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燃烧数千年 扑灭难度大 鲜为人知的环境灾难——地下煤火

发布时间:2020-06-25 13:53:13   来源:◎本刊主笔 刘国伟    浏览次数:306

工业革命以来,蓬勃发展的科技力量给人们的生产生活带来了翻天覆地的变化。然而,“水火无情”四个字表明,自然之力仍是悬在众生头顶的达摩克里斯之剑。其中有一种火灾今天仍在除南极洲外的所有大陆上肆虐,而且人类还缺乏真正有效的手段来应对,这就是在用浓烟烈火荼毒人居环境并侵蚀自然资源的煤层自燃大火。

澳大利亚的温根山煤火在地下已经燃烧了约6000年,地面严重变色。.jpg

澳大利亚的温根山煤火在地下已经燃烧了约6000年,地面严重变色。


煤炭被誉为“工业的粮食”,为工业革命以来的人类贡献良多。其实早在人类规模化利用煤炭前,煤炭自燃形成的大火已经普遍存在了。这也许会让很多读者困惑:深埋地下的煤炭就这么容易被点着吗?


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2005年,美国怀俄明州唐河附近,农场主雷欧·安可尼无奈地看着自家农场里的煤层火势。


煤层自燃每年把40吨水银排入空气

答案的确如此。除了露出地面的煤矿容易被野火、雷电和人为点燃外,某些地质构造形成的岩层裂隙增加了煤层的破碎程度和孔隙,让空气侵入煤矿带,改变了煤的透气性和导热性能,加上煤炭自身含有磷和硫等物质,煤层就非常容易发生自燃。有资料称在合适的颗粒度下,某些褐煤矿在低至40摄氏度时就会发生自燃。

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加拿大的著名煤火燃烧地——“冒烟山”


自燃后形成的火焰隐藏在地下深处的煤层和富氧裂缝中,犹如一头潜入粮仓的老鼠,面对煤海“大快朵颐”,几乎无法被遏制。人类开发煤炭的作业总会加剧火势,这些煤火一旦露头就展现出炼狱般的景象。

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印度加利亚煤矿,右侧煤层在燃烧,左侧的采掘机械在作业。


对在印度加利亚矿区煤火中拾煤块的孩子们来说,炼狱般的场景早已见怪不怪。.jpg

对在印度加利亚矿区煤火中拾煤块的孩子们来说,炼狱般的场景早已见怪不怪。


美国地质调查局地质学家马克·恩格尔说:“世界上每个煤炭盆地都有大火散发出伤害你的各种有机化合物,但除非你住在附近,否则你永远都不会看到它们。”煤火不仅每年白白烧掉数十亿吨煤炭,还肆意地把大量一氧化碳和二氧化硫等有毒气体排入大气。据2010年的美国《时代》周刊报道,煤层自燃每年将40吨汞(俗称水银)排入空气,排放的二氧化碳占全球排放量的3%。

人类扑灭地下煤火的尝试与玩“打地鼠”游戏很相似。尽管使用了种种技术和方法,但大型煤矿在地下跨度大,分布态势复杂,加上地质结构形态多样,复燃极易发生,扑灭成本很高甚至不可承受。即使是“不差钱”的美国,迄今已在遏制煤层自燃方面投入了十几亿美元,仍然有时不得不放弃努力而听之任之。


煤层自燃大火是“全球性灾难”

世界上几乎所有产煤国都不同程度地存在地下煤层燃烧现象,因此,煤火又被称为没有地理界限的“全球性灾难”,其中以印度、美国、澳大利亚、印尼、中国、德国和东欧等这些煤炭储量丰富的国家和地区形势最为严峻。


美国洛克希德·马丁公司发射的伊克诺斯卫星拍摄的煤层火灾3D图像.jpg

美国洛克希德·马丁公司发射的伊克诺斯卫星拍摄的煤层火灾3D图像


印度尼西亚的煤火很多源自“人祸”,因为当地民众为了种植橡胶树和棕榈树等经济作物,长期以来有烧林以清理土地的习惯,露出地表的煤层经常被点燃。2000年,专家们在美国期刊《环境科学与技术》上发表了两年前通过实地调查获得的数据取样:他们手持GPS设备,在加里曼丹岛附近100公里长的道路两边两公里范围内定位了125处煤火。结合该国已知的煤炭储藏量,专家们通过数据模型估计出1998年印尼全境发生的煤层着火点约为25万处。

森特里亚煤层大火则是北美大陆煤火中的“一朵奇葩”,起火原因至今仍有争议。没有争议的是,煤火使得原来上千人的宾夕法尼亚州小镇森特里亚变成了如今不到10人的“鬼镇”。在1962年5月森特里亚煤层起火后,当局在20年间尝试了多次扑灭计划却无果而终。从上世纪80年代初开始,专业人士开始对煤火的有害副产品——一氧化碳等开始关注,一些迹象也使当地百姓愈发感觉当地已非久留之地。

一位加油站老板将量油尺探入自己的地下油箱中检查燃油余量时,感觉量油尺很热。于是他用一根细绳绑住温度计放到油箱中测温,震惊地发现油箱中的汽油温度高达77.8摄氏度。1981年,12岁的托德·多姆博斯基在自家后院险些坠入一个突然出现在脚下的深沟中,他紧紧抓住手边的树根才没有掉进这道深46米的深沟,直到表哥过来把他救出去。事后测量表明,深沟里冒出的蒸汽里含有的一氧化碳足以致命。

1983年,政府官员们放弃了扑灭森特里亚小镇煤火的念头,因为这项工作的支出过于高昂,预计花费超过6亿美元。国会次年拨款4000多万美元动员小镇居民搬走。从那时起,绝大部分居民远走他乡,到2017年只有5人还在坚守故土。

美国宾夕法尼亚州“鬼镇”森特里亚的61号公路因为地下煤火四分五裂,蒸汽缭绕,成为旅游爱好者的“打卡圣地”。.jpg

美国宾夕法尼亚州“鬼镇”森特里亚的61号公路因为地下煤火四分五裂,蒸汽缭绕,成为旅游爱好者的“打卡圣地”。


至今森特里亚煤火仍在地下90米处一条长13公里的煤层中燃烧,按当前的速度它可能还要燃烧250年。不过有趣的是,“鬼镇”近些年来总不乏来访者,因为当地烫脚的公路和随处可见的袅袅蒸汽对许多游客很有吸引力。

与“鬼镇”森特里亚相比,印度东部贾坎德邦的加利亚煤矿要不幸得多,当地数十万人至今生活在煤火造成的生态灾难中。加利亚煤田是印度最重要的炼焦煤产区,由23个大型地下煤矿和9个大型露天煤矿组成,估计储量近200亿吨,可是比这片富得流油的矿区更闻名的是肆虐矿区一个多世纪的煤火。自1916年这里发生第一场大火以来,尽管当局和矿山部门付出了诸多努力,但还是无法阻止火势的蔓延和地面的大幅沉降,煤火产生的浓烟导致附近许多居民患上了呼吸障碍和皮肤病。


波兰首创 用航空发动机扑灭地下煤火

煤层自燃的惨状并不意味着人类对所有的煤火都逆来顺受,一种名为GAG的设备从上世纪80年代以来被引入扑灭煤层自燃火灾现场,虽然显得较为小众,但还是给人们留下了深刻印象。

GAG是波兰语“矿山灭火设备”的缩写,上世纪70年代出现在波兰,专为煤层自燃和矿山火灾而生。该设备的主体部分是苏联设计的农用航空发动机,完全组装后长约12米、重2.5吨左右,其运行原理简单而粗暴:发动机工作时,空气被吸入燃烧室中和煤油混合被火花塞点燃,在7米长的燃烧管路中经过一级和二级燃烧,将几乎所有的氧气消耗掉,在末端排出前还被加入热水(每小时18.5吨),最后得到的高度惰性化的废气(含蒸汽、氮和二氧化碳的混合物),从而用来灭火。GAG装置每秒可制造25立方米的惰性化废气,如此高产出的代价就是每小时1600升的油耗。

GAG装置问世后引起了煤层自燃重灾区——澳大利亚的注意。澳大利亚有着世界上已知最古老的煤层自燃火灾——温根山煤火,迄今已经燃烧了大约6000年,火势目前仍以每年1米的速度在地下30米处移动。1998年澳大利亚引进了该技术,昆士兰州矿业救援局和联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合开发了一套GAG-3A装置,将其投入到当地的煤火扑灭工作中。最引人注目的是在2000年,技术人员使用GAG装置在昆士兰州的布莱尔阿索尔煤矿扑灭了燃烧54年的煤火。2003年新西兰派克河矿难发生后,昆士兰州矿山救援局携带GAG设备投入到派克河煤矿的灭火工作中,也取得了良好的成效。

早在1982年,波兰中央矿业学院与美国矿业机构在宾夕法尼亚州开展过GAG设备的测试观摩,不过当时美方尚未接受这一技术。直到20年后的2003年,美国西弗吉尼亚州的洛夫里奇的地下煤火烧了两个多月后,所有的扑灭措施均告失败,当地遂向澳大利亚昆士兰州矿山救援局求援。昆士兰州矿山救援局携设备前往洛夫里奇煤矿,与美方人员合作将设备安装在煤矿一个入口处,在做好了密封工作后启动设备送入废气,技术人员在现场不断地分析矿井内的空气成分和监控设备运行。经过10天的努力,矿井内的火势最终被控制和永久密封。

2003年,在美国西弗吉尼亚州的洛夫里奇地下煤层火灾中运行的“矿山灭火设备”。.jpg

2003年,在美国西弗吉尼亚州的洛夫里奇地下煤层火灾中运行的“矿山灭火设备”。


近些年来的实际使用证明,GAG设备有一定的实用效果,但也有其应用局限。专业文献披露,该设备能奏效还取决于多个重要条件,例如必须对地下结构实施有效密封,设备不能在高于90摄氏度的环境下工作,以及目前广泛应用的“长壁式采煤矿井”中的煤火需要更长时间的送气等。也许正是这些限制因素,使得目前世界上只有三个国家(澳大利亚、荷兰和乌克兰)在使用GAG设备扑灭煤层自燃火灾。

2005年一套“矿山灭火设备”(GAG)在挪威斯匹茨卑尔根岛进行煤层灭火作业中。.jpg

2005年一套“矿山灭火设备”(GAG)在挪威斯匹茨卑尔根岛进行煤层灭火作业中。


扑灭煤火要多种技术组合使用

在煤层着火点埋藏较浅且面积较小时,能使用挖掘机、推土机等机械设备直接挖除火源,将正在燃烧的可燃物全部挖走。可是,这种几乎发生在地表的煤火实在太少了,大部分煤火都是在几十米甚至数百米的地下,需要多种技术来协同灭火。

目前以美国为代表的西方国家采用的煤层自燃灭火技术包括灭火泡沫和注浆技术等。例如由得克萨斯州约书亚市的压缩空气泡沫系统公司(CAFSCO)使用的灭火泡沫,该泡沫可以深入地下的裂缝、断层和矿井隧道中窒息火势。而注浆技术则是通过向地下注入低温液化气体(使用二氧化碳和氮等吸收燃烧所需的热能,同时产生惰性化气体)。尽管这类较新的技术有时能奏效,但有时也会失败,而且在许多情况下这类技术的成本都不低。因此,需要与其他技术方法结合使用。

高膨胀率灭火泡沫设备也是美国等国家扑灭地下煤火的常用设备,图中设备每分钟能产生510立方米的泡沫。.jpg

高膨胀率灭火泡沫设备也是美国等国家扑灭地下煤火的常用设备,图中设备每分钟能产生510立方米的泡沫。


我国作为煤炭资源大国,56%的煤层存在自燃火灾。以新疆煤田的灭火经验为例,我国通常采用的煤层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。用这些方法,从1958年到2018年的60年间,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,减排温室气体近4亿吨。


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新疆是我国煤层自燃的高发地


把煤火热能转变为清洁电能

既然大多数的煤层自燃很难甚至无法被扑灭,即便扑灭往往代价也极大。那么,是否可以通过“捕捉”地下煤火释放的可燃性气体(比如氢和一氧化碳等),从而间接地实现这些煤矿的资源化利用呢?在本世纪初,英国等国家有过类似的地下煤炭气化操作探讨,由于实验表明这种做法会增加温室气体排放和污染地下水,出于环境顾虑,业界对此争议很大。

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新疆是我国煤层自燃的高发地,也是煤火资源化利用的试验场。


对地下煤火开展更安全的资源化利用,近几年的技术突破出现在中国。2016年起,中国矿业大学周福宝教授的团队从热能利用的视角,将煤火防治与资源化利用协同考虑。研究团队研发了“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。

这种发电技术的思路是这样的: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,从而形成稳定而持续的电流。这个系统在温差高于20摄氏度时即可应用。

据报道,该发电系统已在新疆乌鲁木齐大泉湖煤田火区实现工程应用。2018年,这里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。同时热能利用可降低火区温度,进而减少灭火用水,节约水资源35.8万吨。如此操作,既解决了工区用电问题,又加快了灭火进程并节约水资源。英国皇家工程院院士、国际火灾安全科学学会副主席卡伦评价说,这项将煤田火区热能转变为清洁能源的新技术,是世界煤火防治利用领域的突破。


(本文写作中参考了《时代》周刊、英国《卫报》、美国《地球》杂志、《美国国家地理》杂志等网站的信息,在此一并致谢!)




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责编:崔悦

网编:李东华