宮有壽，李廣強(qiáng)，王曉軍，張愛(ài)桃，辛　亞，陳文英，郭妙玲，宮　正，王亞文，李茹夢(mèng)

(1.山西綠巨人環(huán)境科技有限公司，山西　太原　030000； 2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西　太原　030006；3.山西省林業(yè)技工學(xué)校，山西　太原　030009； 4.北京理工大學(xué)，北京　100081；5.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西　太原　030006)

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·試驗(yàn)研究·

適應(yīng)性管理下的自燃矸石山治理
——以烏海美方礦為例

宮有壽1，李廣強(qiáng)1，王曉軍2，張愛(ài)桃3，辛亞2，陳文英2，郭妙玲2，宮正4，王亞文5，李茹夢(mèng)2

(1.山西綠巨人環(huán)境科技有限公司，山西太原030000； 2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；3.山西省林業(yè)技工學(xué)校，山西太原030009； 4.北京理工大學(xué)，北京100081；5.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006)

摘要：自燃矸石山生態(tài)治理的目標(biāo)是徹底滅火不復(fù)燃。筆者基于適應(yīng)性管理思想，提出自燃矸石山熱量聚散梯度原理，并運(yùn)用系統(tǒng)理論、耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同論觀點(diǎn)，建立了一套針對(duì)美方礦自燃矸石山的滅火、防復(fù)燃與監(jiān)測(cè)體系。研究表明，要達(dá)到徹底滅火防復(fù)燃的目標(biāo)，打破熱量聚集的物理?xiàng)l件是關(guān)鍵。筆者提出自燃矸石山熱量聚散梯度理念，可為今后自燃矸石山的治理提供新思路。關(guān)鍵詞： 煤矸石山； 自燃； 滅火； 防復(fù)燃； 適應(yīng)性管理

自燃矸石山的滅火防復(fù)燃是國(guó)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境治理中的一個(gè)難點(diǎn)。目前，國(guó)外在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于采用合理的排矸方式，鮮有煤矸石山自燃的相關(guān)報(bào)道。然而，國(guó)內(nèi)煤礦在露天與井工開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量煤矸石，未經(jīng)處理，隨意堆放，導(dǎo)致自燃現(xiàn)象頻發(fā)，治理難度極大。許多研究表明，煤矸石山的自燃是一個(gè)復(fù)雜多變的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，由內(nèi)部可燃物含量與外部供氧條件共同作用導(dǎo)致。因此，滅火的關(guān)鍵是有效地去除煤矸石中的煤和黃鐵礦，切斷供氧條件，采用覆蓋法、挖除法、控制燃燒法、低溫惰性氣體法進(jìn)行滅火。分析不同滅火技術(shù)的適用條件，對(duì)不同自燃矸石山采取有針對(duì)性的集成滅火技術(shù)，可以有效降低其復(fù)燃的可能性。

本研究在烏海美方礦自燃矸石山進(jìn)行，探索在適應(yīng)性管理理論指導(dǎo)下自燃矸石山治理的新思路以及相應(yīng)的技術(shù)措施。

1研究區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏海市海勃灣區(qū)美方礦矸石山，屬半沙漠干旱高原大陸性氣候，干燥多風(fēng)，年平均降水量為166.9 mm，蒸發(fā)量大；土質(zhì)貧瘠，肥力低下，生態(tài)脆弱，植被類(lèi)型單一，且分布極不均勻。其中，治理區(qū)矸石山總面積為152.4 hm2，地勢(shì)北高南低，東高西低。西北部約11.8 hm2的矸石山自燃尤其嚴(yán)重，治理難度極大。

1.2研究方法

適應(yīng)性管理主要是針對(duì)復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)的不確定性、動(dòng)態(tài)性、非線性等特征，對(duì)資源進(jìn)行管理的一種理念，其核心是“從干中學(xué)”。矸石山是一個(gè)由若干相互聯(lián)系的內(nèi)外要素以一定的結(jié)構(gòu)和形式構(gòu)成的不斷變化的復(fù)雜系統(tǒng)，它不斷與周?chē)h(huán)境發(fā)生著物質(zhì)、能量、信息的傳遞與交流，一定條件下會(huì)導(dǎo)致自燃的發(fā)生。自燃矸石山是一個(gè)典型的開(kāi)放系統(tǒng)，具有不確定性、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性等特征，可采用適應(yīng)性管理方法進(jìn)行治理。

為了達(dá)到自燃矸石山徹底滅火不復(fù)燃的目標(biāo)，筆者基于適應(yīng)性管理理念，建立了一套監(jiān)測(cè)管理過(guò)程體系(見(jiàn)圖1)。運(yùn)用火情系統(tǒng)診斷程序全面掌握矸石山火情特征，在此基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的集成滅火技術(shù)和系統(tǒng)防復(fù)燃技術(shù)。在后期對(duì)溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，定期對(duì)火情風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并將監(jiān)測(cè)、評(píng)估結(jié)果反饋到自燃矸石山滅火與防復(fù)燃的治理與維護(hù)中，實(shí)時(shí)調(diào)整方案，消除安全隱患。

圖1　基于適應(yīng)性管理的自燃矸石山滅火、防復(fù)燃與監(jiān)測(cè)過(guò)程

2研究結(jié)果與分析

2.1系統(tǒng)滅火理念與技術(shù)

2.1.1熱量聚散梯度原理

自燃堆放的矸石山，其內(nèi)部存在多種可燃物質(zhì)，發(fā)熱條件具備時(shí)，會(huì)在復(fù)雜的物化反應(yīng)作用下產(chǎn)生熱量，并向四周擴(kuò)散。如果發(fā)熱條件持續(xù)存在，發(fā)熱區(qū)的熱量不斷積累，會(huì)形成一個(gè)明顯的蓄熱區(qū)域，該區(qū)域外側(cè)散熱大于蓄熱，內(nèi)部蓄熱大于散熱，蓄熱超過(guò)一定閾值就會(huì)導(dǎo)致矸石山自燃。

通過(guò)對(duì)自燃區(qū)域進(jìn)行水平和垂直測(cè)溫，確定蓄熱區(qū)域，有針對(duì)性地選擇相應(yīng)的集成滅火工藝，并實(shí)施滅火作業(yè)(挖除滅火、開(kāi)溝注漿滅火、深孔注漿滅火、環(huán)坡腳封閉滅火、坡面全封閉滅火等)。滅火后，在山體整形與后期溫度持續(xù)監(jiān)測(cè)防復(fù)燃過(guò)程中，該原理依然有效。依此原理指導(dǎo)施工作業(yè)(見(jiàn)圖2)，可達(dá)到矸石山徹底滅火防復(fù)燃的目標(biāo)。

圖2　熱量聚散梯度原理指導(dǎo)下的滅火過(guò)程

該原理主要有以下特征：

1) 熱量聚散區(qū)域存在明顯的水平與垂直分布規(guī)律。這一規(guī)律在美方礦新排放的、堆放時(shí)間長(zhǎng)的且山體穩(wěn)定的矸石山表現(xiàn)極顯著，而對(duì)于老矸石山不顯著。

2) 聚熱區(qū)域是矸石山最先發(fā)生自燃的區(qū)域，自燃發(fā)生后該聚熱區(qū)域逐漸向外擴(kuò)大，形成熱量擴(kuò)散梯度。

3) 聚熱區(qū)域的范圍還隨坡度、坡長(zhǎng)、堆積結(jié)構(gòu)、堆積成分、自燃階段等因素而變化，具有復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不可控性。

由此可見(jiàn)，自燃矸石山是一個(gè)自組織系統(tǒng)，具有耗散結(jié)構(gòu)的特征，在內(nèi)部協(xié)同作用與外界環(huán)境因素的隨機(jī)干擾下，蓄熱區(qū)的熱量會(huì)發(fā)生漲落。為了使自燃矸石山自組織系統(tǒng)進(jìn)入持續(xù)不升溫的有序可控狀態(tài)，關(guān)鍵要打破熱量聚集的所有物化因素，防止蓄熱條件的再次形成，保證自燃矸石山徹底滅火永不復(fù)燃。同時(shí)，依據(jù)該原理指導(dǎo)矸石山進(jìn)行生態(tài)綜合治理，可以有效降低施工成本，為后續(xù)生態(tài)重建奠定基礎(chǔ)。

2.1.2系統(tǒng)滅火技術(shù)

根據(jù)美方礦自燃煤矸石山的火情特征以及蓄熱區(qū)的不同位置，將其劃分為挖方區(qū)、填方區(qū)、中部區(qū)，因地制宜地采取相應(yīng)的集成滅火技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)徹底滅火。

在施工過(guò)程中，將美方礦矸石山高度在基準(zhǔn)標(biāo)高以下的部位稱為填方區(qū)，該區(qū)域在滅火時(shí)，主要采用“田”字形開(kāi)溝注漿與分層覆沙碾壓相結(jié)合的滅火技術(shù)。首先，針對(duì)火源較深、高溫區(qū)面積較大的區(qū)域，環(huán)坡角開(kāi)挖，進(jìn)行注漿滅火，直至水不再下滲，溫度持續(xù)下降。然后，將沙子、粉煤灰、石灰等，每隔6 m覆蓋1層，并進(jìn)行碾壓夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.97，見(jiàn)圖3.將該技術(shù)用于填方區(qū)的滅火，可有效降低施工成本，縮短工期，防止復(fù)燃。

圖3　分層覆沙碾壓滅火示意圖

矸石山基準(zhǔn)標(biāo)高以上的部位稱為挖方區(qū)，對(duì)于該區(qū)域的自燃現(xiàn)象，首先應(yīng)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，確定火區(qū)分布范圍及位置，明確特殊處理區(qū)域，針對(duì)燃燒穴采用挖除滅火技術(shù)，待矸石溫度降至40 ℃以下時(shí)進(jìn)行回填。

在美方礦自燃矸石山的滅火過(guò)程中，應(yīng)配套實(shí)施環(huán)坡角封閉與坡面全覆蓋技術(shù)，從而確保矸石山的滅火效果，防止復(fù)燃。

2.2系統(tǒng)防復(fù)燃理念與技術(shù)

2.2.1耗散結(jié)構(gòu)理念

自燃矸石山與周?chē)沫h(huán)境時(shí)刻發(fā)生著物質(zhì)、能量交換，徹底滅火后如果自燃條件具備，仍可能發(fā)生自燃。因此，自燃矸石山的治理應(yīng)采取系統(tǒng)方法，利用坡面整形以保障滅火效果的持續(xù)，并與后期的植被恢復(fù)相結(jié)合，以使山體穩(wěn)定并斷絕一切復(fù)燃的條件。

2.2.2多級(jí)隔坡反臺(tái)坡體整形技術(shù)

美方礦在露天開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)生大量的大粒徑矸石、煤層頂板廢棄物和表層的土石混雜物，這些渣石在未經(jīng)處理的情況下，隨意堆放，治理難度極大。為此，必需在分層覆沙碾壓等滅火的同時(shí)，按多級(jí)隔坡反臺(tái)整形技術(shù)進(jìn)行坡體整形。

此項(xiàng)技術(shù)是將倒坡式排矸形成的矸石山坡面自上而下整形成隔坡與反臺(tái)依次相間的多級(jí)矸石山山體?！案羝隆敝秆氐雀呔€將原坡面分割后的坡面；“反臺(tái)”指在隔坡間人工設(shè)置的階面，且階面微向內(nèi)傾斜2°.通過(guò)整形的方式減緩矸石山的坡度，減短隔坡坡長(zhǎng)。坡度與坡長(zhǎng)的控制不僅減輕了可能引起滑動(dòng)的土體載荷，而且可以使矸石得到一定程度的壓實(shí)，減小了空隙率，降低了氧氣的進(jìn)入量，使得矸石山不易復(fù)燃，鞏固了滅火效果。同時(shí)，矸石山的整形又可以減輕沖刷侵蝕，山體穩(wěn)定性良好，為植被覆蓋創(chuàng)造了良好條件。美方礦的部分坡體整形工程是與滅火施工結(jié)合進(jìn)行的，在挖除火源時(shí)，可順勢(shì)設(shè)置反臺(tái)，減少工程量，并將隔坡長(zhǎng)度控制在10 m左右，坡面坡度控制在25°以下，確保矸石山的穩(wěn)定。

多級(jí)隔坡反臺(tái)坡體整形技術(shù)還應(yīng)配套防洪—蓄水系統(tǒng)、柔性坡腳、微地形、土矸混合等一系列工程措施(見(jiàn)圖4)。之后的植被恢復(fù)與其配合可起到防復(fù)燃的作用。為了保持水土不被沖刷形成沖溝、裂縫等引起氧氣進(jìn)入，可適當(dāng)種植本地抗性強(qiáng)、根系淺的低矮的鄉(xiāng)土植物，使植被覆蓋率達(dá)到90%以上，同時(shí)起到遮陰、保濕和固土的作用。

圖4　一級(jí)隔坡與反臺(tái)示意圖

2.3持續(xù)火情監(jiān)測(cè)理念及技術(shù)

2.3.1適應(yīng)性管理理念

在控制論等系統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，將適應(yīng)性管理貫穿于自燃矸石山滅火和防復(fù)燃施工后的長(zhǎng)期火情監(jiān)測(cè)過(guò)程中，形成基于熱量聚散梯度原理的火情風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、評(píng)估與反饋體系。該體系主要是對(duì)矸石山不同區(qū)域的溫度進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握水平和垂直方向上的溫度狀態(tài)；定期對(duì)監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行全面評(píng)估；將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定期評(píng)估有機(jī)結(jié)合，分析火情風(fēng)險(xiǎn)和可能存在的威脅因素；及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)體系，反饋并實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整措施，確保永不復(fù)燃。

2.3.2監(jiān)控與反饋技術(shù)

在美方礦矸石山滅火防復(fù)燃治理的后期，至少需要為期2 a的監(jiān)測(cè)，即按不同的密度，布設(shè)一定數(shù)量的熱電偶，對(duì)地溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以掌握矸石山內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)。根據(jù)美方礦矸石山的不同情況，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為全面監(jiān)測(cè)區(qū)、機(jī)械抽樣監(jiān)測(cè)區(qū)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)。全面監(jiān)測(cè)區(qū)域主要指美方礦自燃矸石山治理區(qū)內(nèi)的全部坡面以及由坡腳垂直向內(nèi)延伸20 m直至平臺(tái)的區(qū)域。由于該區(qū)域覆蓋面積廣，且滅火徹底，所以按照6 m×6 m的密度布設(shè)溫度采樣點(diǎn)，并將監(jiān)測(cè)深度確定為4 m.機(jī)械抽樣監(jiān)測(cè)區(qū)主要是針對(duì)大平臺(tái)有人工設(shè)施的區(qū)域，隨機(jī)選取一定間隔的測(cè)溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，詳細(xì)記錄觀測(cè)溫度的動(dòng)態(tài)變化。針對(duì)美方礦矸石山山體變形部位與具有臨時(shí)動(dòng)土的區(qū)域?qū)嵤┲攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)，測(cè)溫點(diǎn)的鋪設(shè)密度為3 m×3 m，監(jiān)測(cè)深度為6 m.在監(jiān)測(cè)過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀與熱電偶分別對(duì)地表與矸石山內(nèi)部的溫度進(jìn)行勘測(cè)。

在溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，收集和分析每日的溫度變化，監(jiān)測(cè)溫度是否有異常。定期對(duì)矸石山整體的溫度特征進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，預(yù)測(cè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，并提出調(diào)整建議，形成評(píng)估報(bào)告。當(dāng)?shù)販氐娜兆兓食^(guò)1%，或地溫與觀測(cè)到的最低溫度值之間的變化率超過(guò)5%時(shí)，應(yīng)按相應(yīng)的應(yīng)急處置方案及時(shí)采取措施，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步觀察，做好降溫處置。對(duì)地表動(dòng)土、山體變形區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格的巡查，及時(shí)更換失效設(shè)備。建議2年后仍長(zhǎng)期維持該火情持續(xù)監(jiān)測(cè)體系。

3結(jié)論與建議

自燃矸石山是一個(gè)復(fù)雜開(kāi)放的系統(tǒng)，具有不確定性、非線性、動(dòng)態(tài)性等特性，符合耗散結(jié)構(gòu)特征。筆者結(jié)合烏海市美方礦自燃矸石山的現(xiàn)狀，基于適應(yīng)性管理思想，提出自燃矸石山熱量聚散梯度原理，并運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同論觀點(diǎn)，建立了一套針對(duì)美方礦自燃矸石山的滅火防復(fù)燃治理與監(jiān)測(cè)管

理體系。

1) 針對(duì)自燃煤矸石山的熱量分布特征，提出了熱量聚散梯度原理，明確滅火防復(fù)燃的關(guān)鍵是打破熱量聚集條件。根據(jù)火情特征與蓄熱區(qū)位置，因地制宜地實(shí)施分層覆沙碾壓、“田”字形開(kāi)溝注漿等集成壓火技術(shù)；并配套環(huán)坡角封閉與坡面全覆蓋技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)徹底滅火不復(fù)燃。

2) 自燃矸石山滅火、坡體整形與植被恢復(fù)具有協(xié)同關(guān)系。要求系統(tǒng)滅火與整形作業(yè)同時(shí)施工，滅火的同時(shí)，采用多級(jí)隔坡反臺(tái)坡體整形及其配套技術(shù)，將隔坡長(zhǎng)度控制在10 m內(nèi)，反臺(tái)向內(nèi)傾斜2°，坡體控制在25°以下，確保矸石山的穩(wěn)定，并用植被進(jìn)行覆蓋，杜絕復(fù)燃的可能性。

3) 將適應(yīng)性管理貫穿于自燃矸石山滅火和防復(fù)燃施工后的持續(xù)火情監(jiān)測(cè)過(guò)程中，構(gòu)建火情風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、評(píng)估與反饋體系，可有效地對(duì)矸石山進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定期評(píng)估，預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，及時(shí)提出應(yīng)急處置方案，維持滅火效果。

在適應(yīng)性管理理念的指導(dǎo)下，美方礦自燃矸石山的治理取得了明顯的環(huán)境效益。表明該思路在經(jīng)濟(jì)上是可行有效的，在技術(shù)上是實(shí)用的。然而，自燃矸石山治理的復(fù)雜性決定了此類(lèi)研究需要不斷深入，具體問(wèn)題具體分析，才能進(jìn)一步改進(jìn)和完善該理論與方法。

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[6]魏宏森.系統(tǒng)論[M].北京:世界圖書(shū)出版公司,2009.

Spontaneous Combustion Coal Gangue Hill Treatment under Adaptive Management:A case in Meifang Mine of Wuhai

Gong Youshou1， Li Guangqiang1， Wang Xiaojun2， Zhang Aitao3， Xin Ya2，Chen Wenying2， Guo Miaoling2， Gong Zheng4， Wang Yawen5， Li Rumeng2

(1.LvJuRenEnvironmentalScienceandTechnologyLtd,Taiyuan030000,China; 2.CollegeofEnvironmentandResources,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China; 3.ShanxiForestryTechnicalSchool,Taiyuan030009,China;4.BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 5.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

Abstract：The precondition of controlling coal gangue hills with spontaneous combustion is fully extinguished and no after-combustion again. Based on the theory of adaptive management, the principle of heat accumulation-spread gradient for coal gangue hills ecological treatment was put forward. Combining with the System Theory, Dissipative Structure Theory and Synergy Theory, a set system for extinguishing, controlling and monitoring in spontaneous combustion coal gangue hills of Meifang coal mine was established. The research results showed that, breaking the heat accumulation conditions was the key to achieve the goal of fire extinguishing and prevent after-combustion. The principle of heat accumulation-spread gradient can be used to control coal gangue hills with spontaneous combustion.

Key words：Coal gangue hill; Spontaneous combustion; Fire extinguishing;Prevent after-combustion; Adaptive management

中圖分類(lèi)號(hào)：TD753

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-726X(2016)01-0001-04

通訊作者：王曉軍(1968—)，男，山西絳縣人，2007年畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，副教授。

作者簡(jiǎn)介：宮有壽(1968—)，男，山西繁峙人，1991年畢業(yè)于北京林業(yè)大學(xué)，注冊(cè)會(huì)計(jì)師。

收稿日期：2016-01-18