热浮力驱动下地下煤火阴燃蔓延模型与机制

地下煤火蔓延模型与机制研究对我国煤炭资源绿色安全开采具有重要意义。目前地下煤火阴燃正向蔓延模型主要存在问题:简化的煤燃烧单步反应忽略了水分蒸发和热解吸热反应对蔓延的重要影响作用;缺乏实验数据验证模型的有效性。为此,构建了包含水分蒸发、煤热解和碳氧化三步反应体系的地下煤火阴燃正向蔓延数学模型;采用COMSOL Multiphysics有限元软件数值计算了该理论模型;开展了不同地裂缝渗透性条件下热浮力驱动地下煤火阴燃正向蔓延实验,进行对比实验和数值计算。结果表明:构建的模型揭示了地下煤火阴燃蔓延供氧控制机制,不仅能预测地下煤火阴燃正向蔓延高温区域的温度和蔓延速率,而且还能合理地预测阴燃多步反应速率以及氧气、煤、碳和灰分质量分数的时空演化。

基于夜间热红外光谱的地下煤火监测方法研究

地下煤火燃烧在地表和近地面形成温度高于其周围环境的区域,可用热红外遥感技术监测地下煤火高温度区及热异常区。以内蒙古自治区乌达煤田火区为例,探索了利用不同季节夜间ASTER热红外光谱进行地下煤火监测方法。采样TES-ADE算法反演地表温度,阈值分割法提取煤火区,分析地表温度的季节变化规律、夜间与白天地表温度差异、煤火区分布格局及变化趋势。结果表明:(1)相对白天来说,夜间热红外光谱能够有效反演煤火区的地表温度,而且能够避免沙地、裸地与建筑物的干扰,提取的高温区基本都是煤火区;(2)相对其他季节来说,冬季热红外光谱是反演煤火区地表温度及提取煤火区的最佳时相,能有效区分煤火区与背景区;(3)冬季夜间热红外光谱能够有效监测煤火区的变化与分布格局。

气象条件对地下煤火浅层温度的影响

选择内蒙古乌达煤田火区中的18号火区作为研究区域,对浅层测温数据进行分析研究,分别量化分析了降水量、气温、风速3个气象要素与地下煤火浅层温度在时空上的变化趋势及它们之间的关系。结果表明:降水量是影响地下煤火浅层温度变化的重要因素,大的降水过程可达到降低煤火浅层温度的效果;气温的日变化对于地下煤火的影响只限于表层,季节性变化影响的深度更大;风速与地下煤火之间在短期内并没有直接的作用关系,但它会影响到火区的通风供氧与煤火信息的提取。

测氡法探测地下煤火技术研究与应用

结合中煤平朔煤业有限公司安家岭一号井工矿地下煤火探测实例,介绍了采用测氡探火技术确定地下煤火火源位置及范围的基本原理、探测方法及数据处理过程等。该技术为制定地下煤火治理技术方案及措施提供了重要的技术支持,给矿井防灭火工作提供了便利,具有广泛的应用前景,对治理地下煤火具有重要的推广价值。

内蒙古乌达地区地球物理场特征与地下煤火分布

以2004年内蒙古乌达地区1∶5000大比例尺的直升机航空电磁、磁综合测量资料为基础,结合地面煤田地质、物探、遥感等资料,对内蒙古乌达地区的航空磁场特征、航空电磁场特征与地下煤火分布的关系进行了分析与研究,在综合分析的基础上,建立了该区的地下煤火划分标志,并对该区的地下煤火分布和燃烧状况进行了分析和圈定。

面向地下煤火热场模型的遥感技术体系初探

鉴于地下煤火的特殊性 ,传统的卫星、航空乃至地面遥感手段在对其热场的探测研究应用中都有一定的局限性。本文在分析地下煤火基本特征的基础上 ,探讨了建立面向地下煤火热场模型遥感技术体系的必要性和可行性 ,提出了基于遥感技术的地下煤火热场模型的构建方法和工作流程 ,特别强调了对地下煤火时空演变趋势的预测研究。

地下煤火燃空区覆岩裂隙分布模型和局部化特征

在推导出覆岩层下沉曲面方程和微元面平面伸张量方程的基础上构建了地下煤火燃空区各覆岩离层裂隙率、破断裂隙率和总裂隙率的二维分布模型,经实例分析发现,覆岩裂隙场是由离层裂隙场和破断裂隙场组成的竖向不连续具有各向异性的非均质多孔介质,覆岩四周裂隙率大,内部裂隙率小;随着覆岩埋深减小,裂隙发育程度逐渐降低,离层裂隙率极大值由0.36、0.20、0.14、0.12逐次降低,破断裂隙率极大值由0.32、0.11、0.05、0.02逐次降低;在覆岩中部区域出现裂隙率竖向变化突变点;覆岩周边裂隙率分布形式由破断裂隙主导,内部则由离层裂隙主导。基于钻孔红外热像分析技术提出了一种间接性的覆岩裂隙现场实测方法,经验证选取的5个点的裂隙率计算值与实测值的差异率都小于9%,差异率低,模型具有较高的可靠性。

地下煤火土壤典型重金属分布特征

通过采集乌鲁木齐大泉湖火区土壤样及实验室测定,研究了火区土壤理化性质与重金属Hg,As,Cu,Pb,Cr,Zn,Ni空间分布特征。结果表明:温度正常区土壤温度随采样深度增加的幅度较温度异常区小;温度正常、温度异常区土壤有机质含量随深度的增加均减少,温度正常区I,II,III,IV层土壤有机质含量大于温度异常区相应土层有机质含量;温度异常区土壤层I重金属Cu,Pb,Cr,Zn,Ni含量均小于温度正常区土壤层I相应重金属含量,II层则有增加的趋势并大于温度正常区相应土层重金属含量;温度正常区、温度异常区土壤Hg,As,Cu,Ni重金属含量随深度变化幅度及波动幅度较小,而温度异常区土壤Pb,Cr,Zn重金属含量随深度变化波动幅度较温度正常区大;火区热效应、地形、土壤及气象因子是影响土壤重金属分布的主要原因。土壤典型重金属砷形态分析表明:残留态砷含量最高,水溶态砷含量最低;水溶态砷在火区取样区域内I,II,III,IV土壤层区域富集特征与各层土壤碳酸钙富集特征趋于一致;温度正常区土壤残留态砷、铁形砷含量随深度变化的趋势与土壤碳酸钙含量随深度变化趋势一致;温度异常区残留态砷含量随深度增加波动趋势与土壤有机质含量波动趋势有较强关联性;温度正常区、温度异常区均值水溶态砷含量基本稳定,表明其与温度、土壤特性等无明显相关性。

基于Landsat5 TM数据的地下煤火区地表温度反演

利用Landsat5 TM数据,应用Weng方法反演了内蒙古乌达矿区的地表温度,并进行了初步分析.结果表明Weng方法的反演结果符合地下煤火区温度的空间分布规律,高温异常区范围明显,在地下煤火区地表温度获取中具有一定的适用性.

地下煤火热源强度模型研究

在前期火区控制体基本模型研究基础上,分析了火区动态平衡过程及火区煤燃烧状态。分别从微观和宏观层面给出了基于煤氧燃烧反应动力学参数的火区控制体热源强度模型和基于单位质量煤燃烧需氧量、放热量及烟气流量的火区控制体热源强度模型,结合实际火区监测数据进行了火区宏观热源强度的数值计算。

地下煤火分布及探测技术现状研究

基于对国内外地下煤火形势的研究,分析了国内外煤火的分布现状及原因,探讨了不同煤火探测技术的优缺点及适用范围。结果表明:我国煤火主要分布在北纬35°~45°地区,全球煤火重灾区主要位于在北纬25°~55°地区之间。该现象主要与煤质变质程度、开采强度以及气候条件相关。经过对现有技术的深入调查与分析,得出煤火探测技术设备在精度和抗干扰方面需要加强。因此,了解煤火的分布及探测技术,对煤火的研究防治具有重要意义。

基于多源遥感数据地下煤火空气渗入/逸散区域研究

基于地下煤火导致地表的沉降、温度、植被变化在一定程度上可反映火区的动态变化过程。本文采用普适性单通道算法和像元二分法反演火区地表温度与植被盖度,差分干涉“两轨法”提取沉降特征。结合地表沉降,地表高/低温区域和高/低植被盖度区域分布特征,尝试对火区高温烟气逸散区域和低温空气进入区域进行分析。结果表明:2013年高温区域面积占比最大(27.18%),2015年低温区域面积占比最大(16.51%);研究区整体以Ⅰ级植被覆盖区域和Ⅱ级植被覆盖区域为主,Ⅰ级植被覆盖区域2003年面积最大(24.200 km^(2),占比99.48%);沉降高值由9.591 mm波动变化为-3.124 mm,沉降低值由-19.132 mm波动变化至-26.059 mm;2014—2017年温度异常区域和Ⅰ级植被覆盖区域叠加处理有效裂隙区点位置从5617个减少至863个,再增加至3578个,整体减少2039个;低温区域和Ⅳ级植被覆盖区域叠加处理有效裂隙区点位置从4个增加至13个,总体约增加3倍;典型空气进入通道与典型烟气逸散通道沉降最低值均出现在20160131—20160319干涉对,分别为-262.402 mm和-232.832 mm,最高值则出现在20160506—20160530干涉对,分别为602.910 mm和564.202 mm。

地下煤火不同燃烧阶段上覆土壤微生物群落功能多样性

【目的】了解不同燃烧阶段地下煤火上覆土壤微生物群落功能多样性。【方法】利用BIOLOG指纹图谱方法,分析新疆吉木萨尔县境内不同燃烧阶段地下煤火风化期、氧化期、自燃期、全面燃烧期、硫磺析出期、芒硝析出期和熄灭期的上覆土壤微生物功能多样性。【结果】地下煤火不同燃烧阶段上覆土壤理化性质差异显著,自燃期硝态氮含量最高,熄灭期有机质含量最低;不同时期微生物群落碳源利用能力及多样性均低于对照;主成分分析表明,土壤微生物在31种碳源构建的二维体系分布差异明显,微生物群落结构在地下煤火发生发展过程中呈现动态变化;相关性分析显示,土壤pH是影响地下煤火上覆土壤微生物群落利用碳源差异的显著因素。【结论】地下煤火降低上覆土壤微生物群落功能多样性,不同燃烧阶段微生物群落功能多样性差异显著,这对地下煤火区生态恢复具有一定参考利用价值。

地下煤火土壤典型重金属砷迁移规律

通过火区土壤采样,研究了不同温度条件(25,50,70℃)目标火区各土壤层(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ)对砷的吸附解吸特性。实验结果表明:火区各土壤对砷的吸附量随外加砷浓度的增加而增大,并随温度增加而增加;解吸量变化趋势一致,即解吸量随吸附量的增减而增减。结合实验数据,采用Freundlich模型拟合火区土壤对砷的等温吸附过程,分析了拟合参数KF及其变化趋势:25℃时,各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅳ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,与各土壤层的Ca CO3含量基本一致;50℃时各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅵ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅰ,与各土壤层p H和Ca CO3含量基本一致;70℃时各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ,与p H基本呈相反的变化趋势;形态分析表明残渣态As含量随土壤有机质含量增加而增加,随土壤p H值变化则呈相反的趋势。采用火区土壤样,构建不同土壤柱开展了各土壤层及复合土壤层土柱淋滤实验,结果表明淋滤初期土壤对砷的释放速度最快,砷跟随淋滤液快速向下迁移;淋滤中、后期土壤对砷的释放速度减小,砷在土壤中的迁移逐渐平衡;在火区土壤砷吸附解吸特性与土柱林滤实验基础上,采用COMSOL软件,模拟研究了内加砷源、表层土壤加砷、外加砷源条件下土壤柱内重金属砷的迁移,结果表明:单层土壤柱数值模拟结果与实际土壤柱淋滤实验结果基本相符;内加砷、表层加砷及外加砷复合土柱数值模拟结果表明,土柱砷含量随土柱温度增加而增加,土壤温度是影响土壤砷迁移的主要因素之一。

地下煤火:没有地理界限的世界性灾难

地下煤火在人类出现前就已存在，或瓦斯在高温中自燃，或煤层被雷电触燃，或森林草原烈火向煤矿蔓延。到今天，由于人类的失火、纵火，地下煤火越烧越旺，火点越来越多。自燃加人为，使每年有数以10亿吨计的煤炭白白焚毁。

地下煤火“比毒蛇更光滑,比幽灵更莫测” 中国北方煤火每年烧掉2000万吨煤

有煤炭分布的地方，就会有自燃发生的危险存在。因此，世界各地的煤田都面临着煤层自燃这一天敌，虽然人们在想方设法扑灭这种火灾，但地火“比毒蛇更光滑，比幽灵更莫测，它想去哪儿，凡人是拦不住的”。

地下煤火火源探测研究

介绍了煤火的演化发展过程及煤火的特点,阐述了按照探测器空间位置不同划分的4层空间探测技术,即地下探测法、地表探测法、航空探测法及航天探测法的探测机理及研究进展,分析了上述4种探测技术的优缺点。指出现有研究存在的问题:①探测精度不足,获取范围难以精准圈定。②探测技术落后,火区高温点精准探测困难。③探测手段单一,无法准确判断地下煤火燃烧具体信息。针对地下煤火呈现出隐蔽性、耦合性、复杂性等新特点,提出了地下煤火火源探测技术发展方向:①对探测仪器数据进行精细化处理,提高磁性差对温度的灵敏度、电阻率法的检测精度、红外探测法的特征提取率及结果精度。②将高新设备应用于煤火探测技术。③完善多层级探测技术的协同利用。首先通过第4层级航天遥感技术进行大规模的火区探测,得到地下煤火异常的基本空间分布特征;然后通过第3层级航空遥感探测技术进一步探测,得到具体的地下煤火空间分布;最后通过第2和第1层级的地表探测技术及地下探测技术进行补充和验证,得到更加详细的煤田火区高温点分布。④形成对煤田火区的三维可视化、动态化监测与预警。针对4种不同层级探测技术的数据进行三维反演、联合反演成像,根据成像结果,对煤火发展蔓延进行可视化监测预警,实现地下煤火灾害主动防控。

双碳目标下我国西部地区地下煤火探测技术研究进展

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,在“双碳”目标政策背景下,降低煤炭消费总量及其生产、消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。地下煤火对资源、环境、经济等造成严重的影响,同时燃烧过程中产生大量CO_(2),精准探测地下煤火的位置是准确有效开展灭火治理工作的前提。为了给地下煤火探测技术发展提供决策参考,阐述了目前常用于探测地下煤火位置的遥感、地球物理、化探等技术的机理、研究进展及优缺点,单一探测技术均有一定的局限性和适用性,建议今后应从探测新技术开发、数据精细处理和高精度探测设备研制等领域开展进一步的研究。更加快速、全面、准确地确定地下煤火分布范围,对于保障煤炭安全生产、开展煤火防治及实现“双碳”目标具有重要的意义。

“双碳”背景下我国地下煤火防治技术研究进展

煤炭作为我国主体能源的地位短期内难以改变,在“双碳”目标政策背景下,降低煤炭消费总量及其生产、消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。地下煤火对资源、环境、经济等造成严重的影响,同时燃烧过程中产生大量CO_(2),新时期高效开展煤火防治显得尤为重要。煤火防治是一项复杂的系统工程,为了给地下煤火防治提供决策参考,阐述了目前常用于防治地下煤火的注浆、阻化剂、惰气、胶体等技术的机理、研究进展及优缺点,单一防治技术均有一定的局限性和适用性,今后应重点加强新型灭火技术研发及综合应用、灭火材料、灭火工程设备等方面的攻关研究,不断提高防火技术的有效性、适应性和经济性,以达到保障煤矿安全生产、保护生态环境及早日实现碳中和战略目标。

乌达矿区地下煤火的预测与防治

煤自燃是一种特殊的自然灾害。煤火燃烧不仅浪费了宝贵的煤炭资源,而且严重污染了大气环境,使自然生态平衡遭到破坏。矿区地下煤火的存在,严重威胁着煤矿工人的生命财产安全。因此,开展矿区地下煤火的预测与防治工作,不仅能减少煤火造成的损失,而且能有效防止各类事故的发生。