關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用模式研究

劉欽節(jié)，王金江，楊 科，邸晟鈞，董志勇

關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用模式研究

劉欽節(jié)1,2，王金江2，楊 科1,2，邸晟鈞3，董志勇3

(1. 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3. 山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

隨著煤炭綠色資源的不斷開(kāi)采，位于煤炭開(kāi)發(fā)利用全周期末端的礦井關(guān)閉廢棄問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，隨之而來(lái)的關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用成為一個(gè)亟須解決的問(wèn)題。在對(duì)我國(guó)廢棄礦井現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，以能源開(kāi)采造成的地下空間方位、形態(tài)差異化為依據(jù)，將關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源分為采空區(qū)空間資源、巷道空間資源、硐室空間資源；探討了空間資源作為能源存儲(chǔ)場(chǎng)所的單一利用方式和多方向、多領(lǐng)域協(xié)同多元開(kāi)發(fā)利用的關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源利用方式；并由此提出了一種關(guān)閉/廢棄礦井地下空間分類(lèi)分級(jí)精準(zhǔn)利用模式，構(gòu)建調(diào)研分析、工程類(lèi)比初判、模型構(gòu)建詳估和軟件決策系統(tǒng)研發(fā)為主干流程的精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用系統(tǒng)，通過(guò)精準(zhǔn)利用模式與精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用系統(tǒng)模型對(duì)單一和多元開(kāi)發(fā)利用方式進(jìn)一步分析，為關(guān)閉/廢棄礦井空間資源開(kāi)發(fā)利用的研究和實(shí)踐提供參考。

關(guān)閉/廢棄礦井；空間資源；開(kāi)發(fā)利用模式；分類(lèi)分級(jí)

隨著煤炭綠色資源的不斷開(kāi)發(fā)利用，位于礦井開(kāi)發(fā)利用全生命周期末端的廢棄礦井問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，隨之而來(lái)的關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源利用成為一個(gè)亟須解決的問(wèn)題。2005年以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)對(duì)小、散、亂的煤礦進(jìn)行整頓關(guān)閉和資源整合，并下發(fā)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于堅(jiān)決整頓關(guān)閉不具安全生產(chǎn)條件和非法煤礦的緊急通知》《關(guān)于進(jìn)一步做好煤礦整頓關(guān)閉工作的意見(jiàn)》等文件，著力在“十一五”期間實(shí)施以“整合為主、新建為輔”的方針，2013年全國(guó)煤礦數(shù)量相比十年前已減少1萬(wàn)余處，剩余煤礦數(shù)量不及2005年的50%[1]。中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)煤炭工業(yè)改革發(fā)展年度報(bào)告》指出，截至2019年底，累計(jì)退出煤炭產(chǎn)能9億t以上，已超額完成2019年1.5億t以上的去產(chǎn)能目標(biāo)。根據(jù)中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目“我國(guó)煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究”預(yù)測(cè)：到2030年，我國(guó)廢棄礦井將達(dá)到1.5萬(wàn)處。這些廢棄礦井中賦存豐富的煤炭、煤層氣、水、地?zé)帷⒌叵驴臻g及工業(yè)廣場(chǎng)土地等資源，直接關(guān)閉將造成巨大的資源浪費(fèi)和國(guó)有資產(chǎn)流失，誘發(fā)安全、環(huán)境及社會(huì)問(wèn)題[2-5]。

國(guó)家在戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備、生態(tài)環(huán)境治理等方面都有相關(guān)政策出臺(tái)。在2004年6月，國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了《能源中長(zhǎng)期發(fā)展綱要(2004—2020年)》，到2020年時(shí)，我國(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備達(dá)到90 d的石油凈進(jìn)口量，即國(guó)際能源署(IEA)規(guī)定的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備能力的“達(dá)標(biāo)線”；在2018年國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見(jiàn)》中提出，構(gòu)建天然氣多層次儲(chǔ)備體系是我國(guó)天然氣能源安全的重要舉措，鼓勵(lì)各類(lèi)投資主體合資合作建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施等意見(jiàn)；2018年6月，國(guó)務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)中提出了強(qiáng)化固體廢物污染防治行動(dòng)計(jì)劃，改革完善生態(tài)環(huán)境體系等指導(dǎo)意見(jiàn)。儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策實(shí)施都涉及空間資源的利用，而關(guān)閉/廢棄礦井能夠提供分布廣泛、體量符合的地下空間資源，且精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用關(guān)閉/廢棄礦井地下空間能夠?yàn)橘Y源枯竭礦區(qū)提供一條轉(zhuǎn)型脫困之路，具有廣泛社會(huì)意義以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用方面做了初步研究，主要從關(guān)停礦井轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略方面提出構(gòu)想與關(guān)鍵技術(shù)[6]，探討了我國(guó)轉(zhuǎn)型煤礦井下空間資源開(kāi)發(fā)利用的新方向[7]及廢棄礦井巷道綜合利用方式[8]，提出“后煤礦時(shí)代”地下空間開(kāi)發(fā)利用的設(shè)計(jì)與思考[9]。以上是在地下空間資源開(kāi)發(fā)利用上進(jìn)行了深入戰(zhàn)略探討和分析，但仍缺乏從資源分類(lèi)角度來(lái)進(jìn)行利用方式的思考與應(yīng)用。

政策的實(shí)施與學(xué)者提出的戰(zhàn)略方向需要大量的地下空間資源，這使得關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用前景更為廣闊、意義更加重大。筆者從關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源現(xiàn)狀出發(fā)，介紹關(guān)閉/廢棄礦井地下可利用空間資源種類(lèi)，通過(guò)對(duì)關(guān)閉/廢棄礦井空間資源利用方式的總結(jié)，結(jié)合國(guó)家政策導(dǎo)向，提出關(guān)閉/廢棄地下空間資源精準(zhǔn)利用模式，旨在為關(guān)閉/廢棄或即將進(jìn)入全生命周期末端的礦井地下空間開(kāi)發(fā)利用的實(shí)踐提供參考。

1 關(guān)閉/廢棄礦井地下空間現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)有資源型城市占城市總數(shù)的1/5，2020年廢棄礦井?dāng)?shù)量大約1.2萬(wàn)處，而未來(lái)10年將是我國(guó)大中型礦井閉坑的集中期，到2030年廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.5萬(wàn)處，關(guān)閉/廢棄礦井幾乎遍布全國(guó)各個(gè)省市地區(qū)且數(shù)量越來(lái)越多[10-12]。由于戰(zhàn)略、能源、土地、生態(tài)環(huán)境和物資儲(chǔ)備等方面的需要，國(guó)家正逐漸重視關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題[13-16]。

現(xiàn)有資料[17]顯示，從中華人民共和國(guó)成立以來(lái)至2016年底，煤礦采空區(qū)地下空間約為138.37億m3，可利用地下空間量總計(jì)約5.84億m3。根據(jù)國(guó)家能源局2017—2020年10月全國(guó)煤礦生產(chǎn)能力情況相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出全國(guó)原煤體積量，利用煤礦規(guī)模與其井巷可利用地下空間量的比例系數(shù)[17]，計(jì)算得出2017—2020年10月期間全國(guó)礦井地下空間體積量(圖1)，期間全國(guó)原煤產(chǎn)量每年都在31億t以上，采空區(qū)空間平均每年產(chǎn)生12.76億m3，可利用空間每年達(dá)到1.76億m3以上。因此計(jì)算得出，2017—2020年10月底，全國(guó)生產(chǎn)煤礦原煤總產(chǎn)量138.67億t，煤礦采空區(qū)地下空間約為51.06億m3，可利用地下空間量總計(jì)約7.69億m3；截至2020年底，煤礦采空區(qū)地下空間將會(huì)超過(guò)189.73億m3，可利用地下空間量將會(huì)超過(guò)13.53億m3。

圖1 2017—2020年10月全國(guó)礦井地下空間資源柱狀圖

由此可看出，我國(guó)的關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源具有體量大、分布廣泛、數(shù)量逐年增加的特征。如果“一關(guān)了之”，不僅將造成巨大浪費(fèi)，而且還會(huì)引發(fā)安全、環(huán)境及社會(huì)問(wèn)題等一系列“后遺癥”。關(guān)閉/廢棄礦井尚且具有較大開(kāi)發(fā)空間和利用價(jià)值，對(duì)國(guó)家的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及民生保障和國(guó)家安全具有顯著作用。

2 關(guān)閉/廢棄礦井地下可利用空間資源分類(lèi)

因開(kāi)采需求造成地下空間形態(tài)、方位差異化，形成包括各種巷道、硐室及采空區(qū)的關(guān)閉/廢棄礦井地下空間。

2.1 采空區(qū)空間資源

采空區(qū)是地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，很容易形成大面積的垮落及水位下降等問(wèn)題，采礦需要考慮的一個(gè)大問(wèn)題就是采空區(qū)處理。而采空區(qū)空間資源是將采空區(qū)留下的空洞區(qū)作為一種空間資源加以利用，因不同的頂板控制方式形成不同種類(lèi)采空區(qū)，如自然垮落法采空區(qū)、充填法采空區(qū)以及煤柱支撐法采空區(qū)。隨著礦井不斷開(kāi)采，采空區(qū)地下空間不斷增加，同時(shí)可利用地下空間占有率逐年增加，采空區(qū)空間資源將是關(guān)閉/廢棄礦井可利用空間資源重要一類(lèi)。

2.2 巷道空間資源

巷道空間資源是礦井地下開(kāi)采中，為了生產(chǎn)需要而開(kāi)掘的井筒和巷道形成的空間資源。除了采空區(qū)之外，巷道空間資源是井下可利用空間的重要組成部分。礦井地下巷道從距離采空區(qū)最近開(kāi)始分區(qū)段平巷、區(qū)段平巷聯(lián)絡(luò)巷、上下山巷道、主要大巷、井底車(chē)場(chǎng)、主副井。因設(shè)計(jì)服務(wù)年限差異，有些礦井關(guān)閉/廢棄中巷道空間服務(wù)年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到，同時(shí)巷道空間是連接采空區(qū)與硐室的脈絡(luò)，因此，巷道空間是關(guān)閉/廢棄礦井中不可或缺的空間資源。

2.3 硐室空間資源

井下開(kāi)采中，空間3個(gè)軸線長(zhǎng)度相差不大且又不直通地面的地下通道稱之為硐室，如絞車(chē)房、變電室、煤倉(cāng)、水泵房等。硐室空間資源在整個(gè)礦井地下可利用空間資源中占有率較少，但因各硐室的獨(dú)特性功能，其主要特點(diǎn)是橫截面積大、服務(wù)年限長(zhǎng)，硐室空間資源同樣是關(guān)閉/廢棄礦井可利用空間資源的重要組成部分。

3 關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源利用方式

關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用是一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題。謝和平院士等[5]、袁亮院士等[10-12]指出，如果這些煤礦直接關(guān)閉，將導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)和國(guó)有資產(chǎn)的損失，同時(shí)也存在礦山安全、環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題的隱患，而廢棄礦井賦存著大量可利用資源，對(duì)其開(kāi)發(fā)和利用意義重大。

關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源開(kāi)發(fā)利用具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)等意義，將關(guān)閉/廢棄礦井空間資源利用方式分為單一開(kāi)發(fā)利用和多元開(kāi)發(fā)利用，可滿足不同種類(lèi)空間資源開(kāi)發(fā)的多樣需求。

3.1 單一開(kāi)發(fā)利用

物體有固液氣3種形態(tài)，單一開(kāi)發(fā)利用是將空間資源作為一種物質(zhì)存儲(chǔ)空間，如蓄水、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)油以及壓縮空氣儲(chǔ)能等[1,18-21]。采空區(qū)空間資源作為關(guān)閉/廢棄礦井地下可利用空間資源的主體，大部分可作為單一開(kāi)發(fā)利用。牛兒莊采礦公司八盤(pán)區(qū)山青盤(pán)區(qū)通過(guò)“避峰填谷”，將采空區(qū)空間作為水倉(cāng)擴(kuò)容進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，這為采空區(qū)用于蓄水提供了技術(shù)參考[22]。邱華富等[21]提出以充填采礦為手段，在金屬礦大型采空區(qū)構(gòu)建充填儲(chǔ)庫(kù)，用于儲(chǔ)備石油、天然氣等能源，結(jié)合充填采礦法特征，提出了采礦–充填–建庫(kù)(MBS)的協(xié)同系統(tǒng)理念。

同時(shí)可利用房柱式煤礦采空形成的巨大空間及煤層吸附能力進(jìn)行儲(chǔ)氣(圖2)，在采空區(qū)頂板保存良好、空間較大，確保采空區(qū)上方存在良好蓋層的基礎(chǔ)上，對(duì)立井井筒或斜井進(jìn)行密封，在采空區(qū)上方鉆一定數(shù)量的注采井并配置井控措施，同時(shí)在蓋層上部鉆一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)氣庫(kù)的密封性。

圖2 房柱式采空區(qū)空間改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)

對(duì)巷道及硐室空間資源來(lái)說(shuō)，單一開(kāi)發(fā)利用空間資源主要在其服務(wù)年限少或已經(jīng)報(bào)廢的少數(shù)空間，這些空間都可用于廢料處理，尤其在采空區(qū)附近的巷道、硐室空間都可歸于采空區(qū)資源處理。我國(guó)城市生活垃圾及工業(yè)廢碴排放量巨大，全國(guó)年產(chǎn)垃圾量達(dá)1.5億t左右，且增長(zhǎng)率約為9%，傳統(tǒng)填埋處理方法占用大量耕地。利用地下空間填埋垃圾，可緩解廢棄物處理時(shí)占用大量耕地的問(wèn)題(圖3)。尤其是埋藏條件較好、節(jié)理裂隙不發(fā)育或貫通性差的采空區(qū)，適當(dāng)圍護(hù)、封閉后，還將是放射性工業(yè)廢碴、核廢料、化學(xué)廢料的理想填埋場(chǎng)所[23-25]。

圖3 污水廢棄物處理

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)于保存較好且?guī)r石堅(jiān)硬、穩(wěn)定性較高的巷道空間資源可用于儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)。對(duì)大巷進(jìn)行永久支護(hù)，且保障安全性的前提下，采用類(lèi)似于內(nèi)置鋼襯的特殊密封工藝，在巷道表面添加高強(qiáng)度堵漏密封材料防滲層，確保儲(chǔ)油庫(kù)不發(fā)生泄露，同時(shí)在巷道上部鉆一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)井，確保儲(chǔ)油庫(kù)密封性(圖4)。

圖4 廢棄煤礦巖巷改建地下儲(chǔ)油庫(kù)技術(shù)

以上針對(duì)采空區(qū)地下空間利用和巷道空間利用的實(shí)例與方法介紹中不難看出，空間資源單一開(kāi)發(fā)利用具有單向形式，無(wú)法再次開(kāi)發(fā)。

3.2 多元開(kāi)發(fā)利用

多元顧名思義多個(gè)方向、多個(gè)領(lǐng)域，關(guān)閉/廢棄礦井空間資源多元開(kāi)發(fā)利用涉及科研、國(guó)家工程建設(shè)、民生、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、智慧礦井多個(gè)領(lǐng)域[26-29]。

立井井筒是高大垂直的構(gòu)造物，其深度常常可達(dá)數(shù)百至上千米，利用如此高的落差優(yōu)勢(shì)，已開(kāi)展過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[30]。如，日本原砂川煤礦把766 m深的立井改作無(wú)重力實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本；作為落下塔(約500 m)，可獲得穩(wěn)定優(yōu)良的無(wú)重力環(huán)境(無(wú)重力時(shí)間約10 s)；實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)置在地下，安裝容易，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)展過(guò)相關(guān)試驗(yàn)[31]。

關(guān)閉/廢棄礦井地下巷道開(kāi)發(fā)利用，可借助已有的地下礦井巷道空間，通過(guò)對(duì)礦井間、礦區(qū)間的安全穩(wěn)定大巷進(jìn)行空間改造(如修正加固)和連通，進(jìn)而形成地下接力連通網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水、電、氣、數(shù)據(jù)傳輸、商品物流等方面的地域調(diào)度，逐步建設(shè)并形成地下的電網(wǎng)、水網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、交通網(wǎng)、物流網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等，配合國(guó)家重大工程建設(shè)(圖5)，以此提高國(guó)力和保障民生。

圖5 地下工程建設(shè)網(wǎng)

利用關(guān)閉/廢棄礦井的巷道空間資源，還可對(duì)城市民生保障進(jìn)行規(guī)劃和籌備，如應(yīng)急避災(zāi)場(chǎng)所、應(yīng)急醫(yī)院場(chǎng)所、應(yīng)急物資儲(chǔ)備場(chǎng)所等建設(shè)，并可作為食品倉(cāng)庫(kù)、物流倉(cāng)庫(kù)、工業(yè)倉(cāng)庫(kù)、大型商品(汽車(chē)、機(jī)具等)超市(圖6)。

圖6 工程建設(shè)物資儲(chǔ)備和應(yīng)急場(chǎng)所

面向當(dāng)今市場(chǎng)需求，結(jié)合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展節(jié)奏，對(duì)距地級(jí)市50 km以內(nèi)可利用關(guān)閉/廢棄礦井的巷道

空間進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)。利用距離就近城市的交通便利開(kāi)展休閑、娛樂(lè)、旅游、心理減壓、健身、培訓(xùn)等體驗(yàn)式、侵入式的服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)(圖7)，并以此為主線擴(kuò)展形成多種產(chǎn)業(yè)融合的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

煤礦地下空間的恒溫、恒濕、低本底核磁輻射等特征，具有地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的優(yōu)越性。煤礦地下空間可用于構(gòu)建以科學(xué)前沿探索(暗物質(zhì)探測(cè)、深地微生物研究、非常規(guī)巖石力學(xué)研究等)為目的的深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室[5]。利用煤礦地下空間開(kāi)展自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建自循環(huán)為原則的地下模擬陽(yáng)光、生態(tài)空氣、潔凈水、生態(tài)植被及地下農(nóng)場(chǎng)的生態(tài)圈(圖8)。

圖7 工程建設(shè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)

圖8 地下生態(tài)圈構(gòu)建與深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)[5]

通過(guò)以上實(shí)例與構(gòu)想，在井巷空間與硐室空間資源利用上，形成了多元開(kāi)發(fā)利用的可持續(xù)策略。因?yàn)槠浞?wù)年限長(zhǎng)、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，地下空間開(kāi)發(fā)利用可實(shí)現(xiàn)利益最大化，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。

4 廢棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)利用模式

關(guān)閉/廢棄礦地下空間資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用涉及多學(xué)科交叉協(xié)作、內(nèi)容紛繁復(fù)雜，實(shí)施過(guò)程中需要解決諸多科學(xué)問(wèn)題[11]。廢棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)利用模式以廢棄礦井資源稟賦和外部條件為基礎(chǔ)構(gòu)建廢棄礦山地下空間分級(jí)精準(zhǔn)利用決策分析系統(tǒng)(圖9)，通過(guò)調(diào)研分析、工程類(lèi)比初判、模型構(gòu)建詳估、軟件決策系統(tǒng)4個(gè)流程，對(duì)關(guān)閉/廢棄礦地下空間資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)出適用型方案。

4.1 廢棄礦井地下空間分類(lèi)分級(jí)精準(zhǔn)利用決策分析系統(tǒng)

1) 調(diào)研分析

對(duì)廢棄礦井地下空間條件與開(kāi)發(fā)進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)研，結(jié)合當(dāng)?shù)卣咧贫扰c現(xiàn)有技術(shù)水平，分析評(píng)估資源稟賦條件、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響及安全風(fēng)險(xiǎn)等。

2) 工程類(lèi)比初判

與當(dāng)前利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析，形成廢棄礦山地下空間分級(jí)精準(zhǔn)利用決策分析系統(tǒng)；而后，基于調(diào)研分析結(jié)果，從開(kāi)發(fā)利用技術(shù)可行性分析、技術(shù)保障措施可行性、礦井內(nèi)外資源條件可行性、投資與經(jīng)濟(jì)效益可行性、環(huán)境影響及能耗水平評(píng)估角度，與已有工程進(jìn)行類(lèi)比初判。

3) 模型構(gòu)建與詳估

構(gòu)建地層分布與基礎(chǔ)物性模型、水文地質(zhì)與資源稟賦模型、采動(dòng)覆巖運(yùn)移與多場(chǎng)演化、隔離筑壩與密封及防滲、安全評(píng)價(jià)與保障技術(shù)模型，并對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估。

4) 軟件決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

通過(guò)行業(yè)數(shù)據(jù)智能挖掘與分析、理論基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范底線、分類(lèi)與分級(jí)利用模式推薦、軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用示例后最終形成軟件決策系統(tǒng)。

4.2 精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)模式示例分析

1) 單一開(kāi)發(fā)方式：生活垃圾或工業(yè)廢物處理場(chǎng)

精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)模式中的單一開(kāi)發(fā)方式，可將回采工作面空間作為生活垃圾或工業(yè)廢物的處置場(chǎng)所，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，廢物地下安全處置將有望成為一種新的產(chǎn)業(yè)。據(jù)環(huán)保部門(mén)專(zhuān)家估算，工業(yè)有害廢物地下填埋費(fèi)用在200～300元/t以上，因此，廢物的地下處置既可為煤礦帶來(lái)比煤炭生產(chǎn)更高的經(jīng)濟(jì)效益，又會(huì)得到社會(huì)、法律和法規(guī)的支持。但隨之而來(lái)的就是廢物的預(yù)處理技術(shù)、廢物地下填埋作業(yè)工藝，以及礦井能否同時(shí)適應(yīng)采煤和填埋廢物的技術(shù)改造問(wèn)題[22]。在此模式下，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、礦業(yè)、技術(shù)、社會(huì)、法律和法規(guī)等方面的精準(zhǔn)調(diào)研分析和工程類(lèi)比初判(圖10)，后期進(jìn)行模型構(gòu)建詳估和軟件決策系統(tǒng)的生成，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)廢棄空間的精準(zhǔn)利用。

2) 多元開(kāi)發(fā)模式：地下旅游場(chǎng)所

精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)模式中多元開(kāi)發(fā)方式，可利用關(guān)閉/廢棄礦井開(kāi)展工業(yè)旅游解決關(guān)閉/廢棄礦井現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，但需借助大數(shù)據(jù)全面評(píng)估我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦井地下空間旅游資源的本底特征、地理空間分布規(guī)律和礦井空間形態(tài)特征，從人文、服務(wù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會(huì)等構(gòu)建適合不同地域、不同類(lèi)型、不同尺度的關(guān)閉/廢棄礦井旅游資源開(kāi)發(fā)格局。綜合我國(guó)各區(qū)域工業(yè)化水平與全國(guó)旅游資源開(kāi)發(fā)總體布局，按照梯度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行關(guān)閉/廢棄礦井工業(yè)旅游開(kāi)發(fā)，優(yōu)先發(fā)展東部、東北部，逐步發(fā)展中部和西部，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫切、代表特定時(shí)代生產(chǎn)力進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的關(guān)閉/廢棄礦區(qū)。通過(guò)創(chuàng)新形成新型旅游產(chǎn)品，促進(jìn)關(guān)閉/廢棄礦區(qū)與城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、新型工業(yè)化、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)信息化融合發(fā)展。在盡可能保持工業(yè)遺產(chǎn)的原真性的前提下，打造具有觀光、休閑和游憩功能的旅游吸引物[11]。在此模式下需利用大數(shù)據(jù)，對(duì)人文、服務(wù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、礦業(yè)、技術(shù)、社會(huì)、法律和法規(guī)等方面進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)研分析、工程類(lèi)比初判、模型構(gòu)建詳估，并形成軟件決策系統(tǒng)(圖11)，以實(shí)現(xiàn)廢棄空間的精準(zhǔn)有效利用。

5 結(jié)論

a. 我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦地下空間資源具有體量大、分布廣、數(shù)量逐年增加的特征。關(guān)閉/廢棄礦地下空間資源分為采空區(qū)空間資源，巷道空間資源以及硐室空間資源。因開(kāi)采需求造成地下空間方位、形態(tài)、服務(wù)年限差異化，導(dǎo)致各空間資源具有一定的獨(dú)特性。

b. 將關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源利用方式分為單一開(kāi)發(fā)利用和多元開(kāi)發(fā)利用。單一開(kāi)發(fā)利用空間資源主要特點(diǎn)是集中于采空區(qū)空間資源，具有單向形式，無(wú)法再次開(kāi)發(fā)。多元開(kāi)發(fā)利用可在井巷空間與硐室空間利用上形成多元可持續(xù)化，由于其空間服務(wù)年限長(zhǎng)、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，通過(guò)多次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)地下空間利益最大化。

c. 以廢棄礦井資源稟賦與外部條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)利用分析系統(tǒng)，可用于地下空間分級(jí)精準(zhǔn)利用的決策分析，主要包括調(diào)研分析、工程類(lèi)比初判、模型構(gòu)建詳估、軟件決策系統(tǒng)研發(fā)的4個(gè)流程。同時(shí)借助大數(shù)據(jù)、人文、服務(wù)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、礦業(yè)、技術(shù)、社會(huì)、法律和法規(guī)等分析融合后，可應(yīng)用于不同空間資源的精準(zhǔn)利用。

[1] 王行軍，寧樹(shù)正，劉亞然，等. 2014年以來(lái)我國(guó)煤礦新增地下空間資源研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)，2019，28(1)：92–96.

WANG Xingjun，NING Shuzheng，LIU Yaran，et al. Research on newly formed underground space resources of coal mines in China since 2014[J]. China Mining Magazine，2019，28(1)：92–96.

[2] 孫亞軍，陳歌，徐智敏，等. 我國(guó)煤礦區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀及礦井水處理利用研究進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(1)：304–316.

SUN Yajun，CHEN Ge，XU Zhimin，et al. Research progress of water environment，treatment and utilization in coal mining areas of China[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(1)：304–316.

[3] 鞏明強(qiáng). 城市地下空間開(kāi)發(fā)影響因素研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2007.

GONG Mingqiang. Study on factors that effect on underground space development[D]. Tianjin：Tianjin University，2007.

[4] 尹尚先. 試論礦井水資源化與礦區(qū)水資源優(yōu)化配置[J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，9(1)：6–10.

YIN Shangxian. On mine water resources and the optimal allocation of water in mining area[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology，2012，9(1)：6–10

[5] 謝和平，高明忠，張茹，等.地下生態(tài)城市與深地生態(tài)圈戰(zhàn)略構(gòu)想及其關(guān)鍵技術(shù)展望[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36(6)：1301–1313.

XIE Heping，GAO Mingzhong，ZHANG Ru，et al. The subversive idea and its key technical prospect on underground ecological city and ecosystem[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36(6)：1301–1313.

[6] 謝和平，高明忠，高峰，等. 關(guān)停礦井轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略構(gòu)想與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(6)：1355–1365.

XIE Heping，GAO Mingzhong，GAO Feng，et al. Strategic conceptualization and key technology for the transformation and upgrading of shut-down coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(6)：1355–1365.

[7] 劉峰，李樹(shù)志. 我國(guó)轉(zhuǎn)型煤礦井下空間資源開(kāi)發(fā)利用新方向探討[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2017，42(9)：2205–2213.

LIU Feng，LI Shuzhi. Discussion on the new development and utilization of underground space resources of transitional coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(9)：2205–2213.

[8] 杜永剛，趙衛(wèi)平. 關(guān)于綜合利用廢棄礦井巷道的思考[J]. 經(jīng)緯天地，2014(2)：47–50.

DU Yonggang，ZHAO Weiping. Thoughts on comprehensive utilization of abandoned mine roadway[J]. Survey World，2014(2)：47–50.

[9] 趙玉棟. “后煤礦時(shí)代”地下空間開(kāi)發(fā)利用的設(shè)計(jì)思考[J]. 煤炭工程，2018，50(6)：98–99.

ZHAO Yudong. Thinking about exploitation of underground space in “Post Coal Mine Era”[J]. Coal Engineering，2018，50(6)：98–99.

[10] 中國(guó)工程院院士、安徽理工大學(xué)校長(zhǎng)袁亮：廢棄礦井“有寶可淘”[EB/OL]. http：//news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/12/ 351939.shtm?id=351939，2019–12–12

The Chinese Academy of Engineering，Anhui University of Science and the Principal Yuan：Abandoned mine “a treasure to tao”[EB/OL]. http：//news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/12/ 351939.shtm?Id=9–12 351939201–12

[11] 袁亮，姜耀東，王凱，等. 我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦井資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)思考[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(1)：14–20.

YUANG Liang，JIANG Yaodong，WANG Kai，et al. Precision exploitation and utilization of closed/abandoned mine resources in China[J]. Journal of China Coal Society，2008，43(1)：14–20.

[12] 挖掘好關(guān)閉礦山這一“富礦”—專(zhuān)訪全國(guó)人大代表、中國(guó)工程院院士袁亮[EB/OL]. http：//www.zgkyb.com/yw/20180316_ 48788.htm，2018–03–16

Good mining closed mines the “diamond”–an interview with the National People’s Congress，the Chinese Academy of Engineering Academician Yuan[EB/OL]. http：//www.zgkyb. com/yw/20180316_48788.htm，2018-03-16

[13] 何一民，何永之. 加強(qiáng)我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)、規(guī)劃及科學(xué)管理：生存空間危機(jī)下的選擇[J]. 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會(huì)科學(xué)版)，2011，32(8)：109–114.

HE Yimin，HE Yongzhi. Strengthening the development，planning and scientific management of underground space in China：A choice under the crisis of living space[J]. Journal of Southwest University for Nationalities(Humanities and Social Sciences Edition)，2011，32(8)：109–114.

[14] 謝和平，高峰，鞠楊，等. 深地科學(xué)領(lǐng)域的若干顛覆性技術(shù)構(gòu)想和研究方向[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)，2017，49(1)：1–8.

XIE Heping，GAO Feng，JU Yang，et al. Novel idea and disruptive technologies for the exploration and research of deep earth[J]. Advanced Engineering Sciences，2017，49(1)：1–8.

[15] 張風(fēng)達(dá). 關(guān)閉(廢棄)煤礦(區(qū))轉(zhuǎn)型升級(jí)案例分析[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究，2018，38(1)：39–43.

ZHANG Fengda. Analysis on transformation and upgrading cases of closed(abandoned) coal mine(mining area)[J]. Coal Economy Research，2008，38(1)：39–43.

[16] 張農(nóng)，闞甲廣，王朋. 我國(guó)廢棄煤礦資源現(xiàn)狀與分布特征[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究，2019，39(5)：4–8.

ZHANG Nong，KAN Jiaguang，WANG Peng. Study on resources and distribution of abandoned mines in China[J]. Coal Economic Research，2019，39(5)：4–8.

[17] 謝和平，高明忠，劉見(jiàn)中，等. 煤礦地下空間容量估算及開(kāi)發(fā)利用研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(6)：1487–1503.

XIE Heping，GAO Mingzhong，LIU Jianzhong. Research on exploitation and volume estimation of underground space in coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(6)：1487–1503.

[18] 吳金焱. 荷蘭海爾倫市廢棄煤礦礦井水地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用工程實(shí)踐[J]. 中國(guó)煤炭，2020，46(1)：94–98.

WU Jinyan. Practice on geothermal energy development and utilization from abandoned coal mine water in Heerlen of Netherlands[J]. China Coal，2020，46(1)：94–98.

[19] 王婷婷，曹飛，唐修波，等. 利用礦洞建設(shè)抽水蓄能電站的技術(shù)可行性分析[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2019，8(1)：195–200.

WANG Tingting，CAO Fei，TANG Xiubo，et al. Technical feasibility analysis of utilizing mine to construct pumped storage plant[J]. Energy Storage Science and Technology，2019，8(1)：195–200.

[20] 吳濤. 我國(guó)廢棄煤礦礦井水的分布及開(kāi)發(fā)利用方向探討[J]. 煤炭與化工，2020，43(1)：49–53.

WU Tao. Discussion on the distribution and development direction of mine water in abandoned coal mines in China[J]. Coal and Chemical Industry，2020，43(1)：49–53.

[21] 邱華富，劉浪，王美，等. 金屬礦采礦—充填—建庫(kù)協(xié)同系統(tǒng)及充填儲(chǔ)庫(kù)結(jié)構(gòu)[J]. 石油學(xué)報(bào)，2018，39(11)：1308–1316.

QIU Huafu，LIU Lang，WANG Mei，Mining-backfill-storage building synergetic system in metal mine and its backfill storage structure[J]. Acta Petrolei Sinica，2008，39(11)：1308–1316.

[22] 汪志東. 利用采空區(qū)及廢棄巷道實(shí)現(xiàn)礦井水直排的探索與實(shí)踐[J]. 中小企業(yè)管理與科技(下旬刊)，2015(1)：95–96.

WANG Zhidong. Exploration and practice of mine drainage using goaf and abandoned roadway[J]. Management & Technology of SME，2015(1)：95–96.

[23] 赫英臣. 煤礦廢棄井巷可作為廢物處置的安全場(chǎng)地[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(4)：95–100.

HE Yingchen. Mine abandoned workings for safety disposal of wastes[J]. Journal of China Coal Society，1999，24(4)：429–434.

[24] 張立俊. 衰老礦井地下設(shè)施資源開(kāi)發(fā)利用研究[J]. 山東煤炭科技，2011(5)：146–147.

ZHANG Lijun. Development and application study on underground equipment Resource in decay coal mine[J]. Shandong Coal Science and Technology，2011(5)：146–147.

[25] 李俊平，馮長(zhǎng)根，曾慶軒. 采空?qǐng)鰬?yīng)用綜述[J]. 金屬礦山，2002(10)：4–6.

LI Junping，F(xiàn)ENG Changgen，ZENG Qingxuan. A review of the utilization of mined area[J]. Metal Mines，2002(10)：4–6.

[26] 趙玉棟，郭振亮. 關(guān)停礦井“木礦千坑”轉(zhuǎn)型發(fā)展為技術(shù)研發(fā)實(shí)訓(xùn)基地的設(shè)計(jì)[J]. 煤礦安全，2019，50(10)：253–256.

ZHAO Yudong，GUO Zhenliang. Design of technical research and training base based on transformation and development of closed mine[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(10)：253–256.

[27] 袁亮，張平松. 煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采透明地質(zhì)條件的重構(gòu)與思考[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(7)：2346–2356.

YUANG Liang，ZHANG Pingsong. Framework and thinking of transparent geological conditions for precise mining of coal[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(7)：2346–2356.

[28] 馬英. 大型礦區(qū)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2018，50(5)：25–28.

MA Ying. Research and application of evaluation model for coordinated development of resources and environment in large mining areas[J]. Coal Engineering，2018，50(5)：25–28.

[29] 李柯巖. 關(guān)閉煤礦資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀與政策研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)，2019，28(1)：97–101.

LI Keyan. Study on current situation and policy of closed coal mine resources development and utilization[J]. China Mining Magazine，2019，28(1)：97–101.

[30] 胡鑫蒙，蔣秀明，趙迪斐. 我國(guó)廢棄礦井處理及利用現(xiàn)狀分析[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究，2016，36(12)：33–37.

HU Xinmeng，JIANG Xiuming，ZHAO Difei. Present situation analysis on disposal and utilization of China’s abandoned mine[J]. Coal Economic Research，2016，36(12)：33–37.

[31] 劉文革，韓甲業(yè)，于雷，等. 歐洲廢棄礦井資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示[J]. 中國(guó)煤炭，2018，44(6)：138–141.

LIU Wenge，HAN Jiaye，YU Lei，et al. Enlightenment of China on resource exploitation and utilization status of European abandoned coal mines[J]. China Coal，2016，44(6)：138–141.

Research on the model of accurate exploitation and utilization of underground space resources in closed/abandoned mines

LIU Qinjie1,2, WANG Jinjiang2, YANG Ke1,2, DI Shengjun3, DONG Zhiyong3

(1. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster and Prevention and Control in Deep Coal Mines, Huainan 232001, China; 2. School of Mining Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 3. Shanxi Coking Coal Group Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

With the continuous development and utilization of green coal resources, the problem of abandoned mines at the end of the full cycle of coal mine development and utilization has gradually emerged, and the subsequent development and utilization of underground space resources in closed/abandoned mines has become an urgent problem to be solved. Based on the statistical analysis of the status quo of underground space resources in closed/abandoned mines in China and the difference in the location and form of underground space caused by mining demand, the underground space resources of closed/abandoned mines are classified into goaf space resources and roadway space resources, chamber space resources; the use of space resources as a single energy accumulation site and the use of closed/abandoned mine underground space resources in multiple directions and multiple fields to coordinate the development and utilization of the resources were explored; and thereout a model of the classification, the grading and accurate utilization of the underground space of the closed/abandoned mines was proposed to build the accurate development and utilization system model with survey analysis, initial judgement of engineering analogy, detailed assessment of model building, software decision-making system as the main process. The accurate utilization pattern and the system model for the accurate development and utilization were used to analyze further the patterns of the single and multiple development and utilization so as to provide the reference for the researches and practices of the underground space resources of the closed/abandoned mines.

closed/abandoned mines; space resources; development and utilization pattern; classification and grading

TD80

A

1001-1986(2021)04-0071-08

2020-12-10；

2021-03-24

山西省科技重大專(zhuān)項(xiàng)揭榜項(xiàng)目(20191101016)；中國(guó)工程院院地合作項(xiàng)目(2020SX5)

劉欽節(jié)，1980年生，男，山東臨沂人，博士，副教授，從事廢棄礦井資源開(kāi)發(fā)利用與深部巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究工作.E-mail：qjliu@aust.edu.cn

王金江，1995年生，男，甘肅甘谷人，碩士研究生，從事廢棄礦井資源開(kāi)發(fā)利用的研究.E-mail：2546325894@qq.com

“關(guān)閉/廢棄礦井地質(zhì)探查、資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)利用”專(zhuān)題 編者按 碳達(dá)峰、碳中和背景下，關(guān)閉/廢棄礦井地質(zhì)探查、資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)清潔安全高效低碳發(fā)展、促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排等方面的重要舉措。隨著煤炭資源不斷開(kāi)采及我國(guó)煤炭去產(chǎn)能政策的有力實(shí)施，一批資源枯竭及產(chǎn)能落后礦井將陸續(xù)關(guān)停廢棄，但關(guān)閉/廢棄礦井中仍賦存著大量的煤層氣、水及空間等資源有待開(kāi)發(fā)利用；隨著淺部煤炭資源采空后，采空區(qū)阻隔致使下組煤煤層氣尚未得到有效抽采。針對(duì)上述問(wèn)題，依托中國(guó)工程院院地合作項(xiàng)目(2020SX5)、山西省揭榜招標(biāo)項(xiàng)目(20201101001)等，選登4篇論文，重點(diǎn)論述關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源及空間旅游資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用模式、廢棄礦井煤層氣地面鉆井開(kāi)發(fā)關(guān)鍵問(wèn)題與對(duì)策以及過(guò)采空區(qū)抽采下組煤煤層氣技術(shù)。通過(guò)專(zhuān)題報(bào)道，以期引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的更多關(guān)注，加速?gòu)U棄礦井資源利用工作。

劉欽節(jié)，王金江，楊科，等. 關(guān)閉/廢棄礦井地下空間資源精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)利用模式研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：71–78. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.009

LIU Qinjie，WANG Jinjiang，YANG Ke，et al. Research on the model of accurate exploitation and utilization of underground space resources in closed/abandoned mines[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：71–78. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.009

(責(zé)任編輯 范章群)