摘要
中国是全球受煤火影响最严重的国家。煤火灾害不仅烧损了大量煤炭资源，危及煤矿安全和经济生产，还严重引发了一系列国土安全和健康环境问题。尽管地下煤火是大气污染和温室气体的重点排放来源，但迄今国内外煤火环境和排放相关基础研究仍相对薄弱，也有没有官方的煤火碳排放量的监测和计算方法可以借鉴。所以提出适应于煤田火区特殊燃烧和排放情况下的定量检测和分析方法，建立火区环境综合影响评价指标体系，对于科学完善国家碳排放清单，有效评价煤火环境危害和采取合理防治措施具有重要意义。本研究基于热红外遥感技术实现了煤火热探测与时空定量反演，开展了全尺度区域的实地环境综合调查，通过研究煤火典型污染物与温室气体的排放特征，研究提出了一系列关于煤火遥感解译、环境综合评价和碳排量核算的模型与算法，并成功应用于新疆米东煤田火区火灾风险识别，污染排放和温室气体排放贡献的煤火治理效果评估工作中。 基于Landsat-8卫星长时序热红外图像定性和定量地反演了煤火时空演化信息，分析了煤火热强度、尺度规模和空间位置的变化发展。热点分析法提取火灾热异常的总体准确率高达65%被确定为最优煤火圈定阈值算法。火区热异常整体表现出高度聚类的空间自相关分布模式。提出的热点时序频率提取算法发现热点观测频率满足观测数75%以上时即可被判断为煤火区域像素。还构建了煤火热岛强度比例指数以综合评估煤火热岛现象的强度和空间变化，评估发现在开展煤火治理措施后火区整体热岛强度明显减小超过70%以上。燃烧质心的运移轨迹表明不同功能区火势发展特点存在较大差异性，煤火风险密集中心的运移趋势不仅是单向扩张，还有涉及多方向、双边和往返传播的变化。火区高温点主要分布在采空区，塌陷坑和地表破裂带附近，火势沿着地层走向和煤层露头方向朝两侧外部扩展并呈条带状分布。在展开火灾防治或者减少采矿作业后，遥感观测到火区边界轮廓线明显内缩以及燃烧面积快速减小的火势衰退迹象。 在三道坝火区进行的大规模实地综合调查中，测量了全火区气体燃烧产物的排放量和热物性参数，提出了适应于煤火污染综合评价和分级方法，估算了火区整体煤火污染排放量，最后综合评估了当地空气质量和燃烧情况。三道坝火区每年燃烧烟气排放近14170吨CO2、113.6吨SO2和57.3吨CO。燃烧效率整体随着过量空气系数的增加而下降。火区燃烧效率整体水平均低于80%，煤火燃烧类型以阴燃为主。研究划分区域的空气质量指数（百分制）都在60以下，从24到58不等，表明煤火空气污染处于中度-重度阶段。烟气特征污染物排放浓度的地域差异性大，其污染程度和灭火进度成反比。通过主成分分析将火区热物性观测量解析为热物本征属性、大气动力和燃烧程度三个主导要素。采用因子分析提取了四个综合因子代表全火区空气污染风险的评价指标，按照污染严重程度排序依次是硫氧化物污染gt;氮氧化物污染gt;碳氧化物gt;烟尘污染。典型相关性分析结果为污染指标与热物性指标之间存在显著相关性。火区的热物理特性是影响煤火烟气污染排放的决定性因素，其次才是气象、人为干扰和环境的外界影响。 基于上述煤火原位调查和遥感定量反演结果，作为工程应用本研究提出了一种煤田区域内煤火相关的温室气体排放量化方法，包括气体通量法和煤烧失量法两种火区碳排放计算模型。结合遥感技术、现场调查和实验室测量的综合手段详细论述了两种碳排模型关键参数的获取和计算过程。碳排通量模型从终端考虑了不同碳排放源，利用烟气分析结果估算钻孔排放源的排放量，通过裂隙场调查获取裂隙排放源裂隙面密度，而对于土壤扩散排放源则采用箱室法测定碳排通量，并通过克里金地统计插值模拟确定全域通量分布，最后累计三种排放源得到火区年碳排总量为5.052×105吨。煤烧失量模型按照燃烧强度和特征将当地煤火动态过程分为发展型、持续稳定型和衰减型燃烧期三阶段，对应阶段燃烧周期占比分别是36.51%，33.33%和30.16%。然后进行热红外遥感检测出各阶段新增、稳定和减少的燃烧面积时序变化量，由此统计累计火区全燃烧阶段的年烧损煤炭量为6.82×104吨，推导出对应等效的年碳排释放总量为5.372×105吨。采用两种不同原理模型估计结果的平均值，并考虑伴随生成甲烷的温室气体排放贡献，最终得到三道坝火区温室气体年碳排当量为6.313×105吨。
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