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        煤田地火:沒有地理界限的災(zāi)難

        2010-12-31 00:00:00馬志飛
        百科知識(shí) 2010年22期

        美國賓夕法尼亞州費(fèi)城西北部160千米處,有一個(gè)名叫桑塔利亞的地方,原本是一個(gè)只有1萬多居民的美麗小鎮(zhèn),后來有人在這里發(fā)現(xiàn)了煤炭資源,采礦給小鎮(zhèn)帶來了富裕和繁華,卻也帶來了一場災(zāi)難。1962年5月,有人在廢棄的礦坑里發(fā)現(xiàn)了微微燃燒的火苗,從那以后,這里的火苗再也沒有熄滅過。雖然當(dāng)?shù)鼐用癫捎孟虻叵鹿嗨⒆⑷肷巴恋榷喾N方法與大火作斗爭,但都無濟(jì)于事,最后不得不背井離鄉(xiāng),任其自生自滅。后來,這座小鎮(zhèn)被媒體評(píng)為“各種災(zāi)難催生的十大‘鬼城’”之一。

        不只是美國如此,更可怕的煤火發(fā)生在我們中國。近日,美國媒體公布了全球仍在繼續(xù)的五大生態(tài)災(zāi)難,“中國煤火”榜上有名,其余四種分別為尼日利亞漏油事件、海地森林采伐、烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦之間咸??s小和東太平洋垃圾區(qū)。

        煤炭,被譽(yù)為“工業(yè)的糧食”,是人類歷史上最古老的化石燃料,為何也會(huì)給我們帶來災(zāi)難呢?“中國煤火’到底有多可怕?接下來,讓我們慢慢揭開這其中的秘密。

        野火燒不盡

        煤炭資源廣泛分布于世界上70多個(gè)國家和地區(qū),但主要集中在俄羅斯、美國、中國、澳大利亞、印度、德國、南非和波蘭等10個(gè)國家。其中,中國查明資源總量約1萬億噸,居世界第三位,分布面積約60多萬平方千米,占國土面積的6%左右,全國2300多個(gè)縣(市)中,一半以上的縣(市)境內(nèi)都有煤炭資源,但煤炭分布的總體格局是北多南少、西富東貧,大致以昆侖一秦嶺一大別山一線為界,該線以北的我國北方省區(qū)煤炭資源量之和占全國煤炭資源總量的90%以上,且主要分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆四省區(qū),其余各省不足10%。

        有煤炭分布的地方,就會(huì)有自燃發(fā)生的危險(xiǎn)。因此,世界各地的煤田都面臨著煤層自燃這一天敵,它“比毒蛇更光滑,比幽靈更莫測,它想去哪兒,凡人是攔不住的”。此起彼伏的煤田地火,有時(shí)候呈現(xiàn)點(diǎn)狀火源,有時(shí)候卻是“火燒連營”,成片出現(xiàn),給煤礦的安全生產(chǎn)造成了極大困擾。

        事實(shí)上,在人類大規(guī)模開采使用煤炭資源以前,它就開始自發(fā)燃燒了。在我國新疆,學(xué)者們根據(jù)第四系黃土中發(fā)現(xiàn)的燒變巖碎片等資料推斷,這里的一些煤田早在幾十萬年前就已經(jīng)起火了。

        據(jù)媒體報(bào)道,內(nèi)蒙古烏海煤田,自1962年起開始燃燒,至今這里的地火已經(jīng)持續(xù)了近半個(gè)世紀(jì),覆蓋了長達(dá)4800千米的區(qū)域,整個(gè)烏達(dá)煤田的火區(qū)總面積占整個(gè)煤田面積的10%,造成的損失達(dá)幾十億。

        目前,中國有50多處煤田火區(qū)晝夜燃燒,燃燒面積達(dá)720平方千米,每年經(jīng)濟(jì)損失約40億元?!睹旱V安全生產(chǎn)“十一五”規(guī)劃》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國大中型煤礦中,自燃危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重的占72.9%。國有重點(diǎn)煤礦中,具有自燃危險(xiǎn)的礦井占47.3%。小煤礦中,具有自燃危險(xiǎn)的礦井占85.3%。

        自燃之謎

        很多人可能會(huì)覺得疑惑:好端端的煤田,為何會(huì)自己著火呢?其實(shí),地下煤層自燃的原因是多方面的,概括地說包括兩個(gè)方面:

        內(nèi)因,即煤自身的物質(zhì)成分引起的,煤中含有的炭、氫、氧、磷、硫等物質(zhì),都會(huì)對(duì)燃燒起到不同程度的貢獻(xiàn)。自燃的實(shí)質(zhì)是煤炭自身與空氣中的氧氣接觸,產(chǎn)生氧化反應(yīng)所致,氧化是煤炭自燃的主要原因。一般而言,煤中的氫、氧含量越高,煤炭越易自燃。煤層中磷的燃點(diǎn)很低,當(dāng)它在某一地段富集時(shí),在氧氣充足的條件下,首先發(fā)生燃燒,并引燃其他易燃物質(zhì),最終導(dǎo)致整個(gè)煤層燃燒。硫是一種助燃物質(zhì),且能夠與氧反應(yīng),釋放大量熱量,從而致使其他易燃物質(zhì)燃燒。

        外因,即褶皺、斷層等構(gòu)造條件的變化,這對(duì)煤層自燃具有一定的促進(jìn)作用,這些地質(zhì)構(gòu)造引起巖層裂隙、節(jié)理發(fā)育,增加了煤層的破碎性和孔隙率,使氧易侵入,改變了煤的透氣性和導(dǎo)熱性能,易于導(dǎo)致煤層自燃。而且人類的開采活動(dòng),破壞了煤層的完整性,加大了煤炭與空氣的接觸面積,也容易造成煤層自燃。因此,煤層露頭、儲(chǔ)煤場等地都是容易發(fā)生煤自燃的場所。

        地火的分布與危謇

        我國煤田火區(qū)主要分布在北緯35°-45°,總體趨勢是西強(qiáng)東弱,多分布于新疆、甘肅、寧夏、青海、陜西、內(nèi)蒙古、山西等省區(qū),其中新疆、內(nèi)蒙古最為嚴(yán)重。

        新疆的煤炭資源十分豐富,約占全國預(yù)測煤炭資源量的42%,居全國首位。與此同時(shí),新疆也是世界上煤田火災(zāi)最嚴(yán)重的地方之一,地下自燃火區(qū)分布廣泛,從北部的阿勒泰草原到南部的帕米爾高原都有發(fā)生。研究顯示,我國北方燃燒的煤田和礦區(qū)有62處,其中新疆境內(nèi)就有35處。

        內(nèi)蒙古也是我國最大的煤炭生產(chǎn)基地之一,近年來發(fā)現(xiàn)多處火區(qū)。據(jù)2009年上半年對(duì)各盟市煤田煤礦火區(qū)的調(diào)查,共查明火區(qū)230處、火點(diǎn)647個(gè),燃燒面積達(dá)6000多萬平方米。

        其實(shí),世界各地主要產(chǎn)煤國家都不同程度地面臨著煤層自燃災(zāi)害,據(jù)美國《時(shí)代》雜志報(bào)道,除了南極洲外,各大洲下面都有數(shù)千處地下煤火在燃燒。

        正因?yàn)槿绱?,美國阿拉斯加大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家安努馬·普拉卡斯將煤田地火形容為“沒有地理界限的世界性災(zāi)難”!這種災(zāi)難,從多個(gè)方面影響著我們的生活:

        首先,煤層自燃是一種極其嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。我國雖然是煤炭生產(chǎn)大國,卻也是煤炭消費(fèi)大國,現(xiàn)在我國每年消費(fèi)煤炭資源約30億噸,其中一部分還需要從海外進(jìn)口。但是,由于煤層自燃,我國的煤炭資源每年被直接燒掉3000萬噸,破壞2億噸,這些幾乎是我們整個(gè)國家一個(gè)月的煤炭用量。

        其次,煤層自燃威脅煤礦安全生產(chǎn)。煤層自燃火災(zāi)是世界煤炭生產(chǎn)中的一大突出災(zāi)害,也是影響煤礦安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。我國煤礦火災(zāi)十分嚴(yán)重,其中90%以上又是煤層自燃火災(zāi),如2003年1月11目發(fā)生在黑龍江省哈爾濱市方正縣寶興煤礦的特大火區(qū)瓦斯爆炸事故就與煤層自燃有關(guān),這起事故造成34人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失419萬元。事后查明,引起這場災(zāi)難的直接原因是煤層采空區(qū)封閉不嚴(yán),因裂隙漏風(fēng)造成采空區(qū)自燃,明火蔓延到密閉處之外,加之封閉火區(qū)內(nèi)的通風(fēng)安全措施不到位,致使瓦斯積聚達(dá)到爆炸條件,造成了瓦斯爆炸事故。

        不僅如此,自燃釋放的有毒氣體還嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的人身安全,如1999年4月11日在內(nèi)蒙古大嶺煤礦發(fā)生自燃火災(zāi)氣體中毒窒息事件,導(dǎo)致11名工人死亡。

        另外,煤層自燃還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。燃燒的煤炭不僅會(huì)排放出二氧化碳等大量溫室氣體,還會(huì)向空氣中釋放有害的化學(xué)物質(zhì),如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等。據(jù)估算,每燃燒100萬噸煤,平均要排放出2萬噸二氧化硫氣體、20萬噸灰渣和3萬噸煙塵。這些物質(zhì)不僅會(huì)危害人類健康,造成呼吸系統(tǒng)疾病等,排出的硫化物和氮氧化物等還會(huì)形成酸雨,進(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境,污染水源和土地。

        野外局部采樣分析表明,烏達(dá)煤田火區(qū)居民點(diǎn)附近的一氧化碳超過國家標(biāo)準(zhǔn)5,3倍,二氧化碳超過國家標(biāo)準(zhǔn)1.5倍,二氧化硫超過1.52倍,二氧化氮超標(biāo)2.2倍。

        探火與滅火

        要想撲滅煤田地火,首先要做的就是想方設(shè)法找到火區(qū)的位置和范圍。有時(shí)候,通過井下工作人員的報(bào)告能夠得到火源的一些信息,但是在大面積的煤田范圍內(nèi),如何才能摸清火區(qū)位置到底在哪兒,范圍又有多大呢?隨著遙感技術(shù)和地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)有很多高科技手段被應(yīng)用到該領(lǐng)域中。

        方法一:遙感法。我們知道,任何物體的溫度只要高于絕對(duì)溫度零度(-273℃),就會(huì)發(fā)出不同波長的電磁波,其波長與物體的溫度有關(guān)。地下煤層燃燒過程中釋放的熱量將改變地表原有的輻射特征,因此,觀測衛(wèi)星就能夠從宏觀上即大范圍面積內(nèi)發(fā)現(xiàn)高溫火區(qū)的位置。

        方法二:磁法。煤層及其頂、底板巖石中含有大量的鐵質(zhì)礦物,這些礦物在不受高溫作用時(shí)表現(xiàn)為一種弱磁場背景,當(dāng)煤層自燃時(shí)其頂、底圍巖受高溫烘烤,其中鐵質(zhì)礦物大部分轉(zhuǎn)變成為鐵磁性礦物,隨著燃燒后溫度的降低,冷卻后形成燒變巖,產(chǎn)生一種溫差剩磁,其磁性和圍巖會(huì)有明顯的磁性差。根據(jù)這種差異,可以利用高精度磁力儀探測煤層自燃的火區(qū)位置。

        方法三:電阻率法。這種方法的原理主要是依據(jù)煤層及頂部巖石的電阻率特性在煤層自燃造成的高溫環(huán)境下發(fā)生變化來進(jìn)行的。煤炭自燃后,煤層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和含水性會(huì)發(fā)生較大變化,其中非金屬物質(zhì)的電阻率將隨溫度的升高而降低,從而引起煤層和周圍巖石電阻率改變。

        方法四:溫度測量法。這種方法其實(shí)很簡單,就是通過測量溫度來尋找地下火源,常用的儀器有紅外測溫儀、熱成像儀等,這些儀器在美國、俄羅斯以及我國很多煤礦都有實(shí)際應(yīng)用。

        方法五:氣體測量法。煤炭在自燃過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體,如CO、CO2、SO2、CH4等。在井下或通過鉆孔測量這些氣體的濃度并結(jié)合井下實(shí)際情況,可以判斷出地下煤炭自燃的大致位置和范圍。

        方法六:氡氣測量法。氡氣是一種自然產(chǎn)生的放射性氣體,在地下深部普遍存在而且能夠通過巖石裂隙、斷裂等向地表遷移。在煤層及其周圍條件大體相同而地下某處煤層自燃時(shí),自燃區(qū)頂部的氡氣遷移率會(huì)增大。因此,在火區(qū)頂部氡氣的濃度值將高于非火區(qū)的氡氣濃度值。如果采用合適的方法探測并提取這一差異,就可在地表確定地下自燃煤層的位置與范圍。

        找到火區(qū)之后,接下來就需要千方百計(jì)地?fù)錅缢鼈?。我國的煤田滅火技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,可謂是久病成醫(yī)?,F(xiàn)如今,主要的煤火滅火技術(shù)有:直接剝離法、注水法、注漿法、覆蓋法、惰氣滅火法等,雖然各種方法的工作方式不同,但原理基本一致,都是要努力切斷煤層與氧氣的接觸,降低溫度,使之熄滅。

        在煤田地火埋藏較淺且面積較小的地方,一般是使用挖掘機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械設(shè)備直接挖除火源,將已經(jīng)燃燒或正在燃燒的可燃物全部挖走,這種方法能夠比較徹底地根除火區(qū)的危害。當(dāng)火區(qū)位于地下深部時(shí),一般采用注水、注漿法,即通過鉆孔向地下火區(qū)注水或灌注具有一定比例的泥漿,切斷火區(qū)與氧氣的連通渠道,降低煤層溫度,阻止煤炭進(jìn)一步氧化燃燒,從而熄滅火體。但是,由于液體的流動(dòng)性較大,注入地下深部的流體不一定會(huì)按照預(yù)定的方向流動(dòng),有時(shí)候會(huì)浪費(fèi)大量的泥漿和水而未能有效撲滅地火。倘若煤田火區(qū)范圍較小而且比較封閉,可以采用覆蓋法,即使用黃土充填覆蓋火區(qū)地表的裂縫、塌陷坑、廢棄井口等,封閉火區(qū),或采用惰性氣體滅火法,將不能燃燒的N2、NO2、CO2等氣體充入到密閉的煤田火區(qū)中,隔斷煤與氧氣的接觸,從而撲滅火源。

        滅火是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù),而且也不能做到一勞永逸,因此要保住滅火的成功戰(zhàn)果也是十分困難的事情,稍有疏忽就會(huì)死灰復(fù)燃。

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