袁 亮楊 科

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

國家“十四五”規(guī)劃綱要提出的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要目標(biāo)中要求生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步,能源資源配置更加合理,利用效率大幅提高。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)和供給側(cè)改革背景下,隨煤炭去產(chǎn)能政策的推進(jìn),資源枯竭及落后產(chǎn)能礦井和露天礦坑的關(guān)閉勢(shì)在必行。關(guān)閉/廢棄礦井中仍賦存煤炭資源量約420 億 t、 非常規(guī)天然氣近5 000 億m3,以及豐富的地下空間、礦井水、地?zé)崤c工業(yè)旅游等資源[1-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2020年全國因化解產(chǎn)能或安全問題關(guān)閉煤礦數(shù)量達(dá)428處,退出煤礦產(chǎn)能約1.5 億t/a。充分利用關(guān)閉/廢棄礦井中的能源及空間資源,將關(guān)閉/廢棄礦井資源開發(fā)利用納入?yún)^(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中,實(shí)現(xiàn)資源和資產(chǎn)二次回報(bào),不僅能減少資源浪費(fèi),提高去產(chǎn)能礦井能源資源開發(fā)利用效率,同時(shí)還可以為關(guān)閉/廢棄礦井企業(yè)提供一條轉(zhuǎn)型脫困和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路徑,進(jìn)而推動(dòng)資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。

歐美國家是關(guān)閉/廢棄礦井開發(fā)利用的先驅(qū),也是廢棄礦井開發(fā)利用技術(shù)最成熟的國家。自20世紀(jì)60年代至今,美國、英國、德國、比利時(shí)等歐美國家針對(duì)關(guān)閉/廢棄礦井開展了相關(guān)的研究與實(shí)踐,在理論突破的基礎(chǔ)上實(shí)施了地下空間儲(chǔ)氣庫(如美國Leyden 煤礦地下儲(chǔ)氣庫、比利時(shí)Anderlues 煤礦地下儲(chǔ)氣庫和Peronnes 煤礦地下儲(chǔ)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?guī)r礦處置庫)、地下醫(yī)院、冷庫、實(shí)驗(yàn)室(如斯坦福大學(xué)修建1 500 m 極深地下實(shí)驗(yàn)室)、 文件存儲(chǔ)中心(Iron Mountain 地下文件存儲(chǔ)中心)、瓦斯發(fā)電站(德國北萊茵威斯特法利亞煤礦瓦斯發(fā)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?zé)崮芄┡评?荷蘭Heerlen 煤礦水熱地?zé)崮荛_發(fā))、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(shí)踐[6-8],對(duì)廢棄礦井遺留煤炭、非常規(guī)天然氣、地下空間、建筑物與土地等資源進(jìn)行二次開發(fā)利用,形成了關(guān)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(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。

隨去產(chǎn)能政策的逐步推進(jìn),我國關(guān)閉/廢棄礦井?dāng)?shù)量逐年增多,關(guān)閉/廢棄礦井再利用刻不容緩。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”的開展,初步完成了我國關(guān)閉/廢棄礦井二次開發(fā)利用的頂層設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段“工業(yè)4.0”在能源場(chǎng)景中的應(yīng)用勢(shì)頭強(qiáng)勁,精準(zhǔn)開采、智能感知、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)愈發(fā)成熟,賦能關(guān)閉/廢棄礦井相關(guān)遺留資源精準(zhǔn)開發(fā)利用。但目前我國關(guān)閉/廢棄礦井資源開發(fā)利用整體仍處于試驗(yàn)階段,針對(duì)關(guān)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(qū)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(qū)光伏發(fā)電(大同熊貓電站、淮南漂浮式光伏電站)、地?zé)崮芾?冀中能源水源/地源熱泵)、建立儲(chǔ)氣庫(安徽含山石膏礦、金壇)、地下儲(chǔ)水庫(神東礦區(qū))、煤層氣抽采(遼寧鐵法礦區(qū)、晉城區(qū)塊-晉圣永安煤礦、岳城煤礦廢棄礦井煤層氣抽采、中節(jié)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(zhì)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(chǎn)開發(fā)(淮北礦務(wù)集團(tuán)開采伴生高嶺土)等方面的基礎(chǔ)理論攻關(guān)和先期工業(yè)試驗(yàn)。然而,關(guān)閉/廢棄礦井智能精準(zhǔn)開發(fā)利用涉及多學(xué)科交叉協(xié)作,內(nèi)容紛繁復(fù)雜,我國對(duì)關(guān)閉/廢棄礦井能源資源開發(fā)利用的研究起步較晚,基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)仍有待提高[9-10],且沒有形成可復(fù)制推廣的成熟模式。

開展關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間精準(zhǔn)開發(fā)利用試點(diǎn),凝練關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間精準(zhǔn)開發(fā)利用面臨的核心科學(xué)問題,歸納遺留能源資源精準(zhǔn)開發(fā)利用亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題,提出試點(diǎn)區(qū)域廢棄礦井遺留資源及地下空間開發(fā)利用技術(shù)路線,推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用金”協(xié)同機(jī)制為基礎(chǔ)的關(guān)閉/廢棄礦井能源資源精準(zhǔn)開發(fā)與利用新模式,發(fā)展形成關(guān)閉/廢棄礦井綜合開發(fā)利用模式,為全國關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源二次利用探路示范和積累經(jīng)驗(yàn)。山西省作為能源大省,新中國成立至今,其煤炭產(chǎn)量有近60 a 位居中國第1[11];山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)水平和規(guī)模領(lǐng)跑全國,建有我國最大規(guī)模的沁南國家煤層氣產(chǎn)業(yè)基地,貢獻(xiàn)了超90%以上的煤層氣地面抽采量[12];隨去產(chǎn)能的持續(xù)推進(jìn)而產(chǎn)生的大量關(guān)閉/廢棄礦井、藍(lán)焰集團(tuán)在沁水煤田開展的關(guān)閉/廢棄礦井地面抽采工業(yè)實(shí)踐及山西省作為能源革命綜合改革試點(diǎn)的重大使命均為山西作為關(guān)閉/廢棄礦井精準(zhǔn)開發(fā)利用試點(diǎn)奠定了重要基礎(chǔ)。

1 山西省關(guān)閉/廢棄礦井資源稟賦與開發(fā)現(xiàn)狀

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

圖1 2016—2020年山西省關(guān)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(xiàng)目調(diào)研統(tǒng)計(jì)表明,1949—2012年,我國井工開采方式下累計(jì)遺留煤炭資源總量達(dá)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(guān)閉礦井118 座,廢棄礦井遺留煤層氣(Abandoned Mine Methane,AMM)資源量預(yù)估103 億m3,占全國AMM 預(yù)計(jì)總量的50%以上,將成為我國廢棄礦井瓦斯二次利用的重點(diǎn)省份,如圖3所示。另外,據(jù)山西省國土資源廳發(fā)布的《山西省煤炭采空區(qū)煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》顯示,目前山西省采空區(qū)面積5 000 km2以上,具有開發(fā)價(jià)值約2 052 km2;預(yù)測(cè)殘余煤層氣資源量約726 億m3。其中,7 個(gè)瓦斯含量較高的礦區(qū)(西山、陽泉、武夏、潞安、晉城、霍東、離柳)內(nèi),采空區(qū)面積約870 km2,預(yù)測(cè)煤層氣資源量303 億m3,部分地區(qū)資源相對(duì)富集,值得開發(fā)利用[14]。

圖2 2014—2018年全國井工開采遺留煤炭資源統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of national remaining AMM resources from 2014 to 2018

面對(duì)關(guān)閉/廢棄礦井中遺留蘊(yùn)藏的大量煤炭、煤層氣與地上地下空間等資源[15],山西省關(guān)閉/廢棄開發(fā)利用現(xiàn)狀體現(xiàn)為“三多兩少”——廢棄礦井?dāng)?shù)量多、遺留資源種類多、閉坑次生隱患多,科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)少、精準(zhǔn)開發(fā)案例少。就遺留煤層氣資源而言,僅開展了部分基礎(chǔ)理論研究和先期工業(yè)試驗(yàn)。目前,晉煤集團(tuán)先后在晉城、西山、陽泉、晉中等礦區(qū)施工廢棄礦井煤層氣抽采井135 口,目前運(yùn)行55 口,日抽采量為9.4 萬m3,累計(jì)利用氣量約1.3 億m3;藍(lán)焰集團(tuán)牽頭承擔(dān)的山西煤基(煤層氣)重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“關(guān)閉煤礦采空區(qū)地面煤層氣抽采技術(shù)研究及示范”實(shí)施27 口關(guān)閉/廢棄礦井采空區(qū)煤層氣井建設(shè),15口井完成設(shè)備安裝運(yùn)行,單井日均產(chǎn)量1 155 m3,截至2016年底,累計(jì)抽采利用煤層氣約1 700 萬m3[16]。國內(nèi)對(duì)煤層氣的利用主要依賴于正在開采礦井的瓦斯抽排系統(tǒng),雖然有些礦區(qū)進(jìn)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(chǎn)業(yè)化尚屬空白。

為實(shí)現(xiàn)關(guān)閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準(zhǔn)開發(fā)利用,在機(jī)制上,山西省采取揭榜掛帥式的科技創(chuàng)新新探索,從“路徑依賴”轉(zhuǎn)向“模式創(chuàng)新”,規(guī)避人才與技術(shù)基礎(chǔ)劣勢(shì),讓全球范圍內(nèi)的智力資源與創(chuàng)新資源服務(wù)于自身高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展。揭榜掛帥制推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用金”協(xié)同創(chuàng)新,為山西眾多的關(guān)閉/廢棄礦井開發(fā)利用提供智力支持,量身打造實(shí)施方案,讓大學(xué)成為關(guān)閉/廢棄礦井開發(fā)利用從理論至應(yīng)用的科研主戰(zhàn)場(chǎng);在標(biāo)準(zhǔn)方面,由山西省應(yīng)急管理廳提出、藍(lán)焰集團(tuán)等單位起草的山西省地方標(biāo)準(zhǔn)《煤礦采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣地面抽采安全規(guī)范》于2019年初推出征求意見稿,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了煤礦采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣地面抽采的鉆井井位及層位選擇、場(chǎng)地設(shè)備安裝等要求,可用于指導(dǎo)山西省轄區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)(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(fā)了《關(guān)于開展煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗(yàn)有關(guān)事項(xiàng)的通知》,明確了開展煤炭采空區(qū)(廢棄礦井)煤層氣抽采試驗(yàn),有效開發(fā)利用采空區(qū)煤層氣資源,是山西省能源革命綜合改革試點(diǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

綜上所述,山西省關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤炭、煤層氣、地下空間等資源稟賦優(yōu)勢(shì)突出,在政策、標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)制等多方面為推動(dòng)關(guān)閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準(zhǔn)開發(fā)利用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 關(guān)閉/廢棄礦井能源資源精準(zhǔn)開發(fā)利用關(guān)鍵科學(xué)問題

基于山西省關(guān)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(chǔ)能儲(chǔ)物等3 種能源資源精準(zhǔn)開發(fā)與潔凈利用方式,必將面臨如下4 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。

2.1 關(guān)閉/廢棄礦井資源綜合利用安全評(píng)價(jià)體系

礦井直接關(guān)閉或廢棄將會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害威脅,如地表塌陷、礦井水隱患、采空區(qū)瓦斯泄漏而導(dǎo)致的爆炸或火災(zāi)等[17]。關(guān)閉/廢棄礦井資源綜合利用安全評(píng)價(jià)是以關(guān)閉/廢棄礦井遺留能源資源主體作為被評(píng)價(jià)對(duì)象,分析影響遺留能源資源開發(fā)利用過程安全的主要因素,構(gòu)建一套可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用互聯(lián)網(wǎng)、軟件開發(fā)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、模糊數(shù)學(xué)等理論與方法,對(duì)遺留能源資源開發(fā)利用這一主體的當(dāng)前及未來安全度進(jìn)行評(píng)估的過程。需要重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵性指標(biāo)的選取與把握,梳理關(guān)閉/廢棄礦井地質(zhì)背景、采掘歷史、資源條件、采空區(qū)空間等特征指標(biāo),根據(jù)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)的一般原則,構(gòu)建安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)關(guān)閉/廢棄礦井的安全性進(jìn)行分析,對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行研究,建立關(guān)閉/廢棄礦井資源協(xié)同利用安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),向關(guān)閉/廢棄礦井利用和管理提供技術(shù)層面的決策支撐,指導(dǎo)關(guān)閉/廢棄礦井“能源化”“資源化”與“功能化”利用的動(dòng)態(tài)評(píng)判。

2.2 氣液熱固化等多相多場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化機(jī)制

煤炭地下氣化是通過控制井下煤炭資源燃燒反應(yīng),使得煤層在熱及化學(xué)作用下形成可燃?xì)怏w的過程[18-19],作為煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新方向,被列入國家《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2013—2030年)》[20]。關(guān)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(zhàn)場(chǎng),將遺留煤炭資源轉(zhuǎn)化為可用燃?xì)赓Y源,必將為我國推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命增添新的活力。在地下遺留煤炭氣化過程中會(huì)產(chǎn)生1 200 ℃的高溫,圍巖邊界溫度隨氣化工作面的定向移動(dòng)而產(chǎn)生變化,如圖4所示。為揭示地下氣化過程對(duì)井下結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響機(jī)理,需要系統(tǒng)研究溫度場(chǎng)的劇烈變化對(duì)周圍應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、孔隙場(chǎng)以及裂隙發(fā)育等產(chǎn)生的影響。分析溫度場(chǎng)分布及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,確定圍巖內(nèi)溫度影響的范圍,闡明其余多場(chǎng)的演化機(jī)制。進(jìn)一步建立多場(chǎng)耦合條件下,地下煤炭氣化對(duì)遺留煤柱、圍巖、覆巖運(yùn)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(shù)體系如圖5所示。因此,需要對(duì)山西省區(qū)域典型煤種進(jìn)行熱解、氣化和強(qiáng)制氧化著火實(shí)驗(yàn),研究其大尺度煤熱解、氣化動(dòng)力學(xué)參數(shù),強(qiáng)制氧化著火機(jī)理,并建立動(dòng)力學(xué)方程。通過實(shí)驗(yàn)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(shù),包括不同氧濃度-水蒸氣連續(xù)氣化條件下的汽氧比、噸煤產(chǎn)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(guī)律,進(jìn)行山西省典型煤種催化熱解、氣化實(shí)驗(yàn),包括催化劑的選擇、配比以及負(fù)載方法等,研究催化煤熱解、氣化動(dòng)力學(xué)參數(shù),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(shù)。

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

2.3 復(fù)雜遺留空間煤層氣運(yùn)移規(guī)律與儲(chǔ)集成藏機(jī)理

關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤層氣泄露導(dǎo)致的爆炸或火災(zāi)嚴(yán)重威脅著周邊群眾生產(chǎn)、生活和安全,相關(guān)事故時(shí)有報(bào)道[21]。關(guān)閉/廢棄礦井的采動(dòng)裂隙、地表塌陷裂隙或封閉不嚴(yán)的井筒等是可燃?xì)怏w向地面逸散的通道,不僅存在爆炸或火災(zāi)等事故隱患,更會(huì)加劇溫室效應(yīng)。為此,2020年國家能源局頒發(fā)《關(guān)于推進(jìn)關(guān)閉煤礦瓦斯綜合治理與利用的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》,對(duì)關(guān)閉煤礦的瓦斯綜合治理與利用工作已經(jīng)提上日程。

然而,礦井地下空間構(gòu)造種類繁多、地質(zhì)斷層散落其中、采場(chǎng)和巷道錯(cuò)綜復(fù)雜、采后覆巖“三帶”長(zhǎng)期演化轉(zhuǎn)換、遺留煤炭資源分布規(guī)律不清等因素致使廢棄礦井瓦斯抽采利用對(duì)象屬性不清,地面抽采工程措施無的放矢、效果不理想。關(guān)閉/廢棄礦井采空區(qū)既是應(yīng)力釋放區(qū),也是低壓區(qū),以采空低壓區(qū)為中心,采動(dòng)區(qū)裂隙為通道,周圍煤巖儲(chǔ)層中的煤層氣向采空區(qū)運(yùn)移、聚積,且隨時(shí)間尺度的長(zhǎng)短,其聚積程度不一,如圖6所示。因此,需要基于儲(chǔ)層特征、巖層破壞變形規(guī)律和裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律的全面解析,揭示關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤層氣運(yùn)移、動(dòng)態(tài)聚積規(guī)律,闡明時(shí)間和空間尺度下煤層氣聚積特征和二次動(dòng)態(tài)成藏機(jī)理,建立關(guān)閉/廢棄礦井煤層氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系,構(gòu)建關(guān)閉/廢棄礦井煤層氣井產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖6 關(guān)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(jù)山西省關(guān)閉/廢棄煤礦典型試驗(yàn)礦井的煤層結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),構(gòu)建基于三場(chǎng)(“裂隙場(chǎng)”、“應(yīng)力場(chǎng)”和“壓力場(chǎng)”)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(qū)條件下的煤層氣分布-遷移規(guī)律和解吸-擴(kuò)散-滲流特征,耦合氣體滲流場(chǎng)特征。以煤層氣資源賦存參數(shù)特征及產(chǎn)出特性為基礎(chǔ),建立關(guān)閉/廢棄礦井煤層氣產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型,提出其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,科學(xué)評(píng)估煤層氣極限產(chǎn)出量與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。揭示布井位置對(duì)抽采效果的影響機(jī)理,確定井位布置原則,評(píng)價(jià)井型井網(wǎng)的地質(zhì)適應(yīng)性,提出關(guān)閉/廢棄礦井煤層氣資源地面抽采關(guān)鍵技術(shù)。

2.4 復(fù)雜巖體多場(chǎng)多相耦合作用機(jī)理及其變形破壞特征

地下水庫、地下油氣儲(chǔ)庫及其他儲(chǔ)物空間是關(guān)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(fù)雜性:首先,具有復(fù)雜多尺度、多形態(tài)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(tài)等;其次,受力環(huán)境場(chǎng)源多,如自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、重復(fù)采動(dòng)應(yīng)力、礦井水或煤層瓦斯壓力及人為工程擾動(dòng)應(yīng)力等;再次,載荷歷程路徑復(fù)雜、受力變形演化期長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)研究分析難度大。因此,需要深入研究復(fù)雜巖體多場(chǎng)多相耦合作用機(jī)理,揭示其變形損傷與破壞規(guī)律,建立符合工程實(shí)際條件的固-液-氣多場(chǎng)耦合損傷演化模型,為廢棄礦井地下空間安全高效儲(chǔ)水與抽水蓄能提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)保障。

具體而言,需要攻關(guān)的技術(shù)問題是:綜合考慮儲(chǔ)水或儲(chǔ)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(qū)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(zhì)條件與采空區(qū)面積和冒落巖石空隙率的關(guān)系,構(gòu)建地下水庫庫容的計(jì)算方法;研究煤柱或人工壩體受采動(dòng)影響產(chǎn)生的裂隙區(qū)、塑性區(qū)引起的滲漏以及相應(yīng)的防治措施,以地質(zhì)力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ),通過物理力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究裂隙帶發(fā)育規(guī)律,提出相應(yīng)的隔離筑壩及防滲技術(shù),為關(guān)閉/廢棄礦井儲(chǔ)能儲(chǔ)物綜合利用提供現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

3 山西省關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發(fā)利用對(duì)策

面向山西省大量關(guān)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(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發(fā)利用提供對(duì)策,在基礎(chǔ)理論與技術(shù)研發(fā)層面,需要揭示高溫條件下圍巖溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布以及地表移動(dòng)變形規(guī)律、遺留煤層氣資源運(yùn)移與動(dòng)態(tài)聚積規(guī)律、資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系與地面抽采利用關(guān)鍵技術(shù)和圍巖空間裂隙與水油氣耦合作用機(jī)理;提出關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間利用的管理創(chuàng)新制度;建立關(guān)閉/廢棄礦井風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)體系,完善關(guān)閉/廢棄礦井資源綜合利用創(chuàng)新模式的總體思路;緊密圍繞關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源和地下空間資源開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及工程示范。

同時(shí),結(jié)合關(guān)閉/廢棄礦井全生命周期系統(tǒng)管理利用的理念,建立關(guān)閉/廢棄礦井可再生能源利用規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn),開展關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤炭資源及可再生能源利用示范項(xiàng)目試點(diǎn)研究,加大自主技術(shù)研發(fā)、加強(qiáng)國際合作、制定專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制、加大科技攻關(guān)投入、加強(qiáng)關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤炭、煤層氣和地下空間等資源利用基礎(chǔ)研究及開采利用關(guān)鍵技術(shù)研究,建立一套完整可行的關(guān)閉/廢棄礦井煤層氣資源評(píng)估和煤層氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型,確定不同地質(zhì)條件的最佳利用方式、規(guī)模和服務(wù)年限。

另外,還需要促進(jìn)國家相關(guān)職能部門采用多種政策支持和財(cái)政資金保障相結(jié)合的方式,完善關(guān)閉/廢棄礦井可再生能源利用財(cái)稅優(yōu)惠政策,完善關(guān)閉/廢棄礦井可再生能源利用的相關(guān)財(cái)政補(bǔ)貼、稅收減免政策及投資環(huán)境,鼓勵(lì)引導(dǎo)私人資本參與,建立市場(chǎng)化運(yùn)營等新型的投資機(jī)制和商業(yè)模式,創(chuàng)建關(guān)閉/廢棄礦井能源資源精準(zhǔn)開發(fā)利用多元化投資及合作開發(fā)模式。

最終,形成山西省關(guān)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(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發(fā)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(guān)閉/廢棄礦井遺留資源及地下空間開發(fā)利用模式

白家莊煤礦位于太原市西南萬柏林區(qū)西銘鄉(xiāng)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(tài)園。所屬區(qū)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(yīng)“推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”要求,在當(dāng)年10月底關(guān)閉停產(chǎn),退出產(chǎn)能100 萬t。依據(jù)白家莊礦閉坑地質(zhì)報(bào)告,全井田保有儲(chǔ)量達(dá)107 483 kt,礦井原2 號(hào)井口延續(xù)飲用水采水功能,對(duì)井下現(xiàn)有+840、+710 水平生產(chǎn)、通風(fēng)、機(jī)電等系統(tǒng)以及22526 工作面進(jìn)行保留。結(jié)合該礦“近城區(qū)、近景區(qū)、開采久、水豐富”的資源稟賦特征與環(huán)境特點(diǎn)等要素,提出了地上工業(yè)旅游資源開發(fā)+煤炭教學(xué)基地建設(shè),井下空間儲(chǔ)水+抽水蓄能發(fā)電的立體開發(fā)方式,建成可復(fù)制可推廣的綜合性示范基地如圖8所示。

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

5 展 望

(1)對(duì)山西省關(guān)閉/廢棄礦井分布情況進(jìn)行了調(diào)查,明確了山西省關(guān)閉/廢棄礦井遺留資源稟賦優(yōu)勢(shì),山西省在政策、制度、機(jī)制上的相關(guān)舉措為推動(dòng)關(guān)閉/廢棄礦井遺留能源資源的精準(zhǔn)開發(fā)利用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)面對(duì)不同遺留能源資源的開發(fā)利用需求,亟需研究關(guān)閉/廢棄礦井能源資源協(xié)同綜合利用評(píng)價(jià)方法、固-液-氣及應(yīng)力-位移-滲流-溫度等多相多場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化機(jī)制、復(fù)雜遺留空間煤層氣運(yùn)移規(guī)律與儲(chǔ)集成藏機(jī)理、復(fù)雜巖體多場(chǎng)耦合作用機(jī)理及穩(wěn)定性控制等4 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題,攻克關(guān)閉/廢棄礦井能源資源協(xié)同利用安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)、遺留煤炭地下氣化爐構(gòu)建及氣化工藝、遺留煤層氣資源地面抽采與利用、地下儲(chǔ)庫(儲(chǔ)水、儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣等)庫容探測(cè)與防滲等4 項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。

(3)通過構(gòu)建關(guān)閉/廢棄礦井全生命周期系統(tǒng)管理利用的理念,建立關(guān)閉/廢棄礦井可再生能源利用規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn),開展關(guān)閉/廢棄礦井遺留煤炭資源及可再生能源利用示范項(xiàng)目試點(diǎn)研究。通過“政產(chǎn)學(xué)研用金”這樣一體化的改革,把技術(shù)創(chuàng)新的上游、中游、下游以及創(chuàng)新環(huán)境與最終用戶有效對(duì)接和耦合,才能真正推動(dòng)關(guān)閉/廢棄礦井精準(zhǔn)開發(fā)利用模式的創(chuàng)新研究。