賀小龍，吳國(guó)強(qiáng)，朱士飛，喬軍偉，王行軍

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局,陜西 西安 710199;2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局,北京 100038;3.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006;4.中煤地質(zhì)工程有限公司,北京 100040)

我國(guó)煤炭行業(yè)經(jīng)過幾十年開采，特別是“黃金十年”的高強(qiáng)度開采，可采儲(chǔ)量急劇下降，很多煤礦成為資源衰竭煤礦，面臨關(guān)閉。此外國(guó)家及各地政府陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，大力整合煤炭資源，關(guān)閉煤礦的數(shù)目急劇增加。我國(guó)廢棄煤礦井分布范圍廣，存在歷史長(zhǎng)短不一，規(guī)模大小也不同。煤礦關(guān)閉后仍賦存多種可利用資源，比如煤及共伴生資源、煤層氣、礦井水、地?zé)?、地下空間、土地等，直接關(guān)閉導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)和國(guó)有資產(chǎn)的損失，同時(shí)也存在著礦山安全、環(huán)境和社會(huì)問題的隱患，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近年來，袁亮研究團(tuán)隊(duì)[1-2]、謝和平研究團(tuán)隊(duì)[3-6]積極致力于我國(guó)廢棄煤礦井資源的評(píng)價(jià)與開發(fā)利用研究。地質(zhì)工作是廢棄煤礦井資源開發(fā)利用的關(guān)鍵部分，貫穿于開發(fā)利用的全過程，可有效地摸清廢棄煤礦井資源地質(zhì)情況，為廢棄煤礦井資源開發(fā)利用和宏觀決策提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 廢棄煤礦井分布情況概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000～2015年全國(guó)累計(jì)廢棄煤礦井1.8萬余處，“十三五”期間關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量將大量增加。根據(jù)我國(guó)各省(區(qū)、市)發(fā)布的2016年和2017年廢棄煤礦井公開文件[7-8]，廢棄煤礦井在各省(區(qū)、市)的具體分布情況如圖1和圖2所示，主要位于山西、湖南、貴州、四川、云南、黑龍江、重慶、河北、遼寧和陜西10個(gè)省(市)。2016年和2017年已退出煤炭產(chǎn)能4.93億t[7-8]，這些退出的煤炭產(chǎn)能主要分布于我國(guó)產(chǎn)能較小、地質(zhì)條件復(fù)雜、安全生產(chǎn)條件落后、開采年限較長(zhǎng)、煤質(zhì)較差的地區(qū)。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”研究結(jié)果表明，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到12 000處，到2030年數(shù)量將到達(dá)15 000處。

圖1 2016年我國(guó)各省廢棄煤礦井個(gè)數(shù)Fig.1 The number of abandoned coalmines in China in 2016

圖2 2017年我國(guó)各省廢棄煤礦井個(gè)數(shù)Fig.2 The number of abandoned coal mines in China in 2017

2 廢棄煤礦井資源地質(zhì)特征

我國(guó)廢棄煤礦井剩余的煤、煤層氣、礦井水、地?zé)?、地下空間與土地等資源豐富，合理的開發(fā)利用這些資源，減少資源的浪費(fèi)和破壞，應(yīng)該首先從廢棄煤礦井資源的地質(zhì)工作著手，認(rèn)真分析研究廢棄煤礦井資源的地質(zhì)特征、賦存特征。做好廢棄煤礦井地質(zhì)工作，對(duì)促進(jìn)廢棄煤礦井安全合理開發(fā)利用具有極其重要的意義。

2.1 剩余煤炭資源

我國(guó)煤礦井開采歷史悠久，關(guān)閉及廢棄煤礦井?dāng)?shù)量多、煤礦采空區(qū)面積大，廢棄煤礦井井下殘留有量大、面廣的剩余煤炭資源[9-10]。據(jù)目前研究成果，去產(chǎn)能煤礦中賦存煤炭資源量高達(dá)420×108t。廢棄煤礦井中的剩余煤炭資源，在橫向上主要分布有煤柱、邊角煤、“三下一上”殘煤、丟失頂?shù)装迕杭氨?、劣不可采煤等；在縱向上則主要分布于上、下鄰近煤層，形成鄰近不可采煤層和深部不可采煤層等?？傮w而言，煤層埋深越大，構(gòu)造越復(fù)雜，煤層群越發(fā)育，礦井中殘煤的總體比例越大[11]。

2.2 煤層氣資源

據(jù)袁亮院士團(tuán)隊(duì)估算，我國(guó)廢棄煤礦井煤層氣資源近5 000×108m3。據(jù)報(bào)道，廢棄礦井煤層氣抽采利用將是我國(guó)“十三五”期間乃至今后較長(zhǎng)時(shí)間煤層氣抽采利用的新動(dòng)向[12]。開采過程中對(duì)煤層的擾動(dòng)破壞，吸附的瓦斯氣體會(huì)從煤巖中釋放出來。煤礦關(guān)閉后，體系處在一個(gè)封閉的狀態(tài)中，煤層采空區(qū)瓦斯的壓力降低，殘煤中部分吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變成游離瓦斯存儲(chǔ)于地下儲(chǔ)氣空間。廢棄礦井中瓦斯(煤層氣)的主要來源包括：鄰近煤層、鄰近巖層(圍巖)、遺煤、煤柱及生物成因煤層氣[13]。廢棄礦井煤層氣資源量的大小主要取決于煤炭開采采動(dòng)影響范圍內(nèi)殘留煤炭量(殘煤量)及其含氣量(殘煤含氣量)、礦井封閉程度(封閉方式及封閉效果)、采空區(qū)或工作面充水程度等[14]。

2.3 礦井水資源

廢棄煤礦井水資源豐富，是一種目前尚未得到充分認(rèn)識(shí)和開發(fā)利用的地下水資源。隨著煤礦關(guān)閉，礦井水疏排系統(tǒng)停止工作，使得井下水位逐漸抬升，擾動(dòng)破壞了礦區(qū)不同含水層原有的地下水補(bǔ)、徑、排條件，使地下水流場(chǎng)和地下水化學(xué)場(chǎng)發(fā)生改變，煤炭開采遺留的空間將是地下水新的賦存空間。廢棄礦井水滲出后，攜帶大量污染物質(zhì)，這會(huì)造成水源污染。若能對(duì)廢棄煤礦井的礦井水加以保護(hù)和利用，可以有效緩解我國(guó)缺水地區(qū)水資源緊張局面，變害為利。

2.4 地?zé)豳Y源

我國(guó)很多廢棄煤礦井開采深度達(dá)數(shù)百米，甚至超千米，地溫較高，有的還存在地溫異常。地?zé)嵩诘V井正常生產(chǎn)階段一般都作為熱害處理，但是在礦井關(guān)閉后，地?zé)嵋延幸鏌o害，可作為清潔能源充分開發(fā)和利用[15-16]。我國(guó)廢棄煤礦井地?zé)豳Y源西南地區(qū)最為豐富，其次是華北地區(qū)和中南地區(qū)，再次為華東地區(qū)，而以東北地區(qū)、西北地區(qū)最少。影響廢棄煤礦井地?zé)豳Y源分布的因素主要包括：基底起伏以及構(gòu)造形態(tài)、斷裂、巖漿活動(dòng)、水文地質(zhì)條件等[17]。

2.5 地下空間資源

井工煤礦在建設(shè)和生產(chǎn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的空間，如井筒、井底車場(chǎng)、中央變電所、泵房、巷道與硐室以及采空區(qū)等空間。謝和平等[4]的研究表明，我國(guó)煤礦90%以上是井工開采，到2030年煤礦采空區(qū)地下空間約為234.52億m3。開發(fā)利用廢棄煤礦井的地下空間，既避免了煤礦采空區(qū)被充填造成極大的地下空間浪費(fèi)，又緩解了地面城市發(fā)展面臨的人口增加、土地緊缺等突出問題[6]。地下空間資源的開發(fā)利用應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，充分考慮圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度和流變特性。廢棄煤礦井閉坑時(shí)間長(zhǎng)短不一、面積大小各異，礦井采空區(qū)位置和范圍很難確定，加上各種圖文資料缺失，長(zhǎng)期準(zhǔn)確的安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)難度較大。

2.6 土地資源

我國(guó)廢棄煤礦井占用土地資源面積大，絕大多數(shù)未開發(fā)利用，存在巨大的資源浪費(fèi)和地質(zhì)隱患[18-19]。廢棄煤礦井土地資源類型包括：釆空區(qū)及塌陷區(qū)廢棄地，矸石山廢棄地、煤礦廢棄地礦區(qū)工業(yè)場(chǎng)地。按煤礦開采類型可分為兩類：一是露天礦區(qū)廢棄地，其對(duì)景觀和生態(tài)的破壞較為嚴(yán)重，修復(fù)難度較大，形成大型難以修復(fù)的礦坑，如撫順西露天煤礦廢棄地；二是非露天礦區(qū)廢棄地，對(duì)景觀的破壞程度小，但地下采空區(qū)面積大，容易塌陷，對(duì)生態(tài)的破壞非常嚴(yán)重，如唐山南湖公園前身礦區(qū)廢棄地，隨著地下的開釆形成了塌陷區(qū)[20]。

3 廢棄煤礦井地質(zhì)工作重點(diǎn)研究方向

3.1 廢棄煤礦井剩余煤炭資源分布與賦存特征研究

重點(diǎn)開展廢棄煤礦井剩余煤炭資源現(xiàn)狀調(diào)查研究，對(duì)其數(shù)量、地理分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，確定廢棄煤礦井剩余煤炭資源分布情況。重點(diǎn)廢棄煤礦井區(qū)收集閉坑報(bào)告，分析評(píng)價(jià)廢棄煤礦井地層、構(gòu)造、水文、煤層、煤質(zhì)、瓦斯、開采技術(shù)條件、礦井生產(chǎn)等地質(zhì)資料，研究廢棄煤礦井剩余煤炭資源分布與賦存特征，為廢棄煤礦井剩余煤炭資源的合理開發(fā)利用提供翔實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

3.2 廢棄煤礦井瓦斯資源分布與賦存特征研究

重點(diǎn)分析研究廢棄煤礦井瓦斯成分及含量，儲(chǔ)層孔隙性、滲透性、儲(chǔ)層壓力特征等，從瓦斯成藏條件出發(fā)，研究廢棄煤礦井瓦斯賦存特征。通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立廢棄煤礦井瓦斯資源量評(píng)價(jià)方法。重點(diǎn)在黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、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(區(qū)、市)開展廢棄煤礦井瓦斯資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作[21]。選擇典型廢棄煤礦井進(jìn)行瓦斯利用條件、利用方式研究，初步建立廢棄煤礦井瓦斯開發(fā)利用模式。

3.3 廢棄煤礦井礦井水分布與地質(zhì)特征研究

重點(diǎn)從我國(guó)華北賦煤區(qū)、西北賦煤區(qū)、華南賦煤區(qū)和東北賦煤區(qū)四個(gè)主要賦煤區(qū)調(diào)查廢棄煤礦井井田地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，分析其水文地質(zhì)情況，確定廢棄煤礦井水資源賦存條件及位置、礦井水水質(zhì)及涌水量，摸清廢棄煤礦井地下水系統(tǒng)現(xiàn)狀及礦井水排泄方式、排泄量。重點(diǎn)分析評(píng)價(jià)廢棄煤礦井水文地質(zhì)單元及特征，地下水類型，主要含水巖組的分布、富水性、透水性、地下水位、地下水化學(xué)特征，地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件，礦井水與地下水相互轉(zhuǎn)換關(guān)系及煤礦廢棄后地下水回彈及礦井水排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

3.4 廢棄煤礦井地?zé)岱植寂c地質(zhì)特征研究

重點(diǎn)選取遼寧、河北、福建、廣東等省廢棄煤礦井，揭示廢棄煤礦井深部地?zé)崮芫蹟康牡厍騽?dòng)力學(xué)過程，探究廢棄煤礦井地?zé)嵝纬蓹C(jī)制，分析廢棄煤礦井的構(gòu)造地質(zhì)條件和地質(zhì)歷史背景，梳理導(dǎo)致地溫變化的因素，包括基巖的類型、構(gòu)造、地下水循環(huán)和巖漿活動(dòng)。在此基礎(chǔ)上開展地?zé)岣患瘏^(qū)地?zé)豳Y源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)示范研究，提出廢棄煤礦井地?zé)嵩撮_發(fā)利用區(qū)劃方案。

3.5 廢棄煤礦井地下空間資源分布與地質(zhì)評(píng)價(jià)

重點(diǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)廢棄煤礦井地下空間的基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和地下工程的類型、埋深、出入口位置以及空間三維坐標(biāo)信息、地下工程與地面建筑的關(guān)系等具體內(nèi)容。重點(diǎn)在煤炭資源枯竭型城市對(duì)廢棄煤礦井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，摸清地下空間資源家底，提出廢棄煤礦井可利用空間資源的詳細(xì)數(shù)據(jù)，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)。

3.6 廢棄煤礦井土地資源分布與土地復(fù)墾研究

重點(diǎn)在資源枯竭型城市典型廢棄煤礦井開展建筑物(如廠房和辦公樓)的處置利用，調(diào)查采煤沉陷區(qū)以及煤矸石山等土地資源分布情況，包括查明礦山土地類型、分布及利用、土地資源破壞情況；固體廢棄物堆場(chǎng)占用、地面塌陷、地裂縫、地面變形等破壞的土地類型、位置、面積、時(shí)間等；主要對(duì)塌陷的土地、煤矸石、粉煤灰壓占后污染的土地、煤礦閉坑后的廢棄地、工業(yè)廣場(chǎng)等進(jìn)行土地復(fù)墾研究，在進(jìn)行治理研究時(shí)根據(jù)廢棄煤礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)和自然條件、土地利用狀況、土地塌陷破壞程度以及所具備的治理?xiàng)l件，因地制宜，采取適宜的治理措施，綜合治理，優(yōu)化煤礦區(qū)的土地資源配置，達(dá)到礦區(qū)土地復(fù)墾的預(yù)期效益。根據(jù)調(diào)查情況提出合理的規(guī)劃利用治理方案，提高土地資源的利用率。

3.7 廢棄煤礦井區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查評(píng)價(jià)

系統(tǒng)分析我國(guó)廢棄煤礦井的區(qū)域環(huán)境特征、產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響等；重點(diǎn)選取城市周邊及對(duì)人類活動(dòng)影響范圍廣的地區(qū)，例如兩淮礦區(qū)、晉陜蒙(陜北地區(qū))等全面系統(tǒng)查明廢棄煤礦井區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的類型、分布及規(guī)模等，包括礦山地質(zhì)災(zāi)害的類型、規(guī)模、時(shí)間、危害，形成因素及觸發(fā)因素；礦產(chǎn)資源開采對(duì)含水層的影響與破壞；礦山開發(fā)活動(dòng)對(duì)土地資源和地形地貌景觀的影響與破壞；固體廢棄物(廢石、尾礦、煤矸石等)堆放和廢水(礦坑水、選礦廢水、洗煤水、淋濾水等)排放對(duì)土壤、地表水和地下水污染等，并對(duì)各種地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害提出防護(hù)措施和處理建議。

4 思考與建議

1) 全面開展廢棄煤礦井資源核查，摸清資源家底；構(gòu)建政府主導(dǎo)、政策扶持、社會(huì)參與、市場(chǎng)化運(yùn)作的資源核查新模式；實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)及有關(guān)科技計(jì)劃，進(jìn)一步加大對(duì)廢棄煤礦井資源基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)的支持力度。

2) 積極開展廢棄煤礦井水資源監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)廢棄煤礦井水可利用量及水質(zhì)演化特征；加強(qiáng)廢棄煤礦井廢水和區(qū)域環(huán)境綜合治理；加強(qiáng)礦井水資源利用分析，強(qiáng)化礦井水資源對(duì)環(huán)境影響跟蹤分析和動(dòng)態(tài)評(píng)估。針對(duì)礦井水資源利用問題，提出礦井水資源化利用總體建議；不同礦區(qū)因地制宜選擇礦井水利用發(fā)展方向，最大限度地提高礦井水利用率，實(shí)現(xiàn)以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)的礦井水利用。盡快建立廢棄煤礦井水利用的政策支持體系、技術(shù)服務(wù)體系和監(jiān)督管理體系；加快技術(shù)研發(fā)，提高礦井水利用水平，完善礦井水利用產(chǎn)業(yè)化政策，擴(kuò)展礦井水利用市場(chǎng)，擴(kuò)大礦井水利用規(guī)模。

3) 加強(qiáng)廢棄煤礦井地?zé)豳Y源調(diào)查與開發(fā)利用研究。政府應(yīng)當(dāng)通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、國(guó)際合作、政企聯(lián)合、優(yōu)惠政策等方式促進(jìn)廢棄煤礦井地?zé)嵝录夹g(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平；加大對(duì)地?zé)衢_發(fā)利用企業(yè)的指導(dǎo)，推動(dòng)新技術(shù)和梯級(jí)利用模式的應(yīng)用，獲得更高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。可在全國(guó)煤礦熱害突出的平頂山八礦、徐州三河尖礦、淮南張集礦、朱集東礦、丁集礦等國(guó)有重點(diǎn)礦井周邊開展廢棄煤礦井地?zé)豳Y源開發(fā)的示范工程，建立廢棄煤礦井地?zé)嵩淳C合利用模式。

4) 廢棄煤礦井地下空間資源開發(fā)利用建議先選擇試點(diǎn)城市，在政府領(lǐng)導(dǎo)下，由自然資源管理部門牽頭進(jìn)行地下空間調(diào)查工作，制定調(diào)查規(guī)范、指南、標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)技術(shù)、流程、裝備、信息平臺(tái)建設(shè)等經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)估、完善并加以推廣，安全合理開發(fā)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) 加快推進(jìn)廢棄煤礦井生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境問題調(diào)查，改善礦區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境；發(fā)揮遙感技術(shù)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用，分析地質(zhì)環(huán)境破壞程度，對(duì)廢棄煤礦井地質(zhì)環(huán)境問題及其有關(guān)信息等進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)更新，因地制宜、分區(qū)規(guī)劃、統(tǒng)籌調(diào)查環(huán)境問題，分階段解決制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾反映強(qiáng)烈的環(huán)境問題，改善重點(diǎn)區(qū)域、流域、海域、城市的環(huán)境質(zhì)量。

6) 構(gòu)建廢棄煤礦井資源環(huán)境評(píng)價(jià)體系，提出未來某一條件下廢棄煤礦井資源綜合利用價(jià)值的大小或資源利用的可持續(xù)程度，為廢棄煤礦井資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供對(duì)策及建議，為科學(xué)論證廢棄煤礦井資源綠色安全開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)提供地質(zhì)保障。

7) 建議進(jìn)行廢棄煤礦井資源調(diào)查成果數(shù)據(jù)整理與匯總，研究數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，開展廢棄煤礦井資源綜合調(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)，建立一套滿足廢棄煤礦井可利用資源信息數(shù)據(jù)存貯、管理要求的煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及動(dòng)態(tài)更新管理平臺(tái)系統(tǒng)，通過對(duì)煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行有效的管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，最大限度減少不必要的重復(fù)性工作，提高工作效率，為廢棄煤礦井資源的精準(zhǔn)利用和規(guī)劃部門提供決策支持。

5 結(jié) 語

我國(guó)廢棄煤礦井潛在的煤、氣、水、地?zé)?、土地、空間等多種可供再利用的資源豐富，但廢棄煤礦井資源開發(fā)利用的研究起步較晚，基礎(chǔ)理論研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)不成熟，從最基礎(chǔ)的地質(zhì)工作去開展研究，是廢棄煤礦井資源開發(fā)利用最關(guān)鍵部分，起到基礎(chǔ)和支撐作用。瞄準(zhǔn)廢棄煤礦井地質(zhì)工作的重點(diǎn)方向，促進(jìn)我國(guó)廢棄煤礦井研究體系的全面發(fā)展，進(jìn)一步加快廢棄煤礦井各類資源開發(fā)利用的研究進(jìn)程，將影響到廢棄煤礦井資源的安全開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)效益，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料，為國(guó)家廢棄煤礦井重大工程建設(shè)和宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)，促使我國(guó)煤炭行業(yè)由最初的單一資源開采利用發(fā)展成為煤基多元協(xié)同與原位采用一體化和深地空間利用的智慧能源系統(tǒng)，煤炭最終成為綠色、安全、高科技含量的清潔能源，對(duì)保障國(guó)家能源安全與環(huán)境保護(hù)具有重要的戰(zhàn)略意義。