Thermal–oxygen evolution and atmospheric pollutant emission characteristics during the vertical propagation of underground coal fires
Cette étude utilise une simulation de similitude physique pour caractériser le couplage dépendant du stade et de la profondeur de l'évolution thermique-oxygène et des émissions de polluants atmosphériques lors de la propagation verticale des incendies de charbon souterrains, révélant des modèles de libération temporelle distincts pour différents polluants et identifiant le CO comme le principal contributeur à une pollution modérée à sévère.
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Sous la surface de la terre, cachées au sein des couches de roche et de sol, les veines de charbon peuvent parfois s'enflammer sans qu'une seule étincelle ne provienne d'une allumette ou de la foudre. Ce phénomène, connu sous le nom de combustion spontanée, se produit lorsque le charbon réagit lentement avec l'oxygène de l'air, un processus qui génère de la chaleur. Si cette chaleur ne peut s'échapper, elle s'accumule jusqu'à ce que le charbon s'enflamme, créant un feu qui peut couver pendant des décennies, se déplaçant dans le sol de manières difficiles à voir ou à suivre. Ces incendies souterrains sont plus qu'une simple curiosité géologique ; ils constituent un danger environnemental persistant. À mesure que le feu brûle, il consomme l'oxygène et libère un mélange toxique de gaz et de fines particules de poussière dans l'air au-dessus, menaçant la santé des communautés voisines et la stabilité du terrain. Comprendre comment ces feux se déplacent verticalement à travers la terre, comment ils modifient l'air qui les entoure et ce qu'ils rejettent à différents stades est crucial pour la sécurité des mines et la protection de l'environnement.
Pour percer les secrets de ce processus caché, une équipe de chercheurs provenant de plusieurs universités et instituts de recherche en Chine a construit un modèle contrôlé d'un incendie de charbon souterrain. Ils ont construit une grande boîte isolée divisée en huit couches horizontales. Les six couches inférieures étaient remplies de particules de charbon, tandis que les deux couches supérieures étaient compactées avec du sol pour imiter le sol et la roche qui se trouvent au-dessus d'une véritable veine de charbon. En chauffant la couche inférieure de charbon à une température spécifique, les scientifiques ont déclenché un feu auto-entretenu qui a commencé à se propager vers le haut à travers le charbon et dans le sol situé au-dessus. Tout au long de l'expérience, qui a duré plus de 1 100 heures, ils ont surveillé en continu la température, la quantité d'oxygène et la concentration de divers gaz et particules à chaque niveau, créant un enregistrement détaillé, heure par heure, du cycle de vie du feu, de sa première étincelle à son extinction finale.
Les chercheurs ont découvert que le feu ne se comporte pas de la même manière à chaque profondeur. À mesure que la chaleur montait, le processus se déroulait en cinq étapes distinctes : une période d'incubation calme, une phase de chauffage rapide, une zone de réaction intense, une phase de refroidissement rapide et, enfin, une étape de combustion finale. Les couches les plus proches de la surface chauffaient et refroidissaient rapidement, s'éteignant essentiellement avant de pouvoir entretenir un feu prolongé. Cependant, les couches médianes, enfouies plus profondément, sont devenues le cœur du brasier. Ces sections plus profondes retenaient beaucoup mieux la chaleur et maintenaient un approvisionnement constant en oxygène, leur permettant de soutenir une réaction puissante et durable qui a duré des centaines d'heures. La couche la plus profonde, tout au bas de la section de charbon, a lutté pour maintenir le feu en vie. Elle recevait la chaleur des couches supérieures, mais le chemin pour que l'oxygène frais atteigne cette zone était trop long et restreint, provoquant l'affaiblissement et l'extinction éventuelle du feu dans cette zone spécifique.
Les gaz libérés par le feu racontaient une histoire similaire de changements de conditions au fil du temps. Dans les premières heures, le feu a libéré de grandes quantités de méthane et d'éthane, des gaz hydrocarbonés formés lorsque le charbon se décompose sous l'effet de la chaleur. Ces gaz sont apparus rapidement mais ont disparu tout aussi vite, revenant aux niveaux de fond en environ 80 heures. À mesure que le feu mûrissait et que la température augmentait, la réaction chimique changeait. La libération de ces hydrocarbures s'est estompée, et le feu a commencé à produire de vastes quantités de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone. Ces deux gaz sont devenus les polluants dominants pour le reste de l'expérience, le monoxyde de carbone atteignant des niveaux qui seraient classés comme une pollution sévère dans l'air au-dessus. L'étude a également suivi la libération de minuscules particules solides, connues sous le nom de matières particulaires. Comme les gaz hydrocarbonés, ces particules ont été libérées lors d'une rafale concentrée durant les 40 à 60 premières heures, lorsque la combustion était incomplète, avant de diminuer significativement à mesure que le feu brûlait de manière plus propre.
L'une des découvertes les plus frappantes fut le décalage entre ce qui se passait profondément sous terre et ce qui apparaissait à la surface. Les pics de température et les sursauts de gaz enregistrés dans les couches de charbon ont mis du temps à traverser le sol et la roche au-dessus. Au moment où la chaleur et les polluants atteignaient la surface du sol ou l'atmosphère, ils étaient plus faibles et arrivaient plus tard qu'ils ne l'étaient dans le charbon lui-même. Ce décalage signifie que si vous ne regardez que l'air au-dessus du sol, vous pourriez manquer l'intensité réelle du feu qui se déroule en dessous. Les chercheurs ont constaté que la qualité de l'air au-dessus du feu était dominée par une pollution sévère pendant la majeure partie de l'expérience. Bien que la phase initiale ait été marquée par des niveaux élevés de poussière et de particules, les phases médianes et ultérieures ont été définies par un nuage persistant et dangereux de monoxyde de carbone. Ce changement souligne que le danger provenant d'un incendie de charbon souterrain n'est pas statique ; il évolue, passant d'un risque riche en poussière à une menace riche en gaz à mesure que le feu mûrit.
L'étude conclut que la vie d'un incendie de charbon souterrain est une danse complexe de chaleur, d'oxygène et de réactions chimiques qui change selon la profondeur et la durée du brûlage. Il ne s'agit pas d'un événement simple et uniforme, mais d'un processus stratifié où les sections médianes de la veine de charbon deviennent souvent les zones les plus dangereuses et les plus persistantes. Les résultats offrent une image plus claire de la manière dont ces feux se développent, proposant une feuille de route pour une meilleure surveillance. En sachant quels gaz apparaissent à quels stades et comment ils se déplacent à travers le sol, les scientifiques et les ingénieurs peuvent développer des moyens plus efficaces pour détecter ces feux cachés précocement et gérer les risques qu'ils posent au monde de la surface. La recherche confirme que, bien que le feu puisse démarrer profondément sous terre, ses effets se font ressentir clairement dans l'air que nous respirons, passant d'un mélange de poussière et d'hydrocarbures à un nuage durable de gaz toxiques.
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