據(jù)新華社日前報道，中國礦業(yè)大學(xué)周福寶教授帶領(lǐng)的地下煤火研究團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作，新近攻克將煤田火區(qū)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿惹鍧嵞茉吹年P(guān)鍵技術(shù)。這有助于將每年數(shù)億噸白白燒毀的地下煤炭資源重新利用。

本版特約中國礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的研究人員，向讀者介紹關(guān)于地下煤火防治的那些事。

每年10億噸地下煤炭白白燒毀

《西游記》中，孫悟空三借芭蕉扇撲滅火焰山烈火的故事，大家都耳熟能詳。那么，《西游記》中的火焰山究竟為何物？有專家認(rèn)為，其原型正是煤田火災(zāi)。早在1600多年前，北魏地理學(xué)家酈道元在《水經(jīng)注》中就有“屈茨（即龜茲，今新疆庫車）北二百里有山，夜則火光，晝則但煙”的記載，描述的就是今新疆庫車、拜城一帶的煤田火災(zāi)。

地下煤火是煤礦層由于人為因素或自燃形成的煤田火和礦井火的統(tǒng)稱，被稱為沒有地理界限的“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著地下煤層燃燒現(xiàn)象，其中以中國、印度、印度尼西亞的形勢最為嚴(yán)峻。美國賓夕法尼亞州的塞特利亞煤田大火從1962年5月開始一直燃燒至今，這也是全美最嚴(yán)重的煤田大火之一。煤田大火帶來的濃煙和有毒氣體，迫使當(dāng)?shù)劓?zhèn)上的1100多名居民紛紛搬離家園。

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約有10億噸煤炭被地下煤火燒毀，占世界煤炭消費(fèi)總量的1/8，每年地下煤火燃燒約產(chǎn)生10億千瓦的能量，相當(dāng)于當(dāng)前全球核電總?cè)萘康?.5倍，超過水力發(fā)電所產(chǎn)能量總和。

我國是世界上煤火災(zāi)害最嚴(yán)重的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計，1949年以來我國煤火燒毀煤炭資源量近30億噸。其中，以新疆的煤火災(zāi)害最嚴(yán)重，曾有專家推斷，有的火區(qū)可能已燃燒了成千上萬年。其原因主要有三個方面：

其一，天山是地質(zhì)活動較為劇烈的地區(qū)，埋在地層中的水平煤層經(jīng)過多次地質(zhì)運(yùn)動大多變?yōu)閮A斜煤層，煤層露頭多，暴露的煤層與空氣中的氧接觸，產(chǎn)生氧化作用，積熱增溫，溫度達(dá)到燃點(diǎn)時煤層自燃，形成煤田火災(zāi)。

其二，歷代小煤窯不規(guī)范的開采，工藝落后，無防火措施，著火就走，走了又開新井，著火又走，釀成大面積煤田火災(zāi)。例如新疆奇臺縣境內(nèi)的將軍戈壁煤田，據(jù)推測早在唐宋年間，就有人們云集此地采挖。在周而復(fù)始的采挖過程中，煤海逐漸變成了火海。

其三，新疆屬大陸性氣候，干旱少雨。以致新疆煤田火災(zāi)連連不止。

煤火引發(fā)一系列嚴(yán)重問題

煤炭是我國的主體能源，關(guān)系到國家穩(wěn)定和發(fā)展的命脈。但中國卻是受煤火威脅最大的國家。新疆維吾爾自治區(qū)第四次煤田火區(qū)普查報告顯示，火區(qū)共計46處，總面積達(dá)669萬平方米，年損失儲量442萬噸，威脅儲量77842萬噸，近年來新疆煤田火區(qū)呈加速發(fā)展趨勢，部分原有火點(diǎn)和小火區(qū)燃燒系統(tǒng)逐漸形成，燃燒規(guī)模不斷擴(kuò)大，已達(dá)到甚至超過原重點(diǎn)火區(qū)規(guī)模，致使煤炭資源損失迅速增大。

煤火吞噬大量資源的同時，還引發(fā)了一系列嚴(yán)重問題。

一方面，破壞生態(tài)環(huán)境。地下煤炭肆無忌憚地熊熊燃燒，將數(shù)以萬噸的煙灰、有害氣體排放到空氣中。據(jù)統(tǒng)計，每年僅地下煤火產(chǎn)生的二氧化碳就占世界二氧化碳排放量的1/10；其產(chǎn)生的有害化學(xué)物質(zhì)，如汞、硒等重金屬、硫化物和PM2.5等，污染空氣、土地和水源，嚴(yán)重危及人類健康，誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、皮膚癌、心臟病等一系列相關(guān)疾病。此外，煤火產(chǎn)生的地表高溫將破壞土壤生態(tài)，導(dǎo)致植被枯萎死亡，加劇水土流失和沙漠化，甚至引發(fā)山林火災(zāi)。

另一方面，危害采礦安全。煤火燃燒形成的塌陷和燒空區(qū)，嚴(yán)重影響原煤的開采進(jìn)程與采礦安全，造成資源的阻滯甚至引發(fā)礦難。同時，會導(dǎo)致潛在的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。淺部煤層和井下浮煤、煤柱等燃燒后形成燒空區(qū)，改變了煤層頂板及圍巖的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地面出現(xiàn)大量的燃燒裂隙、塌陷坑等，同時又為煤層燃燒提供了供氧通道，形成了“燃燒-塌陷-燃燒”的惡性循環(huán)，另外地表水土保持能力大幅下降，極易引起泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。2015年4月初，距新疆烏魯木齊市13公里的大泉湖地表突然坍塌，形成一個直徑約1.5米的高溫明火塌陷坑，猶如火山口，該區(qū)域包含27層煤層，燃燒深度在7-134米之間，過火面積達(dá)32萬平方米。

此外，在煤火防治過程中會浪費(fèi)大量水資源，還容易污染地下水，這在水資源寶貴的新疆尤為突出。

傳統(tǒng)治理手段亟待突破

1958年，在周恩來總理的親自批示下，我國成立了一支專業(yè)化的煤田滅火隊(duì)伍——新疆煤田滅火工程局，這也是全國迄今為止唯一一支治理煤田火災(zāi)的專業(yè)化隊(duì)伍。

新疆煤田傳統(tǒng)的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”，削掉一個個山頭，使之有一個良好的工作面；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。據(jù)新疆煤田滅火工程局局長賈新勇介紹，從1958年至今，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；治理的火區(qū)總面積1260萬平方米，恢復(fù)植被1100萬平方米，減排溫室氣體近4億噸。

盡管我國在煤火的防治方面已經(jīng)取得大幅度進(jìn)步，但是在煤火基礎(chǔ)理論研究、煤火控制等方面與澳大利亞、美國等發(fā)達(dá)國家相比，尚有較大的提升空間；此外，傳統(tǒng)的治理手段易造成生態(tài)破壞，極大浪費(fèi)水資源，并且降溫效果有限，火區(qū)難以徹底熄滅，隨著煤田火區(qū)的動態(tài)發(fā)展，部分地區(qū)的煤田火區(qū)燃燒面積和規(guī)模還在擴(kuò)大，現(xiàn)有的防滅火理論、技術(shù)及裝備不能完全適應(yīng)地下煤火防治的發(fā)展。例如，位于新疆維吾爾自治區(qū)的托克遜烏尊布拉克、奇臺將軍戈壁、烏魯木齊大泉湖等8處火區(qū)，面積反而增加了2.4倍。可見，針對煤田火區(qū)，只停留在“將火滅了”的思路亟待突破。

“黑科技”破解千年難題

近日，在中國礦業(yè)大學(xué)召開的國家“111計劃”國際地下煤火防治與利用進(jìn)展交流會上傳出好消息：該校周福寶教授團(tuán)隊(duì)從地下火熱能利用的視角，將煤火防治與資源化利用協(xié)同考慮，成功研發(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，實(shí)現(xiàn)了從“治”到“用”的根本性轉(zhuǎn)變。

那么，這個發(fā)電系統(tǒng)的道理是怎么一回事兒呢？簡單地說是這樣的：

利用滅火工作面的原有鉆孔，伸進(jìn)一個管子。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，熱管中的液體工質(zhì)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)動下，沿?zé)峁苤行耐ǖ老蛏狭鲃又翢峁苌喜浚龅捷^冷的管壁后，放出汽化潛熱，冷凝成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)定持續(xù)的電流。這個系統(tǒng)在溫差高于20攝氏度時即可應(yīng)用。

周福寶教授介紹說，這套新系統(tǒng)可以在加快滅火的同時，提取煤田火區(qū)的熱能用來發(fā)電，如今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。目前，單個鉆孔發(fā)電功率超過2千瓦。以100個鉆孔核算，每年產(chǎn)生電能140萬千瓦時以上，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題。同時，熱能利用可降低火區(qū)溫度，進(jìn)而減少滅火用水，可節(jié)約水資源35.8萬噸，這對水資源寶貴的新疆尤為重要。此外，減輕燃燒產(chǎn)生的酸堿性化合物、有毒物質(zhì)污染地下水，減少大量有害有毒氣體的排放，這對生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

周福寶教授表示，這套系統(tǒng)還可以應(yīng)用在高溫礦井。高溫礦井容易發(fā)生事故，這項(xiàng)技術(shù)可以降低礦井環(huán)境溫度，并對熱資源進(jìn)行利用，研究者希望將該成果在深井推廣使用。

“這項(xiàng)全球原創(chuàng)性技術(shù)成功地將煤田火區(qū)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嶋娔埽敲夯鸱乐闻c利用的重大突破，對推動全球煤田火災(zāi)治理發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。”英國皇家工程院院士、國際火災(zāi)安全科學(xué)學(xué)會副主席卡倫對此作出了這樣的評價。