適應性管理下的自燃矸石山治理
——以烏海美方礦為例

宮有壽，李廣強，王曉軍，張愛桃，辛　亞，陳文英，郭妙玲，宮　正，王亞文，李茹夢

(1.山西綠巨人環境科技有限公司，山西　太原　030000； 2.山西大學環境與資源學院，山西　太原　030006；3.山西省林業技工學校，山西　太原　030009； 4.北京理工大學，北京　100081；5.山西大學黃土高原研究所，山西　太原　030006)

?

·試驗研究·

適應性管理下的自燃矸石山治理
——以烏海美方礦為例

宮有壽1，李廣強1，王曉軍2，張愛桃3，辛亞2，陳文英2，郭妙玲2，宮正4，王亞文5，李茹夢2

(1.山西綠巨人環境科技有限公司，山西太原030000； 2.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；3.山西省林業技工學校，山西太原030009； 4.北京理工大學，北京100081；5.山西大學黃土高原研究所，山西太原030006)

摘要：自燃矸石山生態治理的目標是徹底滅火不復燃。筆者基于適應性管理思想，提出自燃矸石山熱量聚散梯度原理，并運用系統理論、耗散結構理論和協同論觀點，建立了一套針對美方礦自燃矸石山的滅火、防復燃與監測體系。研究表明，要達到徹底滅火防復燃的目標，打破熱量聚集的物理條件是關鍵。筆者提出自燃矸石山熱量聚散梯度理念，可為今后自燃矸石山的治理提供新思路。關鍵詞： 煤矸石山； 自燃； 滅火； 防復燃； 適應性管理

自燃矸石山的滅火防復燃是國內外生態環境治理中的一個難點。目前，國外在煤礦開采過程中，由于采用合理的排矸方式，鮮有煤矸石山自燃的相關報道。然而，國內煤礦在露天與井工開采過程中產生大量煤矸石，未經處理，隨意堆放，導致自燃現象頻發，治理難度極大。許多研究表明，煤矸石山的自燃是一個復雜多變的物理、化學反應過程，由內部可燃物含量與外部供氧條件共同作用導致。因此，滅火的關鍵是有效地去除煤矸石中的煤和黃鐵礦，切斷供氧條件，采用覆蓋法、挖除法、控制燃燒法、低溫惰性氣體法進行滅火。分析不同滅火技術的適用條件，對不同自燃矸石山采取有針對性的集成滅火技術，可以有效降低其復燃的可能性。

本研究在烏海美方礦自燃矸石山進行，探索在適應性管理理論指導下自燃矸石山治理的新思路以及相應的技術措施。

1研究區與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于內蒙古烏海市海勃灣區美方礦矸石山，屬半沙漠干旱高原大陸性氣候，干燥多風，年平均降水量為166.9 mm，蒸發量大；土質貧瘠，肥力低下，生態脆弱，植被類型單一，且分布極不均勻。其中，治理區矸石山總面積為152.4 hm2，地勢北高南低，東高西低。西北部約11.8 hm2的矸石山自燃尤其嚴重，治理難度極大。

1.2研究方法

適應性管理主要是針對復雜開放系統的不確定性、動態性、非線性等特征，對資源進行管理的一種理念，其核心是“從干中學”。矸石山是一個由若干相互聯系的內外要素以一定的結構和形式構成的不斷變化的復雜系統，它不斷與周圍環境發生著物質、能量、信息的傳遞與交流，一定條件下會導致自燃的發生。自燃矸石山是一個典型的開放系統，具有不確定性、復雜性、動態性等特征，可采用適應性管理方法進行治理。

為了達到自燃矸石山徹底滅火不復燃的目標，筆者基于適應性管理理念，建立了一套監測管理過程體系(見圖1)。運用火情系統診斷程序全面掌握矸石山火情特征，在此基礎上，采取相應的集成滅火技術和系統防復燃技術。在后期對溫度進行持續監測，定期對火情風險進行評估，并將監測、評估結果反饋到自燃矸石山滅火與防復燃的治理與維護中，實時調整方案，消除安全隱患。

圖1　基于適應性管理的自燃矸石山滅火、防復燃與監測過程

2研究結果與分析

2.1系統滅火理念與技術

2.1.1熱量聚散梯度原理

自燃堆放的矸石山，其內部存在多種可燃物質，發熱條件具備時，會在復雜的物化反應作用下產生熱量，并向四周擴散。如果發熱條件持續存在，發熱區的熱量不斷積累，會形成一個明顯的蓄熱區域，該區域外側散熱大于蓄熱，內部蓄熱大于散熱，蓄熱超過一定閾值就會導致矸石山自燃。

通過對自燃區域進行水平和垂直測溫，確定蓄熱區域，有針對性地選擇相應的集成滅火工藝，并實施滅火作業(挖除滅火、開溝注漿滅火、深孔注漿滅火、環坡腳封閉滅火、坡面全封閉滅火等)。滅火后，在山體整形與后期溫度持續監測防復燃過程中，該原理依然有效。依此原理指導施工作業(見圖2)，可達到矸石山徹底滅火防復燃的目標。

圖2　熱量聚散梯度原理指導下的滅火過程

該原理主要有以下特征：

1) 熱量聚散區域存在明顯的水平與垂直分布規律。這一規律在美方礦新排放的、堆放時間長的且山體穩定的矸石山表現極顯著，而對于老矸石山不顯著。

2) 聚熱區域是矸石山最先發生自燃的區域，自燃發生后該聚熱區域逐漸向外擴大，形成熱量擴散梯度。

3) 聚熱區域的范圍還隨坡度、坡長、堆積結構、堆積成分、自燃階段等因素而變化，具有復雜性、動態性和不可控性。

由此可見，自燃矸石山是一個自組織系統，具有耗散結構的特征，在內部協同作用與外界環境因素的隨機干擾下，蓄熱區的熱量會發生漲落。為了使自燃矸石山自組織系統進入持續不升溫的有序可控狀態，關鍵要打破熱量聚集的所有物化因素，防止蓄熱條件的再次形成，保證自燃矸石山徹底滅火永不復燃。同時，依據該原理指導矸石山進行生態綜合治理，可以有效降低施工成本，為后續生態重建奠定基礎。

2.1.2系統滅火技術

根據美方礦自燃煤矸石山的火情特征以及蓄熱區的不同位置，將其劃分為挖方區、填方區、中部區，因地制宜地采取相應的集成滅火技術，最終實現徹底滅火。

在施工過程中，將美方礦矸石山高度在基準標高以下的部位稱為填方區，該區域在滅火時，主要采用“田”字形開溝注漿與分層覆沙碾壓相結合的滅火技術。首先，針對火源較深、高溫區面積較大的區域，環坡角開挖，進行注漿滅火，直至水不再下滲，溫度持續下降。然后，將沙子、粉煤灰、石灰等，每隔6 m覆蓋1層，并進行碾壓夯實，壓實系數為0.97，見圖3.將該技術用于填方區的滅火，可有效降低施工成本，縮短工期，防止復燃。

圖3　分層覆沙碾壓滅火示意圖

矸石山基準標高以上的部位稱為挖方區，對于該區域的自燃現象，首先應進行全面監測，確定火區分布范圍及位置，明確特殊處理區域，針對燃燒穴采用挖除滅火技術，待矸石溫度降至40 ℃以下時進行回填。

在美方礦自燃矸石山的滅火過程中，應配套實施環坡角封閉與坡面全覆蓋技術，從而確保矸石山的滅火效果，防止復燃。

2.2系統防復燃理念與技術

2.2.1耗散結構理念

自燃矸石山與周圍的環境時刻發生著物質、能量交換，徹底滅火后如果自燃條件具備，仍可能發生自燃。因此，自燃矸石山的治理應采取系統方法，利用坡面整形以保障滅火效果的持續，并與后期的植被恢復相結合，以使山體穩定并斷絕一切復燃的條件。

2.2.2多級隔坡反臺坡體整形技術

美方礦在露天開采過程中，產生大量的大粒徑矸石、煤層頂板廢棄物和表層的土石混雜物，這些渣石在未經處理的情況下，隨意堆放，治理難度極大。為此，必需在分層覆沙碾壓等滅火的同時，按多級隔坡反臺整形技術進行坡體整形。

此項技術是將倒坡式排矸形成的矸石山坡面自上而下整形成隔坡與反臺依次相間的多級矸石山山體。“隔坡”指沿等高線將原坡面分割后的坡面；“反臺”指在隔坡間人工設置的階面，且階面微向內傾斜2°.通過整形的方式減緩矸石山的坡度，減短隔坡坡長。坡度與坡長的控制不僅減輕了可能引起滑動的土體載荷，而且可以使矸石得到一定程度的壓實，減小了空隙率，降低了氧氣的進入量，使得矸石山不易復燃，鞏固了滅火效果。同時，矸石山的整形又可以減輕沖刷侵蝕，山體穩定性良好，為植被覆蓋創造了良好條件。美方礦的部分坡體整形工程是與滅火施工結合進行的，在挖除火源時，可順勢設置反臺，減少工程量，并將隔坡長度控制在10 m左右，坡面坡度控制在25°以下，確保矸石山的穩定。

多級隔坡反臺坡體整形技術還應配套防洪—蓄水系統、柔性坡腳、微地形、土矸混合等一系列工程措施(見圖4)。之后的植被恢復與其配合可起到防復燃的作用。為了保持水土不被沖刷形成沖溝、裂縫等引起氧氣進入，可適當種植本地抗性強、根系淺的低矮的鄉土植物，使植被覆蓋率達到90%以上，同時起到遮陰、保濕和固土的作用。

圖4　一級隔坡與反臺示意圖

2.3持續火情監測理念及技術

2.3.1適應性管理理念

在控制論等系統方法的基礎上，將適應性管理貫穿于自燃矸石山滅火和防復燃施工后的長期火情監測過程中，形成基于熱量聚散梯度原理的火情風險監測、評估與反饋體系。該體系主要是對矸石山不同區域的溫度進行監控，實時掌握水平和垂直方向上的溫度狀態；定期對監測體系進行全面評估；將實時監測與定期評估有機結合，分析火情風險和可能存在的威脅因素；及時調整監測體系，反饋并實施相應的調整措施，確保永不復燃。

2.3.2監控與反饋技術

在美方礦矸石山滅火防復燃治理的后期，至少需要為期2 a的監測，即按不同的密度，布設一定數量的熱電偶，對地溫進行實時監測，以掌握矸石山內部溫度變化趨勢。根據美方礦矸石山的不同情況，將監測區域劃分為全面監測區、機械抽樣監測區和重點監測區。全面監測區域主要指美方礦自燃矸石山治理區內的全部坡面以及由坡腳垂直向內延伸20 m直至平臺的區域。由于該區域覆蓋面積廣，且滅火徹底，所以按照6 m×6 m的密度布設溫度采樣點，并將監測深度確定為4 m.機械抽樣監測區主要是針對大平臺有人工設施的區域，隨機選取一定間隔的測溫監測點，詳細記錄觀測溫度的動態變化。針對美方礦矸石山山體變形部位與具有臨時動土的區域實施重點監測，測溫點的鋪設密度為3 m×3 m，監測深度為6 m.在監測過程中采用紅外測溫儀與熱電偶分別對地表與矸石山內部的溫度進行勘測。

在溫度實時監測的基礎上，收集和分析每日的溫度變化，監測溫度是否有異常。定期對矸石山整體的溫度特征進行風險性評估，預測潛在的風險區，并提出調整建議，形成評估報告。當地溫的日變化率超過1%，或地溫與觀測到的最低溫度值之間的變化率超過5%時，應按相應的應急處置方案及時采取措施，增加監測點，進一步觀察，做好降溫處置。對地表動土、山體變形區域進行嚴格的巡查，及時更換失效設備。建議2年后仍長期維持該火情持續監測體系。

3結論與建議

自燃矸石山是一個復雜開放的系統，具有不確定性、非線性、動態性等特性，符合耗散結構特征。筆者結合烏海市美方礦自燃矸石山的現狀，基于適應性管理思想，提出自燃矸石山熱量聚散梯度原理，并運用耗散結構理論和協同論觀點，建立了一套針對美方礦自燃矸石山的滅火防復燃治理與監測管

理體系。

1) 針對自燃煤矸石山的熱量分布特征，提出了熱量聚散梯度原理，明確滅火防復燃的關鍵是打破熱量聚集條件。根據火情特征與蓄熱區位置，因地制宜地實施分層覆沙碾壓、“田”字形開溝注漿等集成壓火技術；并配套環坡角封閉與坡面全覆蓋技術，最終實現徹底滅火不復燃。

2) 自燃矸石山滅火、坡體整形與植被恢復具有協同關系。要求系統滅火與整形作業同時施工，滅火的同時，采用多級隔坡反臺坡體整形及其配套技術，將隔坡長度控制在10 m內，反臺向內傾斜2°，坡體控制在25°以下，確保矸石山的穩定，并用植被進行覆蓋，杜絕復燃的可能性。

3) 將適應性管理貫穿于自燃矸石山滅火和防復燃施工后的持續火情監測過程中，構建火情風險監測、評估與反饋體系，可有效地對矸石山進行實時監測與定期評估，預測潛在風險區域，及時提出應急處置方案，維持滅火效果。

在適應性管理理念的指導下，美方礦自燃矸石山的治理取得了明顯的環境效益。表明該思路在經濟上是可行有效的，在技術上是實用的。然而，自燃矸石山治理的復雜性決定了此類研究需要不斷深入，具體問題具體分析，才能進一步改進和完善該理論與方法。

參考文獻:

[1]黃文章.煤矸石山自燃發火機理及防治技術研究[D].重慶:重慶大學,2004.

[2]辛亞,王曉軍,陳文英,等.屯蘭礦自燃煤矸石山火情系統診斷研究[J].潔凈煤技術,2015,21(6):114-118.

[3]Allen C R,Garmestani A S.Adaptive Management of Social-Ecological Systems[M].Dordrecht:Springer Netherlands,2015.

[4]陳文英,王曉軍,辛亞,等.自燃矸石山多級隔坡反臺山體穩定技術[J].中國水土保持科學,2015,13(5):111-117.

[5]宮有壽,王曉軍,張紅,等.一種矸石山近自然生態系統重建方法:中國，CN103609303A[P].2014-03-05.

[6]魏宏森.系統論[M].北京:世界圖書出版公司,2009.

Spontaneous Combustion Coal Gangue Hill Treatment under Adaptive Management:A case in Meifang Mine of Wuhai

Gong Youshou1， Li Guangqiang1， Wang Xiaojun2， Zhang Aitao3， Xin Ya2，Chen Wenying2， Guo Miaoling2， Gong Zheng4， Wang Yawen5， Li Rumeng2

(1.LvJuRenEnvironmentalScienceandTechnologyLtd,Taiyuan030000,China; 2.CollegeofEnvironmentandResources,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China; 3.ShanxiForestryTechnicalSchool,Taiyuan030009,China;4.BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 5.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

Abstract：The precondition of controlling coal gangue hills with spontaneous combustion is fully extinguished and no after-combustion again. Based on the theory of adaptive management, the principle of heat accumulation-spread gradient for coal gangue hills ecological treatment was put forward. Combining with the System Theory, Dissipative Structure Theory and Synergy Theory, a set system for extinguishing, controlling and monitoring in spontaneous combustion coal gangue hills of Meifang coal mine was established. The research results showed that, breaking the heat accumulation conditions was the key to achieve the goal of fire extinguishing and prevent after-combustion. The principle of heat accumulation-spread gradient can be used to control coal gangue hills with spontaneous combustion.

Key words：Coal gangue hill; Spontaneous combustion; Fire extinguishing;Prevent after-combustion; Adaptive management

中圖分類號：TD753

文獻標識碼：A

文章編號：1007-726X(2016)01-0001-04

通訊作者：王曉軍(1968—)，男，山西絳縣人，2007年畢業于中國農業大學，副教授。

作者簡介：宮有壽(1968—)，男，山西繁峙人，1991年畢業于北京林業大學，注冊會計師。

收稿日期：2016-01-18