煤田火区精准防控与生态恢复-周福宝

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1、中 国 安 全 生 产 科 学 研 究 院 国家“111”学科创新引智基地中 国 矿 业 大 学二二四年八月 周 福 宝 我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望1.1 全球煤火灾害p 我国煤矿安全形势依然严峻n 地下煤火（Subsurface Fire）：煤矿层由于人为因素或氧化自燃形成的煤田火和矿井火，被称为没有地理界限的“全球性灾难”n 世界上比较严重的地下煤火重灾区在中国，美国，印度，欧洲，南非和澳大利亚等均有分布地下煤火 1.1 全球煤火灾害煤火问题不是中国独有，是遍布

2、世界的生态灾害！印尼 Kalimantan露头煤火美国宾州Centralia镇煤火南非Witbank煤田火澳大利亚Hazelwell露天矿区煤火 印度Jharia煤矿火灾1.1 全球煤火灾害 全球煤火年烧损10亿吨 烧毁植被数百万平方米 危害生命安全健康 排放数百万吨毒害污染物裂隙裂缝塌陷坑加剧占全球化石燃料碳排2-3%地质灾害 环境污染 温室效益 资源浪费 安全问题 生态失衡 1.2 全国煤田火灾发展形势 n 2021年以来，中国煤田火灾数量略有上升，煤火数量从冬季结束开始蓄势，春秋季到达鼎盛 n 受煤火影响的主要地区是西北和华北，煤田火区主要分布于新疆、宁夏、陕西、山西、内蒙古等煤炭资源丰

3、富的省区 1.3 新疆煤田火灾概况p 新疆地下煤田火灾历史悠久“屈词二百里有山，夜则火光，昼则但烟”水经注 北魏郦道元“冰谷对床声乍噤，火山当户汗仍流”行抵伊犁追忆 清洪亮吉“一片青烟一片红，炎炎气焰欲烧空”西域行程记 明陈诚“不知阴阳炭，何独烧此中”经火山 唐岑参“西海之南其外有炎火之山，投物辄燃”昆仑之丘战国山海经西游记三借芭蕉扇渡火焰山新疆部分火区燃烧现状 1.3 新疆煤田火灾概况p 新疆火区最新普查结果显示：n 现有火区84处 n 总面积约1240万m2n 年损失储量2180万吨n 威胁储量19.8亿吨 n 年直接排放碳氢化合物36.8万吨、硫化氢58.6万吨、氮氧化合物14.8万吨、

4、二氧化硫387.5万吨、烟尘245.6万吨 新疆煤田火区分布*数据来源：新疆维吾尔自治区人民政府关于煤田火区治理工作情况的报告（2024年7月1日）1.3 新疆煤田火灾概况p 典型火区尼勒克科尔克火区 n 科尔克火区属无采矿权人火区，原井工矿于2019年12月注销，平硐-暗斜井开拓。2024年1月列入新生火区，面积29.6万m2，燃烧深度170-190m，10层煤层，总厚76m，属1/3焦煤，燃烧损失煤量42万t/a，威胁煤炭资源储量1200万t/a。1.3 新疆煤田火灾概况尼勒克科尔克火区考察2024.8.22 1.3 新疆煤田火灾概况p 典型火区吐鲁番恰特喀勒火区 n 4处子火区，火区总治

5、理面积70万m2n 最大燃烧深度40m。燃烧煤层共3层，平均倾角40n 每年燃烧的煤炭资源量为53.81万t 2015-2024年吐鲁番市恰特喀勒煤区火灾时空分布2015-2024年木垒县老君庙煤区火灾时空分布1.3 新疆煤田火灾概况p 典型火区木垒老君庙火区n 总治理面积241万m2n 燃烧深度40m-135m，燃烧煤层平均厚度20.55m，煤层倾角50-80 n 燃烧温度175-750，最高达818.5 1.3 新疆煤田火灾概况 n 7月17日至18日，按照国家矿山安全监察局关于新疆煤田火区治理帮扶指导工作整体部署，中国安科院组织召开了新疆煤田火区治理专题研讨会 n 8月21-25日赴新疆

6、矿山安全服务保障中心、伊犁州开展火区治理考察与交流 1.3 新疆煤田火灾概况 n 伊犁州尼勒克科尔克煤田灭火工程专家调研存在的问题及建议：边坡稳定性分析、采空区隐患、施工组织设计、安全风险与应急措施 我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望2.1 煤火治理工作概述 p 国家对新疆地下煤火防治工作高度重视 n 1958年周恩来总理批示下达开展新疆灭火工程n 新疆维吾尔自治区人民政府2017205号文件n 煤田灭火规范n 新疆维吾尔自治区煤田火区管理办法n 新疆维吾尔自治区人民政府安

7、全生产职责规定“要 摸 清 新 疆 煤 田 火 灾，针 对不 同 情 况 采 取 措 施”。周恩来1958年8月2.1 煤火治理工作概述 n 原新疆煤田灭火工程局煤火治理专业团队 灭火成果治理火区 50处直接解救煤炭 4.79亿吨 保护煤炭资源 312.8亿吨治理火区面积 2365万m2恢复植被 2.47万亩减排温室气体 近4亿吨减排毒害污染物 4097万吨周恩来总理探访新疆煤火现场，成立新疆煤田灭火工程处 获批成立新疆煤火治理工程技术研究中心处形成集勘探、设计、施工、检测、维护一体化体系 新疆矿山安全服务保障中心 新疆灭火工程局灭火成效显著2.2 煤田火防治技术 n 灭火施工工艺剥离 钻探注

8、水注浆覆盖与植被恢复 2.2 煤田火防治技术 2.3 煤火防治存在问题新疆煤炭开发强度进一步增强 新冠疫情、极端气候等叠加影响 火区持续养护、管控欠缺，新火区规模扩大 技术和管理人才队伍匮乏 勘察不精准，治理周期长，有待创新和提高 n 新疆煤田灭火工程面临挑战 我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望3.1 数智融合新一代煤火治理工艺 n 采用“天-空-地-孔”融合探测，对煤火区立体化精准识别，基于大数据，构建多维空间模型，分阶段实施高效治理与持续管控措施，同时对生态环境进行有效

9、修复，协同碳排计量与热能提取利用 精准探测应急处置窒息降温生态修复通过无人机热红外/可见光、卫星遥感、地面电磁、三维影像等技术进行探测分析，构建火区模型，精准划定火区边界及区域内火点的分布。通过成熟务实的技术方法和工程，短时间内快速治理烟气与明火，以最经济的方式控制火区边界，确保火区不进一步扩大。通过火区大模型，精准辨识漏风通道和漏风区域，快速封堵，切断火区的氧气供应，加快降温。此阶段，火区在自然条件下逐渐窒息降温，虽时间较长，但节约了大量的经济成本。在已灭火区种植适宜的植被，实现生态修复，不仅恢复受灾区域的自然面貌，还可加固火区覆盖封堵层，确保该区域无法复燃。3.2 多源数据精准识别，实现火

10、区全面探测 p“天-空-地-孔”煤田火区融合识别探测体系n 应用卫星/航空遥感、电磁成像系统和地理信息系统，结合钻孔测量、地面地质调查n 高空、低空、地面、钻孔数据联合检测火源、空间时间和燃烧动态信息n 煤田火区光-热-电-磁耦合物理场时空遥感监测模式隐蔽火源多源遥感探测中的多像识源关系3.2 多源数据精准识别，实现火区全面探测 p 多源卫星遥感火区联合识别技术（天-空-地-孔）n 综合应用热红外、短波红外、高光谱及雷达多源遥感技术n 煤火风险与环境遥感定量反演和物化特性测绘分析微波遥感火区地表比辐射率探测 高光谱火区土地类型分类 热红外辐射反演温度 短波红外提取地表煤火3.2 多源数据精准识

11、别，实现火区全面探测 p 无人机多源遥感高精度火区观测（天-空-地-孔）n 煤火区无人机-地面多手段协同观测技术n 无人机热红外遥感尺度差异定量化方法n 无人机热红外遥感垂直圈定地下火源宝安火区无人机地表温度成像 无人机与煤火区地表同步探测无人机热红外榆林煤火夜视图不同分辨率煤火温度异常信息损失3.2 多源数据精准识别，实现火区全面探测 p 煤田火区燃烧物化特性原位测量（天-空-地-孔）n 地面高精度地球化学探测系统与成像技术n 煤火产物地球化学探测系统与定量技术浅层：瞬变电磁法、高密度电法、地震法深层：可控源音频和EH4大地电磁法煤火地表热红外测温 烟气排放监测与分析地面电磁探测系统3.2

12、多源数据精准识别，实现火区全面探测 p 煤田火区钻孔工程勘探（天-空-地-孔）三道坝火区钻孔测温数据分布情况 钻孔测温与梯度分布火区沉降区剖面提取结果 地下煤火热场范围分布模拟结果3.2 多源数据精准识别，实现火区全面探测 p 煤田火区探测与环境信息管理支持系统n 大尺度超长周期煤火遥感大数据库数据输入与输出；数据库分析n 煤火多时序遥感反演人工智能；深度学习与训练n 地理信息分析空间数据；属性数据分析n 专用分析功能煤火识别；时空测绘；火区险情分析；灭火工程煤田火灾时空遥感大数据预警监测系统 智慧防灭火信息平台3.3 控边与科学规划并重，治理与生态修复融合 n 严格把控边界：建立露头火区（0

13、-10m）剥挖清除、浅部火区（10-30m）灌浆封堵熄灭、深部火区（30m）覆盖封堵窒息控制的分类分级治理模式 n 基于火区大模型，科学精准界定治理范围，严禁扰动非治理区域 南北露头浅部北南浅部露头3.3 控边与科学规划并重，治理与生态修复融合 n 整体融合设计：煤田火区治理与生态修复同时设计，基于火区模型分析，分阶段融合治理工程、土地复垦与林草复绿，确保治理与生态恢复全面协调实施 3.4 大数据建模分析，高频监管护航工程治理 n 煤田火区点多、面广，工程施工过程中，采用无人机高频次采集现场数据，生成高清影像，通过大数据中心，及时发现并纠正超挖、越界等问题。既避免了乱挖乱采，亦可高效提升了工程

14、实施进度，保障施工安全 3.5 治理工程与煤火利用协同实施n 地下煤火发热量高难以散热，可选择应用分布式火区热能回收发电等技术，实现火区降温的同时，还可为附近工程设备设施等提供热能与电能 燃烧三要素控制热源传统方式煤火防用新理念节约水、土资源热能提取，降温灭火清洁发电，节能环保热能直用，区域供暖3.5 治理工程与煤火利用协同实施p 重力热管定向疏热对煤火的热源-流控制3.5 治理工程与煤火利用协同实施p 定向疏热消除火区热隐患 重力热管定向疏热数值模拟结果表明：垂直方向换热，水平方向抑制传热。我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排

15、 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望4.1 新疆三道坝火区治理案例 n 火区面积452928m2，最大燃烧深度为191m，年煤炭烧失量为27.22万吨，受威胁的煤炭储量为1957万吨 n 火区煤层埋藏较浅，地表存在高温明火点及塌陷坑，火区地表温度范围为34800火区地貌展示图 火区温度展示图 火区范围划分图 4.1 新疆三道坝火区治理案例 p 构建了复杂条件下煤田自燃与遥感热异常时空关联模型 n 基于热红外遥感实现煤火热异常识别与反演n 应用大气辐射传输法反演火区地表温度n 火区地温呈现季节性周期变化n 地下煤火是导致地表高温异常主要因素0.986 0.967比辐射率火区归一

16、化植被指数计算 推导火区地表比辐射率0 1N D V INDVI.tif值高:255 低:02013-2020三道坝火区地温时空分布特征春季夏季秋季冬季4.1 新疆三道坝火区治理案例 p 开发煤火遥感热点时序频率提取算法实现了火区范围划定 n 遥感像元热异常频次和该区域发生煤火的可能性成正比n 煤火过滤频率阈值：热点频次占观测总次数75%以上n 高频煤火风险区活跃分布在和煤矿作业区与煤层露头、断层、裂隙附近热点时序频率提取(HSFE)算法原理 2016年三道坝火区范围边界提取结果 不同火点频率提取火区范围对比4.1 新疆三道坝火区治理案例 剥离施工 塌陷坑回填覆盖施工 注水注浆4.1 新疆三道

17、坝火区治理案例 p 火区定向疏热及热回收清洁发电技术 W 500W 1000W 1500W 2000W 第I代 第II代 第III代 第IV、V代 发电量大幅提升 温度大幅下降新闻媒体报道4.1 新疆三道坝火区治理案例 4.2 陕西榆林煤田火区治理案例n 2019年，榆林神府地区煤层火烧隐患区达40余处，主要原因：前期综治项目治理主体受经济利益驱使，不顾安全、环保、生态等基本要求，“借治理之名、行挖煤之实”，私挖滥采，火区范围日益扩大4.2 陕西榆林煤田火区治理案例p 治理基本原则n 分阶段合理施策精准探测、应急处置、“窒息”降温、生态修复 p 总体治理技术工艺n 多源数据火区边界精准识别n

18、火区治理与生态修复融合设计n 治理工程大数据高频监管4.2 陕西榆林煤田火区治理案例（1）多源数据火区精准识别n 采用无人机热红外、无人机可见光、无人机LIDAR、地面电磁等多种方法实现火区的精准识别，模块-边界划分 无人机成像 红外融合遥感 热红外图像3D透视变换4.2 陕西榆林煤田火区治理案例（2）火区治理与生态修复融合设计火区治理设计 生态修复设计严控边界与整体设计，科学合理的煤田火区治理和生态修复有机结合模式。4.2 陕西榆林煤田火区治理案例（3）工程实施大数据高频监管n 现场影响高频采集大数据中心处理全过程管控 4.2 陕西榆林煤田火区治理案例p 部分火区治理施工现场4.2 陕西榆林

19、煤田火区治理案例p 地方煤矿、和谐煤矿、隆岩煤矿等火区均已完成治理与验收，成效显著 治理前治理后2024 2019 4.3 新一代煤田火区治理工艺的推广应用 p 推广至陕西榆林40余处火区治理，成效显著 华泰1号、郭家湾、那孟家沟、草条沟、下许家梁、青梁8号推广4.4 宁夏贺兰山汝箕沟太西煤火区治理设计方案 p 火区分布情况：汝箕沟矿区火灾起始于明清时代，迄今已有二百余年，发火原因大都是历代小窑开采所致；二十世纪九十年代，由于地方小煤窑到处乱采，火区迅速蔓延n 自治区现存火区共18处，主要分布在白芨沟井田（9个）、汝箕沟井田（6个）、大峰井田（2个）、二道岭井田（1个）n 火区整体呈“大分散、

20、小集中”特点，面积510万m2，燃烧煤层主要为二、三、四煤层n 5处火区与贺兰山自然保护区重叠4.4 宁夏贺兰山汝箕沟太西煤火区治理设计方案 功能不造成破坏的有限人为活n 生态保护红线内：核心保护区原则上禁止人为活动，一般控制区，仅允许和对生态动 火区与保护区位置重叠情况n 核心保护区（4处）：水巷火区、大岭湾火区、上二火区、二道岭火区n 一般控制区（1处）：北卡拉沟新火区4.4 宁夏贺兰山汝箕沟太西煤火区治理设计方案 分区、分域、分类、分级18处火区治理分类露头区（010m）保护区外火区保护区内火区浅部区（1030m）深部区（大于30m）注水+爆破剥挖+覆盖+持续养护爆破+灌浆封堵+覆盖+持

21、续养护灌浆封堵+覆盖隔绝+持续养护灌浆封堵+覆盖隔绝+持续养护“全周期”“全环节”系统治理空隙率低，发展浅，范围小空隙率大，发展深，范围大以控为主以熄灭为主只进行生态修复数智融合火区治理与生态修复井工扰动区数智融合新一代煤田火区治理技术体系 我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望5.1 当前碳排放形势与政策n 科学完善国家碳排放清单，助力实现“碳达峰-碳中和”发展战略n 全球碳交易市场活跃，发改委大力推动建设全国碳交易市场n 煤火治理不仅仅是投钱工程，亦可有收益 n 煤火燃烧产

22、生的温室气体排放对全球气候变化的环境贡献和影响程度并不明确n IPCC尚未提出适应于煤田火区特殊燃烧和排放环境下的定量检测技术和评估模型 联合国政府间气候变化专门委员会联合国气候变化框架公约2021年中国实施碳排放权交易管理办法5.2 煤田自燃温室气体溢散排放计算模型（1）烧失煤量法：结合煤层自燃机理和气体排放特征间接推导自燃烧失煤层的碳排量n 开展煤田火灾相关碳排放的热红外遥感探测、火区原位调查、阴燃实验和数值模拟的综合理论技术研究，实现我国典型火区煤层自燃温室气体溢散排放量估算模型的系统构建和应用。煤火碳排放计算方法理论（2）排放通量法：直接观测火区CO排放参数，燃烧面积和地表裂隙特征Eg

23、=iE FiSiT Ef=iMiR FiTip RF释放因子 煤自燃模拟实验和气体分析p M煤炭燃烧损失量 煤火时序遥感观测与地质调查p T各燃烧阶段周期 燃烧阶段火灾生命周期统计p EF排放通量 原位气体测量与地统计空间模拟p S有效排放面积 火区裂隙调查与遥感解译p T动态观测周期 取一个单位年作为观测周期5.3 新疆三道坝火区温室气体排放量核算案例p 基于排放通量模型的碳排放核算p 基于煤烧失量模型的碳排放Eg=iE Fi Si TEf=iMi R Fi Ti排放源类型排放通量EFi(t/m2a)有效排放面积Si(m2)排放周期T(a)分碳排量Eg，i(t)总碳排量Eg(t)钻孔排放 1

24、 6 3 0 3.9 8 9 2 1.2 5 612 0 4 7 1.8 1 0 4 45.053105裂隙排放 1 9 3 8.2 3 4 6 2 3 0 4 4 5 7 9 3.9 5 8土壤扩散排放 0.1 0 3 9 1 3 7 5 0 0 0 3 8 9 6 6.2 5煤火阶段面积变化Ai(m2/a)面积燃烧率PA(%)烧失煤炭量Mi(t)释放因子RFi(g/ts)分碳排量Ef，i(t/a)总碳排量Ef(t)衰减阶段 9 2 7 0 0 1.2 2 2 1 7 0 0 9.5 1 2 0.0 4 4 5 2 9 8 4 1.2 3 45.372105稳定阶段 1 1 3 2 7 2

25、1.2 5 6 9 7 8 8 8.8 3 5 1.2 6 5 5 3 3 1 4 8 4 1.5发展阶段 1 2 5 8 7 2 2.4 6 5 8 1 9 2 0 2.5 2 0.3 5 0 9 3 2 1 2 5 1 2.9p 甲烷排放贡献p 火区温室气体年排放量(当量CO2)Mi=Ai h c C PA6.33%交叉验证全球变暖潜势：1 kg CH4=21 kg CO2当量 甲烷排放修正因子：1+1.004%21=1.211新疆三道坝煤田自燃温室气体溢散总排放量：1.211(5.053105+5.372105)/2=6.32105吨/年5.4 中国煤火碳排放贡献与机遇p 中国煤火治理工

26、作的环境效益显著，预计可有效减少年碳排量高达5.75千万吨p 约占全国2023年碳交易(2.12亿吨)配额成交量27%(39亿元)p 新疆地区煤火温室气体排放最多，占全国煤火碳排放60%以上p 评估煤火治理工程实际碳减排量，为当地碳交易市场创造经济效益p 促进当地煤矿和碳交易商共同承担防灭火与碳减排成本的双赢局面地区 煤烧失量(Mt/年)含碳量%CO2(Mt/年)CH4(Mt/年)碳排量(Mt/年)新疆 1 3.5 7 5 1 3.5*3.6*0.7 5=3 6.4 5 1 3.5*2.7*0.3%*2 1=2.3 39内蒙古 3.5 6 0 3.5*3.6*0.6=7.7 3.5*2.2*0

27、.3%*2 1=0.4 9 8.2宁夏 2 9 5 2*3.6*0.9 5=7 2*3.5*0.3%*2 1=0.4 4 7.4 4其他 1 7 5 1*3.6*0.7 5=2.7 1*2.7*0.3%*2 1=0.1 7 2.8 7中国 2 0 7 5 5 4 3.4 1 57.5中国主要煤火区自燃温室气体排放量概算基于煤烧失量法，吨煤燃烧释放3.5tCO2和0.3%CH4，温室效应潜力(1kgCH4=21kgCO2)最终转化为当量碳排放。我国煤火面临的形势煤火治理的重大难题新一代煤火治理工艺治 理 工 艺 应 用 案 例煤 火 区 碳 排 放 计 量123456新 疆 煤 火 治 理 展 望6 新疆煤火治理展望 n 煤火区治理已进入数智融合新一代煤火治理工艺，充分发挥遥感、无人机监管、大数据建模等先进手段，为煤火治理提供强有力支撑 n 将煤火热能回收利用与生态恢复协同考虑，更有利于高效煤火治理 n“双碳”背景下煤火区碳排计量及减排评估需持续推进 6 新疆煤火治理展望 n 建设火焰山遗址，发展特色绿洲旅游、地热地理旅游n 形成地下煤火热能和太阳能综合利用的新型生态园区，热能为区域内温泉、大棚等供热 新能源生态园区 生态主题公园 水果大棚园区煤田火区精准防控与生态恢复