Thermal–oxygen evolution and atmospheric pollutant emission characteristics during the vertical propagation of underground coal fires
Este estudo utiliza uma simulação de similaridade física para caracterizar o acoplamento dependente do estágio e da profundidade da evolução térmica–oxigênio e das emissões de poluentes atmosféricos durante a propagação vertical de incêndios em carvão subterrâneo, revelando padrões distintos de liberação temporal para diferentes poluentes e identificando o CO como o principal contribuinte para a poluição moderada a severa.
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Sob a superfície da terra, escondidas entre camadas de rocha e solo, veios de carvão podem às vezes entrar em combustão sem que ocorra uma única faísca de um fósforo ou um raio. Este fenômeno, conhecido como combustão espontânea, ocorre quando o carvão reage lentamente com o oxigênio no ar, um processo que gera calor. Se esse calor não conseguir escapar, ele se acumula até que o carvão se incendeie, criando um fogo que pode arder por décadas, movendo-se pelo solo de formas que são difíceis de ver ou rastrear. Esses incêndios subterrâneos são mais do que apenas uma curiosidade geológica; eles são um perigo ambiental persistente. Enquanto o fogo queima, ele consome oxigênio e libera uma mistura tóxica de gases e partículas finas de poeira no ar acima, ameaçando a saúde das comunidades próximas e a estabilidade da terra. Compreender como esses fogos se movem verticalmente através da terra, como eles alteram o ar ao seu redor e o que liberam em diferentes estágios é crucial para manter as minas seguras e proteger o meio ambiente.
Para desvendar os segredos deste processo oculto, uma equipe de pesquisadores de várias universidades e institutos de pesquisa da China construiu um modelo controlado de um incêndio de carvão subterrâneo. Eles construíram uma grande caixa isolada dividida em oito camadas horizontais. As seis camadas inferiores foram preenchidas com partículas de carvão, enquanto as duas superiores foram compactadas com solo para mimetizar o solo e a rocha que ficam acima de um veio de carvão real. Ao aquecer a camada inferior de carvão a uma temperatura específica, os cientistas desencadearam um fogo autossustentável que começou a se espalhar para cima através do carvão e para o solo acima. Durante todo o experimento, que durou mais de 1.100 horas, eles monitoraram continuamente a temperatura, a quantidade de oxigênio e a concentração de vários gases e partículas em cada nível, criando um registro detalhado, hora a hora, do ciclo de vida do fogo, desde sua primeira faísca até sua extinção final.
Os pesquisadores descobriram que o fogo não se comporta da mesma forma em todas as profundidades. À medida que o calor subia, o processo se desenrolava em cinco estágios distintos: um período de incubação silencioso, uma fase de aquecimento rápido, uma zona de reação intensa, uma fase de resfriamento rápido e, finalmente, um estágio de exaustão. As camadas mais próximas da superfície aqueceram e esfriaram rapidamente, essencialmente queimando antes que pudessem sustentar um fogo prolongado. No entanto, as camadas médias, enterradas mais profundamente, tornaram-se o coração do incêndio. Essas seções mais profundas retinham o calor muito melhor e mantinham um suprimento constante de oxigênio, permitindo que sustentassem uma reação poderosa e duradoura que durou centenas de horas. A camada mais profunda, no nível mais baixo da seção de carvão, lutou para manter o fogo vivo. Ela recebia calor das camadas acima, mas o caminho para o oxigênio fresco alcançar essa zona era muito longo e restrito, fazendo com que o fogo enfraquecesse e eventualmente morresse naquela zona específica.
Os gases liberados pelo fogo contaram uma história semelhante de mudanças nas condições ao longo do tempo. Nas primeiras horas, o fogo liberou grandes quantidades de metano e etano, que são gases hidrocarbonetos formados quando o carvão se decompõe sob o calor. Esses gases apareceram rapidamente, mas desapareceram tão rápido quanto, caindo para níveis de fundo em cerca de 80 horas. À medida que o fogo amadurecia e a temperatura subia, a reação química mudava. A liberação desses hidrocarbonetos diminuía, e o fogo começava a produzir quantidades massivas de dióxido de carbono e monóxido de carbono. Esses dois gases tornaram-se os poluentes dominantes pelo restante do experimento, com o monóxido de carbono atingindo níveis que seriam classificados como poluição severa no ar acima. O estudo também rastreou a liberação de pequenas partículas sólidas, conhecidas como material particulado. Como os gases hidrocarbonetos, essas partículas foram liberadas em um surto concentrado durante as primeiras 40 a 60 horas, quando a combustão era incompleta, antes de diminuírem significativamente conforme o fogo queimava de forma mais limpa.
Uma das descobertas mais impressionantes foi o atraso entre o que acontecia profundamente no subsolo e o que aparecia na superfície. Os picos de temperatura e as ondas de gás registrados nas camadas de carvão levavam tempo para viajar através do solo e da rocha acima. No momento em que o calor e os poluentes chegavam à superfície do solo ou à atmosfera, eles eram mais fracos e chegavam mais tarde do que ocorriam no próprio carvão. Esse atraso significa que, se você observar apenas o ar acima do solo, poderá perder a verdadeira intensidade do fogo que acontece abaixo. Os pesquisadores descobriram que a qualidade do ar acima do fogo foi dominada por poluição severa durante a maior parte do experimento. Embora o estágio inicial tenha sido marcado por altos níveis de poeira e partículas, o meio e os estágios posteriores foram definidos por uma nuvem persistente e perigosa de monóxido de carbono. Essa mudança destaca que o perigo de um incêndio de carvão subterrâneo não é estático; ele evolui, mudando de um risco de muita poeira para um risco de muito gás conforme o fogo amadurece.
O estudo conclui que a vida de um incêndio de carvão subterrâneo é uma dança complexa de calor, oxigênio e reações químicas que muda dependendo de quão profundo você está e de há quanto tempo o fogo está queimando. Não é um evento simples e uniforme, mas um processo em camadas onde as seções médias do veio de carvão frequentemente se tornam as zonas mais perigosas e persistentes. As descobertas fornecem uma imagem mais clara de como esses incêndios se desenvolvem, oferecendo um roteiro para um melhor monitoramento. Ao saber quais gases aparecem em quais estágios e como eles se movem através do solo, cientistas e engenheiros podem desenvolver maneiras mais eficazes de detectar esses incêndios ocultos precocemente e gerenciar os riscos que eles representam para o mundo da superfície. A pesquisa confirma que, embora o fogo possa começar profundamente no subsolo, seus efeitos são sentidos claramente no ar que respiramos, mudando de uma mistura de poeira e hidrocarbonetos para uma nuvem duradoura de gás tóxico.
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