在气体释放过程中实时监测气体浓度并存储数据，当各点浓度接近平衡态时停止通气。通过改变火源点位置、岩石类型、气源特性、土壤类型等条件，研究自燃气体在土壤中心层以及浅层地表层的浓度大小分布以及浓度增长规律。

缩小箱体尺寸并只在中心点设置通气孔，箱体内单独放置土壤，土壤类型分为黄土和沙土。根据实际火区地表土壤含水率范围，通过向土壤内洒水获得不同含水率的土壤样本。控制气体流量并直接向通气孔注入以CH/CO/CO/N为主且比例不同的混合气体，控制通气时间，通气结束后采集浅层地表土壤样本，并分析土壤有机碳含量、pH、土壤盐分等，研究不同土壤类型、土壤含水率、气源浓度等因素对土壤理化特性的影响。

2.3 数值模拟自燃产物在上覆介质的运移规律

建立含扩散—渗流方程、多组分输运方程、N-S方程在内的描述包括断层/裂缝的煤层自燃的数学模型组。以搭建的含裂缝煤层自燃模拟系统为物理模型，通过实验测量以及理论经验公式计算获得不同介质层的物理参数，如渗透率、孔隙度、饱和度、扩散系数等。选取某一具体实验工况，采用Fluent模拟软件，设置与实验工况相似的模拟参数，如气源流量、浓度、介质参数等。模拟煤自燃气体在土壤层中运移规律，获取土壤层的压力、流速、组分浓度分布云图，以及浓度增长曲线。结合实验数据验证模拟结果，并定量分析岩石裂缝特征、压力、流速以及介质参数对土壤层自燃气体浓度变化的影响。选择某一实际煤田火区，并考察其地质构造、地表土壤类型以及环境特征，根据实际火区地质特点建立模型，采用Fluent软件模拟在不同土壤类型、地表温度以及气压条件下煤自燃气体在浅层土壤内的扩散规律和时空分布特征。

3 研究成果

本课题的预期研究成果为:

(1)获取煤田火区在不同地质构造和地表环境影响下自燃气体产物在浅层土壤内的迁移规律和分布特征，以及裂缝/断层、气源特性、土壤类型、地表环境等因素对浅层土壤内气体迁移的影响机理。

(2)获取煤田火区地表与火区燃烧程度有对应关系的土壤的理化参数，以及自燃气体产物特性、土壤类型、土壤湿度等因素对土壤理化特性的影响机理。