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煤田地火:没有地理界限的灾难
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煤田地火:没有地理界限的灾难
文/马志飞
美国宾夕法尼亚州费城西北部160千米处，有一个名叫桑塔利亚的地方，这里原本是一个只有1万多居民的美丽小镇，后来有人在这里发现了煤炭资源，采矿给小镇带来了富裕和繁华，却也带来了一场灭顶之灾。1962年5月，有人在废弃的矿坑了发现了微微燃烧的火苗，可从那以后，这里的火苗再也没有熄灭过。虽然当地居民采用向地下灌水、注入砂土等多种方式与大火作斗争，但都无济于事，最后不得不搬离家乡，任其自生自灭。后来，这座城镇被媒体评为“各种灾难催生的十大‘鬼城’”之一。
不只是美国如此，更可怕的发生在我们中国。近日，美国的新闻媒体公布了全球仍在继续的五大生态灾难，“中国煤火”榜上有名，其余四种为尼日利亚漏油事件、海地森林采伐、乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦之间咸海缩小和东太平洋垃圾区。
煤炭，被誉为“工业的粮食”，是人类历史上最古老的化石燃料，为何也会给我们人类带来灾难呢？“中国煤火’到底有多可怕？接下来，让我们慢慢揭开这其中的秘密。
野火烧不尽
煤炭资源广泛分布于世界上70多个国家和地区，但主要集中在俄罗斯、美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰等10个国家。其中，中国查明资源总量约1万亿吨，居世界第三位，分布面积约60多万平方千米，约占国有土地面积的6%，全国2300多个县(市)中,一半以上的县(市)境内都有煤炭资源，但煤炭分布的总体格局是北多南少、西富东贫，大致以昆仑-秦岭-大别山一线为界，以北的我国北方省区煤炭资源量之和占全国煤炭资源总量的90%以上，且主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆四省区，其余各省仅占不足10%。
有煤炭分布的地方，就会有自燃发生的危险存在。因此，世界各地的煤田都面临着煤层自燃这一天敌，虽然人们在想方设法扑灭这种火灾，但地火“比毒蛇更光滑，比幽灵更莫测，它想去哪儿 ，凡人是拦不住的”。此起彼伏的煤田地火，有时候呈现点状火源，有时候却是“火烧连营”，成片出现，给煤矿的安全生产造成了极大困扰。
事实上，在人类开始大规模开采使用煤炭资源以前，它就开始自发燃烧了。如我国新疆，学者们根据第四系黄土中发现的烧变岩碎片等资料推断，这里的一些煤田早在几十万年前就已经起火了。
据媒体报道，内蒙古乌海煤田，自1962年起开始燃烧，至今这里的地火已经燃烧了近半个世纪，覆盖了长达4800千米的区域，整个乌达煤田的火区总面积占整个煤田面积的10%，造成的损失达几十亿。
目前，中国有50多处煤田火区昼夜燃烧，燃烧面积达720平方千米，每年经济损失约40 亿元。《煤矿安全生产“十一五”规划》的统计数据显示，我国大中型煤矿中，自燃发火危险程度严重或较严重的煤矿占72.9%。国有重点煤矿中，具有自燃发火危险的矿井占47.3%。小煤矿中，具有自燃发火危险的矿井占85.3%。
自燃之谜
很多人可能会觉得疑惑：好端端的煤田，为何会自己着火呢？其实，地下煤层自燃的原因是多方面的，概括地说包括两个方面：
内因，即煤自身的物质成分引起的，煤中含有的炭、氢、氧、磷、硫等物质，它们都会对燃烧起到不同程度的贡献作用。自燃发火的实质是煤炭自身与空气中的氧气接触，产生氧化反应所致，氧化是煤炭自燃的主要原因。一般而言，煤中的氢、氧含量越高，煤炭越易自燃。煤层中磷的燃点很低，当它在某一地段富集时，在氧充分的条件下，首先发生燃烧，并引起其他易燃物质燃烧，最终导致整个煤层燃烧。硫是一种助燃物质，且能够与氧反应，释放大量热量，从而致使其他易燃物质燃烧。
外因，即褶皱、断层等构造条件的变化，这对煤层自燃具有一定的促进作用，这些地质构造引起岩层裂隙、节理发育，增加了煤层的破碎性和孔隙率，使氧易侵入，改变了煤的透气性和导热性能，易于导致煤层自燃。而且人类的开采活动，破坏了煤层的完整性，加大了煤炭与空气的接触面积，也容易造成煤层自燃。因此，煤层露头、储煤场等地都是容易引起煤自燃的场所。
地火的分布与危害
我国煤田火区主要分布在北纬35°～45°之间，总体趋势是西强东弱，且分布于新疆、甘肃、宁夏、青海、陕西、内蒙古、山西等省区，其中新疆、内蒙古最为严重。
新疆的煤炭资源十分丰富，预测储量为2.2万亿吨, 约占全国预测煤炭资源量的42%，居全国首位。但与此同时，新疆煤田也是世界上煤田火灾最严重的地方之一，地下自燃火区分布广泛，从北部的阿勒泰草原到南部的帕米尔高原都有发生。相关部门的研究显示，我国北方燃烧的煤田和矿区有62块，其中新疆境内就分布有35处。
内蒙古也是最大的煤炭生产基地之一，近年来发现多处火区。据2009年上半年对各盟市煤田煤矿火区的调查，内蒙古共查明火区230处、火点647个，燃烧面积达6000多万平方米。
其实，世界各地主要产煤国家都不同程度地面临着煤层自燃灾害，如印度、俄罗斯、美国、澳大利亚、印度尼西亚、中亚等多个国家和地区，几乎每个产煤的国家都有煤田地火灾害。据美国《时代》杂志报道，除了南极洲外，每个大洲下面都有数千处地下煤火在燃烧。
正因为如此，美国阿拉斯加大学的地质学家安努马•普拉卡斯将煤田地火形容为“没有地理界限的世界性灾难”！这种灾难，从多个方面影响着我们的生活：
首先，煤层自燃是一种极其严重的浪费。我国虽然是煤炭生产大国，却也是煤炭消费大国，现在我国每年消费煤炭资源约30亿吨，其中一部分还需要从海外进口。但是，由于煤层自燃，我国的煤炭资源每年被直接烧掉3000万吨，破坏2亿吨，这些煤炭几乎是我们整个国家一个月的煤炭用量。
其次，煤层自燃威胁煤矿安全生产。煤层自燃火灾是世界煤炭生产中的一大突出灾害，也是影响煤矿安全生产的五大灾害之一。我国煤矿火灾十分严重，其中90%以上又是煤层自燃火灾，如2003年1月11日发生在黑龙江省哈尔滨市方正县宝兴煤矿的特大火区瓦斯爆炸事故就与煤层自燃有关，这起事故造成34人死亡，直接经济损失419万元。事后查明，引起这场灾难的直接原因是煤层采空区封闭不严，因裂隙漏风造成采空区自燃发火，明火蔓延到密闭之外，加之封闭火区内的通风安全措施不可靠，致使瓦斯积聚达到爆炸条件，造成了瓦斯爆炸事故。
不仅如此，自燃释放的有毒气体还严重威胁着井下作业人员的人身安全，如1999年4月11日发生在内蒙古大岭煤矿发生自燃火灾气体中毒窒息事件，结果导致了11名工人死亡。
另外，煤层自燃还会严重污染环境。燃烧的煤炭不仅会排放出二氧化碳等大量温室气体，还会像空气中释放有害的化学物质，如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘等。据估算，每燃烧100万吨煤，平均要排放出2万吨二氧化硫气体、20万吨灰渣和3万吨烟尘。这些物质不仅会危害人类健康，造成呼吸系统疾病等，排出的硫化物和氮氧化物等还会形成酸雨，进而破坏生态环境，污染水源和土地。
野外局部采样分析表明，乌达煤田火区居民点附近的一氧化碳超过国家标准5.3倍，二氧化碳超过国家标准1.5倍，二氧化硫超过1.52倍，二氧化氮超标2.2倍。此外，自燃产生的有毒气体和酸雨，使得建筑物和工业设施受到酸性腐蚀，缩短了使用寿命。
探火与灭火
要想扑灭煤田地火，首先要做的工作就是想方设法找到火区的位置和范围。有时候，通过井下工作人员的报告能够得到火源的一些信息，但是在大面积的煤田范围内，如何才能摸清楚火区位置到底在哪，范围又有多大呢？随着遥感技术和地球物理勘探技术的发展，现在已经有很多高科技手段被应用到该领域中。
方法一：遥感法。我们都知道，任何物体的温度只要高于绝对温度零度(摄氏温度-273℃)，就会发出不同波长的电磁波，其波长与物体的温度有关。地下煤层燃烧过程中释放的热量将改变地表原有的辐射特征，因此，观测卫星就能够从宏观上即大范围面积内发现高温火区的位置。
方法二：磁法。煤层及其顶、底板岩石中含有大量的铁质矿物，这些矿物在不受高温作用时表现为一种弱磁场背景，当煤层自燃时其顶、底围岩受高温烘烤，其中铁质矿物大部分转变成为铁磁性矿物，随着燃烧后温度的降低，冷却后形成烧变岩，产生一种温差剩磁，其磁性和围岩会有明显的磁性。根据这种差异，可以利用高精度磁力仪探测煤层自燃的火区位置。
方法三：电阻率法。这种方法的原理主要是依据煤层及顶部岩石的电阻率特性在煤层自燃造成的高温环境下发生变化来进行的。当煤炭自燃发火后,煤层的结构状态和含水性会发生较大变化，而且其中非金属物质的电阻率随温度的升高而降低，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。
方法四：温度测量法。这种方法很简单，其实就是通过测量温度来寻找地下火源，常用的仪器有红外测温仪、热成像仪等，这些仪器在美国、俄罗斯以及我国国内很多煤矿都有实际应用。
方法五：气体测量法。煤炭在自燃过程中会产生大量气体, 如CO、CO2、SO2、CH4等。在井下或通过钻孔测量这些气体的浓度并结合井下实际情况, 可以判断出地下煤炭自燃的大致位置和范围。
方法六：氡气测量法。氡气是一种自然产生的放射性气体，在地下深部普遍存在而且能够通过岩石裂隙、断裂等向地表迁移。在煤层及其周围条件大体相同而地下某处煤层自燃时,在自燃区的顶部氡气迁移率均会增大。因此,在火区顶部氡气的浓度值将高于非火区的氡气浓度值。如果采用合适的方法去探测并提取这一差异,就可在地表确定地下自燃煤层的位置与范围。
找到火区之后，接下来就需要千方百计地扑灭它们。我国的煤田灭火技术处于世界领先水平，可谓是久病成医。现如今，主要的煤火灭火技术有：直接剥离法、注水法、注浆法、覆盖法、惰气灭火法等，虽然各种方法的工作方式不同，但原理基本一致，都是要努力切断煤层与氧气的接触，降低温度，使之熄灭。
在煤田地火埋藏较浅且面积较小的地方，一般是使用挖掘机、推土机等机械设备直接挖除火源，将已经燃烧或正在燃烧的可燃物全部挖走，这种方向能够比较彻底地根除火区的危害。当火区位于地下深部时，一般采用注水、注浆法，即通过钻孔向地下火区注水或灌注具有一定比例的泥浆，切断火区与氧气的连通渠道，降低煤层温度，阻止煤炭进一步氧化燃烧，从而熄灭火体。但是，由于液体的流动性较大，注入地下深部的流体不一定会按照预定的方向流动，有时候会浪费大量的泥浆和水而未能有效扑灭地火。倘若煤田火区范围较小而且比较封闭，可以采用覆盖法，即使用黄土充填覆盖火区地表的裂缝、塌陷坑、废弃井口等，封闭火区，或采用惰气灭火法，将不能燃烧的N2、NO2、CO2等气体充入到密闭的煤田火区中，隔断煤与氧气的接触，从而扑灭火源。
灭火是一项长期而艰巨的任务，而且也不能做到一劳永逸，因为要保住灭火的成功战果也是十分困难的事情，稍有疏忽就会死灰复燃。我国面积最大的煤田火区——新疆昌吉硫磺沟煤田火区，距乌鲁木齐40千米，火区总面积180多万平方米，自2000年到2003年底，政府共投资约1亿元实施灭火，历经4年的治理，才于2004年11月1日被宣布扑灭。但是，后来有人在已经封闭的煤田火区非法开采，导致部分地区又重新燃烧，严重破坏了灭火成果。原文载于《百科知识》2010年22期。
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