再論廢棄礦井利用面臨的科學問題與對策

袁 亮楊 科

(1.安徽理工大學,安徽 淮南 232001;2.合肥綜合性國家科學中心能源研究院,安徽 合肥 230031)

國家“十四五”規劃綱要提出的經濟社會發展主要目標中要求生態文明建設實現新進步,能源資源配置更加合理,利用效率大幅提高。在經濟發展新常態和供給側改革背景下,隨煤炭去產能政策的推進,資源枯竭及落后產能礦井和露天礦坑的關閉勢在必行。關閉/廢棄礦井中仍賦存煤炭資源量約420 億 t、 非常規天然氣近5 000 億m3,以及豐富的地下空間、礦井水、地熱與工業旅游等資源[1-5]。據不完全統計,2020年全國因化解產能或安全問題關閉煤礦數量達428處,退出煤礦產能約1.5 億t/a。充分利用關閉/廢棄礦井中的能源及空間資源,將關閉/廢棄礦井資源開發利用納入區域經濟和社會發展中,實現資源和資產二次回報,不僅能減少資源浪費,提高去產能礦井能源資源開發利用效率,同時還可以為關閉/廢棄礦井企業提供一條轉型脫困和可持續發展的戰略路徑,進而推動資源枯竭型城市轉型發展。

歐美國家是關閉/廢棄礦井開發利用的先驅,也是廢棄礦井開發利用技術最成熟的國家。自20世紀60年代至今,美國、英國、德國、比利時等歐美國家針對關閉/廢棄礦井開展了相關的研究與實踐,在理論突破的基礎上實施了地下空間儲氣庫(如美國Leyden 煤礦地下儲氣庫、比利時Anderlues 煤礦地下儲氣庫和Peronnes 煤礦地下儲氣庫)、廢物處置庫(如德國Asse 礦低中廢物處置庫、德國Konrad 鐵礦低中放廢物處置巷道以及捷克Richard 石灰巖礦處置庫)、地下醫院、冷庫、實驗室(如斯坦福大學修建1 500 m 極深地下實驗室)、 文件存儲中心(Iron Mountain 地下文件存儲中心)、瓦斯發電站(德國北萊茵威斯特法利亞煤礦瓦斯發電站)、壓縮空氣蓄能電站、抽水蓄能電站(德國Prosper-Haniel 煤礦200 MW 抽水蓄能電站)、地熱能供暖制冷(荷蘭Heerlen 煤礦水熱地熱能開發)、礦山博物館(如德國然梅爾斯貝格礦山博物館、波蘭維利奇卡鹽礦博物館和Guido 煤礦博物館)等工程實踐[6-8],對廢棄礦井遺留煤炭、非常規天然氣、地下空間、建筑物與土地等資源進行二次開發利用,形成了關閉/廢棄礦井遺留資源能源化、資源化和功能化利用模式,取得了極大的資源環境與經濟效益。

隨去產能政策的逐步推進,我國關閉/廢棄礦井數量逐年增多,關閉/廢棄礦井再利用刻不容緩。中國工程院重大咨詢項目“我國煤礦安全及廢棄礦井資源開發利用戰略研究”的開展,初步完成了我國關閉/廢棄礦井二次開發利用的頂層設計。現階段“工業4.0”在能源場景中的應用勢頭強勁,精準開采、智能感知、大數據分析等技術愈發成熟,賦能關閉/廢棄礦井相關遺留資源精準開發利用。但目前我國關閉/廢棄礦井資源開發利用整體仍處于試驗階段,針對關閉/廢棄礦井遺留煤炭、煤層氣、地下空間與土地等資源開展了塌陷區治理(徐州潘安湖濕地公園)、煤炭地下氣化(山東新汶鄂莊煤礦煤炭地下氣化)、塌陷區光伏發電(大同熊貓電站、淮南漂浮式光伏電站)、地熱能利用(冀中能源水源/地源熱泵)、建立儲氣庫(安徽含山石膏礦、金壇)、地下儲水庫(神東礦區)、煤層氣抽采(遼寧鐵法礦區、晉城區塊-晉圣永安煤礦、岳城煤礦廢棄礦井煤層氣抽采、中節能寧夏新能源股份有限公司下屬烏蘭煤礦卸壓鉆孔廢棄礦井瓦斯抽采)、國家地質公園(淮南大通國家礦山公園、淮北國家礦山公園)和伴生礦產開發(淮北礦務集團開采伴生高嶺土)等方面的基礎理論攻關和先期工業試驗。然而,關閉/廢棄礦井智能精準開發利用涉及多學科交叉協作,內容紛繁復雜,我國對關閉/廢棄礦井能源資源開發利用的研究起步較晚,基礎理論與關鍵技術研發仍有待提高[9-10],且沒有形成可復制推廣的成熟模式。

開展關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間精準開發利用試點,凝練關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間精準開發利用面臨的核心科學問題,歸納遺留能源資源精準開發利用亟需攻克的關鍵技術難題,提出試點區域廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用技術路線,推動“政產學研用金”協同機制為基礎的關閉/廢棄礦井能源資源精準開發與利用新模式,發展形成關閉/廢棄礦井綜合開發利用模式,為全國關閉/廢棄礦井遺留資源二次利用探路示范和積累經驗。山西省作為能源大省,新中國成立至今,其煤炭產量有近60 a 位居中國第1[11];山西省煤層氣產業水平和規模領跑全國,建有我國最大規模的沁南國家煤層氣產業基地,貢獻了超90%以上的煤層氣地面抽采量[12];隨去產能的持續推進而產生的大量關閉/廢棄礦井、藍焰集團在沁水煤田開展的關閉/廢棄礦井地面抽采工業實踐及山西省作為能源革命綜合改革試點的重大使命均為山西作為關閉/廢棄礦井精準開發利用試點奠定了重要基礎。

1 山西省關閉/廢棄礦井資源稟賦與開發現狀

山西省作為我國的重要煤炭能源基地,2020年原煤產量10.63 億t,占全國煤炭產量的27.68%,位居全國之首,估算2020年山西省原煤產量10.56億t,占全國原煤總產量的27.57%,再次超越內蒙古,成為我國第1 煤炭生產大省。山西省礦井數量在1949年為3 676 處,經過大規模建設,到1997年達到最高峰為10 971 處[11],伴隨而來的是煤炭資源的浪費和環境的污染。經安全整治、整合重組和去產能等措施推進,目前年生產能力90 萬t 以下的煤礦已逐漸關閉。2016—2020年,山西省共關閉煤礦138 座,退出產能10 889 萬t[13],如圖1所示。

圖1 2016—2020年山西省關閉礦井分布情況Fig.1 Distribution of closed mines in Shanxi Province from 2016 to 2020

中國工程院重大咨詢項目調研統計表明,1949—2012年,我國井工開采方式下累計遺留煤炭資源總量達582.7 億t,山西省占比20.59%,居全國首位,如圖2所示。2014—2018年,山西關閉礦井118 座,廢棄礦井遺留煤層氣(Abandoned Mine Methane,AMM)資源量預估103 億m3,占全國AMM 預計總量的50%以上,將成為我國廢棄礦井瓦斯二次利用的重點省份,如圖3所示。另外,據山西省國土資源廳發布的《山西省煤炭采空區煤層氣資源調查評價報告》顯示,目前山西省采空區面積5 000 km2以上,具有開發價值約2 052 km2;預測殘余煤層氣資源量約726 億m3。其中,7 個瓦斯含量較高的礦區(西山、陽泉、武夏、潞安、晉城、霍東、離柳)內,采空區面積約870 km2,預測煤層氣資源量303 億m3,部分地區資源相對富集,值得開發利用[14]。

圖2 2014—2018年全國井工開采遺留煤炭資源統計Fig.2 Statistics of coal resources left over from underground mining in China from 2014 to 2018

圖3 2014—2018年全國AMM 資源統計Fig.3 Statistics of national remaining AMM resources from 2014 to 2018

面對關閉/廢棄礦井中遺留蘊藏的大量煤炭、煤層氣與地上地下空間等資源[15],山西省關閉/廢棄開發利用現狀體現為“三多兩少”——廢棄礦井數量多、遺留資源種類多、閉坑次生隱患多,科學規劃設計少、精準開發案例少。就遺留煤層氣資源而言,僅開展了部分基礎理論研究和先期工業試驗。目前,晉煤集團先后在晉城、西山、陽泉、晉中等礦區施工廢棄礦井煤層氣抽采井135 口,目前運行55 口,日抽采量為9.4 萬m3,累計利用氣量約1.3 億m3;藍焰集團牽頭承擔的山西煤基(煤層氣)重點科技攻關項目“關閉煤礦采空區地面煤層氣抽采技術研究及示范”實施27 口關閉/廢棄礦井采空區煤層氣井建設,15口井完成設備安裝運行,單井日均產量1 155 m3,截至2016年底,累計抽采利用煤層氣約1 700 萬m3[16]。國內對煤層氣的利用主要依賴于正在開采礦井的瓦斯抽排系統,雖然有些礦區進行了地面鉆孔排采利用,但真正意義上的廢棄礦井遺留煤層氣綜合治理利用產業化尚屬空白。

為實現關閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準開發利用,在機制上,山西省采取揭榜掛帥式的科技創新新探索,從“路徑依賴”轉向“模式創新”,規避人才與技術基礎劣勢,讓全球范圍內的智力資源與創新資源服務于自身高質量轉型發展。揭榜掛帥制推動“政產學研用金”協同創新,為山西眾多的關閉/廢棄礦井開發利用提供智力支持,量身打造實施方案,讓大學成為關閉/廢棄礦井開發利用從理論至應用的科研主戰場;在標準方面,由山西省應急管理廳提出、藍焰集團等單位起草的山西省地方標準《煤礦采空區(廢棄礦井)煤層氣地面抽采安全規范》于2019年初推出征求意見稿,該標準規定了煤礦采空區(廢棄礦井)煤層氣地面抽采的鉆井井位及層位選擇、場地設備安裝等要求,可用于指導山西省轄區內煤礦采空區(廢棄礦井)煤層氣地面抽采的安全管理工作;在政策方面,2019年底山西省自然資源廳與能源局一同下發了《關于開展煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗有關事項的通知》,明確了開展煤炭采空區(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗,有效開發利用采空區煤層氣資源,是山西省能源革命綜合改革試點的一項重要任務。

綜上所述,山西省關閉/廢棄礦井遺留煤炭、煤層氣、地下空間等資源稟賦優勢突出,在政策、標準、機制等多方面為推動關閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準開發利用提供了堅實基礎。

2 關閉/廢棄礦井能源資源精準開發利用關鍵科學問題

基于山西省關閉/廢棄礦井資源稟賦條件,提出廢棄礦井遺留煤炭地下氣化、遺留煤層氣地面抽采和地下空間儲能儲物等3 種能源資源精準開發與潔凈利用方式,必將面臨如下4 個關鍵科學問題。

2.1 關閉/廢棄礦井資源綜合利用安全評價體系

礦井直接關閉或廢棄將會引發地質災害威脅,如地表塌陷、礦井水隱患、采空區瓦斯泄漏而導致的爆炸或火災等[17]。關閉/廢棄礦井資源綜合利用安全評價是以關閉/廢棄礦井遺留能源資源主體作為被評價對象,分析影響遺留能源資源開發利用過程安全的主要因素,構建一套可量化的評價指標體系,采用互聯網、軟件開發、云計算、數據挖掘、模糊數學等理論與方法,對遺留能源資源開發利用這一主體的當前及未來安全度進行評估的過程。需要重點關注關鍵性指標的選取與把握,梳理關閉/廢棄礦井地質背景、采掘歷史、資源條件、采空區空間等特征指標,根據指標體系設計的一般原則,構建安全評價指標體系,對關閉/廢棄礦井的安全性進行分析,對各風險因素進行研究,建立關閉/廢棄礦井資源協同利用安全與風險評價技術標準,向關閉/廢棄礦井利用和管理提供技術層面的決策支撐,指導關閉/廢棄礦井“能源化”“資源化”與“功能化”利用的動態評判。

2.2 氣液熱固化等多相多場動態演化機制

煤炭地下氣化是通過控制井下煤炭資源燃燒反應,使得煤層在熱及化學作用下形成可燃氣體的過程[18-19],作為煤炭無害化開采技術創新方向,被列入國家《能源技術革命創新行動計劃(2013—2030年)》[20]。關閉/廢棄礦井遺留的煤炭資源與空間資源為煤炭地下氣化的研究工作提供了新戰場,將遺留煤炭資源轉化為可用燃氣資源,必將為我國推進能源生產與消費革命增添新的活力。在地下遺留煤炭氣化過程中會產生1 200 ℃的高溫,圍巖邊界溫度隨氣化工作面的定向移動而產生變化,如圖4所示。為揭示地下氣化過程對井下結構和環境的影響機理,需要系統研究溫度場的劇烈變化對周圍應力場、位移場、孔隙場以及裂隙發育等產生的影響。分析溫度場分布及動態變化規律,確定圍巖內溫度影響的范圍,闡明其余多場的演化機制。進一步建立多場耦合條件下,地下煤炭氣化對遺留煤柱、圍巖、覆巖運移及地表沉降特征影響的模型。

圖4 遺留煤炭地下氣化示意Fig.4 Schematic diagram of underground gasification of legacy coal

煤炭地下氣化技術體系如圖5所示。因此,需要對山西省區域典型煤種進行熱解、氣化和強制氧化著火實驗,研究其大尺度煤熱解、氣化動力學參數,強制氧化著火機理,并建立動力學方程。通過實驗或煤炭地下氣化物料及能量平衡模型,研究典型煤種地下氣化參數,包括不同氧濃度-水蒸氣連續氣化條件下的汽氧比、噸煤產氣率、比消耗量、氣化效率,以及煤氣有效組分和熱值的變化規律,進行山西省典型煤種催化熱解、氣化實驗,包括催化劑的選擇、配比以及負載方法等,研究催化煤熱解、氣化動力學參數,以獲得更高水平的煤炭氣化效率,確定高效的地下煤炭氣化的工藝技術。

圖5 煤炭地下氣化技術體系[17]Fig.5 Technology system of underground coal gasification[17]

2.3 復雜遺留空間煤層氣運移規律與儲集成藏機理

關閉/廢棄礦井遺留煤層氣泄露導致的爆炸或火災嚴重威脅著周邊群眾生產、生活和安全,相關事故時有報道[21]。關閉/廢棄礦井的采動裂隙、地表塌陷裂隙或封閉不嚴的井筒等是可燃氣體向地面逸散的通道,不僅存在爆炸或火災等事故隱患,更會加劇溫室效應。為此,2020年國家能源局頒發《關于推進關閉煤礦瓦斯綜合治理與利用的指導意見(征求意見稿)》,對關閉煤礦的瓦斯綜合治理與利用工作已經提上日程。

然而,礦井地下空間構造種類繁多、地質斷層散落其中、采場和巷道錯綜復雜、采后覆巖“三帶”長期演化轉換、遺留煤炭資源分布規律不清等因素致使廢棄礦井瓦斯抽采利用對象屬性不清,地面抽采工程措施無的放矢、效果不理想。關閉/廢棄礦井采空區既是應力釋放區,也是低壓區,以采空低壓區為中心,采動區裂隙為通道,周圍煤巖儲層中的煤層氣向采空區運移、聚積,且隨時間尺度的長短,其聚積程度不一,如圖6所示。因此,需要基于儲層特征、巖層破壞變形規律和裂隙場、滲流場動態演化規律的全面解析,揭示關閉/廢棄礦井遺留煤層氣運移、動態聚積規律,闡明時間和空間尺度下煤層氣聚積特征和二次動態成藏機理,建立關閉/廢棄礦井煤層氣資源動態評價體系,構建關閉/廢棄礦井煤層氣井產氣量預測模型及其經濟性評價指標體系。

圖6 關閉/廢棄礦井遺留煤層氣抽采示意Fig.6 Schematic diagram of coalbed methane extraction from closed/abandoned mines

具體而言,需要根據山西省關閉/廢棄煤礦典型試驗礦井的煤層結構和特點,構建基于三場(“裂隙場”、“應力場”和“壓力場”)耦合條件下的抽采滲流模型,研究原生帶-裂隙帶-低壓采空區條件下的煤層氣分布-遷移規律和解吸-擴散-滲流特征,耦合氣體滲流場特征。以煤層氣資源賦存參數特征及產出特性為基礎,建立關閉/廢棄礦井煤層氣產氣量預測模型,提出其經濟性評價指標體系,科學評估煤層氣極限產出量與經濟價值。揭示布井位置對抽采效果的影響機理,確定井位布置原則,評價井型井網的地質適應性,提出關閉/廢棄礦井煤層氣資源地面抽采關鍵技術。

2.4 復雜巖體多場多相耦合作用機理及其變形破壞特征

地下水庫、地下油氣儲庫及其他儲物空間是關閉/廢棄礦井地下空間利用的潛力方向[22-23]。廢棄礦井遺留空間資源具有特殊性與復雜性:首先,具有復雜多尺度、多形態特征,且存在冒落矸石、采掘破碎巖塊、裂隙裂縫巖體、塑性大變形巖體及完整巖石形態等;其次,受力環境場源多,如自重應力、構造應力、重復采動應力、礦井水或煤層瓦斯壓力及人為工程擾動應力等;再次,載荷歷程路徑復雜、受力變形演化期長、動態研究分析難度大。因此,需要深入研究復雜巖體多場多相耦合作用機理,揭示其變形損傷與破壞規律,建立符合工程實際條件的固-液-氣多場耦合損傷演化模型,為廢棄礦井地下空間安全高效儲水與抽水蓄能提供理論基礎與技術保障。

具體而言,需要攻關的技術問題是:綜合考慮儲水或儲油氣地下空間的孔隙和裂隙、煤層因素、覆巖巖性、開采方法、采空區處理方法及工作面尺寸等因素的地下水庫或油氣庫容積特征,研究不同工作面布局、開采條件、地質條件與采空區面積和冒落巖石空隙率的關系,構建地下水庫庫容的計算方法;研究煤柱或人工壩體受采動影響產生的裂隙區、塑性區引起的滲漏以及相應的防治措施,以地質力學參數為基礎,通過物理力學試驗和數值模擬,研究裂隙帶發育規律,提出相應的隔離筑壩及防滲技術,為關閉/廢棄礦井儲能儲物綜合利用提供現實基礎。

3 山西省關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用對策

面向山西省大量關閉/廢棄礦井遺留資源和空間資源利用的重大需求,為向山西省關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用提供對策,在基礎理論與技術研發層面,需要揭示高溫條件下圍巖溫度場、應力場和位移場的動態分布以及地表移動變形規律、遺留煤層氣資源運移與動態聚積規律、資源動態評價體系與地面抽采利用關鍵技術和圍巖空間裂隙與水油氣耦合作用機理;提出關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間利用的管理創新制度;建立關閉/廢棄礦井風險安全評價體系,完善關閉/廢棄礦井資源綜合利用創新模式的總體思路;緊密圍繞關閉/廢棄礦井遺留資源和地下空間資源開發利用關鍵技術的研發及工程示范。

同時,結合關閉/廢棄礦井全生命周期系統管理利用的理念,建立關閉/廢棄礦井可再生能源利用規劃標準,開展關閉/廢棄礦井遺留煤炭資源及可再生能源利用示范項目試點研究,加大自主技術研發、加強國際合作、制定專業人才培養機制、加大科技攻關投入、加強關閉/廢棄礦井遺留煤炭、煤層氣和地下空間等資源利用基礎研究及開采利用關鍵技術研究,建立一套完整可行的關閉/廢棄礦井煤層氣資源評估和煤層氣產量預測模型,確定不同地質條件的最佳利用方式、規模和服務年限。

另外,還需要促進國家相關職能部門采用多種政策支持和財政資金保障相結合的方式,完善關閉/廢棄礦井可再生能源利用財稅優惠政策,完善關閉/廢棄礦井可再生能源利用的相關財政補貼、稅收減免政策及投資環境,鼓勵引導私人資本參與,建立市場化運營等新型的投資機制和商業模式,創建關閉/廢棄礦井能源資源精準開發利用多元化投資及合作開發模式。

最終,形成山西省關閉/廢棄礦井遺留資源和空間資源利用綜合性解決方案如圖7所示。

圖7 山西省關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用方案Fig.7 Technical route for development and utilization of abandoned mine resources and underground space in Shanxi Province

4 山西省關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用模式

白家莊煤礦位于太原市西南萬柏林區西銘鄉白家莊村,距太原市中心約20 km,交通便利。礦井位于西山煤田邊緣,開采歷史悠久,開采手段多樣,毗鄰萬畝休閑生態園。所屬區域年平均氣溫9.5 ℃,年平均降水量為415 mm,降雨多集中在7 至9月,水資源短缺。2016年,白家莊礦響應“推進供給側結構性改革”要求,在當年10月底關閉停產,退出產能100 萬t。依據白家莊礦閉坑地質報告,全井田保有儲量達107 483 kt,礦井原2 號井口延續飲用水采水功能,對井下現有+840、+710 水平生產、通風、機電等系統以及22526 工作面進行保留。結合該礦“近城區、近景區、開采久、水豐富”的資源稟賦特征與環境特點等要素,提出了地上工業旅游資源開發+煤炭教學基地建設,井下空間儲水+抽水蓄能發電的立體開發方式,建成可復制可推廣的綜合性示范基地如圖8所示。

圖8 關閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發利用示意Fig.8 Development and utilization of abandoned mine resources and underground space in Shanxi Province

5 展 望

(1)對山西省關閉/廢棄礦井分布情況進行了調查,明確了山西省關閉/廢棄礦井遺留資源稟賦優勢,山西省在政策、制度、機制上的相關舉措為推動關閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準開發利用提供了堅實基礎。

(2)面對不同遺留能源資源的開發利用需求,亟需研究關閉/廢棄礦井能源資源協同綜合利用評價方法、固-液-氣及應力-位移-滲流-溫度等多相多場動態演化機制、復雜遺留空間煤層氣運移規律與儲集成藏機理、復雜巖體多場耦合作用機理及穩定性控制等4 個關鍵科學問題,攻克關閉/廢棄礦井能源資源協同利用安全與風險評價技術、遺留煤炭地下氣化爐構建及氣化工藝、遺留煤層氣資源地面抽采與利用、地下儲庫(儲水、儲油、儲氣等)庫容探測與防滲等4 項關鍵核心技術。

(3)通過構建關閉/廢棄礦井全生命周期系統管理利用的理念,建立關閉/廢棄礦井可再生能源利用規劃標準,開展關閉/廢棄礦井遺留煤炭資源及可再生能源利用示范項目試點研究。通過“政產學研用金”這樣一體化的改革,把技術創新的上游、中游、下游以及創新環境與最終用戶有效對接和耦合,才能真正推動關閉/廢棄礦井精準開發利用模式的創新研究。