Thermal–oxygen evolution and atmospheric pollutant emission characteristics during the vertical propagation of underground coal fires
تستخدم هذه الدراسة محاكاة للتشابه الفيزيائي لتوصيف الاقتران المعتمد على المرحلة والعمق بين التطور الحراري-الأكسجيني وانبعاثات الملوثات الجوية أثناء الانتشار الرأسي لحرائق الفحم تحت الأرض، مما يكشف عن أنماط إطلاق زمنية متميزة لمختلف الملوثات ويحدد أول أكسيد الكربون باعتبائه المساهم الرئيسي في التلوث المتوسط إلى الشديد.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تحت سطح الأرض، وفي أعماق طبقات الصخور والتربة، يمكن لطبقات الفحم أحياناً أن تشتعل دون شرارة واحدة من عود ثقاب أو صاعقة برق. وتحدث هذه الظاهرة، المعروفة باسم الاحتراق الذاتي، عندما يتفاعل الفحم ببطء مع الأكسجين في الهواء، وهي عملية تولد حرارة. وإذا لم تتمكن هذه الحرارة من الهروب، فإنها تتراكم حتى يشتعل الفحم، مما يخلق حريقاً يمكن أن يستمر في التوهج لعقود، متحركاً عبر الأرض بطرق يصعب رؤيتها أو تتبعها. وهذه الحرائق تحت الأرض هي أكثر من مجرد فضول جيولوجي؛ فهي خطر بيئي مستمر. فبينما يحترق الحريق، فإنه يستهلك الأكسجين ويطلق مزيجاً ساماً من الغازات والجسيمات الدقيقة في الهواء فوقه، مما يهدد صحة المجتمعات المجاورة واستقرار الأرض. إن فهم كيفية تحرك هذه الحرائق رأسياً عبر الأرض، وكيف تغير الهواء من حولها، وما الذي تطلقه في مراحل مختلفة، أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة المناجم وحماية البيئة.
ولكشف أسرار هذه العملية الخفية، قام فريق من الباحثين من عدة جامعات ومعاهد بحثية في الصين ببناء نموذج محكوم لحريق فحم تحت الأرض. فقد أنشأوا صندوقاً كبيراً معزولاً مقسماً إلى ثماني طبقات أفقية. مُلئت الطبقات الست السفلية بجزيئات الفحم، بينما حُشيت الطبقتان العلويتان بالتربة لمحاكاة الأرض والصخور التي تعلو طبقة الفحم في الواقع. ومن خلال تسخين طبقة الفحم السفلية إلى درجة حرارة محددة، أطلق العلماء حريقاً ذاتي الاستدامة بدأ ينتشر صعوداً عبر الفحم وإلى التربة فوقه. وطوال التجربة، التي استمرت لأكثر من 1100 ساعة، قاموا بمراقبة درجة الحرارة، وكمية الأكسجين، وتركيز مختلف الغازات والجسيمات في كل مستوى باستمرار، مما خلق سجلاً تفصيلياً بالساعة لدورة حياة الحريق من شرارته الأولى حتى انطفائه النهائي.
اكتشف الباحثون أن الحريق لا يسلك نفس السلوك عند كل عمق. فمع انتقال الحرارة إلى الأعلى، تطورت العملية عبر خمس مراحل متميزة: فترة حضانة هادئة، مرحلة تسخين سريعة، منطقة تفاعل مكثفة، مرحلة تبريد سريعة، وأخيراً مرحلة الاحتراق النهائي. كانت الطبقات الأقرب إلى السطح تسخن وتبرد بسرعة، حيث احترقت فعلياً قبل أن تتمكن من استدامة حريق طويل الأمد. ومع ذلك، أصبحت الطبقات الوسطى، المدفونة في أعماق أكبر، هي قلب الحريق. فقد احتفظت هذه الأجزاء العميقة بالحرارة بشكل أفضل وحافظت على إمداد ثابت من الأكسجين، مما سمح لها باستدامة تفاعل قوي وطويل الأمد استمر لمئات الساعات. أما الطبقة الأعمق، في أسفل قسم الفحم تماماً، فقد كافحت لإبقاء الحريق حياً؛ إذ تلقت الحرارة من الطبقات فوقها، لكن مسار وصول الأكسجين الطازج إليها كان طويلاً ومقيداً للغاية، مما تسبب في ضعف الحريق وانطفائه في النهاية في تلك المنطقة تحديداً.
وقد روت الغازات المنبعثة من الحريق قصة مماثلة للظروف المتغيرة بمرور الوقت. ففي الساعات الأولى، أطلق الحريق كميات كبيرة من الميثان والإيثان، وهي غازات هيدروكربونية تتكون عندما يتحلل الفحم تحت تأثير الحرارة. ظهرت هذه الغازات بسرعة ولكنها اختفت بنفس السرعة، حيث عادت إلى مستويات الخلفية في غضون حوالي 80 ساعة. ومع نضوج الحريق وارتفاع درجة الحرارة، تغير التفاعل الكيميائي؛ فتلاشى انبعاث هذه الهيدروكربونات، وبدأ الحريق في إنتاج كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. أصبح هذان الغازان هما الملوثان المهيمنان لما تبقى من التجربة، حيث وصل أول أكسيد الكربون إلى مستويات يمكن تصنيفها كتلوث شديد في الهواء فوق الأرض. كما تتبعت الدراسة انبعاث الجسيمات الصلبة الصغيرة، المعروفة بالمادة الجسيمية. ومثل الغازات الهيدروكربونية، تم إطلاق هذه الجسيمات في دفعة مركزة خلال أول 40 إلى 60 ساعة، عندما كان الاحتراق غير كامل، قبل أن تنخفض بشكل ملحوظ مع احتراق الفحم بشكل أكثر نظافة.
وكانت إحدى النتائج الأكثر لفتاً للانتباه هي التأخير بين ما يحدث في أعماق الأرض وما يظهر على السطح. فقد استغرق ارتفاع درجات الحرارة وطفرات الغاز المسجلة في طبقات الفحم وقتاً لتنتقل عبر التربة والصخور فوقها. وبحلول الوقت الذي وصلت فيه الحرارة والملوثات إلى سطح الأرض أو الغلاف الجوي، كانت أضعف ووصلت متأخرة عما كانت عليه في الفحم نفسه. ويعني هذا التأخير أنه إذا نظرت فقط إلى الهواء فوق الأرض، فقد تفوتك شدة الحريق الحقيقية التي تحدث في الأسفل. ووجد الباحثون أن جودة الهواء فوق الحريق كانت تهيمن عليها التلوثات الشديدة لمعظم التجربة. وبينما اتسمت المرحلة المبكرة بمستويات عالية من الغبار والجسيمات، تميزت المرحلة الوسطى والمتأخرة بسحابة مستمرة وخطيرة من أول أكسيد الكربون. ويسلط هذا التحول الضوء على أن الخطر الناتج عن حريق الفحم تحت الأرض ليس ثابتاً، بل هو يتطور، متحولاً من خطر كثيف الغبار إلى تهديد كثيف الغاز مع نضوج الحريق.
تخلص الدراسة إلى أن حياة حريق الفحم تحت الأرض هي رقصة معقدة من الحرارة والأكسجين والتفاعلات الكيميائية التي تتغير اعتماداً على مدى العمق ومدة اشتعال الحريق. إنه ليس حدثاً بسيطاً أو موحداً، بل هو عملية طبقية تصبح فيها الأجزاء الوسطى من طبقة الفحم غالباً هي المناطق الأكثر خطورة واستمرارية. وتوفر هذه النتائج صورة أوضح لكيفية تطور هذه الحرائق، مما يقدم خارطة طريق لتحسين المراقبة. فمن خلال معرفة أي الغازات تظهر في أي مراحل وكيف تتحرك عبر الأرض، يمكن للعلماء والمهندسين تطوير طرق أكثر فعالية للكشف عن هذه الحرائق الخفية مبكراً وإدارة المخاطر التي تشكلها على سطح الأرض. وتؤكد الأبحاث أنه بينما قد يبدأ الحريق في أعماق الأرض، فإن آثاره تُلمس بوضوح في الهواء الذي نتنفسه، حيث يتحول من مزيج من الغبار والهيدروكربونات إلى سحابة طويلة الأمد من الغاز السام.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.