露天矿遗煤区地表CO2通量变化规律测试分析

张晓明，刘礼龙，王永军，张河猛， 黄 亮，佐佐木久郎

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 12300； 2.辽宁工程技术大学 工程与环境研究所，辽宁 葫芦岛 125000； 3.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000； 4.九州大学 工学府，日本 福冈 819-0385)

0 引言

在矿井开采过程中，采空区内遗煤自燃会产生有毒有害气体，引发次生灾害，造成环境破坏，如某露天矿周边区域，出现废弃矿井采空区遗煤自燃引发了露天矿边坡滑坡、空气质量差、复垦种植的树木因地热而枯死等问题[1]。另外，浅埋深煤层的氧化自燃现象也造成了大量的资源损失和环境破坏，所以预测和控制废弃矿井采空区内遗煤和浅埋煤层氧化自燃的程度及范围成为目前研究的重要课题。目前，邓军等[2]通过对比分析格氏火灾系数和烷烃、烯烃和炔烃等气体之间的比值，优化煤样的气体指标选择，从而提高煤自燃预报的可靠性；文虎等[3]使用分布式光纤测温系统监测采空区温度变化，为采空区煤自燃早期预防提供重要基础数据；邬剑明、牛立东等[4]提出电法勘探废弃小煤窑自燃火源位置。

这些方法都具有其实用价值，但也存在不适用于封闭采空区和浅埋煤层、成本高、实施复杂等问题[5]。基于此，本研究采用自主研发的智能土壤气体监测系统对废弃矿井采空区上覆地表CO2涌出进行连续测定，探讨了地表CO2涌出规律及遗煤氧化自燃特征与地表CO2通量变化的关联性问题。此研究方法相对于其他预报方法具有监测在地表进行，操作简单且成本低、受环境因素影响更小、可长时间连续对煤由低温氧化到高温燃烧这一整个过程，地表CO2通量情况进行监测等优点。

1 应用理论及实验方法

1.1 应用理论

煤氧化自燃过程中会伴有相关特性指标气体(如CO，CO2及烃类等)的产生[6-8]。从煤低温氧化到高温燃烧的整个过程，CO2在所生成的气体中占有较高比例，特别是在煤低温氧化阶段，CO2是主要的产生气体[9-10]。自然风压导致的漏风(采空区上覆地表因开采导致沉陷，产生大量的裂隙、环境温度变化，导致的内外压差等)、煤在氧化自燃的过程中，采空区内温度高，气体密度小，采空区是相对密闭的空间，上覆岩层塌陷产生的压力等原因都有利于采空区内CO2向地表扩散。采空区内CO2向地表运移过程中，一部分会溶于含水层、吸附于岩石介质或被地表附近的微生物及植物通过固定效应所吸收，而大量的CO2会扩散到地表[11]。另外，表土中的微生物及植物根系的呼吸作用也会产生CO2，产生量受环境条件影响。因此，对地表CO2通量的连续监测并区别植物根系和微生物的影响尤为重要。本研究采用自主研发设计的智能土壤气体监测系统对地表CO2通量、土壤温湿度和环境温湿度连续测定。分析采空区和非采空区上覆地表的CO2通量值的区别及变化规律。

地表CO2通量是土壤单位面积上单位时间内CO2气体质量的涌出量。

(1)

式中：F为气体通量，μmol·m-2·s-1；v为仪器气室的容积，m3；A为气室覆盖地表的面积，m2；ρ为标准状态下的被测气体密度，μmol·m-3；Ct为t时刻气室内被测气体的体积分数，10-6；t为时间，s；T0为标准状态下的空气绝对温度，273 K；P0为标准状态下的空气绝对气压，101 325 Pa；T为采样时的绝对气温，K；P为采样地点的气压，Pa。

(2)

式中：R为气体常数，m3/(Pa·k·mol)；M为气体的等效分子量，g·mol-1；g为重力加速度，m·s-2；z为样点海拔高度，m。

1.2 实验方法

本实验以海州露天矿周边的停产井工开采矿井采空区为研究对象。在露天矿东帮边坡东西200 m×南北940 m的测定区域内，设定采空区上部地表测点1#,2#和3#(图1)，并在非采空区上部地表设立对比测点(4#)，每个测点的监测周期为15 d，定义各个测点通量值分别为F1#，F2#，F3#，F4#。由于3#测点地表存在明显的冒烟现象，为更加精准的测定其上方CO2的涌出特性和确定火区的范围，在3#测点区域沿地表裂缝进行流动监测。土壤气体监测系统采用动态气室法监测原理[12]，实现对地表CO2通量的连续监测。系统主要有CO2采样系统①主机控制系统;②温湿度数据采集系统;③数据处理系统;④这4部分组成，如图2所示。

图1 测点位置卫星图 Fig.1 Satellite map of measuring point

图2 地表CO2通量监测系统Fig.2 Surface CO2 flux monitoring system

实验对大气和表层土壤温度进行了连续监测，全天候实时记录降雨量并采集风向、风速数据(采集周期为1 h)；为掌握地表土壤特性，采用环刀法对测点地表地下100 mm土壤进行取样，在实验室内测定土壤孔隙度、容重等参数，如表1所示。测点位置及地质条件，如表2所示。

表1 测点表层土壤及大气相关参数Tab.1 Surface soil and atmospheric parameter

表2 测点地下采空区地质情况Tab.2 Geological condition of measuring point underground goaf

2 结果与分析

2.1 采空区及地表环境

1#～3#测点地表景观均为草地、地下均为采空区，测点的土壤组成、孔隙度差异较小，如表1所示。各测点下部煤层开采情况如表2所示。1#，2#，3#测点地表距采空区及未开采煤层的高度分别为：h1#=160～230 m，h2#=50～160 m和h3#=140～280 m。

其中3#测点地下采空区年限相对较短(1.3m煤层采空区形成于2006年，其他煤层采空区形成时间与1#，2#测点一致)且与露天矿边坡距离较近。因边坡向采空区漏风，导致其内部发生遗煤氧化自燃。受遗煤燃烧和露天矿边坡滑动影响，距3#测点3.2 m处地表出现从北往南发展的冒烟裂缝带。通过便携式红外线气体分析仪对裂缝带气体进行监测显示，裂隙带扩散气体主要成分为CO2(浓度>20 000(10-6))，且气体温度达到50℃以上。而1#和2#测点地下采空区年限长达约30a，虽然开采时存在遗煤但是由于年限较长，处于密闭状态、漏风条件差，因此不具备煤自燃的条件。相对于3#测点采空区，该区域可视为采空区窒息带。

2.2 采空区上部地表CO2通量监测结果

在昼夜时间尺度上1#～4#测点地表CO2通量变化范围如表3所示，各监测参数随时间变化情况如图3～图5所示。

表3 昼夜地表CO2通量变化范围(无降雨影响)Tab.3 CO2 flux variation range(without rainfall effect)

由表3可知，F1#和F2#的变化范围接近，3#测点的通量值F3#则远大于F1#，F2#。同时，采空区上覆地表CO2通量值F1#～F3#明显高于非采空区地表CO2通量值F4#。由于3#测点位于有漏风自燃的采空区上部，其CO2通量的变化也呈独自的规律性，将在2.3中进一步阐述。由图3～5可知，采空区地表CO2通量值随温度升高而下降，而非采空区地表CO2通量值随温度升高而上升，两者所呈现的规律区别较大。草地、森林等生态系统的地表CO2通量与气温存在很强的正相关[13]，如图3所示。这是因为温度升高促进了土壤中的微生物活动。

图3 4#测点监测结果Fig.3 Measuring point(4#)monitoring result

1#，2#测点地表景观同为草地，2个测点地下为采空区，虽然1#，2#测点地下采空区漏风条件差，不具备煤自燃的条件。但其受昼夜气温变化影响，导致采空区内外出现压差变化，较低的气温会促进采空区的漏风强度，有利于CO2向地表扩散。因此CO2通量与气温不存在如图3所示关联，反而在白天气温高的时段，地表CO2通量值反而相对更小，如图4～5所示。这说明采空区上覆地表CO2通量既受生物和环境因素影响[14]，也受采空区遗煤氧化影响。采空区上覆地表测得的CO2涌出不仅有表层土壤呼吸还包含较大比重的由采空区扩散至地表的CO2。

图4 1#测点监测结果Fig.4 Measuring point(1#)monitoring result

图5 2#测点监测结果Fig.5 Measuring point(2#)monitoring result

2.3 自燃采空区上覆地表CO2通量变化规律

实验区域矿井均已停产且主副井口已封闭。由于3#测点地下采空区临近边坡，边坡漏风促进采空区遗煤的氧化自燃。由表3可知，3#测点地表CO2通量变化主要受采空区遗煤氧化自燃影响，通量值远大于未自燃采空区地表。通量值与采空区遗煤氧化程度有密切关系。

根据现场环境条件分析，影响3#测点采空区漏风量的主要环境因素为温度、风速和风向。由图6可知，风向主要为西风，故实验只讨论风速的影响。

图6 3#测点环境风速(0:00AM～23:59PM)Fig.6 Measuring point(3#)ambient wind speed

3#测点地表CO2通量与环境温度及风速变化关系如图7和图8所示。由于3#测点区域采空区遗煤自燃，其地表CO2通量值较1#，2#测点高出接近一个数量级。由图7可知，在以天为时间尺度上，CO2通量值的变化和温度的相关性不明显，其总体变化趋势与风速的趋势一致(见图8)。

图7 3#测点地表CO2通量与大气温度关系Fig.7 CO2 flux and atmospheric temperature

图8 3#测点地表CO2通量与风速变化关系Fig.8 CO2 flux and wind speed variation

当测点区域风速变大时，采空区漏风量也同步增加，进一步促进了遗煤的氧化自燃，产生的CO2量增加，同时采空区风压增加也使得地表CO2通量值变大。本实验研究证实了露天矿边坡漏风与采空区瓦斯变动的联系以及漏风强度与风速的联动关系，解释了该矿在生产期间因井下瓦斯浓度不规则变化而严重困扰矿井安全生产的原因。

图9～10分别为在昼夜时间尺度上，风速V风< 2ms-1和V风>2 ms-1时，CO2通量与温度及风速的关系。当V风< 2 ms-1时(见图9)，地表CO2通量受温度影响明显，而与风速无明显的相关性；当V风>2 ms-1时(见图10)，地表CO2通量与温度变化相关性不明显，而受风速影响明显。这说明较大风速对漏风的影响削弱了温度的影响效果。

图9 CO2通量与温度及风速的关系(V风<2 m·s-1)Fig.9 Relationship between surface CO2 flux and temperature and wind speed(V风<2 m·s-1)

图10 CO2通量与温度及风速关系(V风>2 m·s-1)Fig.10 Relationship between surface CO2 flux and temperature and wind speed(V风>2 m·s-1)

综上所述，影响上覆地表CO2通量的环境因素主要是风速和温度。在昼夜时间尺度上，当风速V风< 2 ms-1时，温差是影响地表CO2涌出的主要因素；当V风>2 ms-1时，风速主导地表CO2通量变化。根据实际测定数据的变化规律可知，风速和温度通过影响采空区的漏风量来间接影响遗煤的氧化程度；不同环境条件下，存在自燃的采空区上覆地表CO2涌出规律所受主导因素不同。

2.4 地表CO2通量与地下火区关系分析

为进一步了解自燃采空区的特性，在3#测点区域，实验沿冒烟裂缝带流动监测裂缝周围地表CO2通量的变化特征。

通过现场勘察可知，3#测点监测区域地表存在1条由北向南的可见裂缝带，目前北侧无冒烟现象(之前存在冒烟)，而南侧一直冒烟，裂缝带的冒烟现象说明其地下所连通的采空区存在遗煤自燃。该区域内地表CO2通量监测结果如图11所示，分界曲线以东区域所测通量值明显小于以西区域的测定值。在通量值较大的曲线以西区域，实际测定的通量值由北向南呈逐渐增大的趋势，说明自燃区域的位置靠近南部位置。由于露天矿边坡土质疏松，漏风量大、难以蓄热，所以靠近边坡的采空区上部地表通量值会相对较小[15]。同时，自燃产生的部分CO2会向裂缝带运移，对采用地表测定CO2通量来判定采空区遗煤自燃区域范围的方法存在一定的影响。在综合分析所测区域地表CO2通量值的大小分布变化，并对可能存在的影响因素进行论证的基础上，最终可大致确定图11中所圈的区域地下采空区遗煤正在自燃。

图11 流动测点地表CO2通量平均值(μmol·m-2·s-1)Fig.11 Measuring point surface CO2 flux

综上所述，采空区自燃区域上覆地表CO2通量明显高于非自燃区域，且变化具有规律性。受地下遗煤氧化程度的影响，地表CO2通量值会出现不同幅度的变化。因此研究地表CO2通量变化规律，可进一步了解采空区遗煤自燃火区的相关特性。

3 结论

1)废弃矿井采空区遗煤的氧化程度可以通过其上覆地表CO2涌出量进行监测。根据本次实验测定结果，存在自燃的采空区其地表CO2通量值是无自燃采空区的10倍以上；无自燃采空区地表CO2通量值明显高于非采空区地表的CO2通量值。

2)实验监测区域采空区上覆地表CO2通量变化规律主要受环境温度影响，大气温度降低CO2通量会随之增大。

3)监测结果显示地表CO2通量与采空区遗煤的氧化反应程度具有关联性。一定程度上可确定自然发火区的范围。

4)通过本研究监测数据，说明了矿井开采时曾困扰安全生产的瓦斯涌出不规律性的原因，是大气环境变化影响露天矿边坡向采空区漏风的结果。

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