煤矿火灾环境危害：断裂驱动氡异常与迁移机制研究

研究人员针对煤矿火灾引发的环境与安全问题，通过Haizhou露天矿现场实测与多物理场耦合建模，揭示了断裂带对氡迁移的放大效应。研究发现高温煤体与断裂参数（宽度达1.5 mm时氡浓度提升60倍）显著增强地表氡异常，建立了融合扩散-对流-衰变的3D迁移模型，为隐蔽火源精确定位与地质灾害评估提供新范式。

　　

煤矿地下火灾如同潜伏的地底恶魔，不仅吞噬着宝贵的煤炭资源，更释放出放射性气体氡（Rn）等危险物质。全球范围内，从中国北部的Haizhou露天矿到印度Jharia煤田，持续燃烧的煤火已造成土壤退化、温室气体排放等连锁生态灾难。尤其棘手的是，这些火灾往往隐藏在千米深的地下，传统探测手段难以精准定位。而氡气作为火灾的"化学指纹"，其地表异常信号却常被复杂的断裂网络所扭曲——就像迷宫中飘忽的烟雾，让人难以追溯火源。

中国的研究团队通过Haizhou露天矿的实地调查，首次捕捉到断裂带处惊人的氡浓度峰值（>10,000 Bq/m³）。为破解断裂对氡迁移的调控密码，他们构建了创新的多尺度模型：先以1D稳态模型量化扩散、对流与衰变的竞争机制，发现当渗流速度v>10^-3 m/s时，氡可穿越千米岩层；继而建立3D多物理场模型，整合温度-氡生成率关系。关键技术包括：基于RAD-7探测器的现场氡监测、封闭式氡积累系统温度实验、COMSOL Multiphysics实现的断裂网络耦合仿真。

【Problem source】裂缝效应验证

现场测量显示，地表裂缝处的氡浓度是完整区域的数十倍，证实断裂作为高速通道的关键作用。在边坡监测点F2记录到的脉冲式氡释放，与采动引发的周期性裂缝扩展直接相关。

【1-D迁移模型】深度穿越机制

模型揭示对流运输占主导地位：当燃烧区温度升至500°C时，氡扩散系数提升3个数量级。在典型矿山压力梯度下，1 mm宽的裂缝可使氡地表通量提高2个数量级。

【3-D数值模拟】多参数耦合规律

• 裂缝宽度：从0.7 mm增至1.5 mm时，地表响应激增60倍

• 火区面积：扩展至2500 m²时氡异常范围扩大4.8倍

• 埋深效应：100 m以深区域因²²²Rn半衰期（3.8天）导致信号衰减达92%

【结论与展望】

该研究首次量化了断裂参数与氡异常的非线性关系，建立的v-K_d（渗流速度-分配系数）判别准则，可将火源定位精度提高40%。对于正在经历能源转型的中国，这项成果不仅为煤火治理提供了"地质CT"新技术，其建立的迁移模型还可拓展应用于地震前兆监测（如日本学者Hung Vo Thanh团队正在验证的断层气预警系统）。论文中揭示的温度-氡生成率方程，更被审稿人评价为"重新定义了放射性元素环境迁移的理论框架"。

（注：研究机构根据CRediT声明中的资助项目推断主要单位为国内机构，其中国家自然科学基金编号52204220为首个标注项目；日本早稻田大学等国际机构为协作单位）