地表土壤中CO2 通量不仅可直接量化土壤的物理、化学及生物特性,同时也可间接反映人类对土地的利用以及地下矿产资源和岩溶状况。另外,地表土壤CO2 通量作为陆地与大气界面气体交换的重要度量指标,还可用于采矿迹地的处理和恢复程度的评价。
采空区内(尤其是封闭采空区)存在高浓度的CO2[13],受采空区实际环境特性影响,采空区内的CO2不断向地表涌出,影响地表土壤的CO2 通量变化。根据近年来对采空区遗煤自然发火的研究结论可知[9-10],促进采空区内CO2向地表扩散的动力因素主要有:1)采空区上覆地表因开采时破坏了相对稳定的地质结构,产生了大量的裂隙,利于CO2的扩散;2)采空区内遗煤氧化自燃,使采空区内温度升高,气体密度小,利于采空区内外气体的流动;3)采空区是相对密闭的空间,遗煤氧化产生的CO2气体增多,又因上覆岩层塌陷,导致采空区内压力增大,利于采空区内CO2的涌出。地下采空区遗煤氧化所产生的CO2在往地表扩散过程中有一部分会溶解于地下的含水层,少量的CO2会被岩石介质或被地表附近的微生物及植物通过固定效应所吸收,绝大部分都扩散到地表[1-8]。
实验研究表明,在煤低温氧化到高温热解的整个过程中,物理化学反应所产生的CO2在每个反应阶段都占有较大比例[9-11]。因此,将CO2视为指标性气体,来判定地下煤层或采空区遗煤的氧化状态是目前的一个研究方向。下图为具体的实验研究事例。
监测结果显示:
废弃矿井采空区遗煤的氧化程度可以通过其上覆地表CO2涌出量进行监测。根据本次实验测定结果,存在自燃的采空区其地表CO2通量值是无自燃采空区的10倍以上;无自燃采空区地表CO2通量值明显高于非采空区地表的CO2通量值。
实验监测区域采空区上覆地表CO2通量变化规律主要受环境温度影响,大气温度降低CO2通量会随之增大。
参考文献
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