Thermal–oxygen evolution and atmospheric pollutant emission characteristics during the vertical propagation of underground coal fires
本研究利用物理相似性模拟来表征地下煤火垂直传播过程中热-氧演化与大气污染物排放的阶段相关性及深度相关性，揭示了不同污染物的不同时间释放模式，并确定一氧化碳（CO）是导致中度至重度污染的主要贡献物。
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在地球表面之下，隐藏在岩石和土壤层中，煤层有时会在没有火柴或闪电的情况下自燃。这种被称为“自燃”的现象，是由于煤与空气中的氧气缓慢反应，从而产生热量。如果这些热量无法排出，就会不断积聚，直到煤炭着火，形成一场可能持续燃烧数十年、并以难以观察或追踪的方式在地下蔓延的火灾。这些地下火灾不仅仅是地质上的奇观，更是一种持久的环境危害。随着火灾燃烧，它消耗氧气，并向上方空气释放出有毒的气体和细微颗粒物，威胁着附近社区的健康和土地的稳定性。了解这些火灾如何在地下垂直移动、如何改变周围的空气以及在不同阶段释放出什么物质，对于保障矿井安全和保护环境至关重要。
为了揭开这一隐藏过程的秘密，来自中国多所大学和研究机构的研究团队构建了一个受控的地下煤火模型。他们建造了一个由八个水平层组成的巨大隔热箱。底部的六层填充了煤颗粒，而顶部的两层则填满了土壤，以模拟真实煤层上方的地面和岩层。通过将底层煤炭加热到特定温度，科学家们触发了一个自维持的火源，该火源开始向上方煤层及上方的土壤层蔓延。在整个实验过程中（持续了超过1100小时），他们持续监测了每一层的温度、氧气含量以及各种气体和颗粒物的浓度，从而记录了火灾从最初的火星到最终熄灭的完整生命周期及其逐小时的详细变化。
研究人员发现，火灾在不同深度的表现并不相同。随着热量向上移动，过程经历了五个截然不同的阶段：静默孵化期、快速升温期、剧烈反应区、快速冷却期，以及最后的熄灭阶段。靠近表层的层位升温和降温都很快，本质上是在无法维持长久火灾之前就已烧尽。然而，埋藏较深的中间层却成为了这场火灾的核心。这些深层部分能更好地保持热量并维持稳定的氧气供应，使其能够维持数百小时的强力且持久的反应。位于煤层最底部的最深层则难以维持火势。它虽然接收来自上方层位的热量，但新鲜氧气到达该处的路径过长且受限，导致火灾在该特定区域减弱并最终熄灭。
煤炭释放的气体也讲述了一个关于随时间变化的条件相似的故事。在极早期，火灾释放了大量的甲烷和乙烷——这是煤炭在热力作用下分解产生的烃类气体。这些气体出现得很快，但也消失得很快，在大约80小时内就降至背景水平。随着火灾成熟和温度升高，化学反应发生了转变。烃类的释放逐渐消退，火灾开始产生大量的二氧化碳和一氧化碳。这两类气体成为了实验剩余阶段的主要污染物，其中一氧化碳的浓度达到了会被归类为大气严重污染的水平。研究还追踪了被称为颗粒物的微小固体颗粒的释放情况。与烃类气体类似，这些颗粒在燃烧不完全的前40到60小时内出现了集中爆发，随后随着燃烧变得更加充分而显著减少。
其中最令人震惊的发现之一是地下发生的情况与地表呈现情况之间的延迟。煤层中记录的温度峰值和气体激增需要时间穿过上方的土壤和岩层。当热量和污染物到达地面或大气时，它们已经变得更弱，且到达时间比在煤层内部时要晚。这种滞后意味着，如果你只观察地面上方的空气，你可能会错过地下火灾真实的强度。研究人员发现，在实验的大部分时间里，火灾上方的空气质量都处于严重污染状态。虽然初期阶段以高水平的粉尘和颗粒物为特征，但中期和后期阶段则由持久且危险的一氧化碳云团所定义。这种转变凸显了地下煤火的危险并非静态的；随着火灾趋于成熟，它会从一个以粉尘为主的危害演变为一个以气体为主的威胁。
这项研究得出结论，地下煤火的生命是一个由热量、氧气和化学反应构成的复杂舞蹈，其表现取决于深度以及燃烧持续的时间。它不是一个简单、均匀的事件，而是一个分层的过程，其中煤层的中间部分往往成为最危险且最持久的区域。这些发现为火灾的发展提供了更清晰的图景，为更好的监测提供了路线图。通过了解哪些气体出现在哪些阶段以及它们如何穿过地面，科学家和工程师可以开发出更有效的手段来早期检测这些隐藏的火灾，并管理它们对地表世界构成的风险。研究证实，尽管火灾始于地下深处，但其影响在空气中清晰可见，从粉尘和烃类的混合物转变为持久的有毒气体云。
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