宫有寿，李广强，王晓军，张爱桃，辛　亚，陈文英，郭妙玲，宫　正，王亚文，李茹梦

(1.山西绿巨人环境科技有限公司，山西　太原　030000； 2.山西大学环境与资源学院，山西　太原　030006；3.山西省林业技工学校，山西　太原　030009； 4.北京理工大学，北京　100081；5.山西大学黄土高原研究所，山西　太原　030006)



·试验研究·

适应性管理下的自燃矸石山治理
——以乌海美方矿为例

宫有寿1，李广强1，王晓军2，张爱桃3，辛亚2，陈文英2，郭妙玲2，宫正4，王亚文5，李茹梦2

(1.山西绿巨人环境科技有限公司，山西太原030000； 2.山西大学环境与资源学院，山西太原030006；3.山西省林业技工学校，山西太原030009； 4.北京理工大学，北京100081；5.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006)

摘要：自燃矸石山生态治理的目标是彻底灭火不复燃。笔者基于适应性管理思想，提出自燃矸石山热量聚散梯度原理，并运用系统理论、耗散结构理论和协同论观点，建立了一套针对美方矿自燃矸石山的灭火、防复燃与监测体系。研究表明，要达到彻底灭火防复燃的目标，打破热量聚集的物理条件是关键。笔者提出自燃矸石山热量聚散梯度理念，可为今后自燃矸石山的治理提供新思路。关键词： 煤矸石山； 自燃； 灭火； 防复燃； 适应性管理

自燃矸石山的灭火防复燃是国内外生态环境治理中的一个难点。目前，国外在煤矿开采过程中，由于采用合理的排矸方式，鲜有煤矸石山自燃的相关报道。然而，国内煤矿在露天与井工开采过程中产生大量煤矸石，未经处理，随意堆放，导致自燃现象频发，治理难度极大。许多研究表明，煤矸石山的自燃是一个复杂多变的物理、化学反应过程，由内部可燃物含量与外部供氧条件共同作用导致。因此，灭火的关键是有效地去除煤矸石中的煤和黄铁矿，切断供氧条件，采用覆盖法、挖除法、控制燃烧法、低温惰性气体法进行灭火。分析不同灭火技术的适用条件，对不同自燃矸石山采取有针对性的集成灭火技术，可以有效降低其复燃的可能性。

本研究在乌海美方矿自燃矸石山进行，探索在适应性管理理论指导下自燃矸石山治理的新思路以及相应的技术措施。

1研究区与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于内蒙古乌海市海勃湾区美方矿矸石山，属半沙漠干旱高原大陆性气候，干燥多风，年平均降水量为166.9 mm，蒸发量大；土质贫瘠，肥力低下，生态脆弱，植被类型单一，且分布极不均匀。其中，治理区矸石山总面积为152.4 hm2，地势北高南低，东高西低。西北部约11.8 hm2的矸石山自燃尤其严重，治理难度极大。

1.2研究方法

适应性管理主要是针对复杂开放系统的不确定性、动态性、非线性等特征，对资源进行管理的一种理念，其核心是“从干中学”。矸石山是一个由若干相互联系的内外要素以一定的结构和形式构成的不断变化的复杂系统，它不断与周围环境发生着物质、能量、信息的传递与交流，一定条件下会导致自燃的发生。自燃矸石山是一个典型的开放系统，具有不确定性、复杂性、动态性等特征，可采用适应性管理方法进行治理。

为了达到自燃矸石山彻底灭火不复燃的目标，笔者基于适应性管理理念，建立了一套监测管理过程体系(见图1)。运用火情系统诊断程序全面掌握矸石山火情特征，在此基础上，采取相应的集成灭火技术和系统防复燃技术。在后期对温度进行持续监测，定期对火情风险进行评估，并将监测、评估结果反馈到自燃矸石山灭火与防复燃的治理与维护中，实时调整方案，消除安全隐患。

图1　基于适应性管理的自燃矸石山灭火、防复燃与监测过程

2研究结果与分析

2.1系统灭火理念与技术

2.1.1热量聚散梯度原理

自燃堆放的矸石山，其内部存在多种可燃物质，发热条件具备时，会在复杂的物化反应作用下产生热量，并向四周扩散。如果发热条件持续存在，发热区的热量不断积累，会形成一个明显的蓄热区域，该区域外侧散热大于蓄热，内部蓄热大于散热，蓄热超过一定阈值就会导致矸石山自燃。

通过对自燃区域进行水平和垂直测温，确定蓄热区域，有针对性地选择相应的集成灭火工艺，并实施灭火作业(挖除灭火、开沟注浆灭火、深孔注浆灭火、环坡脚封闭灭火、坡面全封闭灭火等)。灭火后，在山体整形与后期温度持续监测防复燃过程中，该原理依然有效。依此原理指导施工作业(见图2)，可达到矸石山彻底灭火防复燃的目标。

图2　热量聚散梯度原理指导下的灭火过程

该原理主要有以下特征：

1) 热量聚散区域存在明显的水平与垂直分布规律。这一规律在美方矿新排放的、堆放时间长的且山体稳定的矸石山表现极显著，而对于老矸石山不显著。

2) 聚热区域是矸石山最先发生自燃的区域，自燃发生后该聚热区域逐渐向外扩大，形成热量扩散梯度。

3) 聚热区域的范围还随坡度、坡长、堆积结构、堆积成分、自燃阶段等因素而变化，具有复杂性、动态性和不可控性。

由此可见，自燃矸石山是一个自组织系统，具有耗散结构的特征，在内部协同作用与外界环境因素的随机干扰下，蓄热区的热量会发生涨落。为了使自燃矸石山自组织系统进入持续不升温的有序可控状态，关键要打破热量聚集的所有物化因素，防止蓄热条件的再次形成，保证自燃矸石山彻底灭火永不复燃。同时，依据该原理指导矸石山进行生态综合治理，可以有效降低施工成本，为后续生态重建奠定基础。

2.1.2系统灭火技术

根据美方矿自燃煤矸石山的火情特征以及蓄热区的不同位置，将其划分为挖方区、填方区、中部区，因地制宜地采取相应的集成灭火技术，最终实现彻底灭火。

在施工过程中，将美方矿矸石山高度在基准标高以下的部位称为填方区，该区域在灭火时，主要采用“田”字形开沟注浆与分层覆沙碾压相结合的灭火技术。首先，针对火源较深、高温区面积较大的区域，环坡角开挖，进行注浆灭火，直至水不再下渗，温度持续下降。然后，将沙子、粉煤灰、石灰等，每隔6 m覆盖1层，并进行碾压夯实，压实系数为0.97，见图3.将该技术用于填方区的灭火，可有效降低施工成本，缩短工期，防止复燃。

图3　分层覆沙碾压灭火示意图

矸石山基准标高以上的部位称为挖方区，对于该区域的自燃现象，首先应进行全面监测，确定火区分布范围及位置，明确特殊处理区域，针对燃烧穴采用挖除灭火技术，待矸石温度降至40 ℃以下时进行回填。

在美方矿自燃矸石山的灭火过程中，应配套实施环坡角封闭与坡面全覆盖技术，从而确保矸石山的灭火效果，防止复燃。

2.2系统防复燃理念与技术

2.2.1耗散结构理念

自燃矸石山与周围的环境时刻发生着物质、能量交换，彻底灭火后如果自燃条件具备，仍可能发生自燃。因此，自燃矸石山的治理应采取系统方法，利用坡面整形以保障灭火效果的持续，并与后期的植被恢复相结合，以使山体稳定并断绝一切复燃的条件。

2.2.2多级隔坡反台坡体整形技术

美方矿在露天开采过程中，产生大量的大粒径矸石、煤层顶板废弃物和表层的土石混杂物，这些渣石在未经处理的情况下，随意堆放，治理难度极大。为此，必需在分层覆沙碾压等灭火的同时，按多级隔坡反台整形技术进行坡体整形。

此项技术是将倒坡式排矸形成的矸石山坡面自上而下整形成隔坡与反台依次相间的多级矸石山山体。“隔坡”指沿等高线将原坡面分割后的坡面；“反台”指在隔坡间人工设置的阶面，且阶面微向内倾斜2°.通过整形的方式减缓矸石山的坡度，减短隔坡坡长。坡度与坡长的控制不仅减轻了可能引起滑动的土体载荷，而且可以使矸石得到一定程度的压实，减小了空隙率，降低了氧气的进入量，使得矸石山不易复燃，巩固了灭火效果。同时，矸石山的整形又可以减轻冲刷侵蚀，山体稳定性良好，为植被覆盖创造了良好条件。美方矿的部分坡体整形工程是与灭火施工结合进行的，在挖除火源时，可顺势设置反台，减少工程量，并将隔坡长度控制在10 m左右，坡面坡度控制在25°以下，确保矸石山的稳定。

多级隔坡反台坡体整形技术还应配套防洪—蓄水系统、柔性坡脚、微地形、土矸混合等一系列工程措施(见图4)。之后的植被恢复与其配合可起到防复燃的作用。为了保持水土不被冲刷形成冲沟、裂缝等引起氧气进入，可适当种植本地抗性强、根系浅的低矮的乡土植物，使植被覆盖率达到90%以上，同时起到遮阴、保湿和固土的作用。

图4　一级隔坡与反台示意图

2.3持续火情监测理念及技术

2.3.1适应性管理理念

在控制论等系统方法的基础上，将适应性管理贯穿于自燃矸石山灭火和防复燃施工后的长期火情监测过程中，形成基于热量聚散梯度原理的火情风险监测、评估与反馈体系。该体系主要是对矸石山不同区域的温度进行监控，实时掌握水平和垂直方向上的温度状态；定期对监测体系进行全面评估；将实时监测与定期评估有机结合，分析火情风险和可能存在的威胁因素；及时调整监测体系，反馈并实施相应的调整措施，确保永不复燃。

2.3.2监控与反馈技术

在美方矿矸石山灭火防复燃治理的后期，至少需要为期2 a的监测，即按不同的密度，布设一定数量的热电偶，对地温进行实时监测，以掌握矸石山内部温度变化趋势。根据美方矿矸石山的不同情况，将监测区域划分为全面监测区、机械抽样监测区和重点监测区。全面监测区域主要指美方矿自燃矸石山治理区内的全部坡面以及由坡脚垂直向内延伸20 m直至平台的区域。由于该区域覆盖面积广，且灭火彻底，所以按照6 m×6 m的密度布设温度采样点，并将监测深度确定为4 m.机械抽样监测区主要是针对大平台有人工设施的区域，随机选取一定间隔的测温监测点，详细记录观测温度的动态变化。针对美方矿矸石山山体变形部位与具有临时动土的区域实施重点监测，测温点的铺设密度为3 m×3 m，监测深度为6 m.在监测过程中采用红外测温仪与热电偶分别对地表与矸石山内部的温度进行勘测。

在温度实时监测的基础上，收集和分析每日的温度变化，监测温度是否有异常。定期对矸石山整体的温度特征进行风险性评估，预测潜在的风险区，并提出调整建议，形成评估报告。当地温的日变化率超过1%，或地温与观测到的最低温度值之间的变化率超过5%时，应按相应的应急处置方案及时采取措施，增加监测点，进一步观察，做好降温处置。对地表动土、山体变形区域进行严格的巡查，及时更换失效设备。建议2年后仍长期维持该火情持续监测体系。

3结论与建议

自燃矸石山是一个复杂开放的系统，具有不确定性、非线性、动态性等特性，符合耗散结构特征。笔者结合乌海市美方矿自燃矸石山的现状，基于适应性管理思想，提出自燃矸石山热量聚散梯度原理，并运用耗散结构理论和协同论观点，建立了一套针对美方矿自燃矸石山的灭火防复燃治理与监测管

理体系。

1) 针对自燃煤矸石山的热量分布特征，提出了热量聚散梯度原理，明确灭火防复燃的关键是打破热量聚集条件。根据火情特征与蓄热区位置，因地制宜地实施分层覆沙碾压、“田”字形开沟注浆等集成压火技术；并配套环坡角封闭与坡面全覆盖技术，最终实现彻底灭火不复燃。

2) 自燃矸石山灭火、坡体整形与植被恢复具有协同关系。要求系统灭火与整形作业同时施工，灭火的同时，采用多级隔坡反台坡体整形及其配套技术，将隔坡长度控制在10 m内，反台向内倾斜2°，坡体控制在25°以下，确保矸石山的稳定，并用植被进行覆盖，杜绝复燃的可能性。

3) 将适应性管理贯穿于自燃矸石山灭火和防复燃施工后的持续火情监测过程中，构建火情风险监测、评估与反馈体系，可有效地对矸石山进行实时监测与定期评估，预测潜在风险区域，及时提出应急处置方案，维持灭火效果。

在适应性管理理念的指导下，美方矿自燃矸石山的治理取得了明显的环境效益。表明该思路在经济上是可行有效的，在技术上是实用的。然而，自燃矸石山治理的复杂性决定了此类研究需要不断深入，具体问题具体分析，才能进一步改进和完善该理论与方法。

参考文献:

[1]黄文章.煤矸石山自燃发火机理及防治技术研究[D].重庆:重庆大学,2004.

[2]辛亚,王晓军,陈文英,等.屯兰矿自燃煤矸石山火情系统诊断研究[J].洁净煤技术,2015,21(6):114-118.

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

[4]陈文英,王晓军,辛亚,等.自燃矸石山多级隔坡反台山体稳定技术[J].中国水土保持科学,2015,13(5):111-117.

[5]宫有寿,王晓军,张红,等.一种矸石山近自然生态系统重建方法:中国，CN103609303A[P].2014-03-05.

[6]魏宏森.系统论[M].北京:世界图书出版公司,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

中图分类号：TD753

文献标识码：A

文章编号：1007-726X(2016)01-0001-04

通讯作者：王晓军(1968—)，男，山西绛县人，2007年毕业于中国农业大学，副教授。

作者简介：宫有寿(1968—)，男，山西繁峙人，1991年毕业于北京林业大学，注册会计师。

收稿日期：2016-01-18