任 輝，吳國強(qiáng)，寧樹正，朱士飛，賀小龍，梁葉萍，王行軍，李海麗，耿建軍，喬軍偉

(1.中國煤炭地質(zhì)總局,北京 100038; 2.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221000; 3.中國煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局,西安 710199; 4.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究院總院,北京 100039; 5.中煤地質(zhì)工程有限公司,北京 100040)

0 引言

煤炭為我國改革開放40 a來經(jīng)濟(jì)高速增長提供了廉價(jià)有效的能源支持，但也造成部分煤礦淺部資源逐漸枯竭。近年來，隨著能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的實(shí)施，部分不符合經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的落后煤礦相繼關(guān)閉。煤礦關(guān)閉后，仍賦存著豐富的多種可利用資源。由于我國煤炭企業(yè)的關(guān)閉煤礦再利用意識(shí)淡薄，大量煤礦直接關(guān)閉或廢棄，而未開展關(guān)閉煤礦資源的再開發(fā)利用，造成資源的巨大浪費(fèi)，一定程度上還引發(fā)環(huán)境、生態(tài)及安全問題。因此開展關(guān)閉煤礦資源綜合調(diào)查評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)煤炭地質(zhì)勘查技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開展關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障工作成為煤炭地質(zhì)工作的重要內(nèi)容。

1 關(guān)閉煤礦分類

1.1 概念

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下停止開采的煤礦統(tǒng)稱為關(guān)閉煤礦。關(guān)閉煤礦關(guān)閉的主要是落后產(chǎn)能，是在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下不符合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展要求的產(chǎn)能。一般情況下關(guān)閉煤礦的礦產(chǎn)資源仍賦存在原地，包括資源枯竭的煤礦仍賦存有大量的煤炭資源，同時(shí)還賦存煤層氣、礦井水、地下空間、地?zé)岬榷喾N可利用資源。這些前期開展了大量地質(zhì)工作的資源隨著落后產(chǎn)能煤礦的關(guān)閉也將暫時(shí)被封存于地下停止開發(fā)，當(dāng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展到一定程度、關(guān)閉煤礦中的資源能夠滿足環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展要求時(shí)，這些資源將會(huì)得到重新開發(fā)和利用。面對(duì)不斷增長的關(guān)閉煤礦數(shù)量，當(dāng)前迫切需要建立關(guān)閉煤礦檔案，包括探采選冶、開發(fā)利用等方面的資料，一礦一檔，建立身份證登記，為其賦存的資源在今后二次開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料。

1.2 分類

①按煤礦關(guān)閉時(shí)間分類。根據(jù)我國煤炭多年開采情況，按照煤礦關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行分類，大體可以分成三種：2010年以前關(guān)閉的煤礦主要屬于資源枯竭型煤礦，2010-2014年關(guān)閉的煤礦主要屬于非法開采的煤礦，2014年以后主要是因國家去產(chǎn)能政策實(shí)施關(guān)閉的煤礦。

②按煤礦開采經(jīng)營實(shí)體身份分類。具體可分為國有煤礦、集體煤礦以及個(gè)體煤礦，根據(jù)關(guān)閉煤礦開采經(jīng)營實(shí)體身份的不同，關(guān)閉煤礦檔案也千差萬別，例如國有關(guān)閉煤礦檔案的資料真實(shí)、正規(guī)、數(shù)據(jù)可靠，而且資料的保存時(shí)間長，而個(gè)體煤礦因管理不夠嚴(yán)謹(jǐn)，檔案資料雜亂且誤差較大。

③按煤礦關(guān)閉原因分類。煤礦關(guān)閉的原因可分為以下幾種：資源枯竭、不符合安全生產(chǎn)要求、非法開采、政策性去產(chǎn)能要求關(guān)閉的、經(jīng)濟(jì)效益差、開采技術(shù)落后、開采地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜的煤礦。

2 關(guān)閉煤礦資源環(huán)境地質(zhì)問題

2.1 關(guān)閉煤礦可二次開發(fā)利用資源

①煤炭資源大量剩余。據(jù)袁亮院士有關(guān)研究結(jié)果表明，預(yù)計(jì)到2020年，我國關(guān)閉煤礦數(shù)量將達(dá)到12 000處，到2030年數(shù)量將達(dá)到15 000處[1](圖1)。由于開采方法及開采裝備等的歷史性限制，全國綜合煤炭資源的礦井回采率僅為 30%，關(guān)閉煤礦內(nèi)存在大量的剩余煤炭資源。如安徽兩淮礦區(qū)，截至2018年底，去產(chǎn)能及關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量近20處，關(guān)閉煤礦剩余煤炭資源量達(dá)15.3×108t[2]。

②煤層氣儲(chǔ)量可觀，可供抽采。已有資料顯示，我國己報(bào)廢的礦井中約70%為高瓦斯礦井[3]。目前，關(guān)閉煤礦煤層氣資源家底不清，潛在資源量巨大。例如，英國的廢棄礦井瓦斯資源量約2 130億m3，其中可開采儲(chǔ)量約1 070億m3。資料顯示，我國國有重點(diǎn)煤礦1998 年以前報(bào)廢的礦井保有瓦斯儲(chǔ)量預(yù)計(jì)為幾千億m3[3]。

③礦井水資源豐富，經(jīng)處理后可供綜合利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年我國每年煤炭開采產(chǎn)生礦井水量約80億t，但利用率僅為25%，損失60億t，約占我國工業(yè)和民用缺水量的60%[1]。如峰峰集團(tuán)將關(guān)閉煤礦礦井水作為生態(tài)水網(wǎng)、生活用水；淄博礦業(yè)集團(tuán)已成功利用關(guān)閉煤礦礦井水為附近電廠供水；徐州市新河煤礦成功利用該井富鍶礦井水生產(chǎn)礦泉水，證實(shí)關(guān)閉煤礦礦井水利用廣泛可行。

圖1 全國關(guān)閉煤礦分布圖Figure 1 Closed coalmine distribution in China

④地?zé)豳Y源可供利用。隨著煤礦開采深度不斷加深，煤礦開采面臨著熱害，如河北省煤礦區(qū)采掘深度已達(dá)600～800 m，有的甚至達(dá)到1 200 m以深。河北省煤礦區(qū)的地?zé)岙惓Ｖ饕植加诤愂蟹宸宓V區(qū)、石家莊市元氏煤田、唐山市開灤礦區(qū)、河北平原的大城含煤區(qū)等。如峰峰礦區(qū)梧桐莊礦600 m，地溫為24.3～41.9℃，在500～900 m 的勘探深度內(nèi)有16個(gè)鉆孔的地溫梯度在3 ℃/100 m 以上，羊東礦1 500 m，地?zé)崴疁囟冗_(dá)53.3℃[4]。多數(shù)礦井生產(chǎn)時(shí)期把地?zé)嶙鳛闊岷μ幚?，少部分礦井也作為熱源開發(fā)利用。煤礦一旦關(guān)閉后，地?zé)嵋延幸鏌o害，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用有著能源利用和減輕煤礦熱害的雙重意義，應(yīng)引起足夠重視。

⑤空間資源豐富，可利用潛力巨大。如單個(gè)煤礦地下空間以60×104m3計(jì)算，到2020年，我國關(guān)閉煤礦地下空間約為72×108m3；到2030年，約為90×108m3[5]。目前已有關(guān)閉煤礦成功利用斜井巷道空間栽培菌類蔬菜等；峰峰集團(tuán)利用關(guān)閉煤礦工業(yè)廣場(chǎng)附屬建筑物及開采設(shè)備建成礦山文化旅游小鎮(zhèn)——響堂山小鎮(zhèn)，拉動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)，成為該地新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。全球自然災(zāi)害頻發(fā)、全球變暖、環(huán)境惡化、城市綜合癥等問題日益突出，關(guān)閉煤礦空間資源開發(fā)與利用已成為人類活動(dòng)的未來趨勢(shì)，也是人類可持續(xù)發(fā)展的主要途徑[6]。

2.2 關(guān)閉煤礦環(huán)境地質(zhì)問題

2.2.1 誘發(fā)地表沉陷與山體滑坡、坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害

如果關(guān)閉煤礦廢棄地下空間一直不加以處理，各類廢棄地下空間的圍巖會(huì)隨著時(shí)間的加長，引發(fā)巷道、硐室或采空區(qū)的垮塌。特別是廢棄采空區(qū)的垮塌，在地表形成大面積的塌陷區(qū)。例如冀中能源邯礦集團(tuán)的陶一煤礦自1976年，已有41年的開采歷史，截至2015年，地面塌陷、地裂縫影響面積為5.26 km2，塌陷深度為0.5～2m[7]。塌陷區(qū)對(duì)地表植被、耕地和居民住宅等造成很大的破壞和影響，從而進(jìn)一步惡化生態(tài)環(huán)境，甚至造成無法挽救的生態(tài)損失。

當(dāng)廢棄采空區(qū)的垮塌所波及的地表為傾斜山地時(shí)，地面變形的不均勻性破壞了地表斜坡的原始平衡狀態(tài)，可能誘發(fā)山體滑坡、巖崩及泥石流等自然災(zāi)害。特別在我國西南和西北地區(qū)的山區(qū)礦井，表土層薄、山坡陡，由于地下采礦活動(dòng)引起的滑坡災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[8-9]。煤矸石堆放場(chǎng)同樣會(huì)產(chǎn)生滑坡、坍塌、泥石流等自然災(zāi)害[10-12]。

2.2.2 引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題

在地下開采煤炭造成地表的塌陷，形成了大量的塌陷盆地，從而改變了地表的坡度，造成土壤的侵蝕和退化。以山西省為例，僅1993-2003年10 a間因煤炭開采造成的地表塌陷，改變地表坡度使得四十余萬畝水澆地變成了旱地，水土流失嚴(yán)重。

當(dāng)煤礦關(guān)閉后地下水回灌采空區(qū)，與大量的廢棄物、工業(yè)垃圾等污染物發(fā)生吸附轉(zhuǎn)化、溶解解析及運(yùn)移累積等水巖作用，從而污染地下水。例如貴州省凱里市魚洞河流域20世紀(jì)80年代初期大規(guī)模開采煤炭資源，記錄在冊(cè)的煤礦先后有80余座(全部停產(chǎn)，大部分關(guān)閉，少部分待整合)，形成大面積采空區(qū)，導(dǎo)致含煤地層與上覆碳酸鹽巖聯(lián)通后巖溶水進(jìn)入礦坑，與煤層及煤矸石發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后，形成高鐵錳酸性礦井水，沿井口排泄后進(jìn)入魚洞河流域造成污染(圖2)。

圖2 貴州省凱里市魚洞河污染Figure 2 Yudong River valley pollution situations in Kaili City, Guizhou Province

當(dāng)?shù)V井關(guān)閉后，地下水充填采空區(qū)、廢棄巷道等空間，導(dǎo)致地下開采產(chǎn)生的有害氣體以及賦存在地下的瓦斯等有害氣體的存儲(chǔ)空間減小，空間氣壓增大，導(dǎo)致有害氣體通過采動(dòng)裂隙、斷層等各種通道涌入上覆巖層及地表，污染大氣[8]。國際IPCC組織曾與1993年估計(jì)全球每年從關(guān)閉煤礦中釋放的 CH4量約 2.5 億m3[13-14]。美國環(huán)保局 2004年4月公布的報(bào)告稱，在1990年，從廢棄礦井中逸散的 CH4約13～20萬t，到2002年，逸散量估計(jì)達(dá)到了20～28萬t[15]。

因此，關(guān)閉煤礦剩余的大量煤、煤層氣、礦井水、地下空間與地?zé)豳Y源等，是關(guān)閉煤礦為人類留下的可利用的寶貴資源，應(yīng)該充分合理的挖掘這些寶貴的資源，使其得以資源化并綜合開發(fā)利用，變廢為寶，化害為利。

3 關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

3.1 國外現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家對(duì)關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用開展大量的研究工作，在20世紀(jì)就開始探索廢棄礦井的再利用。通過收集國外關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用的實(shí)踐案例來看，對(duì)關(guān)閉煤礦開發(fā)利用較多的主要是采礦業(yè)發(fā)達(dá)或地下空間開發(fā)技術(shù)相對(duì)先進(jìn)的國家，主要集中在德國、芬蘭、荷蘭、俄羅斯、美國等國家，利用廢棄煤礦瓦斯抽采發(fā)電、廢棄礦井地?zé)岚l(fā)電以及建設(shè)儲(chǔ)油庫等[16-17]。從開發(fā)技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方面開拓了關(guān)閉煤礦資源化利用的模式(圖3)，積累了一些成功案例。世界各國廢棄礦井資源開發(fā)利用模式統(tǒng)計(jì)見下表1。

3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用起步較晚，研究薄弱。國內(nèi)關(guān)閉煤礦開發(fā)利用主要包括建設(shè)礦山公園、建設(shè)地下水庫、老采空區(qū)煤層氣綜合利用等方面。我國在關(guān)閉礦產(chǎn)建設(shè)礦山公園方面開展工作相對(duì)較多。截至2013年，已建成開放或獲批在建的國家礦山公園共有70多個(gè)，其中包括河北唐山開灤煤礦國家礦山公園、四川樂山嘉陽國家礦山公園、太原西山國家礦山公園、焦作縫山國家礦山公園等，是我國關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用的典型代表(圖4)。

神東礦區(qū)在關(guān)閉礦產(chǎn)建設(shè)地下水庫方面取得一定成績(jī)，目前已建成煤礦地下水庫35座，儲(chǔ)水總量約為3 100×104m3。如大柳塔煤礦建立分布式地下水庫，水庫面積約70.1×104m2、水庫庫容210×104m3、污水處理量350.4×104m3/a、清水供應(yīng)量245.3×104m3/a，節(jié)省費(fèi)用：5 550萬元/a[34-35]。山東省原棗莊煤礦廢棄礦井水經(jīng)過生化深度處理， 達(dá)到生活“飲用水”標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目可為全國關(guān)閉煤礦的水資源開發(fā)利用提供借鑒。2018年徐州市評(píng)價(jià)了新河礦、臥牛山礦、青山泉礦、韓橋礦、大黃山礦的采空區(qū)構(gòu)建地下水庫的可行性，開辟了應(yīng)急供水新途徑。

圖3 德國魯爾關(guān)閉煤礦區(qū)治理前后對(duì)照?qǐng)DFigure 3 Contrast diagram of closed coalmine area before and after treatment in Ruhr Industrial Base, Germany

國家及具體位置關(guān)閉礦井類型開發(fā)形式美國匹茲堡煤礦建立了大小20座有害礦井水處理廠,有效控制并利用了礦井水,避免了生產(chǎn)礦井水害事故和礦井水對(duì)地表水體的污染[18-19,37]美國伊利諾斯州煤礦2011年美國共建設(shè)38個(gè)廢棄煤礦開展瓦斯抽采利用項(xiàng)目,利用的煤礦瓦斯總量約1.6億立方米[20]荷蘭南部林堡省海爾倫煤礦建立地?zé)岚l(fā)電站,利用廢棄礦井通道從地下800 m深處泵出熱水, 產(chǎn)生蒸汽, 推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能[21]英國煤礦開發(fā)利用廢棄煤礦瓦斯,有15個(gè)正在運(yùn)行或在建的廢棄煤礦瓦斯發(fā)電項(xiàng)目,總裝機(jī)容量約52兆瓦[20]英國南威爾士布萊納文鎮(zhèn)煤礦擴(kuò)建地面礦業(yè)展覽館,重建當(dāng)年的地下礦井,開發(fā)礦井旅游[22-23]德國波鴻市魯爾區(qū)煤礦以礦工用品,采礦器械,礦井生產(chǎn)系統(tǒng)為展覽主題的礦業(yè)博物館德國勞西茨縣煤礦從鄰近地區(qū)的河流里抽水注入廢礦坑,把廢礦區(qū)變成一個(gè)總面積為70 km2的湖泊群,并開發(fā)成以生態(tài)和工業(yè)文化為主題的旅游景點(diǎn)[24-26]德國煤礦目前擁有17個(gè)關(guān)閉煤礦瓦斯抽采利用項(xiàng)目,瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量185兆瓦,瓦斯年抽采量2.5×108 m3,抽采濃度為15%～70%,年發(fā)電量10×108千瓦時(shí)[27-29]芬蘭煤礦建立地下礦井博物館和地下兒童樂園,實(shí)地表演采礦作業(yè),展示采礦器具[30-32]

圖4 國內(nèi)已建成開放的國家礦山公園Figure 4 Established and opened national mine parks in China

我國已在晉城、淮南、鐵法、阜新等礦區(qū)開展了老采空區(qū)地面鉆孔煤層氣抽采工作，取得了良好的抽采效果，為關(guān)閉煤礦煤層氣資源評(píng)價(jià)及勘探開發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。例如山西晉城煤業(yè)集團(tuán)已施工10口關(guān)閉煤礦地面井，其中7口井成功產(chǎn)氣，每口井平均日產(chǎn)氣量可達(dá)到2 000 m3，瓦斯?jié)舛燃s90%[36]，初步顯現(xiàn)了晉城礦區(qū)關(guān)閉煤礦瓦斯開發(fā)的潛力，對(duì)我國關(guān)閉煤礦瓦斯開采利用具有重要的指導(dǎo)意義。

目前采用礦井回風(fēng)、礦井水、地下水源、土壤源、污水等多源熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦多源綠色開發(fā)利用(圖5，圖6)。

圖5 山東紅旗煤礦回風(fēng)源熱泵工程Figure 5 Return air source heat pump project in Hongqi coalmine, Shandong

圖6 山西汾西礦業(yè)集團(tuán)靈北煤礦回風(fēng)源熱泵工程Figure 6 Return air source heat pump project in Lingbei coalmine, Fenxi Mining Group, Shanxi

撫順礦務(wù)局近年來用煤矸石填埋塌陷地后, 在其上覆土還田,直接種植農(nóng)作物。復(fù)墾塌陷地44 hm2，利用煤矸石1.2×106t，作物產(chǎn)量較高，蔬菜生產(chǎn)良好，經(jīng)濟(jì)效益明顯，同時(shí)還具有一定的生態(tài)和社會(huì)效益。

鶴崗礦務(wù)局用林業(yè)復(fù)墾治理煤矸石獲得成功，煤矸石山經(jīng)過平整，然后覆蓋5cm厚土壤，種植樟子松、落葉松，單株生長發(fā)育正常，成活率高。從1985年至1991年鶴崗市煤矸石復(fù)墾造林已達(dá)24 hm2，成活率為94%[38]。

4 關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障技術(shù)

隨著關(guān)閉煤礦數(shù)量的持續(xù)增加，關(guān)閉煤礦存在著重大安全隱患和生態(tài)環(huán)境破壞問題。2018年中國工程院重大咨詢項(xiàng)目“我國煤礦安全及廢棄礦井資源開發(fā)利用戰(zhàn)略研究”開始開展。由于我國煤礦地質(zhì)條件極其復(fù)雜，關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用難度大，難以照搬國外利用模式，在關(guān)閉煤礦開發(fā)利用中面臨諸多技術(shù)難題，地質(zhì)保障研究是關(guān)閉煤礦綜合開發(fā)利用的前提，對(duì)提高綜合利用效率意義重大。開展關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究迫在眉睫。

煤炭地質(zhì)勘查60余年，依靠煤炭地質(zhì)綜合勘查理論與技術(shù)，集鉆探、物探、測(cè)試、測(cè)繪、遙感、計(jì)算機(jī)于一體的綜合勘探體系，形成了完善的煤炭地質(zhì)綜合勘查理論與技術(shù)體系及煤炭煤層氣勘查評(píng)價(jià)技術(shù)、礦井水利用與防治技術(shù)、煤層氣地面抽采技術(shù)、地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)、地下水環(huán)境污染防治技術(shù)、特殊鉆進(jìn)技術(shù)等(圖7)，為有效合理開發(fā)利用關(guān)閉煤礦資源提供技術(shù)保障。

圖7 關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障技術(shù)Figure 7 Closed coalmine resources exploitation and utilization geological indemnification technologies

4.1 煤系礦產(chǎn)資源綜合勘查評(píng)價(jià)技術(shù)

先后完成了四次全國煤炭資源評(píng)價(jià)及全國煤層氣資源評(píng)價(jià)，長期服務(wù)于煤礦企業(yè)，積累了全國海量的煤炭地質(zhì)報(bào)告。近期開展的“全國煤炭資源潛力評(píng)價(jià)”、“煤系礦產(chǎn)資源綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”等項(xiàng)目，為關(guān)閉煤礦剩余煤及煤伴生礦產(chǎn)資源核查與評(píng)價(jià)提供重要資料，對(duì)摸清關(guān)閉煤礦剩余煤炭及煤系伴生礦產(chǎn)資源家底具有重要的參考價(jià)值。

4.2 煤層氣地面抽采技術(shù)

近年來，煤炭地質(zhì)單位積極研究煤層氣抽采新技術(shù)、新方法，根據(jù)煤層氣賦存情況，形成一套行之有效的地面煤層氣高效開發(fā)鉆井技術(shù)，降低了煤層氣開發(fā)利用成本。2016年10月，中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院與中節(jié)能寧夏新能源股份有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同開展烏蘭關(guān)閉煤礦煤層氣地面抽采利用研究工作。貴州楊煤參1井創(chuàng)新我國西南地區(qū)煤層氣直井單井最高產(chǎn)日氣量5 011 m3和最高穩(wěn)產(chǎn)氣量4 500～4 900 m3/d，實(shí)現(xiàn)了我國煤系氣綜合抽采的重大突破，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)關(guān)閉煤礦煤層氣抽采及高效利用提供重要的技術(shù)支撐。

4.3 礦井水利用與防治技術(shù)

礦井水一方面是地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，另一方面也是寶貴的淡水資源，有著很大的開發(fā)利用價(jià)值。在現(xiàn)有的自然、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下，建立優(yōu)化模式，采用高度節(jié)水和重復(fù)用水的工藝流程和技術(shù)手段，做到在有效防治的同時(shí)合理利用。中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局目前正在開展的廢棄礦井地下水中多環(huán)芳烴的降解與遷移機(jī)理研究、廢棄礦井酸性礦井水處理技術(shù)，中煤(北京)環(huán)保工程有限公司廢棄礦井水-熱聯(lián)用技術(shù)，為關(guān)閉煤礦礦井水利用與防治提供了方向。

4.4 特殊鉆進(jìn)技術(shù)

大口徑鉆進(jìn)技術(shù)等特殊鉆進(jìn)技術(shù)主要應(yīng)用于煤礦通風(fēng)井、煤層氣抽放井、矸石填充井、應(yīng)急排水井、注氮?dú)鉁缁鹁阮I(lǐng)域。在山西五陽礦地面煤層氣抽放系統(tǒng)改擴(kuò)建煤層氣抽采井工程、邯鄲礦業(yè)集團(tuán)羊東礦副井-850水平潛水電泵排水系統(tǒng)、山西塔山煤礦瓦斯抽放1號(hào)、2號(hào)孔、山西塔山煤礦試驗(yàn)1孔等開展了一系列重點(diǎn)工程。在關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用中可用于關(guān)閉煤礦煤層氣抽采和空間資源的綜合治理。

4.5 高精度煤田地球物理勘查技術(shù)

經(jīng)過多年的發(fā)展，煤田地震勘探、電法、重力、磁法、測(cè)井等地球物理勘探技術(shù)均達(dá)到國際與國內(nèi)領(lǐng)先水平，全方位服務(wù)于煤炭及伴生礦產(chǎn)、化工、石油、地質(zhì)災(zāi)害勘查和城市建設(shè)等眾多領(lǐng)域。在關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用中可探測(cè)老窯采空區(qū)，圈定采空區(qū)積水范圍，確定煤層火燒區(qū)范圍以及地?zé)豳Y源勘查等。

4.6 煤礦環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

建立了以礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理為應(yīng)用領(lǐng)域的航測(cè)遙感技術(shù)體系，廣泛應(yīng)用于煤炭等礦產(chǎn)資源調(diào)查、煤火探測(cè)、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與治理、土地利用監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、智慧城市等綜合服務(wù)領(lǐng)域。完成中國北方煤田自燃環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，近幾年在陜西北部神府、榆神、榆橫等煤礦區(qū)連續(xù)開展了煤礦開發(fā)狀況、煤礦開發(fā)占損土地、煤礦地質(zhì)災(zāi)害、煤礦環(huán)境恢復(fù)治理的遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)，為煤礦環(huán)境保護(hù)與土地修復(fù)提供了可靠依據(jù)(圖8)。中國煤炭地質(zhì)總局2017年科研項(xiàng)目“關(guān)閉煤礦井環(huán)境治理與資源綜合利用技術(shù)研究”運(yùn)用“礦井全生命周期采礦”的理念，將資源開采和采后利用放到同等重要的地位考慮，在保證關(guān)閉礦井安全、環(huán)保的基礎(chǔ)上開展礦山環(huán)境治理，研究關(guān)閉礦井生態(tài)修復(fù)、土地復(fù)墾，以及煤層氣和礦井水的資源化利用。

圖8 地面塌陷及引發(fā)的崩塌滑坡等次生災(zāi)害Figure 8 Surface subsidence and induced secondary disasters including collapse, landslide etc.

4.7 地下空間探測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)

多年來積極探索并研究地下空間探測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)，采用瞬變電磁法、三維高密度電法、沉降監(jiān)測(cè)工程多技術(shù)、多手段開展采空區(qū)探測(cè)及地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在下花園區(qū)玉帶山煤礦綜合治理等項(xiàng)目中，大致查明了采空區(qū)的范圍，埋藏深度及分布情況，取得很好的效果，為關(guān)閉煤礦空間資源綜合治理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

4.8 煤炭資源信息化技術(shù)

采用最新的信息技術(shù)開展成果資料標(biāo)準(zhǔn)化、程序化的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)加工、集成、統(tǒng)計(jì)、綜合分析，為研究決策工作提供數(shù)據(jù)分析支持。建立規(guī)范的煤炭資源信息化技術(shù)，通過規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫開展地質(zhì)研究工作，加快實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)工作模式轉(zhuǎn)變和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，在服務(wù)國土資源管理、智慧探礦、城鎮(zhèn)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警以及重大工程建設(shè)等方面提供重要的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，并對(duì)煤炭資源資料數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性、深度的開發(fā)使用。

5 關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障工作建議

關(guān)閉煤礦山逐漸增多將對(duì)我國未來礦業(yè)生態(tài)、城鄉(xiāng)建設(shè)以及能源戰(zhàn)略產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為了解決關(guān)閉煤礦資源化利用和轉(zhuǎn)型升級(jí)，建議從以下七個(gè)方面展開關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障工作。

5.1 摸清全國關(guān)閉煤礦剩余煤炭及煤層氣等資源家底

全國關(guān)閉煤礦剩余資源不容忽視，亟待摸清該部分資源家底。以收集資料為基礎(chǔ)，通過少量實(shí)地核查，摸清資源現(xiàn)狀，合理規(guī)劃關(guān)閉煤礦資源的開發(fā)利用。

重點(diǎn)在黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙、河北、山東、河南、山西、陜西、寧夏、重慶、云南、貴州、四川和新疆等14個(gè)省(市)自治區(qū)開展關(guān)閉煤礦資源綜合調(diào)查工作，查明關(guān)閉煤礦地下水、地?zé)岷兔簩託獾荣Y源潛力，劃分預(yù)測(cè)區(qū)，估算資源量。

5.2 開展關(guān)閉煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

以關(guān)閉煤礦剩余煤炭資源、煤層氣資源、空間資源、礦井水、地?zé)?、土地資源等各項(xiàng)工作調(diào)查的成果為基礎(chǔ)，開展數(shù)據(jù)的整理和匯總，研究數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，開展關(guān)閉煤礦資源綜合調(diào)查數(shù)據(jù)庫研制和建設(shè)工作，以建立形成的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，開發(fā)數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)，為關(guān)閉煤礦資源的精準(zhǔn)利用和規(guī)劃部門提供決策支持。

5.3 開展關(guān)閉煤礦地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與恢復(fù)治理

因地制宜、分區(qū)規(guī)劃，加快推進(jìn)關(guān)閉煤礦生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查，查清關(guān)閉煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境狀況，加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，加快地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理，改善關(guān)閉煤礦區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境，大力建設(shè)與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的關(guān)閉煤礦區(qū)。

5.4 開展關(guān)閉煤礦地下空間資源利用調(diào)查與安全性評(píng)價(jià)

東部省份，城市發(fā)展較快，早先開采礦區(qū)已經(jīng)成為城市群的郊區(qū)。關(guān)閉煤礦空間資源服務(wù)于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展凸顯重要性，能夠有效降低或解決城市交通擁擠、大氣霧霾、溫室效應(yīng)、聲光污染及干旱等自然災(zāi)害等問題。重點(diǎn)在煤炭資源枯竭型城市對(duì)關(guān)閉煤礦區(qū)地下空間資源的分布、數(shù)量等基本信息進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，提出關(guān)閉煤礦可利用空間資源的詳細(xì)數(shù)據(jù)，建立深部高分辨率探測(cè)技術(shù)與理論，對(duì)影響地下空間利用的水害、煤層氣，地應(yīng)力，地?zé)岬冗M(jìn)行評(píng)價(jià)，加快開展關(guān)閉煤礦地下空間資源利用調(diào)查與安全評(píng)價(jià)，充分利用人類地下礦產(chǎn)資源開發(fā)所遺留的巨大地下空間資源。

5.5 開展關(guān)閉煤礦煤層氣、礦井水、地?zé)岷涂臻g資源綜合利用工程示范

積極總結(jié)與學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，開展關(guān)閉煤礦煤層氣開發(fā)利用，我國南方的煤礦大部分都是高瓦斯或瓦斯突出礦井，北方的河南、陜西、內(nèi)蒙、河北、山西、東北、新疆、青海、甘肅高瓦斯礦也很多(圖9)，上述省份應(yīng)對(duì)關(guān)閉煤礦煤層氣資源進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)并建立煤層氣地面抽采工程示范。

重點(diǎn)在河北、遼寧、山西等北方缺水城市開展關(guān)閉煤礦礦井水野外調(diào)查、采用鉆探、物探、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、樣品測(cè)試等方法，開展關(guān)閉煤礦地下水環(huán)境調(diào)查，深入開展關(guān)閉煤礦水量-水質(zhì)-水溫調(diào)控機(jī)制研究，開發(fā)關(guān)閉煤礦水熱資源綜合利用技術(shù)，并進(jìn)行工程示范，充分利用關(guān)閉煤礦礦井水資源。

選取河北、遼寧、廣東、福建等省份關(guān)閉煤礦作為地?zé)衢_發(fā)利用重點(diǎn)區(qū)，開展地?zé)岣患瘏^(qū)地?zé)豳Y源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)示范， 揭示關(guān)閉煤礦深部地?zé)崮芫蹟康牡厍騽?dòng)力學(xué)過程，形成深部地?zé)豳Y源探測(cè)技術(shù)組合。對(duì)典型關(guān)閉煤礦進(jìn)行熱能系統(tǒng)防腐耐堵實(shí)驗(yàn)、礦井水源熱泵利用實(shí)驗(yàn)，做好關(guān)鍵技術(shù)攻克，現(xiàn)場(chǎng)示范工程等，形成標(biāo)志性成果，并能以點(diǎn)帶面，擴(kuò)大成果應(yīng)用。

圖9 全國高瓦斯礦區(qū)及關(guān)閉煤礦示意圖Figure 9 A schematic diagram of gassy mine areas and closed coalmines in China

5.6 開展關(guān)閉煤礦區(qū)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)

利用多期次遙感數(shù)據(jù)，從區(qū)域環(huán)境尺度上研究關(guān)閉煤礦區(qū)環(huán)境狀況的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和新方法，集成多種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段、不同時(shí)空尺度、不同數(shù)據(jù)源的信息，探索關(guān)閉煤礦區(qū)環(huán)境治理遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與專題分析模型的研建。研發(fā)針對(duì)關(guān)閉煤礦區(qū)環(huán)境治理信息提取的關(guān)鍵技術(shù)，建立關(guān)閉煤礦區(qū)環(huán)境治理遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系，對(duì)地質(zhì)環(huán)境治理情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

5.7 開展關(guān)閉煤礦資源綜合勘查技術(shù)體系研究

以關(guān)閉煤礦深部礦井水、地?zé)峒暗叵驴臻g的綜合探測(cè)研究為重點(diǎn)，研建關(guān)閉煤礦資源綜合勘查理論技術(shù)。重點(diǎn)對(duì)關(guān)閉煤礦多種資源的協(xié)同一體化開發(fā)進(jìn)行綜合研究，開展利用地震資料采集、處理、解釋、反演、描述、信息等技術(shù)為主的地質(zhì)分析，采用巖石物理、地質(zhì)及地震信息的融合技術(shù)，關(guān)鍵地質(zhì)體和多相介質(zhì)的地球物理響應(yīng)與綜合勘查理論。建立礦井水、地?zé)?、地下空間、深部煤層、煤層氣等資源精細(xì)、快速綜合探測(cè)理論和技術(shù)方法體系，制修訂相關(guān)規(guī)范，指導(dǎo)關(guān)閉煤礦資源綜合勘查評(píng)價(jià)。

6 結(jié)論

關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用能夠減少資源浪費(fèi)，提高去產(chǎn)能礦井資源開發(fā)利用效率，有利于調(diào)整去產(chǎn)能煤礦企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，解決煤礦職工再就業(yè)等諸多社會(huì)熱點(diǎn)問題，進(jìn)一步推動(dòng)資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展，為煤礦企業(yè)提供一條可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路徑，具有重要的政治、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，引領(lǐng)我國資源開發(fā)利用走“清潔、高效、安全、可持續(xù)”的道路。

(1)本文界定了關(guān)閉煤礦的概念，從關(guān)閉煤礦的時(shí)間，開采經(jīng)營實(shí)體身份、關(guān)閉原因三個(gè)方面對(duì)關(guān)閉煤礦進(jìn)行了分類。從長遠(yuǎn)來看應(yīng)建立關(guān)閉煤礦檔案，為其賦存的資源在今后二次開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料。

(2)關(guān)閉煤礦賦存大量資源，直接關(guān)閉不僅導(dǎo)致資源極大浪費(fèi)，還可能引發(fā)礦山安全、環(huán)境和社會(huì)問題。重點(diǎn)選取南方和北方的河南、陜西、山西、東北等關(guān)閉的高瓦斯或瓦斯突出礦井進(jìn)行煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)及開發(fā)利用，在河北、遼寧、山西等北方缺水城市開展關(guān)閉煤礦礦井水資源開發(fā)利用，在煤炭資源枯竭型城市利用地下空間資源開發(fā)地下城市空間，選取河北、遼寧、廣東、福建等省份關(guān)閉煤礦作為地?zé)豳Y源開發(fā)利用重點(diǎn)區(qū)。

(3)提出下一步工作需要完善與擴(kuò)展關(guān)閉煤礦資源地質(zhì)綜合勘查理論與技術(shù)，形成鉆探、物探、遙感、計(jì)算機(jī)于一體的綜合勘探體系，為有效合理的開發(fā)利用資源提供地質(zhì)保障，使其變廢為寶，化害為利。

(4)從資源、環(huán)境、技術(shù)體系及數(shù)據(jù)庫等七個(gè)方面提出關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用地質(zhì)保障的工作建議，助力資源綠色開發(fā)與清潔高效利用。

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