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煤田火區(qū)溫室氣體通量測(cè)量方法研究進(jìn)展

2021-04-16 05:10王海燕教授
安全 2021年3期
關(guān)鍵詞:通量煤田溫室

王海燕教授

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

0 引言

煤火是煤田露頭和淺部區(qū)域因煤層自燃和其他外部因素引發(fā)產(chǎn)生的一種自然災(zāi)害。煤火多發(fā)生在中國(guó)、印度、美國(guó)、澳大利亞、印度尼西亞、委內(nèi)瑞拉、南非、俄羅斯、克羅地亞等國(guó)家。煤火的發(fā)生主要由自燃和人為因素引起,大多數(shù)的地下煤火是由于不規(guī)范采煤造成的。由于采礦不規(guī)范,造成地表發(fā)生破壞,空氣通過(guò)裂縫進(jìn)入煤層與煤長(zhǎng)期接觸發(fā)生反應(yīng)并釋放熱量。隨著熱量的集聚,當(dāng)溫度超過(guò)80°C,煤層開(kāi)始發(fā)生自燃。煤田自燃通過(guò)孔裂隙、導(dǎo)氣孔向空氣中排放數(shù)量可觀的CO、CO、CH、NO、HS等物質(zhì),加劇火區(qū)所在地的大氣污染。由于地下煤損失導(dǎo)致地面沉降,植被退化,對(duì)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境、生態(tài)環(huán)境與人類健康也造成極大危害。CO為煤火煙氣主要成分,大概占煤火煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的26%。在中國(guó),大約3%的CO來(lái)自地下煤火,在內(nèi)蒙烏?;饏^(qū),大概每年因地下煤火消耗200 000t煤,等同于釋放600 000t CO。溫室氣體濃度的增加造成全球變暖已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。

煤田火區(qū)溫室氣體的排放受很多因素影響,如當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)、地質(zhì)條件、氣候條件、地表介質(zhì)特點(diǎn)、晝夜溫差、風(fēng)速等,造成排放通量測(cè)量難度較大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同方法對(duì)煤田火區(qū)溫室氣體的排放進(jìn)行測(cè)量估計(jì),煤燃燒量、能量釋放量、溫室氣體排放量是3個(gè)主要檢測(cè)參數(shù)。檢測(cè)氣體排放量的方法可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。由于受當(dāng)?shù)貤l件、設(shè)備精度的限制,測(cè)量結(jié)果有很大的不確定性,而大多研究受研究條件的限制只著眼于其中1種或2種檢測(cè)方法,其結(jié)果存在很多差異。而科學(xué)有效的檢測(cè)結(jié)果將會(huì)對(duì)氣體排放對(duì)環(huán)境的影響評(píng)估、排放規(guī)律研究、排放清單和減排措施制定等產(chǎn)生重大影響。

因此,筆者對(duì)近幾年地下煤火溫室氣體排放的檢測(cè)方法進(jìn)行歸納整理,對(duì)比分析不同檢測(cè)方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況,以期為科學(xué)選擇煤田火區(qū)溫室氣體排放檢測(cè)方法提供依據(jù)。

1 直接檢測(cè)法

直接檢測(cè)法適用于小范圍且可控的火區(qū),是現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算火區(qū)內(nèi)的氣體濃度、流速,進(jìn)而得出某一點(diǎn)或者某一區(qū)域的氣體排放通量。具體包括流速檢測(cè)法,土壤濃度廓線法、箱室法、空氣動(dòng)力學(xué)法。

1.1 流速檢測(cè)法

煤火產(chǎn)生的氣體排放主要通過(guò)2種方式:裂縫以及導(dǎo)氣孔處的平流;通過(guò)土壤和上覆巖石的擴(kuò)散和對(duì)流。其中,通過(guò)裂縫以及導(dǎo)氣孔的排放是主要方式。裂縫以及導(dǎo)氣孔處被檢測(cè)氣體的排放量計(jì)算公式為:

E

=

C

Av

(1)

式中:

v

—?dú)怏w的流速,m·s;

A

—裂縫或者導(dǎo)氣孔的面積,m;

C

—檢測(cè)氣體的濃度,kg·s。其中

v

的確定是一個(gè)難點(diǎn),因?yàn)榱芽p處的氣體速度比較小,且容易受地表風(fēng)速影響,因此對(duì)設(shè)備的精度要求比較高。一般檢測(cè)方法有如下幾種:

1.1.1 S-型皮托管檢測(cè)

煤火區(qū)域裂縫以及導(dǎo)氣孔上方的流速一般采用S-型皮托管檢測(cè)。測(cè)頭上有2個(gè)方向相反的開(kāi)口,2個(gè)開(kāi)口截面互相平行,測(cè)量時(shí)正對(duì)氣流來(lái)向的開(kāi)口稱為全壓孔,背向氣流來(lái)向的開(kāi)口稱為靜壓孔,如圖1。測(cè)得的全壓和靜壓分別由2根引出導(dǎo)管送至微壓計(jì),通過(guò)微壓計(jì)測(cè)得差壓值。

圖1 S-型皮托管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the S-type Pitot tube

根據(jù)伯努利方程,S-型皮托管的速度測(cè)量公式:

(2)

式中:

u

—S-型皮托管測(cè)點(diǎn)處的速度,m·s;

α

—校準(zhǔn)系數(shù),修正流體滯止過(guò)程中能量損失造成的差異;1-

φ

—壓縮影響系數(shù),用于修正測(cè)量可壓縮流體壓縮性帶來(lái)的影響;

ρ

—?dú)怏w的密度,kg·m;

P

、

P

—全壓和靜壓,Pa。

Hower等采用S-型皮托管測(cè)得Truman Shepherd火區(qū)導(dǎo)氣孔的流速在一定時(shí)間范圍內(nèi)的流速在0.48~2.58m·s之間。

1.1.2 VOC視頻法

Ide和Orr采用VOC視頻相機(jī)記錄煤火氣體的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖2中橫線距離為0.305m,每張圖片的時(shí)間間隔為0.033s,根據(jù)圖片間隔時(shí)長(zhǎng)以及箭頭的移動(dòng)距離計(jì)算出氣體的垂向流速為1.66m·s。最后根據(jù)煙氣的溫度變化范圍,計(jì)算出煙氣密度,最后得出導(dǎo)氣孔的排放通量為每年8 125t。但是在流速較小的區(qū)域,依然比較難確定羽流的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 使用VOC攝像機(jī)拍攝的裂縫處煙氣的靜止圖片F(xiàn)ig.2 Still frames from footage of the exhaust gas plume recorded at a fissure using a VOC camera

1.1.3 公式近似法

外界氣體通過(guò)上覆巖石破碎帶進(jìn)入燃燒區(qū)域,由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生的火風(fēng)壓致使氣體從裂縫中排出,其簡(jiǎn)化的自然對(duì)流煙囪模型,如圖3。

圖3 簡(jiǎn)化的自然對(duì)流煙囪Fig.3 Simplified natural convection chimney

環(huán)境溫度為

T

、壓力為

P

、密度為

ρ

的空氣在火風(fēng)壓的作用下,沿巖石破碎帶進(jìn)入距離裂縫(煙囪)為

L

的燃燒區(qū)域,空氣與煤反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣,經(jīng)高度為

H

、孔徑為

d

并有許多類似肘節(jié)的煙囪排出。假設(shè)煤火煙氣與煙囪沒(méi)有熱交換,始終保持溫度

T

,并由此計(jì)算煙氣的密度

ρ

。外界空氣途經(jīng)巖石破碎帶以及燃燒區(qū)域受到的阻力相比火風(fēng)壓比較小,可忽略不計(jì)。因此,總阻力為煙氣從燃燒區(qū)域逸出經(jīng)過(guò)裂縫排出所受的阻力,假設(shè)煙囪中的火風(fēng)壓與總阻力平衡,即得到出氣孔的煙氣流速。

(3)

式中:

λ

—Darcy-Weisbach摩擦常數(shù);

d

—裂縫水力直徑,m;

n

—裂縫區(qū)域中的彎頭數(shù);

ρ

—煙氣密度,kg·m;

ρ

—空氣密度,kg·m;

H

—煙囪高度,m;

L

—燃燒區(qū)域距離煙囪的長(zhǎng)度,m;

g

—重力加速度,取值9.8m·s。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)粗略估算式(3)中的變量,可以估算出裂縫處的煙氣風(fēng)速。Ide和Orr給定參數(shù)的取值范圍,得出氣體流速的平均值為1.64m·s,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.28m·s。從而得出CO排放量的平均值為1 616t·yr,標(biāo)準(zhǔn)偏差為350t·yr。該方法比較難獲得測(cè)量式(3)中各個(gè)參數(shù),如燃燒區(qū)域距離裂縫處的距離。此外,因只假設(shè)了一條向上的裂縫(煙囪),而實(shí)際火區(qū)有許多條通氣孔,因而導(dǎo)致檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)偏差比較大。

Zeng等估算鉆孔處煤火尾氣的流速(如圖4),其計(jì)算原理與式(3)相似。根據(jù)氣體的溫度

t

以及外界氣體的變化,可以估算煤火氣體的流速。由于溫度差異產(chǎn)生的壓差為:

圖4 大泉湖煤火區(qū)鉆孔氣體排放通量的檢測(cè)Fig. 4 Measuring gas emissions from a borehole in the Daquanhu coal fire zone

(4)

在氣流為湍流時(shí),煤火尾氣的壓力損失為:

(5)

假設(shè)溫差引起的壓力與所受的阻力相等,可得:

(6)

式中:

t

—煙氣的溫度,℃;

t

—外界空氣的溫度,℃;

S

—鉆孔的面積,m;Δ

Z

—鉆孔的長(zhǎng)度,m;

U

—鉆孔的周長(zhǎng),m;

a

—阻力系數(shù),N·s·m。

由式(6)可以看出氣體的流速隨著外界溫度的變化而變化,Zeng等檢測(cè)到鉆孔處的溫度變化范圍為-8~6℃,煙氣流量的變化范圍為:0.001 4~0.001 5m·s。

1.2 土壤濃度廓線法

土壤濃度廓線法假定土壤水平方向濃度均一,測(cè)試土壤不同深度的溫室氣體濃度,通過(guò)兩點(diǎn)間的濃度變化估算近地表某一時(shí)間點(diǎn)的氣體排放通量,其相應(yīng)的公式為:

(7)

D

的確定是一個(gè)難點(diǎn),因地表氣體容易受大氣壓力、溫度以及風(fēng)速的影響。在風(fēng)速均勻的條件下,可以采用如下經(jīng)驗(yàn)公式確定土壤中的擴(kuò)散系數(shù):

(8)

式中:

D

—檢測(cè)氣體在土壤中的擴(kuò)散系數(shù),m·s;

φ

—上覆介質(zhì)的孔隙度;

μ

、

ν

—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合得出

μ

=0.05以及ν=1.4。在地表存在風(fēng)速的條件下,受地表壓力波動(dòng)的影響,地表氣體的彌散效應(yīng)會(huì)增加,氣體的擴(kuò)散系數(shù)隨之增加,地表氣體擴(kuò)散系數(shù)與地表摩擦風(fēng)速成線性變化,但是土壤內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)與近地表摩擦風(fēng)速的關(guān)系比較難確定。因?yàn)樾枰诘乇硪韵虏贾锰筋^或者管線,因此會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成一定破壞,而且當(dāng)氣體排放量較小時(shí),對(duì)傳感器的精度要求較高。該方法不適用于地表溫度較高的區(qū)域。

1.3 箱室法

煤層自燃釋放的氣體產(chǎn)物在壓力、浮力等作用下經(jīng)煤層及上覆巖土介質(zhì)的斷層、節(jié)理、裂隙、孔隙、微裂隙和微細(xì)管等多重途徑排放或滲透至土壤。雖然地表沒(méi)有明顯特征,但氣體依然通過(guò)上覆巖層中存在的微裂縫滲流到地表,并通過(guò)擴(kuò)散的方式釋放到大氣中。氣體在土壤中的擴(kuò)散速度非常小,難以通過(guò)設(shè)備直接檢測(cè)得到。目前,對(duì)煤火區(qū)域地表沒(méi)有明顯裂縫的區(qū)域主要采用箱室法進(jìn)行檢測(cè)。箱室法檢測(cè)分為動(dòng)態(tài)箱室法和靜態(tài)箱室法。靜態(tài)箱室法是每隔一段時(shí)間從一個(gè)密閉容器中抽取一定樣本,估算單位時(shí)間內(nèi)氣體濃度變化,以此來(lái)計(jì)算通量,計(jì)算公式如下。

(9)

式中:

V

—密閉氣室的體積,m;

s

—?dú)馐业牡酌娣e,m。氣室內(nèi)的氣體需混合均勻,直到?

C

/?

t

呈線性增加。該方法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度相對(duì)較高,對(duì)傳感器測(cè)定精度要求低,且可以同時(shí)分析CO、CO和CH等多種氣體。缺點(diǎn):土—?dú)饨唤犹幰蛎芊獠粐?yán)容易受外界大氣壓、溫度以及風(fēng)速變化的影響;不能連續(xù)觀測(cè),而且往往需配合氣相色譜使用。

動(dòng)態(tài)箱室法是一個(gè)兩端與大氣相通的開(kāi)放式氣室,用合適的流量平穩(wěn)的通過(guò)氣室,進(jìn)出口流速保持一致,根據(jù)進(jìn)出口的濃度差計(jì)算被測(cè)土壤的氣體排放通量,如圖5。計(jì)算公式為:

圖5 開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱室法測(cè)量模型Fig.5 Measurement model of the dynamic open flux chamber

(10)

式中:

Q

—箱室內(nèi)氣體的流速,m·s;

C

o()—出口處的濃度,kg·m;

C

i()—進(jìn)口處的濃度,kg·m。

該方法可以保持檢測(cè)點(diǎn)處于自然狀態(tài),適用于長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè),也比較適用于地下煤火劇烈、溫室氣體排放量較大的區(qū)域,但對(duì)于溫室氣體釋放排放較小的區(qū)域,傳感器精度要求較高。氣室內(nèi)氣體的流量控制也非常關(guān)鍵,當(dāng)流量較小時(shí),通量容易被低估;當(dāng)流量較大時(shí),土壤中的氣體受地表氣壓變化被“吸”出來(lái),造成通量偏高。Carras通過(guò)將檢測(cè)的地表區(qū)域分為地表區(qū)域破壞嚴(yán)重區(qū)域、地表破壞比較小但發(fā)生自燃的區(qū)域和復(fù)墾區(qū)域,得到各個(gè)區(qū)域的CO排放量范圍分別為33~936、0~17.5和0~2.4 mg·s·m。Mohalik檢測(cè)到地表溫度在63~133℃之間,并將檢測(cè)地表區(qū)域分為中溫區(qū)域(130℃左右)和低溫區(qū)域(60℃),得到區(qū)域的CO和CH的排放量分別為75.02~286.03g·s·m和40.39~41.49 g·s·m。

1.4 微氣象學(xué)方法

微氣象學(xué)法是通過(guò)測(cè)量近地層風(fēng)速、溫度、濕度等湍流參數(shù)和被測(cè)氣體濃度來(lái)計(jì)算氣體的交換通量的微型化氣象測(cè)定方法。該方法要求氣墊面均一,即測(cè)量地平坦,沒(méi)有大的障礙物。測(cè)量溫室氣體通量的微氣象學(xué)方法主要有空氣動(dòng)力學(xué)法、渦度相關(guān)法、質(zhì)量平衡法、能量平衡法、逆擴(kuò)散技術(shù)等。

1.4.1 空氣動(dòng)力學(xué)方法

該方法用于裂縫以及火源點(diǎn)上方氣體通量的檢測(cè)。其基本假設(shè)為:大氣水平濃度相等,在近地層中能量或物質(zhì)的輸送與其物理屬性的梯度成正比,其比例系數(shù)(即湍流擴(kuò)散系數(shù))受大氣層結(jié)條件、氣流垂直切變等湍流外因參數(shù)的影響。向上輸送的通氣量計(jì)算公式為:

(11)

θ

=

T

(1000/

P

)(/)

式中:

F

—被觀測(cè)氣體向上輸送的通量密度,

kg·m·s;

ρ

—觀測(cè)高度處空氣的密度,kg·m;

k

—觀測(cè)氣體在觀測(cè)高度處的湍流擴(kuò)散系數(shù);

c

—被觀測(cè)氣體的質(zhì)量濃度,kg·m;

C

—空氣比熱,取值為1 005 J·kg·K;

Φ

—大氣穩(wěn)定度調(diào)整系數(shù);

U

—摩擦風(fēng)速,m·s;

Z

—地面粗糙度長(zhǎng),m;

Z

—觀測(cè)高度,m;

θ

—絕對(duì)溫度、大氣壓、空氣比熱相關(guān)的函數(shù);

R

—空氣氣體常數(shù),取值為287.06 J·kg·K;

T

—絕對(duì)溫度,K;

P

—大氣壓強(qiáng),Pa。

采用通量估算模型,采集不同高度的溫度、氣壓、水平風(fēng)速和CO濃度數(shù)據(jù),可以粗略估計(jì)某一高度流經(jīng)的氣體通量。該方法對(duì)傳感器的精度要求較高,根據(jù)風(fēng)速垂直梯度變化推算被測(cè)氣體通量,計(jì)算結(jié)果偏差較大。陳曉坤等測(cè)得神府礦區(qū)活雞兔火區(qū)地表1.5m處CO和CH排放通量的變化范圍分別為3.88~30.46、0.12~1.36mg·m·s。劉生根等以內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)區(qū)為例,對(duì)地表以上3.5m處檢測(cè)CO的排放通量,其通量變化范圍為4~14 mg·m·s。

1.4.2 渦度相關(guān)法

渦度相關(guān)法是微氣象學(xué)家和生態(tài)學(xué)家公認(rèn)的確定植被—大氣間CO通量交換的經(jīng)典方法,但尚未應(yīng)用在煤田火區(qū)溫室氣體通量的檢測(cè)。其基本假設(shè)為:下墊面和儀器之間沒(méi)有任何的匯和源,下墊面水平均質(zhì)并且有足夠的風(fēng)浪區(qū)。計(jì)算公式為:

(12)

式中:

w

'—溫室氣體垂向風(fēng)速脈動(dòng),m·s;

c

'—溫室氣體的濃度脈動(dòng),kg·m;

該方法與空氣動(dòng)力學(xué)方法比較,所需理論假設(shè)少,不需要經(jīng)驗(yàn)參數(shù),所需數(shù)據(jù)全部基于實(shí)際測(cè)量。該方法也存在一定缺陷,如該方法要求氣墊面平坦,但是煤田火區(qū)一般位于山區(qū)地帶,地形復(fù)雜;晚上風(fēng)速比較小,大氣湍流效果較弱,影響觀測(cè)效果;數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜等。

2 間接檢測(cè)法

直接檢測(cè)法雖然可以比較準(zhǔn)確計(jì)算某一火區(qū)的溫室氣體排放量,但測(cè)量耗費(fèi)大量的人力、物力,且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)煤火燃燒比較劇烈區(qū)域的測(cè)量。間接檢測(cè)法是比較經(jīng)濟(jì)的方法,根據(jù)當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)估算煤的燃燒量,進(jìn)而計(jì)算得出煤燃燒釋放出的溫室氣體量。間接檢測(cè)法主要有機(jī)載熱成像法、遙感測(cè)試法、地面沉降法及數(shù)據(jù)調(diào)查法。

2.1 機(jī)載熱成像法

機(jī)載熱成像法可以方便檢測(cè)煤田火區(qū)的燃燒程度和范圍,適用于人員不能靠近的區(qū)域。使用搭載紅外成像儀的無(wú)人機(jī)對(duì)火區(qū)地面紅外進(jìn)行拍照,獲取高分辨率熱紅外遙感圖像,如圖6。通過(guò)使用Stefan-Boltzmann定律得到近地表平均熱通量:

圖6 美國(guó)韋爾奇火區(qū)TIR相片F(xiàn)ig.6 FLIR TIR image of the Welch Ranch coal fire

(13)

式中:

M

—輻射通量密度,W·m;

ε

—發(fā)射率;

σ

—Stefan-Boltzmann常數(shù),為5.669 7×10W·m·K;

T

—紅外遙感圖像的溫度,K;

T

—平均背景溫度,K。

假設(shè)只有一半熱量可以檢測(cè)到,另一半熱量消耗在地表以下。輻射通量值乘系數(shù)2估算總的熱通量值。根據(jù)當(dāng)?shù)孛旱娜紵裏嶂档贸雒刻烊紵旱目偭?。已知煤的碳含量?4%,及燃燒產(chǎn)物中CO、CH、CO的比值大概為225:2:1。據(jù)此可以估算每天燃燒產(chǎn)生的CO、CH以及CO量。Engle等采用該方法得出美國(guó)韋爾奇火區(qū)CO和CH釋放量分別為3.5~4.1 t·d和11~13 kg·d。

2.2 熱遙感測(cè)試法

基于在熱衛(wèi)星傳感器上觀測(cè)到的光譜輻射和熱量釋放的線性關(guān)系,可以得到火區(qū)地表熱量釋放總量,如圖7。該關(guān)系通過(guò)分析多個(gè)溫度小于600K且面積超過(guò)1 000m的火災(zāi)場(chǎng)景中的能量釋放和光譜輻射擬合得出,最后基于煤火輻射能量估算煤的燃燒量。實(shí)例研究表明,汝旗溝煤田和烏達(dá)煤田的燃煤量分別約為117 000t和51 000t。由于地下煤火處于動(dòng)態(tài)變化中,氣體排放受外界風(fēng)速、溫度以及裂縫變化等因素的影響。此外,地下煤火的深度也會(huì)影響地表的溫度分布,至于地表裂縫不明顯的區(qū)域,其熱量很難通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)地面,因此通過(guò)遙感測(cè)試法估算得到的溫室氣體排放量往往偏低。

圖7 烏達(dá)火區(qū)熱異常分布圖Fig.7 Thermal anomaly maps in Wuda coal fire

2.3 地面沉降法

假設(shè)地面上覆介質(zhì)受自身重量的影響,可以發(fā)生彈性形變。在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)火區(qū)地表的形變量進(jìn)行測(cè)量,并進(jìn)行插值計(jì)算得出地表形變等高線圖。對(duì)等高線圖劃分網(wǎng)格區(qū)域,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的形變體積,最后計(jì)算出整個(gè)地表的形變體積。假設(shè)形變體積恰恰是某一時(shí)期內(nèi)煤燃燒的體積量,根據(jù)煤的密度計(jì)算得出煤的質(zhì)量。根據(jù)簡(jiǎn)化的煤燃燒方程式得出某一時(shí)間段內(nèi)釋放的CO量。Ide等測(cè)量了San Juan Basin火區(qū)7個(gè)月的地表下沉深度,并通過(guò)數(shù)據(jù)插值得到地表形變等高線圖(如圖8),計(jì)算得到每年因燃燒損失的煤量為249t,并根據(jù)簡(jiǎn)化的化學(xué)方程式得到每年釋放的CO量為849t。該方法會(huì)低估檢測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的CO量,因?yàn)榈乇砜倳?huì)存在空隙以供給地下煤火需用的O,而不是完全嚴(yán)實(shí)的狀態(tài)。其次,因?yàn)槿紵赡芙?jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間,地表才可能發(fā)生下沉,在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生測(cè)得的沉降值可能會(huì)偏高。

圖8 San Juan Basin火區(qū)7個(gè)月的地表形變等高線圖Fig.8 A contour map of the surface deformation that occurred over a 7-month period in San Juan Basin coal fire

2 CH+2.45 (O+3.76 N)→2 CO+0.9 HO (gas)+9.212 N

2.4 數(shù)據(jù)調(diào)查法

該方法基于以下幾個(gè)主要原則:盡可能廣泛咨詢當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員火區(qū)每年或者每月的煤損失量;鉆孔取樣確定地下煤火是否處于燃燒狀態(tài);檢查地表映射的煤火范圍是否與地表熱異常模式一致;燃煤電廠中的煤在均勻條件下完全燃燒,會(huì)釋放多少溫室氣體;根據(jù)燃燒程度的校正系數(shù)對(duì)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,燃燒程度與通風(fēng)狀況以及上覆巖層的裂縫分布狀況有關(guān);利用熱遙感數(shù)據(jù)分析得到的煤燃燒量與調(diào)查結(jié)果做比較。

根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查獲得的年燃燒煤總量、碳含量、CH的溫室氣體效應(yīng)系數(shù),得出當(dāng)?shù)鼗饏^(qū)每年釋放的等效CO量。通過(guò)對(duì)新疆煤田火區(qū)的數(shù)據(jù)調(diào)查,計(jì)算得新疆煤田火區(qū)每年釋放的等效CO量為39 000 000t。該方法可能過(guò)高估計(jì)CO的排放量,因?yàn)樵摲椒ㄊ羌僭O(shè)CO是完全燃燒產(chǎn)生的,但地下煤火大多處于通氣狀況不良的條件下,因而是不完全燃燒,其CO的產(chǎn)生量小于完全燃燒時(shí)的產(chǎn)生量。

3 存在問(wèn)題及展望

溫室氣體通量測(cè)量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于世界各地煤田火區(qū)CO排放量的估算(見(jiàn)下表),雖然取得了一定進(jìn)展,但在檢測(cè)方法選取以及檢測(cè)設(shè)備的使用還存在如下缺陷:煤田火區(qū)地表溫度較高,裂縫、導(dǎo)氣孔的地表溫度甚至超過(guò)300℃,而傳感器的耐受溫度一般為50℃,地表溫室氣體通量檢測(cè)受傳感器使用條件的限制只能在地表溫度較低的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量,而在地表溫度較高的地下煤火典型區(qū)域無(wú)法進(jìn)行測(cè)量;近地表區(qū)域缺乏時(shí)間連續(xù)性以及多點(diǎn)的檢測(cè),如裂縫、導(dǎo)氣孔處檢測(cè)溫室氣體通量的時(shí)間往往間隔比較短,并且缺乏夜間檢測(cè)數(shù)據(jù),不利于研究裂縫、導(dǎo)氣孔處的“呼吸現(xiàn)象”,而且在地表不明顯的區(qū)域沒(méi)有連續(xù)性檢測(cè)的研究;距離裂縫、導(dǎo)氣孔上空0~10m區(qū)域內(nèi),主要采用微氣象學(xué)方法檢測(cè),但是煤田火區(qū)多位于多山區(qū)域,而且氣象復(fù)雜多變,氣墊面不均勻,數(shù)據(jù)修正比較困難;地下煤火CO氣體的來(lái)源共有3個(gè),分別為地下煤燃燒,甲烷燃燒,自然形成的生物氣。實(shí)際檢測(cè)的氣體通量為3個(gè)來(lái)源的總和,造成對(duì)地下實(shí)際煤火產(chǎn)生CO量的過(guò)高估計(jì),Ide和Orr采用碳同素法估算煤田火區(qū)由于煤燃燒釋放的CO量但給出的解算方程不封閉,只能給出大概的取值范圍;間接檢測(cè)法基本假設(shè)為煤的燃燒效率為100%,不適于地下煤以及煤堆陰燃溫室氣體排放量的估計(jì)。

表 不同煤火區(qū)域CO2氣體排放通量/排放量估算值Tab. Carbon dioxide emission or emission flux estimation in different coal fire zones

基于此,提出以下改進(jìn)方案:

(1)改進(jìn)研發(fā)能使用于地下煤火地表溫度高的通量檢測(cè)設(shè)備,并注重與新技術(shù)的結(jié)合使用,改進(jìn)響應(yīng)時(shí)間較慢且精度低的缺陷。

(2)在典型的煤田火區(qū)建立多線程、連續(xù)性的檢測(cè),特別是對(duì)夜間煤田地表溫室氣體排放規(guī)律的探究。

(3)在使用微氣象學(xué)方法檢測(cè)地表以上氣體排放規(guī)律時(shí),結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,如采用上界摩擦風(fēng)速修正法修正強(qiáng)風(fēng)引起的測(cè)量誤差。

(4)結(jié)合穩(wěn)定碳同素法以及分源法探究煙氣CO以及CH的來(lái)源。

(5)建立相似性模擬實(shí)驗(yàn),模擬在不同地質(zhì)條件、氣象條件、煤質(zhì)差異等因素下CO在近地表的排放規(guī)律,以修正實(shí)際火區(qū)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹近幾年煤田火區(qū)溫室氣體排放量的測(cè)量方法及原理,分析了現(xiàn)有檢測(cè)方法和設(shè)備的應(yīng)用缺陷和存在問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

(1)直接檢測(cè)法雖然局限在小范圍火區(qū)內(nèi),但檢測(cè)精度較高,易于探究地表溫室氣體排放規(guī)律。對(duì)于裂縫區(qū)域,大多使用S-型皮托管檢測(cè)氣體的流速;動(dòng)態(tài)箱室法因其操作簡(jiǎn)單,可連續(xù)性檢測(cè),在煤田火區(qū)氣體檢測(cè)方面有著更為廣泛的應(yīng)用,但因氣室“泵效應(yīng)”和“氣室效應(yīng)”的影響,設(shè)計(jì)有一定的技術(shù)要求;土壤濃度廓線法操作簡(jiǎn)單,不受箱室法“泵效應(yīng)”以及“氣室效應(yīng)”的影響,可以獲得真實(shí)的測(cè)量值,可嘗試應(yīng)用在煤火區(qū)域地表溫室氣體的通量測(cè)量,但受傳感器耐受溫度的影響不能應(yīng)用于地表溫度較高的區(qū)域;微氣象法受夜間因湍流交換微弱、氣墊面不均的影響,需對(duì)數(shù)據(jù)做復(fù)雜處理。

(2)間接檢測(cè)法適用大范圍火區(qū)溫室氣體排放量的估算,無(wú)人機(jī)的使用可以方便獲取煤田火區(qū)地表溫度分布和地形狀況。數(shù)據(jù)調(diào)查法可以較快的獲得調(diào)查數(shù)據(jù),但需配合其他檢測(cè)方法,如熱遙感法或機(jī)載熱成像法。

(3)實(shí)際煤田火區(qū)溫室氣體通量設(shè)備的開(kāi)發(fā)需考慮地表環(huán)境狀態(tài),如耐高溫、響應(yīng)快、精度高等。其檢測(cè)原理應(yīng)注重與其他學(xué)科知識(shí)的結(jié)合提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度和便捷性。同位素法的應(yīng)用以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的修正可以提高對(duì)溫室氣體排放量的合理估計(jì)。

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