地下煤火防治有了新办法

据新华社日前报道，中国矿业大学周福宝教授带领的地下煤火研究团队与国内外研究机构合作，新近攻克将煤田火区热能转变为电能等清洁能源的关键技术。这有助于将每年数亿吨白白烧毁的地下煤炭资源重新利用。

本版特约中国矿业大学研究团队的研究人员，向读者介绍关于地下煤火防治的那些事。

每年10亿吨地下煤炭白白烧毁

《西游记》中，孙悟空三借芭蕉扇扑灭火焰山烈火的故事，大家都耳熟能详。那么，《西游记》中的火焰山究竟为何物？有专家认为，其原型正是煤田火灾。早在1600多年前，北魏地理学家郦道元在《水经注》中就有“屈茨（即龟兹，今新疆库车）北二百里有山，夜则火光，昼则但烟”的记载，描述的就是今新疆库车、拜城一带的煤田火灾。

地下煤火是煤矿层由于人为因素或自燃形成的煤田火和矿井火的统称，被称为没有地理界限的“全球性灾难”。世界上几乎所有产煤国都不同程度地存在着地下煤层燃烧现象，其中以中国、印度、印度尼西亚的形势最为严峻。美国宾夕法尼亚州的塞特利亚煤田大火从1962年5月开始一直燃烧至今，这也是全美最严重的煤田大火之一。煤田大火带来的浓烟和有毒气体，迫使当地镇上的1100多名居民纷纷搬离家园。

据统计，全世界每年约有10亿吨煤炭被地下煤火烧毁，占世界煤炭消费总量的1/8，每年地下煤火燃烧约产生10亿千瓦的能量，相当于当前全球核电总容量的2.5倍，超过水力发电所产能量总和。

我国是世界上煤火灾害最严重的国家，据不完全统计，1949年以来我国煤火烧毁煤炭资源量近30亿吨。其中，以新疆的煤火灾害最严重，曾有专家推断，有的火区可能已燃烧了成千上万年。其原因主要有三个方面：

其一，天山是地质活动较为剧烈的地区，埋在地层中的水平煤层经过多次地质运动大多变为倾斜煤层，煤层露头多，暴露的煤层与空气中的氧接触，产生氧化作用，积热增温，温度达到燃点时煤层自燃，形成煤田火灾。

其二，历代小煤窑不规范的开采，工艺落后，无防火措施，着火就走，走了又开新井，着火又走，酿成大面积煤田火灾。例如新疆奇台县境内的将军戈壁煤田，据推测早在唐宋年间，就有人们云集此地采挖。在周而复始的采挖过程中，煤海逐渐变成了火海。

其三，新疆属大陆性气候，干旱少雨。以致新疆煤田火灾连连不止。

煤火引发一系列严重问题

煤炭是我国的主体能源，关系到国家稳定和发展的命脉。但中国却是受煤火威胁最大的国家。新疆维吾尔自治区第四次煤田火区普查报告显示，火区共计46处，总面积达669万平方米，年损失储量442万吨，威胁储量77842万吨，近年来新疆煤田火区呈加速发展趋势，部分原有火点和小火区燃烧系统逐渐形成，燃烧规模不断扩大，已达到甚至超过原重点火区规模，致使煤炭资源损失迅速增大。

煤火吞噬大量资源的同时，还引发了一系列严重问题。

一方面，破坏生态环境。地下煤炭肆无忌惮地熊熊燃烧，将数以万吨的烟灰、有害气体排放到空气中。据统计，每年仅地下煤火产生的二氧化碳就占世界二氧化碳排放量的1/10；其产生的有害化学物质，如汞、硒等重金属、硫化物和PM2.5等，污染空气、土地和水源，严重危及人类健康，诱发呼吸系统疾病、皮肤癌、心脏病等一系列相关疾病。此外，煤火产生的地表高温将破坏土壤生态，导致植被枯萎死亡，加剧水土流失和沙漠化，甚至引发山林火灾。

另一方面，危害采矿安全。煤火燃烧形成的塌陷和烧空区，严重影响原煤的开采进程与采矿安全，造成资源的阻滞甚至引发矿难。同时，会导致潜在的地质灾害发生。浅部煤层和井下浮煤、煤柱等燃烧后形成烧空区，改变了煤层顶板及围岩的平衡状态，导致地面出现大量的燃烧裂隙、塌陷坑等，同时又为煤层燃烧提供了供氧通道，形成了“燃烧-塌陷-燃烧”的恶性循环，另外地表水土保持能力大幅下降，极易引起泥石流、滑坡等地质灾害。2015年4月初，距新疆乌鲁木齐市13公里的大泉湖地表突然坍塌，形成一个直径约1.5米的高温明火塌陷坑，犹如火山口，该区域包含27层煤层，燃烧深度在7-134米之间，过火面积达32万平方米。

此外，在煤火防治过程中会浪费大量水资源，还容易污染地下水，这在水资源宝贵的新疆尤为突出。

传统治理手段亟待突破

1958年，在周恩来总理的亲自批示下，我国成立了一支专业化的煤田灭火队伍——新疆煤田灭火工程局，这也是全国迄今为止唯一一支治理煤田火灾的专业化队伍。

新疆煤田传统的灭火做法主要包括剥离、打钻、注水、注浆和黄土覆盖在内的5道工序：先由推土机把火区作业面推平，实质上是“愚公移山”，削掉一个个山头，使之有一个良好的工作面；然后用水管往火区注水；待温度降到7摄氏度左右后，再开始用钻机往地下火源上钻孔；紧接着，往钻孔里灌黄土泥浆，用泥浆把地下裂隙堵住，隔绝火源和空气的接触；最后一道工序是在地表上覆盖一层厚厚的黄土，以彻底使煤层脱离氧气。据新疆煤田灭火工程局局长贾新勇介绍，从1958年至今，新疆共治理大小煤田火区50处，解救保护的煤炭资源总量约314.5亿吨；治理的火区总面积1260万平方米，恢复植被1100万平方米，减排温室气体近4亿吨。

尽管我国在煤火的防治方面已经取得大幅度进步，但是在煤火基础理论研究、煤火控制等方面与澳大利亚、美国等发达国家相比，尚有较大的提升空间；此外，传统的治理手段易造成生态破坏，极大浪费水资源，并且降温效果有限，火区难以彻底熄灭，随着煤田火区的动态发展，部分地区的煤田火区燃烧面积和规模还在扩大，现有的防灭火理论、技术及装备不能完全适应地下煤火防治的发展。例如，位于新疆维吾尔自治区的托克逊乌尊布拉克、奇台将军戈壁、乌鲁木齐大泉湖等8处火区，面积反而增加了2.4倍。可见，针对煤田火区，只停留在“将火灭了”的思路亟待突破。

“黑科技”破解千年难题

近日，在中国矿业大学召开的国家“111计划”国际地下煤火防治与利用进展交流会上传出好消息：该校周福宝教授团队从地下火热能利用的视角，将煤火防治与资源化利用协同考虑，成功研发了分布式煤田火区热能提取温差发电新技术，利用新型热提取技术和热电材料，将地下煤火的热能直接转换为清洁电能，实现了从“治”到“用”的根本性转变。

那么，这个发电系统的道理是怎么一回事儿呢？简单地说是这样的：

利用灭火工作面的原有钻孔，伸进一个管子。位于地面上部的热管散热段温度，低于地面以下吸热段煤田火区温度，热管中的液体工质吸收火区中的热量，蒸发成气体。

蒸汽在管内压差的驱动下，沿热管中心通道向上流动至热管上部，遇到较冷的管壁后，放出汽化潜热，冷凝成的液体在重力作用下，沿管壁流回吸热段再蒸发。

放出的热量供给温差发电模块的热端，提高了热端温度，在温差发电模块冷热两端产生较大温差，从而形成稳定持续的电流。这个系统在温差高于20摄氏度时即可应用。

周福宝教授介绍说，这套新系统可以在加快灭火的同时，提取煤田火区的热能用来发电，如今已在新疆乌鲁木齐大泉湖煤田火区实现工程应用。目前，单个钻孔发电功率超过2千瓦。以100个钻孔核算，每年产生电能140万千瓦时以上，解决了偏远地区用电问题。同时，热能利用可降低火区温度，进而减少灭火用水，可节约水资源35.8万吨，这对水资源宝贵的新疆尤为重要。此外，减轻燃烧产生的酸碱性化合物、有毒物质污染地下水，减少大量有害有毒气体的排放，这对生态环境保护具有重要意义。

周福宝教授表示，这套系统还可以应用在高温矿井。高温矿井容易发生事故，这项技术可以降低矿井环境温度，并对热资源进行利用，研究者希望将该成果在深井推广使用。

“这项全球原创性技术成功地将煤田火区的热能转变为清洁电能，是煤火防治与利用的重大突破，对推动全球煤田火灾治理发展做出了贡献。”英国皇家工程院院士、国际火灾安全科学学会副主席卡伦对此作出了这样的评价。