燃燒數(shù)千年 撲滅難度大鮮為人知的環(huán)境災(zāi)難
——地下煤火
2020-06-29 01:05:00本刊主筆
環(huán)境與生活 2020年6期
本刊主筆
工業(yè)革命以來，蓬勃發(fā)展的科技力量給人們的生產(chǎn)生活帶來了翻天覆地的變化。然而，“水火無情”四個(gè)字表明，自然之力仍是懸在眾生頭頂?shù)倪_(dá)摩克里斯之劍。其中有一種火災(zāi)今天仍在除南極洲外的所有大陸上肆虐，而且人類還缺乏真正有效的手段來應(yīng)對，這就是在用濃煙烈火荼毒人居環(huán)境并侵蝕自然資源的煤層自燃大火。
印度加利亞煤礦，右側(cè)煤層在燃燒，左側(cè)的采掘機(jī)械在作業(yè)。
澳大利亞的溫根山煤火在地下已經(jīng)燃燒了約6000年，地面嚴(yán)重變色。
煤炭被譽(yù)為“工業(yè)的糧食”，為工業(yè)革命以來的人類貢獻(xiàn)良多。其實(shí)早在人類規(guī)模化利用煤炭前，煤炭自燃形成的大火已經(jīng)普遍存在了。這也許會讓很多讀者困惑：深埋地下的煤炭就這么容易被點(diǎn)著嗎？
煤層自燃每年把40噸水銀排入空氣
答案的確如此。除了露出地面的煤礦容易被野火、雷電和人為點(diǎn)燃外，某些地質(zhì)構(gòu)造形成的巖層裂隙增加了煤層的破碎程度和孔隙，讓空氣侵入煤礦帶，改變了煤的透氣性和導(dǎo)熱性能，加上煤炭自身含有磷和硫等物質(zhì)，煤層就非常容易發(fā)生自燃。有資料稱在合適的顆粒度下，某些褐煤礦在低至40攝氏度時(shí)就會發(fā)生自燃。
2005年，美國懷俄明州唐河附近，農(nóng)場主雷歐·安可尼無奈地看著自家農(nóng)場里的煤層火勢。
自燃后形成的火焰隱藏在地下深處的煤層和富氧裂縫中，猶如一頭潛入糧倉的老鼠，面對煤?！按罂於漕U”，幾乎無法被遏制。人類開發(fā)煤炭的作業(yè)總會加劇火勢，這些煤火一旦露頭就展現(xiàn)出煉獄般的景象。
美國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)學(xué)家馬克·恩格爾說：“世界上每個(gè)煤炭盆地都有大火散發(fā)出傷害你的各種有機(jī)化合物，但除非你住在附近，否則你永遠(yuǎn)都不會看到它們。”煤火不僅每年白白燒掉數(shù)十億噸煤炭，還肆意地把大量一氧化碳和二氧化硫等有毒氣體排入大氣。據(jù)2010年的美國《時(shí)代》周刊報(bào)道，煤層自燃每年將40噸汞（俗稱水銀）排入空氣，排放的二氧化碳占全球排放量的3%。
人類撲滅地下煤火的嘗試與玩“打地鼠”游戲很相似。盡管使用了種種技術(shù)和方法，但大型煤礦在地下跨度大，分布態(tài)勢復(fù)雜，加上地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)多樣，復(fù)燃極易發(fā)生，撲滅成本很高甚至不可承受。即使是“不差錢”的美國，迄今已在遏制煤層自燃方面投入了十幾億美元，仍然有時(shí)不得不放棄努力而聽之任之。
煤層自燃大火是“全球性災(zāi)難”
世界上幾乎所有產(chǎn)煤國都不同程度地存在地下煤層燃燒現(xiàn)象，因此，煤火又被稱為沒有地理界限的“全球性災(zāi)難”，其中以印度、美國、澳大利亞、印尼、中國、德國和東歐等這些煤炭儲量豐富的國家和地區(qū)形勢最為嚴(yán)峻。
印度尼西亞的煤火很多源自“人禍”，因?yàn)楫?dāng)?shù)孛癖姙榱朔N植橡膠樹和棕櫚樹等經(jīng)濟(jì)作物，長期以來有燒林以清理土地的習(xí)慣，露出地表的煤層經(jīng)常被點(diǎn)燃。2000年，專家們在美國期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》上發(fā)表了兩年前通過實(shí)地調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)取樣：他們手持GPS設(shè)備，在加里曼丹島附近100公里長的道路兩邊兩公里范圍內(nèi)定位了125處煤火。結(jié)合該國已知的煤炭儲藏量，專家們通過數(shù)據(jù)模型估計(jì)出1998年印尼全境發(fā)生的煤層著火點(diǎn)約為25萬處。
森特里亞煤層大火則是北美大陸煤火中的“一朵奇葩”，起火原因至今仍有爭議。沒有爭議的是，煤火使得原來上千人的賓夕法尼亞州小鎮(zhèn)森特里亞變成了如今不到10人的“鬼鎮(zhèn)”。在1962年5月森特里亞煤層起火后，當(dāng)局在20年間嘗試了多次撲滅計(jì)劃卻無果而終。從上世紀(jì)80年代初開始，專業(yè)人士開始對煤火的有害副產(chǎn)品——一氧化碳等開始關(guān)注，一些跡象也使當(dāng)?shù)匕傩沼l(fā)感覺當(dāng)?shù)匾逊蔷昧糁亍?/p>
美國賓夕法尼亞州“鬼鎮(zhèn)”森特里亞的61號公路因?yàn)榈叵旅夯鹚姆治辶眩羝澙@，成為旅游愛好者的“打卡圣地”。
美國阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校教授阿奴瑪·普拉卡什博士制作的全球煤層自燃火災(zāi)分布圖，圖中的紅點(diǎn)只是火勢嚴(yán)重的地區(qū)，實(shí)際起火點(diǎn)遠(yuǎn)不止于此。
2005年一套“礦山滅火設(shè)備”（GAG）在挪威斯匹茨卑爾根島進(jìn)行煤層滅火作業(yè)中。
一位加油站老板將量油尺探入自己的地下油箱中檢查燃油余量時(shí)，感覺量油尺很熱。于是他用一根細(xì)繩綁住溫度計(jì)放到油箱中測溫，震驚地發(fā)現(xiàn)油箱中的汽油溫度高達(dá)77.8攝氏度。1981年，12歲的托德·多姆博斯基在自家后院險(xiǎn)些墜入一個(gè)突然出現(xiàn)在腳下的深溝中，他緊緊抓住手邊的樹根才沒有掉進(jìn)這道深46米的深溝，直到表哥過來把他救出去。事后測量表明，深溝里冒出的蒸汽里含有的一氧化碳足以致命。
1983年，政府官員們放棄了撲滅森特里亞小鎮(zhèn)煤火的念頭，因?yàn)檫@項(xiàng)工作的支出過于高昂，預(yù)計(jì)花費(fèi)超過6億美元。國會次年撥款4000多萬美元?jiǎng)訂T小鎮(zhèn)居民搬走。從那時(shí)起，絕大部分居民遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)，到2017年只有5人還在堅(jiān)守故土。
至今森特里亞煤火仍在地下90米處一條長13公里的煤層中燃燒，按當(dāng)前的速度它可能還要燃燒250年。不過有趣的是，“鬼鎮(zhèn)”近些年來總不乏來訪者，因?yàn)楫?dāng)?shù)貭C腳的公路和隨處可見的裊裊蒸汽對許多游客很有吸引力。
與“鬼鎮(zhèn)”森特里亞相比，印度東部賈坎德邦的加利亞煤礦要不幸得多，當(dāng)?shù)財(cái)?shù)十萬人至今生活在煤火造成的生態(tài)災(zāi)難中。加利亞煤田是印度最重要的煉焦煤產(chǎn)區(qū)，由23個(gè)大型地下煤礦和9個(gè)大型露天煤礦組成，估計(jì)儲量近200億噸，可是比這片富得流油的礦區(qū)更聞名的是肆虐礦區(qū)一個(gè)多世紀(jì)的煤火。自1916年這里發(fā)生第一場大火以來，盡管當(dāng)局和礦山部門付出了諸多努力，但還是無法阻止火勢的蔓延和地面的大幅沉降，煤火產(chǎn)生的濃煙導(dǎo)致附近許多居民患上了呼吸障礙和皮膚病。
波蘭首創(chuàng) 用航空發(fā)動(dòng)機(jī)撲滅地下煤火
煤層自燃的慘狀并不意味著人類對所有的煤火都逆來順受，一種名為GAG的設(shè)備從上世紀(jì)80年代以來被引入撲滅煤層自燃火災(zāi)現(xiàn)場，雖然顯得較為小眾，但還是給人們留下了深刻印象。
GAG是波蘭語“礦山滅火設(shè)備”的縮寫，上世紀(jì)70年代出現(xiàn)在波蘭，專為煤層自燃和礦山火災(zāi)而生。該設(shè)備的主體部分是蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的農(nóng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，完全組裝后長約12米、重2.5噸左右，其運(yùn)行原理簡單而粗暴：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣被吸入燃燒室中和煤油混合被火花塞點(diǎn)燃，在7米長的燃燒管路中經(jīng)過一級和二級燃燒，將幾乎所有的氧氣消耗掉，在末端排出前還被加入熱水（每小時(shí)18.5噸），最后得到的高度惰性化的廢氣（含蒸汽、氮和二氧化碳的混合物），從而用來滅火。GAG裝置每秒可制造25立方米的惰性化廢氣，如此高產(chǎn)出的代價(jià)就是每小時(shí)1600升的油耗。
GAG裝置問世后引起了煤層自燃重災(zāi)區(qū)——澳大利亞的注意。澳大利亞有著世界上已知最古老的煤層自燃火災(zāi)——溫根山煤火，迄今已經(jīng)燃燒了大約6000年，火勢目前仍以每年1米的速度在地下30米處移動(dòng)。1998年澳大利亞引進(jìn)了該技術(shù)，昆士蘭州礦業(yè)救援局和聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）聯(lián)合開發(fā)了一套GAG-3A裝置，將其投入到當(dāng)?shù)氐拿夯饟錅绻ぷ髦?。最引人注目的是?000年，技術(shù)人員使用GAG裝置在昆士蘭州的布萊爾阿索爾煤礦撲滅了燃燒54年的煤火。2003年新西蘭派克河礦難發(fā)生后，昆士蘭州礦山救援局?jǐn)y帶GAG設(shè)備投入到派克河煤礦的滅火工作中，也取得了良好的成效。
早在1982年，波蘭中央礦業(yè)學(xué)院與美國礦業(yè)機(jī)構(gòu)在賓夕法尼亞州開展過GAG設(shè)備的測試觀摩，不過當(dāng)時(shí)美方尚未接受這一技術(shù)。直到20年后的2003年，美國西弗吉尼亞州的洛夫里奇的地下煤火燒了兩個(gè)多月后，所有的撲滅措施均告失敗，當(dāng)?shù)厮煜虬拇罄麃喞ナ刻m州礦山救援局求援。昆士蘭州礦山救援局?jǐn)y設(shè)備前往洛夫里奇煤礦，與美方人員合作將設(shè)備安裝在煤礦一個(gè)入口處，在做好了密封工作后啟動(dòng)設(shè)備送入廢氣，技術(shù)人員在現(xiàn)場不斷地分析礦井內(nèi)的空氣成分和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行。經(jīng)過10天的努力，礦井內(nèi)的火勢最終被控制和永久密封。
2003年，在美國西弗吉尼亞州的洛夫里奇地下煤層火災(zāi)中運(yùn)行的“礦山滅火設(shè)備”。
高膨脹率滅火泡沫設(shè)備也是美國等國家撲滅地下煤火的常用設(shè)備，圖中設(shè)備每分鐘能產(chǎn)生510立方米的泡沫。
新疆是我國煤層自燃的高發(fā)地，也是煤火資源化利用的試驗(yàn)場。
對在印度加利亞礦區(qū)煤火中拾煤塊的孩子們來說，煉獄般的場景早已見怪不怪。
新疆是我國煤層自燃的高發(fā)地
美國洛克希德·馬丁公司發(fā)射的伊克諾斯衛(wèi)星拍攝的煤層火災(zāi)3D圖像
近些年來的實(shí)際使用證明，GAG設(shè)備有一定的實(shí)用效果，但也有其應(yīng)用局限。專業(yè)文獻(xiàn)披露，該設(shè)備能奏效還取決于多個(gè)重要條件，例如必須對地下結(jié)構(gòu)實(shí)施有效密封，設(shè)備不能在高于90攝氏度的環(huán)境下工作，以及目前廣泛應(yīng)用的“長壁式采煤礦井”中的煤火需要更長時(shí)間的送氣等。也許正是這些限制因素，使得目前世界上只有三個(gè)國家（澳大利亞、荷蘭和烏克蘭）在使用GAG設(shè)備撲滅煤層自燃火災(zāi)。
撲滅煤火要多種技術(shù)組合使用
在煤層著火點(diǎn)埋藏較淺且面積較小時(shí)，能使用挖掘機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械設(shè)備直接挖除火源，將正在燃燒的可燃物全部挖走?？墒牵@種幾乎發(fā)生在地表的煤火實(shí)在太少了，大部分煤火都是在幾十米甚至數(shù)百米的地下，需要多種技術(shù)來協(xié)同滅火。
目前以美國為代表的西方國家采用的煤層自燃滅火技術(shù)包括滅火泡沫和注漿技術(shù)等。例如由得克薩斯州約書亞市的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)公司（CAFSCO）使用的滅火泡沫，該泡沫可以深入地下的裂縫、斷層和礦井隧道中窒息火勢。而注漿技術(shù)則是通過向地下注入低溫液化氣體（使用二氧化碳和氮等吸收燃燒所需的熱能，同時(shí)產(chǎn)生惰性化氣體）。盡管這類較新的技術(shù)有時(shí)能奏效，但有時(shí)也會失敗，而且在許多情況下這類技術(shù)的成本都不低。因此，需要與其他技術(shù)方法結(jié)合使用。
我國作為煤炭資源大國，56%的煤層存在自燃火災(zāi)。以新疆煤田的滅火經(jīng)驗(yàn)為例，我國通常采用的煤層滅火做法主要包括剝離、打鉆、注水、注漿和黃土覆蓋在內(nèi)的5道工序：先由推土機(jī)把火區(qū)作業(yè)面推平，實(shí)質(zhì)上是“愚公移山”，削掉一個(gè)個(gè)山頭，使之有一個(gè)良好的工作面；然后用水管往火區(qū)注水；待溫度降到7攝氏度左右后，再開始用鉆機(jī)往地下火源上鉆孔；緊接著往鉆孔里灌黃土泥漿，用泥漿把地下裂隙堵住，隔絕火源和空氣的接觸；最后一道工序是在地表上覆蓋一層厚厚的黃土，以徹底使煤層脫離氧氣。用這些方法，從1958年到2018年的60年間，新疆共治理大小煤田火區(qū)50處，解救保護(hù)的煤炭資源總量約314.5億噸，減排溫室氣體近4億噸。
加拿大的著名煤火燃燒地——“冒煙山”
把煤火熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嶋娔?/h2>
既然大多數(shù)的煤層自燃很難甚至無法被撲滅，即便撲滅往往代價(jià)也極大。那么，是否可以通過“捕捉”地下煤火釋放的可燃性氣體（比如氫和一氧化碳等），從而間接地實(shí)現(xiàn)這些煤礦的資源化利用呢？在本世紀(jì)初，英國等國家有過類似的地下煤炭氣化操作探討，由于實(shí)驗(yàn)表明這種做法會增加溫室氣體排放和污染地下水，出于環(huán)境顧慮，業(yè)界對此爭議很大。
對地下煤火開展更安全的資源化利用，近幾年的技術(shù)突破出現(xiàn)在中國。2016年起，中國礦業(yè)大學(xué)周福寶教授的團(tuán)隊(duì)從熱能利用的視角，將煤火防治與資源化利用協(xié)同考慮。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“分布式煤田火區(qū)熱能提取溫差發(fā)電”新技術(shù)，利用新型熱提取技術(shù)和熱電材料將地下煤火的熱能直接轉(zhuǎn)換為清潔電能。
這種發(fā)電技術(shù)的思路是這樣的：利用滅火工作面的原有鉆孔，伸進(jìn)一個(gè)管子。位于地面上部的熱管散熱段溫度低于地面以下吸熱段煤田火區(qū)溫度，熱管中的液體吸收火區(qū)中的熱量蒸發(fā)成氣體；蒸汽在管內(nèi)壓差的驅(qū)動(dòng)下，沿?zé)峁苤行耐ǖ老蛏狭鲃?dòng)至熱管上部，遇到較冷的管壁后，放出汽化潛熱，冷凝的液體在重力作用下，沿管壁流回吸熱段再蒸發(fā)；放出的熱量供給溫差發(fā)電模塊的熱端，提高了熱端溫度，在溫差發(fā)電模塊冷熱兩端產(chǎn)生較大溫差，從而形成穩(wěn)定而持續(xù)的電流。這個(gè)系統(tǒng)在溫差高于20攝氏度時(shí)即可應(yīng)用。
據(jù)報(bào)道，該發(fā)電系統(tǒng)已在新疆烏魯木齊大泉湖煤田火區(qū)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。2018年，這里單個(gè)鉆孔發(fā)電功率超過2千瓦，以100個(gè)鉆孔核算，每年產(chǎn)生電能140萬千瓦時(shí)以上。同時(shí)熱能利用可降低火區(qū)溫度，進(jìn)而減少滅火用水，節(jié)約水資源35.8萬噸。如此操作，既解決了工區(qū)用電問題，又加快了滅火進(jìn)程并節(jié)約水資源。英國皇家工程院院士、國際火災(zāi)安全科學(xué)學(xué)會副主席卡倫評價(jià)說，這項(xiàng)將煤田火區(qū)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉吹男录夹g(shù)，是世界煤火防治利用領(lǐng)域的突破。
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