燃燒數千年 撲滅難度大鮮為人知的環境災難
——地下煤火

本刊主筆

工業革命以來，蓬勃發展的科技力量給人們的生產生活帶來了翻天覆地的變化。然而，“水火無情”四個字表明，自然之力仍是懸在眾生頭頂的達摩克里斯之劍。其中有一種火災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對，這就是在用濃煙烈火荼毒人居環境并侵蝕自然資源的煤層自燃大火。

印度加利亞煤礦，右側煤層在燃燒，左側的采掘機械在作業。

澳大利亞的溫根山煤火在地下已經燃燒了約6000年，地面嚴重變色。

煤炭被譽為“工業的糧食”，為工業革命以來的人類貢獻良多。其實早在人類規模化利用煤炭前，煤炭自燃形成的大火已經普遍存在了。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、雷電和人為點燃外，某些地質構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熱性能，加上煤炭自身含有磷和硫等物質，煤層就非常容易發生自燃。有資料稱在合適的顆粒度下，某些褐煤礦在低至40攝氏度時就會發生自燃。

2005年，美國懷俄明州唐河附近，農場主雷歐·安可尼無奈地看著自家農場里的煤層火勢。

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，面對煤海“大快朵頤”，幾乎無法被遏制。人類開發煤炭的作業總會加劇火勢，這些煤火一旦露頭就展現出煉獄般的景象。

美國地質調查局地質學家馬克·恩格爾說：“世界上每個煤炭盆地都有大火散發出傷害你的各種有機化合物，但除非你住在附近，否則你永遠都不會看到它們。”煤火不僅每年白白燒掉數十億噸煤炭，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2010年的美國《時代》周刊報道，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和方法，但大型煤礦在地下跨度大，分布態勢復雜，加上地質結構形態多樣，復燃極易發生，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，仍然有時不得不放棄努力而聽之任之。

煤層自燃大火是“全球性災難”

世界上幾乎所有產煤國都不同程度地存在地下煤層燃燒現象，因此，煤火又被稱為沒有地理界限的“全球性災難”，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形勢最為嚴峻。

印度尼西亞的煤火很多源自“人禍”，因為當地民眾為了種植橡膠樹和棕櫚樹等經濟作物，長期以來有燒林以清理土地的習慣，露出地表的煤層經常被點燃。2000年，專家們在美國期刊《環境科學與技術》上發表了兩年前通過實地調查獲得的數據取樣：他們手持GPS設備，在加里曼丹島附近100公里長的道路兩邊兩公里范圍內定位了125處煤火。結合該國已知的煤炭儲藏量，專家們通過數據模型估計出1998年印尼全境發生的煤層著火點約為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森特里亞變成了如今不到10人的“鬼鎮”。在1962年5月森特里亞煤層起火后，當局在20年間嘗試了多次撲滅計劃卻無果而終。從上世紀80年代初開始，專業人士開始對煤火的有害副產品——一氧化碳等開始關注，一些跡象也使當地百姓愈發感覺當地已非久留之地。

美國賓夕法尼亞州“鬼鎮”森特里亞的61號公路因為地下煤火四分五裂，蒸汽繚繞，成為旅游愛好者的“打卡圣地”。

美國阿拉斯加大學費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分布圖，圖中的紅點只是火勢嚴重的地區，實際起火點遠不止于此。

2005年一套“礦山滅火設備”（GAG）在挪威斯匹茨卑爾根島進行煤層滅火作業中。

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，感覺量油尺很熱。于是他用一根細繩綁住溫度計放到油箱中測溫，震驚地發現油箱中的汽油溫度高達77.8攝氏度。1981年，12歲的托德·多姆博斯基在自家后院險些墜入一個突然出現在腳下的深溝中，他緊緊抓住手邊的樹根才沒有掉進這道深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煤火的念頭，因為這項工作的支出過于高昂，預計花費超過6億美元。國會次年撥款4000多萬美元動員小鎮居民搬走。從那時起，絕大部分居民遠走他鄉，到2017年只有5人還在堅守故土。

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，按當前的速度它可能還要燃燒250年。不過有趣的是，“鬼鎮”近些年來總不乏來訪者，因為當地燙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”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，當地數十萬人至今生活在煤火造成的生態災難中。加利亞煤田是印度最重要的煉焦煤產區，由23個大型地下煤礦和9個大型露天煤礦組成，估計儲量近200億噸，可是比這片富得流油的礦區更聞名的是肆虐礦區一個多世紀的煤火。自1916年這里發生第一場大火以來，盡管當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，煤火產生的濃煙導致附近許多居民患上了呼吸障礙和皮膚病。

波蘭首創 用航空發動機撲滅地下煤火

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的設備從上世紀80年代以來被引入撲滅煤層自燃火災現場，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“礦山滅火設備”的縮寫，上世紀70年代出現在波蘭，專為煤層自燃和礦山火災而生。該設備的主體部分是蘇聯設計的農用航空發動機，完全組裝后長約12米、重2.5噸左右，其運行原理簡單而粗暴：發動機工作時，空氣被吸入燃燒室中和煤油混合被火花塞點燃，在7米長的燃燒管路中經過一級和二級燃燒，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，如此高產出的代價就是每小時1600升的油耗。

GAG裝置問世后引起了煤層自燃重災區——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——溫根山煤火，迄今已經燃燒了大約6000年，火勢目前仍以每年1米的速度在地下30米處移動。1998年澳大利亞引進了該技術，昆士蘭州礦業救援局和聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）聯合開發了一套GAG-3A裝置，將其投入到當地的煤火撲滅工作中。最引人注目的是在2000年，技術人員使用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生后，昆士蘭州礦山救援局攜帶GAG設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，波蘭中央礦業學院與美國礦業機構在賓夕法尼亞州開展過GAG設備的測試觀摩，不過當時美方尚未接受這一技術。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多月后，所有的撲滅措施均告失敗，當地遂向澳大利亞昆士蘭州礦山救援局求援。昆士蘭州礦山救援局攜設備前往洛夫里奇煤礦，與美方人員合作將設備安裝在煤礦一個入口處，在做好了密封工作后啟動設備送入廢氣，技術人員在現場不斷地分析礦井內的空氣成分和監控設備運行。經過10天的努力，礦井內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中運行的“礦山滅火設備”。

高膨脹率滅火泡沫設備也是美國等國家撲滅地下煤火的常用設備，圖中設備每分鐘能產生510立方米的泡沫。

新疆是我國煤層自燃的高發地，也是煤火資源化利用的試驗場。

對在印度加利亞礦區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地

美國洛克希德·馬丁公司發射的伊克諾斯衛星拍攝的煤層火災3D圖像

近些年來的實際使用證明，GAG設備有一定的實用效果，但也有其應用局限。專業文獻披露，該設備能奏效還取決于多個重要條件，例如必須對地下結構實施有效密封，設備不能在高于90攝氏度的環境下工作，以及目前廣泛應用的“長壁式采煤礦井”中的煤火需要更長時間的送氣等。也許正是這些限制因素，使得目前世界上只有三個國家（澳大利亞、荷蘭和烏克蘭）在使用GAG設備撲滅煤層自燃火災。

撲滅煤火要多種技術組合使用

在煤層著火點埋藏較淺且面積較小時，能使用挖掘機、推土機等機械設備直接挖除火源，將正在燃燒的可燃物全部挖走。可是，這種幾乎發生在地表的煤火實在太少了，大部分煤火都是在幾十米甚至數百米的地下，需要多種技術來協同滅火。

目前以美國為代表的西方國家采用的煤層自燃滅火技術包括滅火泡沫和注漿技術等。例如由得克薩斯州約書亞市的壓縮空氣泡沫系統公司（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，同時產生惰性化氣體）。盡管這類較新的技術有時能奏效，但有時也會失敗，而且在許多情況下這類技術的成本都不低。因此，需要與其他技術方法結合使用。

我國作為煤炭資源大國，56%的煤層存在自燃火災。以新疆煤田的滅火經驗為例，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。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50處，解救保護的煤炭資源總量約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”

把煤火熱能轉變為清潔電能

既然大多數的煤層自燃很難甚至無法被撲滅，即便撲滅往往代價也極大。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），從而間接地實現這些煤礦的資源化利用呢？在本世紀初，英國等國家有過類似的地下煤炭氣化操作探討，由于實驗表明這種做法會增加溫室氣體排放和污染地下水，出于環境顧慮，業界對此爭議很大。

對地下煤火開展更安全的資源化利用，近幾年的技術突破出現在中國。2016年起，中國礦業大學周福寶教授的團隊從熱能利用的視角，將煤火防治與資源化利用協同考慮。研究團隊研發了“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。

這種發電技術的思路是這樣的：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，從而形成穩定而持續的電流。這個系統在溫差高于20攝氏度時即可應用。

據報道，該發電系統已在新疆烏魯木齊大泉湖煤田火區實現工程應用。2018年，這里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。同時熱能利用可降低火區溫度，進而減少滅火用水，節約水資源35.8萬噸。如此操作，既解決了工區用電問題，又加快了滅火進程并節約水資源。英國皇家工程院院士、國際火災安全科學學會副主席卡倫評價說，這項將煤田火區熱能轉變為清潔能源的新技術，是世界煤火防治利用領域的突破。