翟晉忠

(山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，太原 030053)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2015 年 全 國(guó) 累 計(jì) 廢 棄 煤 礦 井 1.8萬(wàn)余處，“十三五”期間關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量還在大量增加。以山西為例，2015年前廢棄(關(guān)閉)煤礦約7 000座，2015年后已廢棄(關(guān)閉)和擬廢棄(關(guān)閉)煤礦137座[1]。廢棄(關(guān)閉)煤礦不僅存在礦山地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題隱患，威脅周邊生產(chǎn)煤礦安全，還在于廢棄煤礦中留存有大量煤炭、煤層氣、礦井水、地下空間、地?zé)豳Y源。研究廢棄煤礦及其資源[2]，探討廢棄煤礦資源的概念、類別、賦存特征、形成條件，是正確認(rèn)識(shí)、合理開(kāi)發(fā)利用廢棄煤礦資源的基礎(chǔ)。

1 廢棄煤礦研究及廢棄煤礦定義

2000年以前，我國(guó)關(guān)于廢棄煤礦或廢棄關(guān)閉礦井，多在引用國(guó)外廢棄煤礦、關(guān)閉煤礦(礦井)資料，論述廢棄煤礦引發(fā)的地面塌陷、地下水污染時(shí)提及。2000年開(kāi)始，在涉及廢棄煤礦地下水污染、廢棄礦山引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[3]、廢棄煤礦積水過(guò)程分析[4]、廢棄煤礦煤層氣(瓦斯)[5-8]、儲(chǔ)層描述[9]和估算煤層氣資源量[10]時(shí)提及廢棄煤礦(礦井)。之后，研究廢棄煤礦資源者日益增多：研究廢棄煤礦地下空間利用(謝和平等)，廢棄煤礦資源戰(zhàn)略研究、精準(zhǔn)開(kāi)采[11]，廢棄煤礦資源地質(zhì)工作重點(diǎn)方向、綜合開(kāi)發(fā)利用及地質(zhì)保障[12-14]，廢棄煤礦煤層氣聚集機(jī)理、資源量估算、評(píng)價(jià)、抽采[15-19]，廢棄煤礦地下水及其污染[20-25]等方面均涉及廢棄(或關(guān)閉)煤礦(或礦井)、廢棄煤礦資源概念，但較少有明確論述概念、定義者。僅袁亮[11]“隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和煤炭資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，部分礦井已到達(dá)其生命周期，也有部分落后產(chǎn)能礦井不符合安全生產(chǎn)要求，或開(kāi)采成本高虧損嚴(yán)重，面臨關(guān)閉或廢棄”[26]“當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下停止開(kāi)采的煤礦統(tǒng)稱關(guān)閉煤礦”[1]“達(dá)到生命周期、產(chǎn)能過(guò)剩、安全環(huán)保等原因而關(guān)閉的煤礦”等，明確提出論述和定義。而張農(nóng)更將廢棄煤礦概念分為狹義“指已廢棄的煤礦或由于某種礦產(chǎn)資源枯竭并受到其開(kāi)采生產(chǎn)活動(dòng)所破壞的、未經(jīng)治理而無(wú)法使用的場(chǎng)地或土地?！焙蛷V義“指某種礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)煤礦/礦區(qū)，由于該種礦產(chǎn)資源已枯竭及即將枯竭的(開(kāi)采時(shí)間不足5年或可采礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量不足5%的在采煤礦)或失去開(kāi)采價(jià)值的，或不滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)開(kāi)采條件的，或國(guó)家和地方關(guān)停政策等原因在現(xiàn)階段一定時(shí)期內(nèi)或永久時(shí)期內(nèi)關(guān)閉退出的，并且開(kāi)采活動(dòng)造成了生態(tài)環(huán)境破壞的區(qū)域?！?/p>

從以上論述可以看出，廢棄煤礦概念或定義，必須要包括：狀態(tài)—廢棄(關(guān)閉);原因—資源枯竭、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、安全、環(huán)保、政策;空間范圍3個(gè)方面的要素，才能構(gòu)成完整的廢棄煤礦概念。

綜合各方面論述，廢棄煤礦可定義為：由于煤炭資源枯竭或開(kāi)采經(jīng)濟(jì)技術(shù)不合理、安全生產(chǎn)無(wú)保證、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、去產(chǎn)能政策等原因而停止開(kāi)采、放棄開(kāi)采并依一定程序關(guān)閉的煤礦，其空間范圍包括煤礦礦界內(nèi)地面及地下采動(dòng)影響區(qū)域。

2 廢棄煤礦資源及類別

廢棄煤礦概念明確后，亦須明確廢棄煤礦資源及類別。

綜合袁亮院士、謝和平院士、任輝、吳國(guó)強(qiáng)、賀小龍、張農(nóng)、謝友泉、韓保山、孫文浩等人的論述，廢棄煤礦所賦存匯聚的資源有：煤炭及其伴生資源、煤層氣資源、礦井水資源、地下空間資源、地?zé)豳Y源，以及工業(yè)旅游資源、土地資源、可再生能源資源(風(fēng)能、光能)、地面建筑物、構(gòu)筑物等。

廢棄煤礦資源可分為三類：第一類為賦存匯聚礦井地下的資源，有煤炭及其伴生資源、煤層氣資源、礦井水資源、地下空間資源、地?zé)豳Y源，其中除地下空間資源外，均為礦產(chǎn)資源；第二類為依附廢棄煤礦地表或土地而存在的資源，有土地資源、可再生能源資源(風(fēng)能、光能)、地面建筑物、構(gòu)筑物；第三類為工業(yè)旅游資源，是依據(jù)包括地面建筑物、構(gòu)筑物，地下空間資源及其文化工業(yè)價(jià)值開(kāi)發(fā)創(chuàng)造的新型資源。

從廣義角度而言，廢棄煤礦資源應(yīng)包括賦存匯聚于廢棄煤礦地下的資源、依附地表或土地而存在的資源和綜合地下地表開(kāi)發(fā)的工業(yè)旅游資源。從狹義角度而言，廢棄煤礦資源僅為地下資源。

就狹義而言，廢棄煤礦資源為1存在、匯聚于廢棄煤礦地下范圍，由采礦活動(dòng)形成、殘留、匯聚的，有開(kāi)發(fā)利用潛力，能夠以一定的技術(shù)方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的礦產(chǎn)資源和地下空間資源。具體分為煤炭、煤層氣、礦井水、地?zé)?、地下空間等五種資源。而這五種資源又可劃分為兩類，一類是由廢棄煤礦殘留形成，包括煤炭資源、地下空間資源，在煤礦中心必然存在的；一類是在滿足一定條件下存在或匯聚于廢棄煤礦的地下空間中，包括煤層氣資源、礦井水資源、地?zé)豳Y源，其不能夠在所有廢棄煤礦中必然存在。

3 廢棄煤礦資源賦存特征和形成條件

3.1 廢棄煤礦煤炭資源

廢棄煤礦煤炭資源為原始賦存的煤炭資源在煤礦生產(chǎn)期間，因技術(shù)、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等原因未能開(kāi)采利用，留存于廢棄煤礦中的煤炭資源。

廢棄煤礦煤炭資源賦存特征既受煤層原始賦存條件控制(煤層埋深、厚度、地質(zhì)構(gòu)造及其演化、水文地質(zhì)條件)，也受煤礦的開(kāi)采方式方法、開(kāi)采強(qiáng)度及回采率的控制，在廢棄煤礦井下成層狀以殘留狀存在。

廢棄煤礦煤炭資源存在于所有廢棄煤礦中。廢棄煤礦煤炭資源由潛在型轉(zhuǎn)化為可計(jì)量的現(xiàn)實(shí)型資源時(shí)(在明確開(kāi)發(fā)利用技術(shù)方法后)，其數(shù)量較易于估算，估算結(jié)果較可靠。但目前而言，國(guó)內(nèi)外尚未有有效技術(shù)方法予以開(kāi)發(fā)利用的實(shí)例。

3.2 廢棄煤礦地下空間資源

廢棄煤礦地下空間資源為煤礦采礦活動(dòng)形成，具有潛在利用價(jià)值，可供不同類型需求的煤礦井地下空間系統(tǒng)。

廢棄煤礦地下空間資源可分為兩類：第一類為較規(guī)范完整的地下空間系統(tǒng)，如井筒、井底車場(chǎng)、中央變電所、泵房、水倉(cāng)、永久性大巷、各類硐室等；第二類為由采區(qū)巷道、工作面、采空區(qū)等形成的不規(guī)范的垮落帶、裂隙帶構(gòu)成的裂隙地下空間系統(tǒng)。

一般情況下，第一類地下空間資源(規(guī)范完整的地下空間)開(kāi)發(fā)利用價(jià)值大、范圍廣、較容易。第二類地下空間資源，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值較小、范圍較窄、難度大，主要可用于儲(chǔ)存氣體、液體。

廢棄煤礦地下空間資源賦存特征，受控于煤層原始賦存條件、煤礦開(kāi)拓方式、采區(qū)及工作面的部署和聯(lián)通方式、煤礦開(kāi)采方式及回采率。

廢棄煤礦地下空間資源存在于所有廢棄煤礦中。廢棄煤礦地下空間資源由潛在型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)型資源，主要在于為一定條件下的廢棄煤礦地下空間落實(shí)利用途徑、目的；明確利用目的的地下空間資源數(shù)量較易于估算，估算結(jié)果較可靠。國(guó)內(nèi)外已有比較多的廢棄煤礦地下空間資源開(kāi)發(fā)利用的實(shí)例。

謝和平等[27](2018)分析了我國(guó)煤礦地下空間容量，繪制地下空間分布圖，建立煤礦地下空間的判識(shí)和估算方法，提出了廢棄煤礦地下空間開(kāi)發(fā)利用的六大設(shè)計(jì)原則和四大設(shè)計(jì)理念，同時(shí)，結(jié)合京西煤礦地下空間可利用容量、關(guān)停順序和內(nèi)外部建設(shè)條件提出了合理的開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃目標(biāo)，作為典型案例設(shè)計(jì)了京西煤礦地下空間開(kāi)發(fā)利用的構(gòu)想；武志德等[28](2019)分析了我國(guó)煤礦開(kāi)采形成的地下空間特點(diǎn)，對(duì)廢棄礦井建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)提出了新的建議。此外，國(guó)內(nèi)廢棄煤礦關(guān)閉后多建設(shè)成綜合性礦山公園、科普教育與教學(xué)實(shí)踐基地、地下水庫(kù)及抽水蓄能發(fā)電、壓縮空氣儲(chǔ)能等，其中晉華宮礦國(guó)家礦山公園、河北開(kāi)灤煤礦國(guó)家地質(zhì)公園、四川樂(lè)山嘉陽(yáng)國(guó)家礦山公園、太原西山國(guó)家礦山地質(zhì)公園等是我國(guó)關(guān)閉煤礦資源開(kāi)發(fā)利用的典型代表[27]。

3.3 廢棄煤礦煤層氣資源

廢棄煤礦煤層氣資源為匯聚賦存于廢棄煤礦采礦活動(dòng)形成的地下空間、殘留煤炭及采礦活動(dòng)影響范圍煤層和圍巖中的煤層甲烷資源。

廢棄煤礦煤層氣資源通常以游離態(tài)存在于廢棄煤礦的規(guī)則和不規(guī)則孔裂隙空間中，以吸附態(tài)存在于礦井殘留煤炭及圍巖有機(jī)質(zhì)中，以水溶態(tài)存在于廢棄煤礦井水中，并以前兩者為主，水溶態(tài)賦存量極少。

有潛在利用價(jià)值的廢棄煤礦煤層氣資源的形成，必須具備以下幾個(gè)條件：①煤層原始甲烷含量值高，應(yīng)不小于地面開(kāi)采煤層氣的下限值，通常為高瓦斯礦井。②煤層埋藏深度足夠大，保證煤層原始甲烷含量值足夠高和采礦形成的“上三帶”(垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶)不導(dǎo)通地表。③導(dǎo)水裂隙帶之上有足夠厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖封閉蓋層。④構(gòu)造簡(jiǎn)單，利于甲烷保存。⑤水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水積聚緩慢或無(wú)積聚。

廢棄煤礦煤層氣資源在達(dá)到一定單位含量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模時(shí)，能夠通過(guò)井筒預(yù)埋管、地面鉆井以自然排放、人工抽放方式加以利用，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等已經(jīng)有多年實(shí)踐，我國(guó)也有相關(guān)研究和探索。如：

孟召平等(2016)[18]對(duì)山西晉煤集團(tuán)晉圣煤礦采空區(qū)煤層氣資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣資源豐富，井田面積6.5km2，二疊系山西組3號(hào)煤層煤層氣總資源量為5.871 7×108m3。于志軍[29](2017)以烏蘭煤礦為依托，分析了呼魯斯太礦區(qū)烏蘭煤礦地質(zhì)特征及目前瓦斯抽采現(xiàn)狀，開(kāi)展廢棄礦井外瓦斯地面抽采及資源化利用研究。李振(2018)[19]以山西省晉煤集團(tuán)沁水煤田廢棄老空區(qū)為研究對(duì)象，科學(xué)界定廢棄礦井老空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣空間概念、分析了老空區(qū)煤層氣來(lái)源、綜合不同類型老空區(qū)煤層氣儲(chǔ)氣空間等，確定最佳鉆井位置的最佳井位，在晉煤集團(tuán)老空區(qū)煤層氣抽采中應(yīng)用，取得了良好的抽采效果。

3.4 廢棄煤礦水資源

廢棄煤礦水資源為通過(guò)地表滲漏、地下含水層徑流匯聚于廢棄煤礦地下空間，與煤巖體存在一定物質(zhì)交換，在達(dá)到一定規(guī)模、水質(zhì)條件下，能夠加以利用的水資源。

廢棄煤礦水資源存在于礦井開(kāi)采形成的規(guī)則空間、不規(guī)則孔裂隙中以及由采礦空間導(dǎo)通串層的低于礦井水位的含水層中。

有潛在利用價(jià)值的廢棄煤礦水資源的形成，必須具備的條件有：①?gòu)U棄煤礦位于區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面之下；②開(kāi)采煤層之上有至少一層一定富水性的含水層或地表水體存在；③廢棄煤礦處于地下水系統(tǒng)徑流匯水條件較好的位置(如徑流帶或匯集、排泄區(qū))；④采礦活動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙帶或煤礦存在的構(gòu)造，能夠?qū)簩禹數(shù)装鍑鷰r中存在的含水層或地表水滲漏帶。

廢棄煤礦水資源在達(dá)到一定規(guī)模和水質(zhì)要求時(shí)，能夠直接和間接加以利用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多年實(shí)踐，近年來(lái)我國(guó)相關(guān)研究和探索實(shí)踐正在加深加強(qiáng)。如：

顧大釗(2015)[30]為保障煤礦安全，解決將大量礦井水外排地表蒸發(fā)損失的問(wèn)題，提出了“導(dǎo)儲(chǔ)用”為核心的煤礦地下水庫(kù)地下水保護(hù)利用理念，研究開(kāi)發(fā)了涵蓋煤礦地下水庫(kù)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的技術(shù)體系，并在神東礦區(qū)成功建設(shè)了示范工程，累計(jì)建成32座煤礦地下水庫(kù)，為礦區(qū)提供了95%以上用水，且實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期低成本安全穩(wěn)定運(yùn)行；峰峰集團(tuán)將關(guān)閉礦井水作為生態(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。

3.5 廢棄煤礦地?zé)豳Y源

廢棄煤礦地?zé)豳Y源為賦存于廢棄煤礦氣、水載體中，在具備一定溫度、規(guī)模和持續(xù)性時(shí)，具有潛在利用價(jià)值的地?zé)崮苜Y源。

廢棄煤礦地?zé)豳Y源以礦井地下空間中的氣、水為載體，并能通過(guò)直接抽取或換熱方式加以利用。

有潛在利用價(jià)值的廢棄煤礦地?zé)豳Y源的形成，必須具備的條件有：①煤礦處于大地?zé)崃髦?、地溫梯度高異常區(qū)或深大斷裂導(dǎo)熱帶；②開(kāi)采煤層埋藏深度足夠大；③廢棄煤礦地下空間積聚有較大規(guī)模，有一定穩(wěn)定性的氣、水體；④圍巖封閉條件好，有利于保持地溫。

廢棄煤礦地?zé)豳Y源在達(dá)到一定條件和規(guī)模時(shí)，能夠通過(guò)一定技術(shù)方法加以利用，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和探索開(kāi)展較少。

4 結(jié)論

1)廢棄煤礦為由于煤炭資源枯竭或開(kāi)采經(jīng)濟(jì)技術(shù)不合理、安全生產(chǎn)無(wú)保證、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、去產(chǎn)能政策等原因而停止開(kāi)采、放棄開(kāi)采并依一定程序關(guān)閉的煤礦。

2)廣義的廢棄煤礦資源應(yīng)包括賦存匯聚于廢棄煤礦地下的資源、依附地表或土地而存在的資源和綜合地下地表開(kāi)發(fā)的工業(yè)旅游資源。狹義的廢棄煤礦資源有煤炭、煤層氣、水、地?zé)帷⒌叵驴臻g五種資源。其中除地下空間資源外均為礦產(chǎn)資源，煤炭、地下空間資源必然存在于所有廢棄煤礦中，煤層氣、水、地?zé)豳Y源的賦存匯聚必須滿足各自的特定條件。

3)廢棄煤礦煤炭、地下空間、煤層氣、水、地?zé)豳Y源既受煤層原始賦存條件控制(煤層埋深、厚度及其變化、地質(zhì)構(gòu)造及其演化、水文地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)及含量、地溫值)，也受煤礦的開(kāi)采方式方法、開(kāi)采強(qiáng)度及回采率的控制。