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    煤炭知識
    地下煤火防治有了新辦法
    2018-02-07 17:02:18   來源: 北京日報

       據新華社日前報道,中國礦業大學周福寶教授帶領的地下煤火研究團隊與國內外研究機構合作,新近攻克將煤田火區熱能轉變為電能等清潔能源的關鍵技術。這有助于將每年數億噸白白燒毀的地下煤炭資源重新利用。

      本版特約中國礦業大學研究團隊的研究人員,向讀者介紹關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?有專家認為,其原型正是煤田火災。早在1600多年前,北魏地理學家酈道元在《水經注》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。

      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稱,被稱為沒有地理界限的“全球性災難”。世界上幾乎所有產煤國都不同程度地存在著地下煤層燃燒現象,其中以中國、印度、印度尼西亞的形勢最為嚴峻。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,迫使當地鎮上的1100多名居民紛紛搬離家園。

      據統計,全世界每年約有10億噸煤炭被地下煤火燒毀,占世界煤炭消費總量的1/8,每年地下煤火燃燒約產生10億千瓦的能量,相當于當前全球核電總容量的2.5倍,超過水力發電所產能量總和。

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

      其一,天山是地質活動較為劇烈的地區,埋在地層中的水平煤層經過多次地質運動大多變為傾斜煤層,煤層露頭多,暴露的煤層與空氣中的氧接觸,產生氧化作用,積熱增溫,溫度達到燃點時煤層自燃,形成煤田火災。

      其二,歷代小煤窯不規范的開采,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。例如新疆奇臺縣境內的將軍戈壁煤田,據推測早在唐宋年間,就有人們云集此地采挖。在周而復始的采挖過程中,煤海逐漸變成了火海。

      其三,新疆屬大陸性氣候,干旱少雨。以致新疆煤田火災連連不止。

      煤火引發一系列嚴重問題

      煤炭是我國的主體能源,關系到國家穩定和發展的命脈。但中國卻是受煤火威脅最大的國家。新疆維吾爾自治區第四次煤田火區普查報告顯示,火區共計46處,總面積達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呈加速發展趨勢,部分原有火點和小火區燃燒系統逐漸形成,燃燒規模不斷擴大,已達到甚至超過原重點火區規模,致使煤炭資源損失迅速增大。

      煤火吞噬大量資源的同時,還引發了一系列嚴重問題。

      一方面,破壞生態環境。地下煤炭肆無忌憚地熊熊燃燒,將數以萬噸的煙灰、有害氣體排放到空氣中。據統計,每年僅地下煤火產生的二氧化碳就占世界二氧化碳排放量的1/10;其產生的有害化學物質,如汞、硒等重金屬、硫化物和PM2.5等,污染空氣、土地和水源,嚴重危及人類健康,誘發呼吸系統疾病、皮膚癌、心臟病等一系列相關疾病。此外,煤火產生的地表高溫將破壞土壤生態,導致植被枯萎死亡,加劇水土流失和沙漠化,甚至引發山林火災。

      另一方面,危害采礦安全。煤火燃燒形成的塌陷和燒空區,嚴重影響原煤的開采進程與采礦安全,造成資源的阻滯甚至引發礦難。同時,會導致潛在的地質災害發生。淺部煤層和井下浮煤、煤柱等燃燒后形成燒空區,改變了煤層頂板及圍巖的平衡狀態,導致地面出現大量的燃燒裂隙、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,另外地表水土保持能力大幅下降,極易引起泥石流、滑坡等地質災害。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,該區域包含27層煤層,燃燒深度在7-134米之間,過火面積達32萬平方米。

      此外,在煤火防治過程中會浪費大量水資源,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化的煤田滅火隊伍——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的專業化隊伍。

      新疆煤田傳統的滅火做法主要包括剝離、打鉆、注水、注漿和黃土覆蓋在內的5道工序:先由推土機把火區作業面推平,實質上是“愚公移山”,削掉一個個山頭,使之有一個良好的工作面;然后用水管往火區注水;待溫度降到7攝氏度左右后,再開始用鉆機往地下火源上鉆孔;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50處,解救保護的煤炭資源總量約314.5億噸;治理的火區總面積1260萬平方米,恢復植被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取得大幅度進步,但是在煤火基礎理論研究、煤火控制等方面與澳大利亞、美國等發達國家相比,尚有較大的提升空間;此外,傳統的治理手段易造成生態破壞,極大浪費水資源,并且降溫效果有限,火區難以徹底熄滅,隨著煤田火區的動態發展,部分地區的煤田火區燃燒面積和規模還在擴大,現有的防滅火理論、技術及裝備不能完全適應地下煤火防治的發展。例如,位于新疆維吾爾自治區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,面積反而增加了2.4倍。可見,針對煤田火區,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,在中國礦業大學召開的國家“111計劃”國際地下煤火防治與利用進展交流會上傳出好消息:該校周福寶教授團隊從地下火熱能利用的視角,將煤火防治與資源化利用協同考慮,成功研發了分布式煤田火區熱能提取溫差發電新技術,利用新型熱提取技術和熱電材料,將地下煤火的熱能直接轉換為清潔電能,實現了從“治”到“用”的根本性轉變。

      那么,這個發電系統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溫度,熱管中的液體工質吸收火區中的熱量,蒸發成氣體。

      蒸汽在管內壓差的驅動下,沿熱管中心通道向上流動至熱管上部,遇到較冷的管壁后,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。

      放出的熱量供給溫差發電模塊的熱端,提高了熱端溫度,在溫差發電模塊冷熱兩端產生較大溫差,從而形成穩定持續的電流。這個系統在溫差高于20攝氏度時即可應用。

      周福寶教授介紹說,這套新系統可以在加快滅火的同時,提取煤田火區的熱能用來發電,如今已在新疆烏魯木齊大泉湖煤田火區實現工程應用。目前,單個鉆孔發電功率超過2千瓦。以100個鉆孔核算,每年產生電能140萬千瓦時以上,解決了偏遠地區用電問題。同時,熱能利用可降低火區溫度,進而減少滅火用水,可節約水資源35.8萬噸,這對水資源寶貴的新疆尤為重要。此外,減輕燃燒產生的酸堿性化合物、有毒物質污染地下水,減少大量有害有毒氣體的排放,這對生態環境保護具有重要意義。

      周福寶教授表示,這套系統還可以應用在高溫礦井。高溫礦井容易發生事故,這項技術可以降低礦井環境溫度,并對熱資源進行利用,研究者希望將該成果在深井推廣使用。

      “這項全球原創性技術成功地將煤田火區的熱能轉變為清潔電能,是煤火防治與利用的重大突破,對推動全球煤田火災治理發展做出了貢獻。”英國皇家工程院院士、國際火災安全科學學會副主席卡倫對此作出了這樣的評價。


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