Thermal–oxygen evolution and atmospheric pollutant emission characteristics during the vertical propagation of underground coal fires
Este estudio utiliza una simulación de similitud física para caracterizar el acoplamiento dependiente de la etapa y de la profundidad de la evolución térmica-oxígeno y de las emisiones de contaminantes atmosféricos durante la propagación vertical de incendios de carbón subterráneos, revelando distintos patrones de liberación temporal para diferentes contaminantes e identificando al CO como el principal contribuyente a la contaminación moderada a severa.
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Bajo la superficie de la tierra, ocultas entre capas de roca y suelo, las vetas de carbón a veces pueden prenderse fuego sin que medie una sola chispa de un fósforo o un rayo. Este fenómeno, conocido como combustión espontánea, ocurre cuando el carbón reacciona lentamente con el oxígeno del aire, un proceso que genera calor. Si ese calor no puede escapar, se acumula hasta que el carbón se inflama, creando un fuego que puede arder durante décadas, moviéndose a través del suelo de formas que son difíciles de ver o rastrear. Estos incendios subterráneos son más que una curiosidad geológica; son un peligro ambiental persistente. A medida que el fuego arde, consume oxígeno y libera una mezcla tóxica de gases y partículas finas de polvo al aire superior, amenazando la salud de las comunidades cercanas y la estabilidad de la tierra. Comprender cómo estos fuegos se mueven verticalmente a través de la tierra, cómo cambian el aire a su alrededor y qué liberan en diferentes etapas es crucial para mantener las minas seguras y proteger el medio ambiente.
Para descubrir los secretos de este proceso oculto, un equipo de investigadores de varias universidades e institutos de investigación en China construyó un modelo controlado de un incendio de carbón subterráneo. Construyeron una gran caja aislada dividida en ocho capas horizontales. Las seis capas inferiores se llenaron con partículas de carbón, mientras que las dos superiores se compactaron con suelo para imitar el terreno y la roca que se encuentran sobre una veta de carbón real. Al calentar la capa inferior de carbón a una temperatura específica, los científicos desencadenaron un fuego autosostenible que comenzó a propagarse hacia arriba a través del carbón y hacia el suelo superior. Durante todo el experimento, que duró más de 1,100 horas, monitorearon continuamente la temperatura, la cantidad de oxígeno y la concentración de diversos gases y partículas en cada nivel, creando un registro detallado, hora tras hora, del ciclo de vida del fuego, desde su primera chispa hasta su extinción final.
Los investigadores descubrieron que el fuego no se comporta de la misma manera en todas las profundidades. A medida que el calor subía, el proceso se desarrollaba en cinco etapas distintas: un periodo de incubación silencioso, una fase de calentamiento rápido, una zona de reacción intensa, una fase de enfriamiento rápida y, finalmente, una etapa de agotamiento. Las capas más cercanas a la superficie se calentaron y se enfriaron rápidamente, consumiéndose esencialmente antes de que pudieran mantener un fuego prolongado. Sin embargo, las capas medias, enterradas a mayor profundidad, se convirtieron en el corazón del incendio. Estas secciones más profundas retuvieron mucho mejor el calor y mantuvieron un suministro constante de oxígeno, lo que les permitió sostener una reacción poderosa y duradera que duró cientos de horas. La capa más profunda, en la parte inferior de la sección de carbón, luchó por mantener vivo el fuego. Recibía calor de las capas superiores, pero el camino para que el oxígeno fresco llegara a ella era demasiado largo y restringido, lo que causó que el fuego se debilitara y finalmente se extinguiera en esa zona específica.
Los gases liberados por el fuego contaron una historia similar de condiciones cambiantes a lo largo del tiempo. En las primeras horas, el fuego liberó grandes cantidades de metano y etano, que son gases de hidrocarburos formados cuando el carbón se descompone bajo el calor. Estos gases aparecieron rápidamente pero desaparecieron con la misma rapidez, descendiendo a niveles de fondo en aproximadamente 80 horas. A medida que el fuego maduraba y la temperatura aumentaba, la reacción química cambiaba. La liberación de estos hidrocarburos se desvaneció y el fuego comenzó a producir cantidades masivas de dióxido de carbono y monóxido de carbono. Estos dos gases se convirtieron en los contaminantes dominantes durante el resto del experimento, alcanzando el monóxido de carbono niveles que serían clasificados como contaminación severa en el aire superior. El estudio también rastreó la liberación de diminutas partículas sólidas, conocidas como material particulado. Al igual que los gases de hidrocarburos, estas partículas se liberaron en una ráfaga concentrada durante las primeras 40 a 60 horas, cuando la combustión era incompleta, antes de disminuir significativamente a medida que el fuego ardía de forma más limpia.
Uno de los hallazgos más sorprendentes fue el retraso entre lo que sucedía en las profundidades del subsuelo y lo que aparecía en la superficie. Los picos de temperatura y las oleadas de gas registrados en las capas de carbón tardaron un tiempo en viajar a través del suelo y la roca superiores. Para cuando el calor y los contaminantes alcanzaban la superficie del suelo o la atmósfera, eran más débiles y llegaban más tarde que en el propio carbón. Este desfase significa que si solo se observa el aire sobre el suelo, se podría pasar por alto la verdadera intensidad del fuego que ocurre debajo. Los investigadores encontraron que la calidad del aire sobre el fuego estuvo dominada por una contaminación severa durante la mayor parte del experimento. Si bien la etapa inicial estuvo marcada por altos niveles de polvo y partículas, las etapas medias y posteriores estuvieron definidas por una nube persistente y peligrosa de monóxido de carbono. Este cambio resalta que el peligro de un incendio de carbón subterráneo no es estático; evoluciona, cambiando de un peligro de mucho polvo a una amenaza de mucho gas a medida que el fuego madura.
El estudio concluye que la vida de un incendio de carbón subterráneo es una danza compleja de calor, oxígeno y reacciones químicas que cambia dependiendo de qué tan profundo se esté y cuánto tiempo haya estado ardiendo el fuego. No es un evento simple y uniforme, sino un proceso por capas donde las secciones medias de la veta de carbón suelen convertirse en las zonas más peligrosas y persistentes. Los hallazgos proporcionan una imagen más clara de cómo se desarrollan estos incendios, ofreciendo una hoja de ruta para un mejor monitoreo. Al saber qué gases aparecen en qué etapas y cómo se mueven a través del suelo, los científicos e ingenieros pueden desarrollar formas más efectivas de detectar estos incendios ocultos tempranamente y gestionar los riesgos que representan para el mundo de la superficie. La investigación confirma que, aunque el fuego comience en las profundidades del subsuelo, sus efectos se sienten claramente en el aire que respiramos, cambiando de una mezcla de polvo e hidrocarburos a una nube persistente de gas tóxico.
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