煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法研究

陈晓坤，桑长波，李珍宝

煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法研究

陈晓坤1,2，桑长波1，李珍宝1

(1.西安科技大学能源学院,陕西 西安 710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部

重点实验室,陕西 西安 710054)

煤田火区有害气体的排放非常显著，已经引起广泛关注。基于目前的研究进展，分析了煤田火区有害气体排放的影响因素，在此基础上建立了煤田火区有害气体排放的现场调查方案，分析了适用于煤田火区有害气体扩散计算的数学模型，提出煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法以及防治对策，并展望了其评估方法的应用前景，以为煤田火区区域大气污染的治理效果分析提供科学依据。

煤田火区；有害气体；扩散模型；环境影响评估方法

煤田火不同于矿井火，其在相对开放空间里大面积煤炭燃烧，从而导致区域内物理场、化学场、生物场发生改变,其释放的有害气体随着风流流动在地下、近地表、中空、大气层的四层空间环境中严重危害大气环境安全。其中，在低空,煤田火区释放的CO、NOx、H2S、SO2以及悬浮颗粒物等加剧了大气中酸雨、雾霾等污染的形成;在高空,煤田火区产生的CO2、CH4、N2O以及水汽等温室气体使臭氧层受到破坏，形成大范围的温室效应。煤田火区有害气体的逸出机制并不是遵循电站燃煤、取暖燃煤和生活燃煤呈单源与单通道的特点，而是在多释放源与多通道条件下的产物，产生的危害很难控制和消除。此外，煤层的燃烧产生的有害气体会危及矿工人身安全，是危害煤田安全生产的主要因素之一[1-2]。鉴于煤田火灾在世界煤炭国家都有发生,产生的有害气体对大气环境造成严重破坏已演变成全球性的灾害,因此煤田自燃形成大面积煤田火区对社会-经济-自然复合生态系统造成的灾害已经引起世界各国的高度重视。我国作为煤炭储量大国将煤田火区灾害及其治理已列入《中国21世纪议程》，并且近年来大力开展的煤田灭火工程和对重点区域大气污染防治实行“以奖代补”的政策，以及《环境保护法》的修订等都对大气污染防治做出重点阐释，而煤田火作为重大大气污染源，足见对煤田火产生有害气体的防治已经刻不容缓。

由于煤田火区排放有害气体的广阔性和区域性，其污染环境影响评估有别于居民区的大气污染评估，而如何对煤田火区释放的有害气体进行全面的评估并防治是目前面临的难题。为此，本文从目前国内外对煤田火区释放有害气体的研究现状和进展等方面入手，分析了煤田火区有害气体排放的影响因素，并在此基础上提出了对煤田火区有害气体排放进行环境影响评估的思路与方法。

1 煤田火区有害气体排放研究现状

在煤田火区地表存在两类不同形式的有害气体逸出：在对流作用下沿裂隙释放的有害气体和在扩散作用下通过孔隙介质释放的有害气体。国内外对煤田火区有害气体排放量进行了一些研究与实践，如Stracher等[3]经过长期监测得到煤田火区CO2的排放远超过了其他气体，并发现火区内的酸性水与碳酸盐岩石、岩粉尘发生反应也会产生CO2，以及煤燃烧过程产生的H2S、SOx和NOx；Singh等[4]对煤田火区释放的气体进行了多方面的研究，其中包括气体的产生范围、检测方法以及各种气体作为指标气体的优缺点等；徐永亮等[5]对煤火燃烧气体产物与地表裂隙关系进行了分析研究，得出气体浓度、温度与地下燃烧煤体之间必然存在一定的量化关系；Carras等[6]研究了煤田火区释放CO2及CH4气体的情况，还通过现场测量定量研究了澳大利亚11个煤矿地面自燃火区温室气体的排放情况；Zeng等[7]、Ide等[8]对煤田火区释放气体排放量的检测方法进行了研究。

针对煤田火区有害气体的监测仪器研究应用上也取得了一些成果，且随着科学技术的日益发展，航空遥感监测技术、计算机模拟技术在其监测应用上愈加广泛。目前煤田火区有害气体的检测方法主要有两种:一是人工监测，即使用烟气分析仪以及辅助工具对煤田火区释放有害气体的释放源地理位置、释放强度、环境因素等进行实地监测；二是监测系统,即通过建立煤田火区有害气体监测站，亦或通过遥感技术对大面积煤田火区有害气体的排放进行监测。通过这两种方法相结合建立重点煤田火区动态监测系统，定时预报煤田火区有害气体演化趋势,随时掌握火区动态,为火区有害气体的扩散提供动态资料。刘生根等[9]以空气动力学法为基础，开发出针对煤田火区CO2排放监测的实时采集系统，用于采集不同高度下CO2浓度、气温、风速和气压等环境参数，从而得到CO2排放通量，并将研制的系统在煤田火区进行了试验观测，验证了其适用性。

通过上述对煤田火区产生有害气体的相关研究可见，目前在检测方法、产生量的推算以及动态监测等方面已取得了一定的进展，可为后续的定量评估指标、扩散模型以及评价方法等研究提供依据，从而解决了“怎样衡量，用什么评估”的煤田火区有害气体排放环境影响评估问题，且其评估是可行的。

2 煤田火区有害气体排放的影响因素分析

由于煤田火区气体成分复杂且浓度较高，同一排放点不同位置的气体成分差异较大，且随时间呈现较大的波动,煤火排放的有害气体在煤田持续存在，故其扩散污染遵循高斯烟羽模型，空间某点(x,y,z)有害气体浓度表达式为

式中:x、y、z为空间点位置坐标(m)，其坐标系统为笛卡尔坐标系，取决于火区源位置和方向;X轴为风向平均轴，Z轴为地表竖直方向，Y轴为与X轴和Z轴垂直交叉方向；Q为煤田火区有害气体浓度(ppm);μ为10 m高度的平均风速(m/s)；H为火区释放源上空的某一高度(m);R为地表影响系数;σz、σy分别为Z轴和Y轴方向上的扩散系数。

根据煤田火区有害气体扩散模型，结合其排放的独特性，综合分析其影响因素有以下主要方面：

(1) 有害气体源：包括煤田火区污染源类型、排放口分布位置、排放方式、排放时间规律以及有害气体污染物种类、性质、数量等。

(2) 地理环境：包括煤田火区有害气体源所在位置的地表状况、火区源的高度等，此外地面的地形地物对有害气体的扩散也有较大的影响，它们既会改变有害气体扩散速度，又会改变其扩散方向。

(3) 气象因子：包括风向、风速、大气稳定度、季节变化等，其中风向、风速、大气稳定度等因素对煤田火区有害气体扩散范围影响较大，风向决定了其扩散的方向，风速大小对其扩散的影响较为复杂，它决定了煤田火区有害气体的输送距离远近和大气扩散稀释作用的强弱，如在较小的风速时，风会加大有害气体的扩散范围，在风速大到一定程度时，风会加速有害气体的稀释，进而使其危害范围减小。

(4) 重力和浮力：煤田火区有害气体密度相对于空气密度的大或小，分别表现出在扩散中以重力作用或以浮力作用为主。重力作用会使有害气体下降，地面浓度增加，其下降趋势会因空气的不断稀释作用而减弱，而浮力作用在有害气体扩散初期导致其上升，地面浓度降低，被空气不断稀释后其上升的趋势减弱。

(5) 温度和湿度：温度的影响主要表现在煤田火区环境温度的垂直梯度分布，当暖气团经过火区时会产生大气逆温层，此时大气本身的扩散稀释能力就会下降，煤田火区有害气体的浓度会随逆温层厚度和强度的增大而明显增加。

3 煤田火区有害气体排放的环境影响评估方法

3.1 调查方案的建立

煤田火区有害气体排放主要来自于三个方面：①原有气体，煤田火灾发生前的原有气体成分除了与地面大气的气体成分基本相同外，还含有瓦斯(CH4)；②火灾生成气体，煤田火灾发生后,会产生一系列的化学反应,煤燃烧会产生大量的气体,有CO、CO2、H2S、SOx、NOx、CH4等,以及脂肪碳氢化合物；③煤田涌出气体，以瓦斯为主的烷烃类化合物(C2H2n+2)，主要包括C2H6、C3H8、C4H10、C3H6、C2H2、CH2O、CH2O2、C2H4O2、C2H2O2等。

针对煤田火灾释放的有害气体，其调查方案的确立需要考虑以下因素：①能够准确反映煤田火区有害气体排放状况；②监测与统计方法可行；③评估所需数据的可得性；④鉴于煤田火区具有的广阔性以及地形复杂性，需构建多维度的综合污染环境影响评估方法。煤田火区大气环境现状调查可以通过现场监测、资料收集等途径进行，但不论通过什么方式都要确保调查点的合理性以及调查因素的全面性。此外，对于煤田火区以往的大气监测以及遥感影像资料等要尽量收集，供制定调查方案时参考。表1为煤田火区有害气体排放调查方案的具体内容。

表1 煤田火区有害气体排放调查方案的具体内容

3.2 评估预测模型

煤田火区产生的有害气体的扩散规律研究对其准确评估具有重要意义，只有对其进行精准的扩散判定，才能为有效防治提供基础。由于煤田火区有害气体所具有的本质特性,因此若要能够将火区有害气体对环境的影响时效直观地反映出来，则需要开展污染源和污染物分布特征及其变化规律的研究，可通过计算机利用CFD建立扩散模型,采用定量与定性分析相结合的方法进行微观与宏观的综合分析。

近年来气体扩散模型的研究以及模拟软件的开发等已取得了长足的进展。随着计算机技术的发展,国外已经开发出了箱模式、高斯正态烟流模式、粒子-单元(PIC)模式、欧拉型K模式和烟团轨迹模式等数百种气体污染扩散模型，目前美国开发的第三代空气质量模式Models-3系统因应用范围更为广泛，已用于多范围尺度、多种污染物的空气质量的预报、评估和决策研究等。在国内，2008年我国开始实施新的《大气环境影响评价技术导则》，导则中对大气污染物浓度扩散模式做了推荐，并提出了SCREEN3估算模式以及三种进一步预测模式——ADMS、AERMOD、CALPUFF[11-12]。而目前针对煤田火区这一具有明显特征的大气环境类型,由于现有模型的局限性，利用该导则推荐的模型方法得出的结论往往偏离实际情况。因此，可考虑根据煤田火区污染源单一没有其他污染源干扰、污染源相对集中且固定等特征,以及需要对火区内多点源影响下浓度贡献的叠加进行模拟研究的目的,通过对比各种模型软件的参数、运行特点,选择适宜煤田火区特殊地貌、气候、污染源、大气污染扩散模式的扩散模拟软件。如张春燕[13]以乌达煤田火区为研究区，以高斯烟羽模型为有害气体扩散模拟算法，利用ArcGIS平台采用点源模拟的方式对火区煤火释放CO、CO2、CH4、SO2四种气体的影响范围和浓度分布进行模拟，并据此对人居大气环境的影响程度进行了定量分析。

3.3 综合评价方法

由于煤田火衍生的有害气体受复杂的外在因素的制约，其扩散迁移的影响因素多,因此对煤田火区大气环境影响评估就更为困难。就目前来说针对其评价还没有具体的完整的预测与评估体系。借鉴于针对大气排放的评价方法，目前在国际上有所发展的数学模式评价方法主要有模糊综合评价法、灰色系统评价法、层次分析法、物元可拓集衍生的物元分析评价法、空气污染指数法、集对分析、粗糙集理论、投影寻踪技术、人工神经网络、遗传算法和蚁群算法等理论与技术[14-15]，这些正是处理具有模糊性、灰色性、不相容性等不确定性问题的新理论及优化方法，将这些理论技术引进到煤田火区有害气体环境影响评价中，可使评价过程更体现数学模型化和最优化，可使评价结果更具科学性和先进性，以此得以合理和精确地服务于煤田火区有毒有害气体排放的评价。此外，目前根据一些实际需要发展起来了一些新的大气污染综合评价方法，如于宗艳等[16]设计了一种基于免疫粒子群优化算法的环境空气质量综合评价方法;池澄[17]就目前先进的现场扩散试验、实验室风洞试验以及模式计算等方法的适用性进行了分析;曹代勇等[18]建立了煤田火区环境影响评价的一般性指标体系,并以内蒙古乌达煤田火区为例,采用层次分析法与综合指数法相结合,以此得出乌达煤田火区对环境的影响为较严重水平,且与定性分析结果相符。

根据对目前各种评价方法的综合分析以及对煤田火区有害气体的特征研究，煤田火区有害气体排放的环境影响综合评估方法的建立应依据《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)、《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)以及国家新修订的《环境空气质量标准》( GB 3095—2012)等标准以及当地绩效考核标准来确定，实际应用中还应针对具体情况综合考虑各种评价方法的优缺点，选择出最为合适的评价方法，并对数值模拟的预测结果进行分析与验证，对其危害等级进行划分与评价。

3.4 评估流程

综上所述，将煤田火区有害气体排放的环境影响评估流程归纳为：根据具体煤田火区有害气体影响因素展开勘查及监测，初步对煤田火区有害气体的污染做出定性评估，将评价指标(即煤田火区有害气体浓度、强度、环境因素等)数量化、定量化。选择适用于煤田火区有害气体扩散的模型，结合火区内污染强度及环境因素对模型参数进行修正，在此基础上模拟出煤田火区有害气体的影响区域及范围，同时结合环境空气质量相关标准，评价出煤田火区有害气体排放对环境的影响，具体流程见图1。

图1 煤田火区有害气体排放的环境影响评估流程Fig.1 Flowchart of environmental impact assessment of harmful gas emission pollution in the coalfield fire area

由于煤田火区有害气体排放过程中种种不确定性因素和受外部条件的制约，而且一些监测技术也尚未应用于实践当中[19]，因此应综合分析目前评价模式体系、火区大气污染物研究基础方面存在的不足,摒弃人居区大气污染的评估思路,结合其污染评估的关键因素：监测技术、监测仪器和气体扩散模型的选择以及煤田火区有害气体影响标准，开展煤田火区有害气体排放的环境影响评估。但评估过程中还必须注意以下问题：①煤田火区有害气体扩散速率是影响其扩散模拟结果最重要的因素，通常模拟过程中扩散速率假设为不变量，这对于点源来说是可以接受的，但对于火区面源的扩散则会产生较大的误差；②使用合理的当地气象数据，如全年的风速、风向、风向水平变化方差以及大气层的稳定度小时平均值；③确定合理的大气污染影响标准。

3.5 防治对策

煤田火区有害气体的排放是全球性大气污染问题，目前仍没有相对有效的方法防治煤田火区有害气体排放造成的大气污染，本文借鉴其他领域对有害气体的防治对策[20]，对其防治提出如下思路：

(1) 对煤田火区有害气体的防治有效手段要从根源入手，做好对开采过后矿井的保护措施，防止采空区遗煤的自燃而引发的人为性的煤田火灾，同时应对煤田进行专门性的保护，及时发现有可能导致煤田火灾的隐情，做出主动处理，进而杜绝煤田火区面积的扩大而产生更多的有害气体。

(2) 鉴于煤田火区燃烧的广阔性以及自发性，不能像人为用煤那样对燃煤进行加工处理后再利用以及通过安装减排设备以减少有害气体的产生和排放，应采用更加先进的煤田火区探测技术和灭火技术，及时发现煤田火区并进行灭火，提高灭火的成功率。

(3) 在煤田火区与居民区间种植树木形成隔离带，植物的光合作用能有效阻挡和吸附有害气体的流动并释放出氧气，并将实施树木隔离带工程进行植物净化作为长期必须坚持的可持续绿化途径。

4 结论与建议

由于煤田火区释放有害气体评估的复杂性以及缺乏可借鉴的研究成果,且环境污染影响评估考虑的因素很多，还需要不断完善，本文只做了初步的研究，在具体实施过程中还需要在以下方面进行深入研究。

(1) 根据煤田火区的地理环境、自然条件以及有害气体排放状况等因素合理构建有害气体监测方案，只有对其进行精确地量化，才能使评估结果更加准确、可靠。

(2) 煤田火区有害气体的扩散在很大程度上取决于火区的气象条件，尤其以温度、风速、风向以及大气稳定度为主，又限于火区范围广阔、地势复杂等原因，还没有精确的火区气象资料供其评估作为参考，因此完善气象监测数据库，形成火区地表小气候勘测的标准程序和方法，便于对煤田火区大气污染扩散程度进行预测是今后研究的重要方向。

(3) 鉴于煤田火区有害气体扩散的独特性，应针对其排放研发专门的模拟软件，着力解决火区各种特定尺度范围有害气体扩散程度和范围的确定，使得评估模拟更加精确化。

(4) 鉴于煤田火为重大污染源，需专门针对煤田火区有害气体排放制定自排放清单数据库、评估标准和方法，以此为火区防治效果分析提供依据。

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Environment Impact Assessment Method of Harmful Gas Emission in Coalfield Fire Area

CHEN Xiaokun1,2,SANG Changbo1,LI Zhenbao1

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

Harmful gases released in coalfield fire area is very significant,and has caused widespread attention currently.Based on current research progress,this paper analyzes the influencing factors of the harmful gas emission,then establishes the site investigation scheme of harmful gas emission in coalfield fire area,and analyses the suitable mathematical model of harmful gas diffusion in coalfield fire area,also proposes the methods of environmental impact assessment of harmful gas and countermeasures for it.Finally the paper examines the application prospects of this assessment method.The research provides a scientific basis for the effectiveness analysis of the regional air pollution control of coalfield fire area.

coalfield fire area;harmful gas;diffusion model;environment impact assessment method

毕亚凡(1963—)，男，硕士，教授，主要从事环境工程等方面的教学与科研工作。E-mail：biyafan@21cn.com

1671-1556(2016)02-0055-05

2015-07-20

2015-11-23

陈晓坤(1961—)，教授，博士生导师，主要从事矿井火灾灾变理论与防治技术研究工作。E-mail:chenxk@xust.edu.cn

X822.5;X752

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.011