煤矸石堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用

摘要：隨著我國煤炭產(chǎn)量增加，煤矸石堆場（以下簡稱堆場）也在持續(xù)增大，加劇了堆場區(qū)域地形地貌景觀破壞及地表生態(tài)環(huán)境損毀，煤矸石自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體及高溫對堆場生物多樣性及開發(fā)利用造成了巨大的安全威脅。本研究運(yùn)用衛(wèi)星遙感時(shí)序監(jiān)測、地表調(diào)查、有害氣體監(jiān)測及淺層地溫值探測等方法，開展堆場自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究，提出了濃度結(jié)合毒性危害指數(shù)確定權(quán)重的有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法、淺層地溫聚類分析研判地溫異常值方法及CRITIC賦權(quán)有害氣體、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性及自燃災(zāi)害危害程度3個(gè)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方法。結(jié)果顯示，通過調(diào)整堆場開發(fā)利用平面部署，可有效降低堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)危險(xiǎn)等級(jí)，為煤矸石堆場自燃災(zāi)害防治及可持續(xù)開發(fā)利用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煤矸石自燃；聚類分析；毒性指數(shù)；CRITIC法；綜合評(píng)價(jià)法

中圖分類號(hào)：X752.05""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.10.006

收稿日期：20240606；修訂日期：20240711；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項(xiàng)目：鄂爾多斯市能源局，鄂爾多斯地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理與數(shù)值模擬，ZKZB2023062

作者簡介：張守成（1984—），男，山東日照人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)工程、水工環(huán)地質(zhì)工程等工作；Email：254230593@qq.com

*通訊作者：郭正萌（1986—），女，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事水工環(huán)境地質(zhì)、調(diào)查評(píng)估設(shè)計(jì)等工作；Email：42801679@qq.com

引文格式：張守成，郭正萌，趙永亮，等.煤矸石堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用——以撫順市西舍場為例［J］.山東國土資源，2024，40（10）：4352. ZHANG Shoucheng， GUO Zhengmeng， ZHAO Yongliang， et al. Study and Application of Comprehensive Evaluation for Spontaneous Combustion Risk in Coal Gangue Dumps——Taking Xishechang in Fushun City as an example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（10）：4352.

0" 引言

煤炭作為中國能源的壓艙石，2022年產(chǎn)量為45.6億t。煤炭在開采、洗選過程中，會(huì)產(chǎn)生約占總量10%～20%的煤矸石［1］，而煤矸石綜合利用率約75%，據(jù)此測算每年新增煤矸石1～1.5億t。雖然中國出臺(tái)了新建煤礦或改擴(kuò)建煤礦，禁止建設(shè)永久煤矸石堆放場，但受歷史遺留問題制約，目前累計(jì)堆存煤矸石已超60億t［2］，且仍在增長。煤矸石在長時(shí)間堆積后易發(fā)生自燃，燃燒高溫及產(chǎn)生的SO2、H2S、CO、NOX等有害氣體對礦區(qū)大氣環(huán)境及地表生態(tài)造成了嚴(yán)重破壞［3］，威脅了煤矸石堆場的開發(fā)利用或修復(fù)治理成果。開展煤矸石堆場自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對堆場生態(tài)環(huán)境修復(fù)及開發(fā)利用具有重大的意義［4］。

在煤矸石自燃研究方面，相關(guān)學(xué)者主要聚焦自燃機(jī)理、環(huán)境污染、自燃探測及爆炸。研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石山自燃的火源發(fā)生在約2.5m的深度［5］，70℃是煤矸石發(fā)生熱物理性質(zhì)的臨界點(diǎn)［6］，當(dāng)煤矸石堆高為1.2m時(shí)，內(nèi)熱主要集中在距地表0.6～0.8m范圍內(nèi)［7］。研究表明，中國煤矸石已成為一個(gè)潛在的空氣污染源［8］，煤矸石堆場燃燒產(chǎn)生的廢氣汞含量是大氣背景值的15～30倍［9］，C、Cl、F、S、N、As、Cd、Hg、Pb、Sn、Ge和Se等化學(xué)物質(zhì)通過廢氣排放到大氣中［10］，而且煤矸石堆場氣體中含有無機(jī)和有機(jī)化合物［11］。在自燃探測方面，有關(guān)學(xué)者提出了地面紅外熱像監(jiān)測矸石山溫度變化［12］、近景拍攝及紅外測溫構(gòu)建小型煤矸石山地表溫度的三維可視化模型［13］、無人機(jī)熱紅外傾斜攝影建立煤火熱紅外三維模型［14］等非接觸的方法，也提出了通過磁法、電法探測自燃火區(qū)范圍的地球物理勘測技術(shù)［1516］，研究紅外熱數(shù)據(jù)、同位素氡測定及鉆孔測溫等聯(lián)合探測技術(shù)及煤矸石自燃與植被、土壤的關(guān)系確定自燃區(qū)域的方法［1720］。在煤矸石山爆炸方面，CO和H2的存在是誘發(fā)自燃煤矸石山爆炸的主要原因［21］。

綜上所述，研究學(xué)者更關(guān)注對煤矸石自燃成因、特性分析研究，缺少堆場自燃發(fā)展的時(shí)序及自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系研究，這將影響堆場生態(tài)環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)開發(fā)利用。為此本文建立了衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測、地表調(diào)查、有害氣體監(jiān)測及淺層地溫探測的堆場自燃監(jiān)測方法，并提出了基于堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd及自燃災(zāi)害危害程度Hd的自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系，從而彌補(bǔ)了堆場自燃?xì)v史的時(shí)序監(jiān)測，克服了單一方法評(píng)價(jià)堆場自燃危險(xiǎn)性的局限性，對堆場自燃情況精準(zhǔn)預(yù)測、防治及可持續(xù)開發(fā)利用提供評(píng)價(jià)。

1" 評(píng)價(jià)方法

1.1" 數(shù)據(jù)獲取

1.1.1" 堆場自燃?xì)v史數(shù)據(jù)獲取

針對堆場自燃具有時(shí)序性的特征，運(yùn)用熱紅外遙感衛(wèi)星周期性記錄數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選取研究區(qū)內(nèi)合適的衛(wèi)星紅外遙感歷史數(shù)據(jù)用于堆場自燃?xì)v史地表溫度反演［22］。

1.1.2" 地表調(diào)查數(shù)據(jù)

調(diào)查內(nèi)容有地形變化、植被發(fā)育、出露坡面堆積物成分及特征、地表水體分布、大氣降雨面流情況、地下水情況調(diào)查、煤矸石覆蓋與裸露情況、氣體逸出分布位置、堆場周邊建筑環(huán)境條件等，調(diào)查過程中將調(diào)查結(jié)果測繪到圖［23］。

1.1.3" 有害氣體數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)煤矸石物質(zhì)組成，確定有害氣體監(jiān)測項(xiàng)目，布設(shè)大氣氣體監(jiān)測儀并連續(xù)記錄，確保監(jiān)測氣體記錄數(shù)據(jù)的規(guī)范性和有效性。

1.1.4" 淺層地溫值獲取

堆場淺層地溫獲取是堆場自燃位置及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)的最重要步驟，可選用鉆孔測溫法獲取淺層地溫?cái)?shù)據(jù)。首先按照網(wǎng)格布設(shè)測溫勘測孔并進(jìn)行表層地溫采集，根據(jù)采集點(diǎn)表層地溫?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用聚類方法，找出表層地溫異常點(diǎn)；針對地溫異常點(diǎn)加深內(nèi)部地溫檢測點(diǎn)，獲取異常點(diǎn)的內(nèi)部地溫?cái)?shù)據(jù)；對于處于自燃階段的異常區(qū)，可加密、加深地溫探測，直至地溫值穩(wěn)定，從而準(zhǔn)確圈定自燃范圍。

1.2" 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

為準(zhǔn)確評(píng)估堆場自燃危險(xiǎn)性，構(gòu)建了基于自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd及自燃災(zāi)害危害程度Hd的一級(jí)評(píng)價(jià)體系［2425］。堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg主要包括有害氣體對環(huán)境造成的污染和對人體造成的損傷2個(gè)方面。堆場自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd主要包括堆場自燃擴(kuò)展趨勢及自燃發(fā)展現(xiàn)狀。堆場自燃災(zāi)害危害程度Hd主要指自燃災(zāi)情發(fā)生后對堆場及周邊的危害程度及威脅程度。

1.2.1" 有害氣體危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、工作場所有害因素職業(yè)接觸限值、建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則等相關(guān)規(guī)范文件，將有害氣體危險(xiǎn)性按照濃度不同劃分為四級(jí)（表1），Ⅰ級(jí)代表氣體不會(huì)對空氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響；Ⅱ級(jí)表示氣體會(huì)對空氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響但不會(huì)引起絕大多數(shù)接觸者不良健康效應(yīng)；Ⅲ級(jí)表示氣體對空氣環(huán)境質(zhì)量造成污染且對人體造成可逆的健康損害；Ⅳ級(jí)表示氣體對空氣環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重污染且對人體造成不可逆的健康損害。

1.2.2" 自燃發(fā)展危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

堆場煤矸石自燃可分為無氧化階段、低溫氧化階段、自熱階段、自燃階段；自燃危險(xiǎn)性可劃分為Ⅰ級(jí)（無危險(xiǎn)）、Ⅱ級(jí)（輕度危險(xiǎn)）、Ⅲ級(jí)（危險(xiǎn)）、Ⅳ級(jí)（高度危險(xiǎn)）四類（表2）。若堆場自燃異常區(qū)為擴(kuò)展趨勢，對應(yīng)的擴(kuò)展范圍內(nèi)危險(xiǎn)性劃分提高1級(jí)。

1.2.3" 自燃災(zāi)害危害程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

堆場自燃災(zāi)害危害程度指堆場發(fā)生自燃后將會(huì)對場區(qū)工作人員、環(huán)境、設(shè)施等造成的災(zāi)情及險(xiǎn)情。選取死亡人數(shù)Nd、直接經(jīng)濟(jì)損失Le、受威脅人數(shù)Nt及可能直接經(jīng)濟(jì)損失Lme 4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)表示堆場發(fā)生自燃后對場區(qū)及周邊人員生命及財(cái)產(chǎn)的損失程度，Ⅰ級(jí)為危害程度小，Ⅱ級(jí)為危害程度較大，Ⅲ級(jí)表示危害程度重大，Ⅳ級(jí)表示危害程度極大。

1.2.4" 自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為定量綜合評(píng)價(jià)堆場自燃危險(xiǎn)性，對堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd、自燃災(zāi)害危害程度Hd及自燃危害性綜合評(píng)價(jià)SL分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定量化，評(píng)價(jià)等級(jí)映射的定量評(píng)分值見表4。

1.3nbsp; 堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg評(píng)價(jià)方法

1.3.1" 單項(xiàng)有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Ei

根據(jù)堆場監(jiān)測點(diǎn)有害氣體濃度值，采用克里金空間插值，繪制研究區(qū)單項(xiàng)有害氣體濃度等值線，并按表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制單項(xiàng)有害氣體危險(xiǎn)性分區(qū)。

1.3.2" 混合有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Em

毒性危害指數(shù)能夠客觀反映有害氣體對人體健康的危險(xiǎn)程度。煤矸石自燃主要產(chǎn)生SO2、H2S、CO、NOX、HCl及NH3等有毒有害氣體，根據(jù)職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)及氣體SDS說明，各氣體的毒性危害指數(shù)（Ti）及對人體健康影響作用的方式詳見表5。

當(dāng)2種或2種以上有害氣體共同作用于同一器官、系統(tǒng)或具有相似的毒性作用時(shí)，通過計(jì)算各有害氣體的權(quán)重，再等價(jià)為單項(xiàng)有害氣體濃度，從而評(píng)價(jià)混合有害氣體的危險(xiǎn)性。

（1）i氣體權(quán)重Wi計(jì)算。混合氣體中單項(xiàng)有害氣體所占權(quán)重與其濃度及毒性危害指數(shù)密切相關(guān)。i氣體濃度權(quán)重Wic計(jì)算見公式（1～2）。依據(jù)濃度值計(jì)算混合氣體中i氣體濃度權(quán)重Wic，并歸一化。

Wic=Ci/i∑ni=1Ci/i（1）

i=1m∑mj=1Sij（2）

式中：Ci為i氣體的監(jiān)測濃度值（mg/m3）；i為i氣體m級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的算數(shù)平均值;Sij為i氣體j標(biāo)準(zhǔn)的濃度值，具體數(shù)值查閱表2。

i氣體毒性危害指數(shù)權(quán)重Wit計(jì)算見式（3）。依據(jù)毒性危害指數(shù)Ti計(jì)算混合氣體中i氣體毒性危害指數(shù)權(quán)重，并歸一化。

Wit=Ti∑ni=1Ti（3）

i氣體權(quán)重Wi計(jì)算見式（4）。對i氣體濃度權(quán)重Wic與毒性危害指數(shù)權(quán)重Wit進(jìn)行集成，求取i氣體在混合氣體中的集成權(quán)重Wi。

Wi=αWic+βwit2（4）

式中：α、β為待定常數(shù)，α+β=1，αgt;0，βgt;0，評(píng)價(jià)者根據(jù)氣體構(gòu)成及危害確定Wic與Wit的權(quán)重。

（2）混合有害氣體等價(jià)濃度計(jì)算。將共同作用的混合有害氣體濃度等價(jià)為i單氣體濃度i;Wm為混合氣體中m氣體在混合氣體中的權(quán)重;Cm為m氣體的監(jiān)測濃度值，具體計(jì)算見式（5）。

i=∑jm=1WmWiCm+Ci（5）

計(jì)算等價(jià)i氣體濃度i后，依據(jù)表1繪制混合氣體等效i氣體濃度等值線圖并劃分危險(xiǎn)性分區(qū)。

（3）混合有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。根據(jù)研究區(qū)有害氣體種類，判定混合有害氣體組合形式，根據(jù)公式（1～5）及有害氣體濃度，計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)有害氣體的權(quán)重Wic、Wit、Wi及等價(jià)單項(xiàng)有害氣體濃度，繪制等價(jià)后的單項(xiàng)有害氣體濃度等值線及危險(xiǎn)性分區(qū)圖。

1.3.3" 有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Dg

疊加各單項(xiàng)有害氣體和等價(jià)后的單項(xiàng)有害氣體危險(xiǎn)性分區(qū)圖，取各位置危險(xiǎn)等級(jí)最高值作為有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)最終結(jié)論并繪制有害氣體危險(xiǎn)性圖。

1.4" 堆場自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd評(píng)價(jià)

1.4.1" 堆場自燃發(fā)展趨勢研判

根據(jù)下載的歷史紅外遙感數(shù)據(jù)，通過輻射標(biāo)定、大氣校正、地表比輻射率計(jì)算、黑體輻射亮度計(jì)算等步驟［26］，反演地表溫度，再對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、裁剪，再進(jìn)行數(shù)據(jù)異常提取，繪制地表穩(wěn)定度等值線級(jí)溫度異常區(qū)圖，通過對比歷史地表溫度異常區(qū)變化，研判堆場自燃的發(fā)展趨勢。

1.4.2" 堆場自燃發(fā)展危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)各地溫勘測點(diǎn)中最高溫度值，繪制研究區(qū)地溫等值線圖，并根據(jù)煤矸石自燃溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2），劃分自燃發(fā)展危險(xiǎn)性分區(qū)圖；此外，依據(jù)堆場自燃發(fā)展趨勢，當(dāng)研究區(qū)自燃趨勢為發(fā)展期時(shí)，溫度異常點(diǎn)自燃發(fā)展危險(xiǎn)等級(jí)調(diào)高一級(jí)。

1.5" 堆場自燃災(zāi)害危害程度Hd評(píng)價(jià)

根據(jù)堆場開發(fā)利用方案及自燃發(fā)展危險(xiǎn)性分區(qū)圖，計(jì)算自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Ⅲ、Ⅳ級(jí)分區(qū)面積及引發(fā)災(zāi)害的傷亡情況、直接經(jīng)濟(jì)損失、受威脅人數(shù)及可能直接經(jīng)濟(jì)損失4個(gè)指標(biāo)值，并依據(jù)表3，確定煤矸石自燃災(zāi)害危害程度分級(jí)。

1.6" 堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

1.6.1" 勘測點(diǎn)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值

為定量綜合評(píng)價(jià)堆場自燃危險(xiǎn)性，依據(jù)表4，對堆場各勘測點(diǎn)位進(jìn)行自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd、自燃災(zāi)害危害程度Hd賦值。

1.6.2" 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

CRITIC權(quán)重法是一種客觀賦權(quán)方法，主要用于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問題中確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。在堆場自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系中，CRITIC權(quán)重法能夠很好處理堆場Dg、Fd及Hd三個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。具體步驟如下：

（1）根據(jù)堆場不同測點(diǎn)位置的有害氣體危險(xiǎn)性、地表溫度及自燃災(zāi)害危害程度等m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)場區(qū)n個(gè)測點(diǎn)n×m矩陣X（式6）。

X=x1（L1）x2（L1）…xm（L1）

x1（L2）x2（L2）…xm（L2）

…

x1（Ln）x2（Ln）…xm（Ln）=（xj（Li））n×mi=1，2，…，n；j=1，2，…，m（6）

式中：n為監(jiān)測點(diǎn)個(gè)數(shù);m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)，本文m=3，xm（Ln）為Ln測點(diǎn)m評(píng)價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)分值，可查閱表7。

（2）對矩陣X指標(biāo)進(jìn)行Min-Max歸一化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣x*（式7）。

x*j（Li）=xj（Li）-xmin（Lmin）xmax（Lmax）-xmin（Lmin），i=1，2，…，n；j=1，2，…，m（7）

式中：xmax（Lmax）為j指標(biāo)的最大值;xmin（Lmin）為j指標(biāo)的最小值。

（3）計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣。對標(biāo)準(zhǔn)化矩陣x*計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣B=B=（rkl）m×m，k=1，2，…，m；l=1，2，…，m;rkl為指標(biāo)k與l的相關(guān)系數(shù)。

（4）計(jì)算指標(biāo)沖突性Rl（式9）。計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣每列中的（1-rkl）的和，即：

Rl=∑mk=1（1-rkl）（8）

（5）計(jì)算l指標(biāo)包含的信息量Cl（式9）。

Cl=σ1∑mk=1（1-rkl）（9）

計(jì)算l指標(biāo)權(quán)重。Cl越大，表示l指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系的作用越大，需賦予更大權(quán)重Wl。

（6）計(jì)算l指標(biāo)的權(quán)重Wl（式10）。

Wl=Cl∑ml=1Cl，l=1，2，…，m（10）

（7）計(jì)算研究區(qū)堆場Dg、Bg及Hd的權(quán)重W1、W2及W3。

2" 工程實(shí)例

2.1" 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省撫順市望花區(qū)西舍場西南側(cè)（圖1），占地面積約1.83km2，場區(qū)地勢北高南低，起伏較大，屬于煤矸石堆積形成，高出地表約70m，標(biāo)高96～172m，北部比較平坦，地面標(biāo)高157～172m，南部屬于煤矸石山斜坡，后期經(jīng)過幾次人工放坡，形成多級(jí)階梯式坡面。西舍場作為亞洲最大的煤矸石場區(qū)，工作階段為1937—2000年，原為西露天礦開采剝離出的煤矸石、土砂等廢棄物外排場地，占地12.9km2，堆積高度120m，矸石堆積量8.6億m3。為充分利用該煤矸石堆場，規(guī)劃開展“光伏+生態(tài)”治理方案，但該矸石場存在有自燃現(xiàn)象，為防治煤矸石自燃對場區(qū)開發(fā)利用的威脅，特此開展堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)研究。

2.2" 現(xiàn)場調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)一方面用于監(jiān)測點(diǎn)布置依據(jù)，另一方面能夠間接反映評(píng)價(jià)結(jié)論與實(shí)際情況是否相符。通過調(diào)查，研究區(qū)地層由上而下為素填土和雜填土，素填土主要為黏性土，一般厚10～30cm，最厚約50cm，局部矸石裸露；雜填土以頁巖、泥巖、煤矸石碎塊為主；堆積形式屬于傾倒重力分選，煤矸石呈條帶狀不均勻分布，局部富集。場區(qū)土地利用為林地、草地及裸地，無地表水系分布（圖2）。

2.3" 堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg評(píng)價(jià)

（1）數(shù)據(jù)采集。本研究區(qū)主要有害氣體為SO2、NOX、H2S，場區(qū)同時(shí)布設(shè)7臺(tái)大氣檢測儀并記錄數(shù)據(jù)（表6），背景值采用望花區(qū)空氣自動(dòng)站檢測結(jié)果。

（2）單項(xiàng)有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。根據(jù)表6各監(jiān)

測點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)單項(xiàng)有害氣體濃度等值線圖及危險(xiǎn)性分區(qū)（圖3）。

（3）混合有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。由表5可知，SO2、NOX具有相似的毒性作用，故研究區(qū)需計(jì)算并評(píng)價(jià)SO2及H2S的混合氣體危險(xiǎn)性。根據(jù)公式（1～5）及混合有害氣體濃度，計(jì)算DQ1～DQ7各監(jiān)測點(diǎn)的各有害氣體的權(quán)重Wic、Wit、Wi及等價(jià)SO2、NOX氣體濃度CSO2、CNOX（表7），繪制等價(jià)后的混合氣體濃度等值線圖及危險(xiǎn)性分區(qū)圖（圖3）。

2.4" 堆場自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd評(píng)價(jià)

（1）研判堆場自燃的發(fā)展趨勢。研究選取Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用軌道號(hào)為11931、云量均低于0.25的Landsat8遙感影像［27］，日期分別為2016.4.22、2018.4.28、2020.4.10。通過反演地表溫度，繪制等值線及溫度異常區(qū)圖（圖4），能夠發(fā)現(xiàn)近5年研究區(qū)堆場自燃經(jīng)過了自燃發(fā)展期后進(jìn)入自燃衰退區(qū)。

（2）地溫異常值判定及自燃發(fā)展危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。按100m×100m間距網(wǎng)格布設(shè)1m深度淺層地溫探測點(diǎn)，共布設(shè)167點(diǎn)位，采用鉆孔測溫技術(shù)探測地溫值，聚類分析方法提取1m深度地溫異常點(diǎn)；對1m深度地溫異常點(diǎn)（19個(gè)點(diǎn)）及代表性地溫正常點(diǎn)（11個(gè)點(diǎn)）繼續(xù)測量3m、5m、7m深度處的地溫值（合計(jì)30個(gè)點(diǎn)）并聚類；對7m深度地溫值增量較高觀測點(diǎn)，繼續(xù)鉆探測量9m、12m深地溫值，并聚類及研判溫度異常原因。地溫勘測點(diǎn)不同深度溫度值及聚類瀑布圖見圖5。

選取代表性地溫正常點(diǎn)的溫度最大值賦值給其他未探測地溫點(diǎn)；最后取各測點(diǎn)溫度最大值繪制地溫等值線圖，并依據(jù)表2，劃分各深度堆場自燃危險(xiǎn)性等級(jí)（圖6）。由于研究區(qū)自燃發(fā)展期為衰退區(qū)，各探測點(diǎn)自燃發(fā)展危險(xiǎn)等級(jí)無需調(diào)整。

2.5" 堆場自燃災(zāi)害危害程度Hd評(píng)價(jià)

依據(jù)研究區(qū)開發(fā)利用可行性報(bào)告，本研究區(qū)擬開發(fā)為光伏電站，主要部署有光伏場區(qū)及升壓站。光伏區(qū)建設(shè)成本約1.4億元，建設(shè)面積183hm2，根據(jù)自燃危險(xiǎn)性分區(qū)圖，研究區(qū)處于Ⅲ級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域的面積0.59hm2，據(jù)此若發(fā)生自燃災(zāi)害，直接或可能經(jīng)濟(jì)損失最大約45.1萬元，受威脅人數(shù)小于5人，故研究區(qū)內(nèi)光伏區(qū)自燃災(zāi)害危害程度評(píng)定為Ⅰ級(jí)。升壓站（146、147、161、162點(diǎn)位）若發(fā)生自燃災(zāi)害，將會(huì)造成重大設(shè)備損毀，直接影響光伏電站輸送電力，其自燃災(zāi)害危害程度評(píng)定為Ⅲ級(jí)（圖7）。

2.6" 堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

（1）勘測點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值。根據(jù)圖3、圖6、圖7，依據(jù)表4，對研究區(qū)167點(diǎn)位的自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd、自燃災(zāi)害危害程度Hd評(píng)價(jià)等級(jí)定量賦分SDg、SFd、SHd。

（2）計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)研究區(qū)167處監(jiān)測點(diǎn)位的SDg、SFd、SHd，用CRITIC權(quán)重法計(jì)算權(quán)重，結(jié)果見表8。

（3）勘測點(diǎn)自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)賦值。根據(jù)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重W1，計(jì)算研究區(qū)167個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位Li監(jiān)測點(diǎn)l指標(biāo)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)權(quán)重得分Sl（Li），再根據(jù)公式（12）計(jì)算Li監(jiān)測點(diǎn)煤矸石自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)分值S（Li），最后根據(jù)研究區(qū)所有監(jiān)測點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)分值，繪制綜合評(píng)價(jià)等值線，并依據(jù)表4劃分研究區(qū)堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)分區(qū)圖（圖8）。

S（Li）=∑ml=1Sl（Li）=∑ml=1Wl（Li）×Sl（Li）（11）

式中：Wl（Li）、Sl（Li）為Li監(jiān)測點(diǎn)l指標(biāo)所占權(quán)重及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)賦值。

3" 結(jié)果與分析

（1）單項(xiàng)有害氣體與混合有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果差異的分析。由圖3可知，研究區(qū)煤矸石自燃單項(xiàng)有害氣體（SO2、H2S、NOX）危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)區(qū)域面積最大為19.51hm2，而等價(jià)為NOX的混合有害氣體危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)區(qū)域面積為112.86hm2，主要原因是SO2、NOX、H2S對人體的呼吸黏膜有強(qiáng)烈的刺激危害，在評(píng)價(jià)過程中，要考慮這3種有害氣體對人體傷害的疊加作用，否則評(píng)價(jià)結(jié)果將與事實(shí)差異顯著。

（2）堆場自燃易發(fā)性的空間分布特征。由圖6可知，研究區(qū)堆場自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)區(qū)域面積分別為76.3hm2及0.59hm2，輕度危險(xiǎn)（Ⅱ級(jí)）主要分布在矸石場區(qū)臨空邊坡及薄覆土區(qū)，該區(qū)域處于低溫氧化階段，可在這些區(qū)域重新覆蓋一定厚度的黏性土，并做好水土流失防治措施，阻絕煤矸石自燃進(jìn)一步發(fā)展。危險(xiǎn)（Ⅲ級(jí)）區(qū)域煤矸石處于自熱階段，極易盡一步發(fā)展至自燃階段，可通過鉆孔注漿集中滅火的方式消除危險(xiǎn)區(qū)域自燃風(fēng)險(xiǎn)。

（3）堆場自燃危害程度與場地利用規(guī)劃的關(guān)聯(lián)性。由圖7可知，研究區(qū)堆場自燃災(zāi)害危害程度Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)區(qū)域面積分別為2.45hm2及3.73hm2，主要分布在布置有重要設(shè)備的升壓站區(qū)域。為降低重要區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)，可將重要設(shè)施部署在有害氣體危險(xiǎn)性、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性I級(jí)區(qū)域內(nèi)，從而在危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)中降低該區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)。

（4）堆場自燃危險(xiǎn)性一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)論與綜合評(píng)價(jià)結(jié)論差異的分析。由圖8可知，研究區(qū)堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)Ⅱ級(jí)面積為58.26hm2，少于有害氣體危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)區(qū)域面積為112.86hm2及自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Ⅱ級(jí)區(qū)域面積為76.3hm2，其主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)煤矸石自燃災(zāi)害危害程度多為Ⅰ級(jí)（圖7），在綜合評(píng)價(jià)過程中，會(huì)降低危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)面積。

4" 結(jié)論

本文研究了衛(wèi)星遙感、地表調(diào)查、有害氣體監(jiān)測、淺層地溫探測等技術(shù)方法在煤矸石場區(qū)自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，并提出了基于堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)Fd及自燃災(zāi)害危害程度Hd的煤矸石場區(qū)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系，所得結(jié)論如下：

（1）歸納了堆場自燃溫度監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，建立了衛(wèi)星遙感時(shí)序監(jiān)測、地表調(diào)查、有害氣體監(jiān)測及淺層地溫探測的多指標(biāo)堆場自燃監(jiān)測方法，可用于確定堆場自燃發(fā)展趨勢、自燃原因、有害氣體影響區(qū)域、自燃位置、范圍、發(fā)展情況等。

（2）提出了基于濃度及毒性危害指數(shù)確定權(quán)重的混合有害氣體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，為堆場自燃有害氣體的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了新的方法。

（3）構(gòu)建了基于堆場自燃有害氣體危險(xiǎn)性Dg、自燃發(fā)展危險(xiǎn)性Fd及自燃災(zāi)害危害程度Hd的堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)體系，并提出CRITIC權(quán)重法定量確定3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法。

（4）堆場自燃危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)在煤矸石場區(qū)開發(fā)利用前期規(guī)劃中具有重要意義，通過合理規(guī)劃項(xiàng)目總平面圖，控制堆場自燃災(zāi)害危害程度Hd等級(jí)，從而降低堆場自燃危險(xiǎn)性綜合等級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

［1］" 胡振琪，肖武，趙艷玲.再論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境“邊采邊復(fù)”［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2020，45（1）：351359.

［2］" 王海軍，王伊杰，李文超，等.《全國礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告（2019）》［J］.中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2020，33（2）：2.

［3］" 何騫，肖旸，楊蒙，等.矸石山自燃防治技術(shù)及綜合治理模式發(fā)展趨勢［J］.煤礦安全，2020，51（8）：220226.

［4］" 田立強(qiáng)，范士彥，門兆龍.井工煤礦生態(tài)恢復(fù)治理工作中存在的問題探討［J］.山東國土資源，2019，35（4）：6265.

［5］" JIANG X Y，YANG S Q，ZHOU B Z，et al.Study on Spontaneous Combustion Characteristics of Waste Coal Gangue Hill［J］.Combustion science and technology，2023，195（4）：713727.

［6］" "LI B，WANG J H，BI M S，et al. Experimental study of thermophysical properties of coal gangue at initial stage of spontaneous combustion［J］.Journal of Hazardous Materials， 2020（6）：400.

［7］" "LI A，CHEN C K，CHEN J，et al.Experimental investigation of temperature distribution and spontaneous combustion tendency of coal gangue stockpiles in storage［J］.Environ Sci Pollut Res Int，2021，28（26）：3448934500.

［8］" WANG S B，LUO K L，WANG X，et al.Estimate of sulfur，arsenic，mercury， fluorine emissions due to spontaneous combustion of coal gangue： An important part of Chinese emission inventories［J］.Environmental Pollution， 2016（209）：107113.

［9］" 楊豐隆.煤矸石堆積區(qū)土壤生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)與毒性效應(yīng)研究［D］.太原：山西大學(xué)環(huán)境生物醫(yī)學(xué)，2020：115.

［10］" 唐杰.自燃煤矸石中有害微量元素的釋放規(guī)律研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)（江蘇）安全科學(xué)與工程，2023.

［11］" FABIANSKA M J，CIESIELCZUK J，KRUSZEWSKI A，et al.Gaseous compounds and efflorescences generated in selfheating coalwaste dumps — A case study from the Upper and Lower Silesian Coal Basins （Poland）［J］.International Journal of Coal Geology，2013（116/117）：247261.

［12］" CARPENTIER O，DEFER D，ANTCZAK E，et al.The use of infrared thermographic and GPS topographic surveys to monitor spontaneous combustion of coal tips［J］.Applied thermal engineering，2005，25（17）：26772686.

［13］" HU Z Q， XIA Q.An integrated methodology for monitoring spontaneous combustion of coal waste dumps based on surface temperature detection［J］.Applied Thermal Engineering，2017（122）：2738.

［14］" SHAO Z L，LI Y Z，DENG R，et al.Threedimensionalimaging thermal surfaces of coal fires based on UAV thermal infrared data［J］.International journal of remote sensing，2021，42（2）：672692.

［15］" SHAO Z L，WANG D M，CAO K，et al.Treatment of smouldering coal refuse piles： an application in China［J］.Environ Technol，2020，41（23）：31053118.

［16］" SHAO Z L，JIA X Y，ZHONG X X，et al.Detection， extinguishing， and monitoring of a coal fire in Xinjiang， China［J］.Environ Sci Pollut Res Int，2018，25（26）：2660326616.

［17］" WANG H Y，TAN B，ZHANG X D.Research on the technology of detection and risk assessment of fire areas in gangue hills［J］.Environmental science and pollution research international，2020，27（31）：3877638787.

［18］" DU X M，CAO D Y，MISHRA D，et al.SelfAdaptive GradientBased Thresholding Method for Coal Fire Detection Using ASTER Thermal Infrared Data， Part I： Methodology and Decadal Change Detection［J］. Remote sensing （Basel， Switzerland），2015，7（6）：65766610.

［19］" ABRAMOWICZ A，RAHMONOV O，CHYBIORZ R，et al. Vegetation as an indicator of underground smoldering fire on coalwaste dumps［J］.Fire safety journal， 2021（121）：103287.

［20］" 杜文州，孫路路，顏國強(qiáng)，等.煤礦矸石山自燃火區(qū)判定技術(shù)［J］.煤礦安全，2015，46（1）：5760.

［21］" 梁鐵山，張志杰.自燃矸石山爆炸規(guī)律與誘發(fā)因素［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（1）：7478.

［22］" 何雪琴，鄧清海，高宗軍，等.遙感技術(shù)在干熱巖選區(qū)中的應(yīng)用：以魯東地區(qū)為例［J］.山東國土資源，2019，35（6）：6773.

［23］" 李鑫宇，孫士偉，師廷興，等.臨沂歷史遺留廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及治理規(guī)劃研究［J］.山東國土資源，2023，39（7）：1420.

［24］" 牛水源，劉金勇，黃偉榮.指標(biāo)法與層次分析法在淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用討論［J］.山東國土資源，2021，37（4）：7380.

［25］" 蘇寶成，郝騏，伊麗，等.基于GIS分析的泰安市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.山東國土資源，2023，39（6）：4451.

［26］" 花曉鳴，羅晨曦，茍曉軍，等.結(jié)合Landsat 8遙感影像的長大深埋隧道地表地?zé)峥臻g分布特征分析：以高黎貢山隧道為例［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（6）：3137.

［27］" 盧響軍，許塵璐，郭金金.基于Landsat 8數(shù)據(jù)的地表溫度反演方法對比分析［J］.干旱環(huán)境監(jiān)測，2023，37（3）：137144.

Study and Application of Comprehensive Evaluation for Spontaneous Combustion Risk in Coal Gangue Dumps——Taking Xishechang in Fushun City as an example

ZHANG Shoucheng1，2，3， GUO Zhengmeng2， ZHAO Yongliang2， WANG Ruzhen2， DONG Qingya2， YANG Kai2

（1. China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China; 2.Shandong Huaying Geomineral Engineering Exploration Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250000， China; 3.Shandong Qinqi Construction Project Consulting Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：Accompanying with the increasing of coal production， coal gangue dumps （from now on referred to as “dumps”） have been increased continuously， and the destruction of the terrain and landscape of the storage yard area have been aggravatied." Due to the toxic and harmful gases and high temperatures generated by the spontaneous combustion of coal gangue， the damage to the surface ecological environment， and a huge safety threaten to the biodiversity and development and utilization of the storage yard will be caused. In this paper， by using satellite remote sensing time series monitoring， surface investigation， harmful gas monitoring， and shallow ground temperature detection methods，" the risk assessment of spontaneous combustion in storage yards has been carried out." A method for evaluating the risk of spontaneous combustion in storage yards has been put forward. A hazardous gas hazard assessment method based on concentration combined with toxicity hazard index to determine weights， a shallow ground temperature clustering analysis method to judge ground temperature anomalies， and a CRITIC weighted comprehensive evaluation method for yard self ignition hazard based on three primary indicators of hazardous gas， self ignition development risk， and self ignition disaster hazard degree have been put forward. It is showed that by adjusting the deployment of the yard development and utilization plan， comprehensive evaluation of the risk level of spontaneous combustion in the yard can be effectively reduced. It will provide some references for the prevention and control of spontaneous combustion disasters in coal gangue yards and sustainable development and utilization.

Key words：Spontaneous combustion of coal gangue; cluster analysis; toxicity index; CRITIC method; comprehensive evaluation method