賀小龍，吳國強(qiáng)，朱士飛，喬軍偉，王行軍

(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局,陜西 西安 710199;2.中國煤炭地質(zhì)總局,北京 100038;3.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院,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。此外國家及各地政府陸續(xù)出臺了相關(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。我國廢棄煤礦井分布范圍廣，存在歷史長短不一，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)致資源的極大浪費和國有資產(chǎn)的損失，同時也存在著礦山安全、環(huán)境和社會問題的隱患，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近年來，袁亮研究團(tuán)隊[1-2]、謝和平研究團(tuán)隊[3-6]積極致力于我國廢棄煤礦井資源的評價與開發(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，2000～2015年全國累計廢棄煤礦井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、煤質(zhì)較差的地區(qū)。中國工程院重點咨詢項目“我國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)計到2020年，我國關(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年我國各省廢棄煤礦井個數(shù)Fig.1 The number of abandoned coalmines in China in 2016

圖2 2017年我國各省廢棄煤礦井個數(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)隊估算，我國廢棄煤礦井煤層氣資源近5 000×108m3。據(jù)報道，廢棄礦井煤層氣抽采利用將是我國“十三五”期間乃至今后較長時間煤層氣抽采利用的新動向[12]。開采過程中對煤層的擾動破壞，吸附的瓦斯氣體會從煤巖中釋放出來。煤礦關(guān)閉后，體系處在一個封閉的狀態(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)變成游離瓦斯存儲于地下儲氣空間。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，使地下水流場和地下水化學(xué)場發(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)，這會造成水源污染。若能對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、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)過程中必然會產(chǎn)生大量的空間，如井筒、井底車場、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，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)行長期穩(wěn)定性評價，充分考慮圍巖結(jié)構(gòu)、圍巖強(qiáng)度和流變特性。廢棄煤礦井閉坑時間長短不一、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，長期準(zhǔn)確的安全監(jiān)測與評價難度較大。

2.6 土地資源

我國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，對景觀的破壞程度小，但地下采空區(qū)面積大，容易塌陷，對生態(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

重點開展廢棄煤礦井剩余煤炭資源現(xiàn)狀調(diào)查研究，對其數(shù)量、地理分布進(jìn)行統(tǒng)計和分類，確定廢棄煤礦井剩余煤炭資源分布情況。重點廢棄煤礦井區(qū)收集閉坑報告，分析評價廢棄煤礦井地層、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

重點分析研究廢棄煤礦井瓦斯成分及含量，儲層孔隙性、滲透性、儲層壓力特征等，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價方法。重點在黑龍江、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個省(區(qū)、市)開展廢棄煤礦井瓦斯資源調(diào)查評價工作[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

重點從我國華北賦煤區(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。重點分析評價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)崮芫蹟康牡厍騽恿W(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。在此基礎(chǔ)上開展地?zé)岣患瘏^(qū)地?zé)豳Y源探測評價技術(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)評價

重點調(diào)查評價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。重點在煤炭資源枯竭型城市對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)行評價。

3.6 廢棄煤礦井土地資源分布與土地復(fù)墾研究

重點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、時間等；主要對塌陷的土地、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)廣場等進(jìn)行土地復(fù)墾研究，在進(jìn)行治理研究時根據(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條件，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)查評價

系統(tǒng)分析我國廢棄煤礦井的區(qū)域環(huán)境特征、產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響等；重點選取城市周邊及對人類活動影響范圍廣的地區(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、時間、危害，形成因素及觸發(fā)因素；礦產(chǎn)資源開采對含水層的影響與破壞；礦山開發(fā)活動對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)排放對土壤、地表水和地下水污染等，并對各種地質(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、社會參與、市場化運作的資源核查新模式；實施國家科技重大專項及有關(guān)科技計劃，進(jìn)一步加大對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)測和預(yù)測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)化礦井水資源對環(huán)境影響跟蹤分析和動態(tài)評估。針對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，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)國外先進(jìn)技術(shù)、國際合作、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，提高整個產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平；加大對地?zé)衢_發(fā)利用企業(yè)的指導(dǎo)，推動新技術(shù)和梯級利用模式的應(yīng)用，獲得更高的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益?？稍谌珖旱V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、丁集礦等國有重點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、信息平臺建設(shè)等經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評估、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)境評價體系，提出未來某一條件下廢棄煤礦井資源綜合利用價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)庫動態(tài)管理平臺，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)庫及動態(tài)更新管理平臺系統(tǒng)，通過對煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行有效的管理，實現(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)工作的重點方向，促進(jìn)我國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)社會發(fā)展提供基礎(chǔ)資料，為國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，對保障國家能源安全與環(huán)境保護(hù)具有重要的戰(zhàn)略意義。