吉 莉，劉 峰，尚建選，董霽紅，黃艷利

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，北京 100013；4.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步起到巨大推動(dòng)作用[1-2]。但同時(shí)礦產(chǎn)開(kāi)采導(dǎo)致的地質(zhì)擾動(dòng)及災(zāi)害、地形地貌、自然景觀、生態(tài)環(huán)境、土質(zhì)水系、人居安全健康等方面的負(fù)面效應(yīng)已在經(jīng)濟(jì)及工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家、地區(qū)受到高度重視[3-4]，大量低效、污染的礦山企業(yè)被迫淘汰并引發(fā)關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型理念、機(jī)制、規(guī)范與實(shí)踐創(chuàng)新[5]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年世界范圍內(nèi)關(guān)閉/廢棄礦山的數(shù)量超過(guò)100多萬(wàn)座[6]，主要分布在北美、歐洲、南非、澳洲和東亞等地區(qū)。僅以加拿大安大略省為例，約有6 000座報(bào)廢礦井和近7 000座采空采石場(chǎng)和露天礦井[7]。自20世紀(jì)中葉開(kāi)始，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)等采礦業(yè)發(fā)達(dá)或地下空間開(kāi)發(fā)技術(shù)相對(duì)先進(jìn)的國(guó)家率先開(kāi)展了礦山關(guān)閉研究與實(shí)踐熱潮[8]，有效地降低了礦山關(guān)閉帶來(lái)的不利影響和沖擊。進(jìn)入21世紀(jì)，在全球關(guān)閉礦山數(shù)量急劇增加的現(xiàn)實(shí)壓力以及可持續(xù)發(fā)展與綠色經(jīng)濟(jì)理念推動(dòng)下，國(guó)際組織和相關(guān)學(xué)者針對(duì)廢棄礦山與資源能源再生利用研究與實(shí)踐逐步拓展，積累了大量廢棄礦山轉(zhuǎn)型模式案例、理論體系和法律規(guī)范。針對(duì)礦山關(guān)閉造成一定程度的資源浪費(fèi)、資源轉(zhuǎn)型利用率低、生態(tài)環(huán)境受損等突出問(wèn)題，如何科學(xué)開(kāi)發(fā)利用關(guān)閉礦山資源，促進(jìn)資源枯竭型礦區(qū)轉(zhuǎn)型，已成為當(dāng)今世界能源環(huán)境領(lǐng)域的重要議題[9]。

中國(guó)是世界采礦大國(guó)之一，礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲(chǔ)量的礦產(chǎn)多達(dá)148種，各類大中型礦山企業(yè)8萬(wàn)余個(gè)[10]。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)其生命周期終點(diǎn)，也有部分落后產(chǎn)能礦井因開(kāi)采成本高、虧損嚴(yán)重，面臨關(guān)閉或廢棄。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅“十二五”期間就已在全國(guó)范圍內(nèi)淘汰落后煤礦7 100處，淘汰落后產(chǎn)能達(dá)5.5億t/a[11]，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.5萬(wàn)處[12]。以山西省為例，2005—2017年，累計(jì)關(guān)閉退出礦山約3 375座[13]。這些礦井在過(guò)去數(shù)十年的開(kāi)采中，形成大體量的地下空間，傳統(tǒng)的封井措施必然會(huì)造成巨大的地下空間資源浪費(fèi)，致使井下上百億固定資產(chǎn)驟變?yōu)榱鉡14]。

然而針對(duì)關(guān)閉后的礦山應(yīng)如何發(fā)展，如何采用有效的模型方法與技術(shù)手段科學(xué)評(píng)估與管理剩余資源，國(guó)內(nèi)仍缺乏統(tǒng)一的理論框架與參考范例。因此，本文闡述了關(guān)閉礦山地下空間資源類型，針對(duì)不同資源類型給出可用空間估算方法，并從生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益3方面選取指標(biāo)構(gòu)建礦山轉(zhuǎn)型效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得到礦山轉(zhuǎn)型綜合效益最大化。研究可為量化關(guān)閉礦山地下空間資源提供理論基礎(chǔ)與方法參考，并為其他關(guān)閉/廢棄礦井企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型脫困和可持續(xù)發(fā)展提供切實(shí)可行的轉(zhuǎn)型藍(lán)本和參考范例。

1 關(guān)閉/廢棄礦山轉(zhuǎn)型相關(guān)研究

1.1 關(guān)閉/廢棄礦山涵義

國(guó)內(nèi)一般將“關(guān)閉礦山”定義為資源枯竭、地質(zhì)條件復(fù)雜、宏觀調(diào)控、市場(chǎng)影響、經(jīng)營(yíng)狀況等造成的永久性停產(chǎn)礦山企業(yè)[15-16]。此外，也有部分學(xué)者將“關(guān)閉礦山”與“廢棄礦山”、“關(guān)停礦山”概念等同，并將其定義為“因采礦活動(dòng)而導(dǎo)致的原地貌被破壞或者被占用，而產(chǎn)生的露天采礦場(chǎng)、塌陷區(qū)、排土場(chǎng)及尾礦庫(kù)等無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的土地”[17]。國(guó)外對(duì)“關(guān)閉礦山”這一概念有數(shù)個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋，簡(jiǎn)稱閉礦，通常被譯為“closed mine、mine closure、abandoned mine、disused mine、disused mine、shut-down mine”以及“discarded mine”等，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，以“mine closure[18-19]”和“abandoned mine[20-21]”釋義最為普遍。

1.2 關(guān)閉礦山理論方法與技術(shù)體系

國(guó)外礦山多為露天礦，相應(yīng)的礦山關(guān)閉主要涉及環(huán)境保護(hù)、土地復(fù)墾和社會(huì)公眾等問(wèn)題，其中礦區(qū)土地恢復(fù)是核心內(nèi)容，另外，社會(huì)公眾磋商和參與問(wèn)題也需要給予足夠重視。美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞、德國(guó)等國(guó)已經(jīng)歷煤礦大規(guī)模開(kāi)發(fā)和關(guān)閉的過(guò)程，這些國(guó)家非常重視關(guān)閉煤礦理論研究和管理模式的創(chuàng)新，已形成相對(duì)完善的關(guān)閉礦山修復(fù)理論框架和技術(shù)體系[22]，包括閉礦計(jì)劃、利益相關(guān)方參與、財(cái)經(jīng)保障、閉坑方法及標(biāo)準(zhǔn)、采后監(jiān)測(cè)及維護(hù)、責(zé)任交接等核心要素，且礦山關(guān)閉理念貫穿于礦業(yè)項(xiàng)目全生命周期過(guò)程，如圖1所示。

圖1 全生命周期的關(guān)閉礦山框架體系Fig.1 Framework system of closed mines for whole life cycle

國(guó)內(nèi)針對(duì)關(guān)閉礦山理論與技術(shù)體系研究起步較晚，但發(fā)展迅速，涉及內(nèi)容主要包括廢水治理規(guī)劃、固體廢棄物治理規(guī)劃、排土場(chǎng)治理規(guī)劃、氣體災(zāi)害和粉塵防治規(guī)劃、采礦塌陷防治規(guī)劃、礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃、閉礦景觀生態(tài)規(guī)劃等。在長(zhǎng)期探索過(guò)程中，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)學(xué)者針對(duì)關(guān)閉礦山地上/下空間資源化利用理論框架和技術(shù)體系也進(jìn)行了初步探索和研究，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，明確了關(guān)閉礦山資源化利用關(guān)鍵技術(shù)，包括關(guān)閉礦山長(zhǎng)期安全評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期環(huán)境評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)、開(kāi)拓巷道空間利用技術(shù)等。

圖2 國(guó)內(nèi)關(guān)閉礦山資源利用理論框架與技術(shù)體系Fig.2 Theoretical framework and technical system of resource utilization of closed mines in China

2 關(guān)閉礦山地下空間資源定量評(píng)估

2.1 關(guān)閉礦山地下資源類型特征

2.1.1 關(guān)閉礦井地下資源類型

關(guān)閉礦山地下資源種類眾多，主要包括空間資源、井下設(shè)備、殘留煤炭資源等，見(jiàn)表1。井下空間主要有井筒、巷道、硐室及采空區(qū)等空間資源。井下設(shè)備主要包括井下采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等。我國(guó)90%以上礦井為井工礦，煤炭資源的開(kāi)采導(dǎo)致覆巖含水層破壞，為保證安全生產(chǎn)，礦井水必須大量排出，若這些礦井水不加處理直接排出，會(huì)污染地表湖泊、河流、水庫(kù)、池塘等，導(dǎo)致地表生態(tài)環(huán)境惡化。同時(shí)關(guān)閉煤礦還有因開(kāi)采需要而殘留的煤炭資源。因此，隨著關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量的大幅度增加，解決關(guān)閉礦井資源的轉(zhuǎn)型利用問(wèn)題迫在眉睫。

表1 關(guān)閉礦井地下資源類型Table 1 Types of underground resources in closed mines

2.1.2 關(guān)閉礦山地下空間類型

煤礦閉井后通常會(huì)形成各類地下空間，這些地下空間包括工作面原有生產(chǎn)系統(tǒng)形成的各類井巷及煤炭開(kāi)采形成的各種采空區(qū)。

①井筒：是礦井通往地面的主要進(jìn)出口，其斷面大小決定了礦井用途、井型、服務(wù)年限，在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中為井下提供各種動(dòng)力支持和生命保障[23]。②巷道：是地表與礦體間鉆鑿出的各通路，用來(lái)運(yùn)煤、通風(fēng)、排水、行人及為設(shè)備采出煤炭開(kāi)鑿的各種必要準(zhǔn)備工程[24]。③硐室：在設(shè)計(jì)之初通常會(huì)采用高強(qiáng)度的支撐材料和特殊的結(jié)構(gòu)形式，因此服務(wù)年限較長(zhǎng)，礦井關(guān)停后，未來(lái)空間利用率較高。④采空區(qū)：由人為挖掘產(chǎn)生的“空洞”，采空區(qū)的存在使礦山安全生產(chǎn)面臨很大的安全問(wèn)題[25]。

2.2 井下巷道可利用空間估算

巷道斷面形狀主要包括半圓拱形、圓形拱形和梯形，形狀規(guī)則見(jiàn)表2[26]，井下不同類型巷道可利用空間可根據(jù)式(1)計(jì)算：

表2 不同類型巷道規(guī)格及斷面計(jì)算Table 2 Different types of roadway specifications and section calculatiuon

(1)

式中：V為巷道可利用空間；S為巷道凈斷面積；L為巷道長(zhǎng)度；i為巷道條數(shù)。

2.3 煤礦采空區(qū)可利用空間估算

1)煤炭采出體積V。煤炭采出體積V、地表沉陷體積V1、巖石卸壓膨脹體積V2及工作面采空區(qū)地下空間體積V3存在如式(2)的關(guān)系[27]：

V=V1+V2+V3

(2)

煤炭采出體積V可根據(jù)每年煤炭產(chǎn)量除以平均密度計(jì)算。

2)地表沉陷體積V1。地表沉陷體積V1與地表下沉系數(shù)η相關(guān)[28]，如式(3)所示：

V1=Vη

(3)

3)巖石卸壓膨脹體積V2。巖石卸壓膨脹體積V2可根據(jù)地下空間總量與膨脹系數(shù)K計(jì)算[29]，如式(4)所示：

V2=V3K

(4)

4)工作面采空區(qū)地下空間體積V3。

V3=V-V1-V2=V-Vη-V3K=

(5)

2.4 井下殘留煤炭資源估算

根據(jù)垂直剖面法計(jì)算保安煤柱，繼而計(jì)算殘余煤炭資源量[30]，具體計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中：M為估算煤柱資源量；D為煤柱寬度；L為估算煤柱長(zhǎng)度；H′為煤層厚度；λ為煤的容重；i′為煤柱數(shù)量。

3 關(guān)閉礦山地下空間轉(zhuǎn)型利用路徑

3.1 不同資源利用模式

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山轉(zhuǎn)型研究較多，通過(guò)分析總結(jié)，礦山地下轉(zhuǎn)型主要有3個(gè)模式，包括地下資源再利用模式、生態(tài)發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)利用模式。地下資源再利用模式包括礦產(chǎn)資源再利用模式、水資源再利用模式、可再生能源利用模式、可再生能源儲(chǔ)存模式、地?zé)豳Y源利用模式；生態(tài)發(fā)展模式包括地下特種養(yǎng)殖、地下農(nóng)業(yè)、生態(tài)景觀模式；經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)利用模式包括礦業(yè)旅游開(kāi)發(fā)模式、地下倉(cāng)儲(chǔ)模式、地下實(shí)驗(yàn)室、地下療養(yǎng)中心、地下工業(yè)模式。礦山地下空間利用模式具體內(nèi)容見(jiàn)表3[31-33]。每一種利用模式需要礦山滿足不同的條件，如德國(guó)巴特-克勞伊次納赫小城利用一個(gè)汞礦的天然放射性氡氣建立了世界上第一條地下氡氣通道，使用氡氣給游客治病。同時(shí)隧道內(nèi)還設(shè)有不同溫度的療養(yǎng)區(qū)，游客可嘗試“放射性蒸汽浴”。

表3 關(guān)閉礦山地下空間利用模式Table 3 Utilization mode of underground space in closed mines

3.2 關(guān)閉礦山地上/下綜合轉(zhuǎn)型方案選擇依據(jù)

根據(jù)礦井地下工程情況、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、地表變形、地下空間體積、關(guān)閉礦山年限、采掘方式、區(qū)域發(fā)展排名、閉礦后維持人數(shù)、區(qū)域特色，選擇轉(zhuǎn)型方案，使轉(zhuǎn)型后的發(fā)展更加符合當(dāng)?shù)貙?shí)際。如地下觀光旅游開(kāi)發(fā)對(duì)礦山地質(zhì)條件有一定要求，需要礦山圍巖穩(wěn)定，支護(hù)條件好，適合具有一定規(guī)模，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定且安全系數(shù)較高，區(qū)位條件較為便捷的關(guān)閉礦山試行；地下存儲(chǔ)對(duì)礦井深度、礦區(qū)及周圍地質(zhì)構(gòu)造有較高要求，如果利用礦井的巷道、硐室等井下空間，其穩(wěn)定性和使用壽命也是必須考慮的因素，存放放射性廢物等工業(yè)廢物時(shí)，還需考慮放射性廢物與周圍巖層環(huán)境是否會(huì)產(chǎn)生理化反應(yīng)、廢物存放環(huán)境可能發(fā)生的變化等因素；地下能源及伴生能源的開(kāi)發(fā)除了要考慮礦山自身資源稟賦、地質(zhì)條件外，還要考慮市場(chǎng)導(dǎo)向。礦區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量較好、交通便利、基礎(chǔ)設(shè)施完善且附近有成熟景區(qū)的關(guān)閉礦山應(yīng)以休閑度假模式為轉(zhuǎn)型利用方向；采煤塌陷區(qū)容易造成積水的廢棄礦區(qū)應(yīng)以濕地恢復(fù)為主；地理區(qū)位差、復(fù)墾對(duì)土地資源數(shù)量改善有限、開(kāi)采面無(wú)特殊景觀價(jià)值、新景觀資源也無(wú)法拓展的廢棄礦區(qū)應(yīng)首選植被恢復(fù)模式。關(guān)閉礦山可選擇的轉(zhuǎn)型方案并不單一，綜合效益最大化是方案選擇的標(biāo)準(zhǔn)。

礦山轉(zhuǎn)型綜合效益是指礦山企業(yè)為了尋求可持續(xù)發(fā)展，將廢棄礦井資源充分利用，再因地制宜轉(zhuǎn)型為其他發(fā)展模式過(guò)程后產(chǎn)生的多種效益，具體可劃分為生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[34]。

生態(tài)效益是指關(guān)閉礦井通過(guò)開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善，主要表現(xiàn)在涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化環(huán)境等方面[35]。經(jīng)濟(jì)效益是最易獲取的數(shù)據(jù)和進(jìn)行量化的效益，主要來(lái)自于工業(yè)文化旅游，衡量指標(biāo)為礦山轉(zhuǎn)型投產(chǎn)初期政府的補(bǔ)貼、發(fā)展工業(yè)旅游后各景點(diǎn)門(mén)票收入及旅游業(yè)帶動(dòng)當(dāng)?shù)夭惋嫎I(yè)發(fā)展的餐飲收入。社會(huì)效益是某種社會(huì)活動(dòng)所產(chǎn)生的社會(huì)效果和影響，是一種間接效益。社會(huì)效益需要借助社會(huì)活動(dòng)才能反饋于社會(huì)，衡量指標(biāo)主要為擴(kuò)大就業(yè)、提升城市形象、提高發(fā)展水平這3方面。

3.3 關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)估需要依賴合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，科學(xué)設(shè)置評(píng)估指標(biāo)是客觀評(píng)價(jià)與反映礦山轉(zhuǎn)型綜合效益高低的重要基礎(chǔ)。這些評(píng)估指標(biāo)可反映礦區(qū)轉(zhuǎn)型過(guò)程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，還可以反映礦區(qū)在轉(zhuǎn)型時(shí)的多目標(biāo)特征，如追求綜合效益最大化。

3.3.1 指標(biāo)體系的構(gòu)成

合理的關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)估指標(biāo)體系是基于關(guān)閉/廢棄礦山轉(zhuǎn)型發(fā)展的基礎(chǔ)理論，運(yùn)用全面的評(píng)價(jià)方法與手段，從多維度、多方面選取能夠反映礦山轉(zhuǎn)型帶來(lái)綜合效益的相關(guān)指標(biāo)。首先，按經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益3個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)科學(xué)、可行的原則選擇合適指標(biāo)，最后構(gòu)建詳細(xì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)選取時(shí)需堅(jiān)持指標(biāo)體系構(gòu)建原則，廣泛參考國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者的相關(guān)研究，結(jié)合礦山轉(zhuǎn)型應(yīng)用實(shí)踐，選擇具有代表性的典型礦山轉(zhuǎn)型項(xiàng)目，挑選并逐步細(xì)分指標(biāo)。

3.3.2 指標(biāo)體系的權(quán)重確定

評(píng)估指標(biāo)體系中每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重賦值對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型綜合效益尤為重要。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的決策方法，該方法與綜合效益評(píng)估指標(biāo)體系特點(diǎn)相吻合，能夠?qū)υu(píng)估指標(biāo)進(jìn)行合理賦權(quán)，因此采用層次分析法計(jì)算各類指標(biāo)權(quán)重[36]。兩兩比較每一層次中各元素來(lái)判斷元素的相對(duì)重要性，構(gòu)造判斷矩陣。通過(guò)計(jì)算，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的總體排序。

3.3.3 礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)模型

1)分析綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)中各因素間的相互關(guān)系，構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)模型。評(píng)估指標(biāo)體系包括3部分，第1部分是目標(biāo)層(D)，只有一個(gè)因素，反映礦山轉(zhuǎn)型綜合效益的水平；第2部分是準(zhǔn)則層(P)，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層的中間環(huán)節(jié)，包含生態(tài)效益指標(biāo)P1、社會(huì)效益指標(biāo)P2、經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)P3；第3部分是指標(biāo)層(A)，包含涵養(yǎng)水土a11、凈化水源a12、凈化環(huán)境a13、擴(kuò)大就業(yè)a21、提升城市形象a22、提高發(fā)展水平a23、政府補(bǔ)貼a31、門(mén)票收入a32和餐飲業(yè)發(fā)展a33在內(nèi)的9個(gè)描述性和評(píng)估性指標(biāo)。礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure chart of comprehensive benefit of evaluation index system for mine transformation

2)兩兩比較同一層次中要素與上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性，形成矩陣進(jìn)行判斷。n個(gè)因素對(duì)準(zhǔn)則P的相對(duì)權(quán)重C，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

3)被比較的因素對(duì)某一準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重采用判斷矩陣計(jì)算。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷獲得各指標(biāo)值，將指標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)值相乘，得到轉(zhuǎn)型方案的綜合效益值，選擇綜合效益最大值的方案作為礦區(qū)轉(zhuǎn)型的最佳路徑。

4 渭河流域某礦地下資源評(píng)估與再利用途徑

4.1 渭河流域某礦地下空間資源概況

渭河流域某礦井關(guān)閉后，井下資源種類眾多，其中，井下可用空間主要包括主副斜井井筒，一水平運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷，井底車場(chǎng)、中央水泵房和通道、材料庫(kù)等硐室，以及井下殘留煤炭資源。

礦井主斜井凈寬4.0 m，凈高3.2 m，凈斷面積11.1 m2，斜長(zhǎng)820 m。副斜井凈寬4.4 m，凈高3.25 m，凈斷面積12.2 m2，斜長(zhǎng)561 m。根據(jù)計(jì)算可得該礦山井下可利用空間為1.18×105m3。包括：①礦井井筒可利用空間約為1.6×104m3。②一水平運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷可利用空間約為8.1×104m3。③井底車場(chǎng)及主要硐室可利用空間約為2.1×104m3。

此外，該礦區(qū)遺留煤炭資源主要包括井田內(nèi)鐵路和河流、水庫(kù)、工業(yè)廣場(chǎng)及村莊保護(hù)煤柱、工作面保護(hù)煤柱，經(jīng)計(jì)算總殘留煤炭資源量達(dá)5 600萬(wàn)t。礦區(qū)地表無(wú)明顯變形，地下工程完全停滯，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)屬于低易發(fā)區(qū)，地表水系和地下水較為豐沛，采掘方式為斜井開(kāi)拓，距離縣城145.5 km，關(guān)閉礦山年限3.8 a?；诘V區(qū)地下資源概況，該礦區(qū)地下資源轉(zhuǎn)型可選方案為地下倉(cāng)儲(chǔ)和井下旅游。

4.2 渭河流域某礦轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)

4.2.1 層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)該礦井的資源特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)指標(biāo)選取，設(shè)計(jì)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

4.2.2 建立判斷矩陣并確定權(quán)重

根據(jù)綜合效益評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，建立判斷矩陣；利用層次分析法得到各指標(biāo)的權(quán)重分配，見(jiàn)表4。

表4 礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總Table 4 Weight of evaluation index of comprehensive benefit for mine transformation

4.2.3 確定評(píng)價(jià)因素

根據(jù)廢棄礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)：

Z=(P1，P2，P3)=(生態(tài)效益指標(biāo)，社會(huì)效益指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo))，其中，Z為轉(zhuǎn)型綜合效益。P1=(a11，a12，a13)=(涵養(yǎng)水源，保持水土，凈化環(huán)境)，P2=(a21，a22，a23)=(擴(kuò)大就業(yè)，提升城市形象，提高發(fā)展水平)，P3=(a31，a32，a33)=(政府補(bǔ)貼，門(mén)票收入，餐飲業(yè)發(fā)展)。

4.3 地上/下綜合轉(zhuǎn)型方案效益

4.3.1 礦山轉(zhuǎn)型方案

根據(jù)該礦的區(qū)域位置和資源特征，提出3種地上+地下的轉(zhuǎn)型方案。

1)礦山公園+度假村模式。礦區(qū)內(nèi)部配套設(shè)施完善，地理位置優(yōu)越，交通便利，周邊擁有配套設(shè)施景區(qū)，根據(jù)這些特點(diǎn)將礦區(qū)打造成礦山公園或者旅游度假村進(jìn)行旅游資源開(kāi)發(fā)。該轉(zhuǎn)型方案不僅可以體現(xiàn)礦業(yè)發(fā)展史內(nèi)涵，還可以保護(hù)工業(yè)遺跡。

2)礦山公園+礦山博物館。礦區(qū)經(jīng)長(zhǎng)期開(kāi)采，形成了豐富的工業(yè)遺跡和人文歷史，礦區(qū)內(nèi)設(shè)備保存完備，將礦區(qū)轉(zhuǎn)型成集礦山公園和礦山博物館為一體的模式，具備研究?jī)r(jià)值和教育功能。從礦業(yè)遺跡展示、公園綜合服務(wù)、科教互動(dòng)體驗(yàn)等功能出發(fā)，建立國(guó)家礦山公園和礦山博物館。

3)礦山博物館+地下物資儲(chǔ)備。礦區(qū)地下空間資源豐富，利用礦井的特殊性質(zhì)，可將礦井地下空間打造成地下溫室，用來(lái)儲(chǔ)存和保鮮蔬菜水果、養(yǎng)殖和種植特種動(dòng)植物(如適合在陰暗潮濕的環(huán)境中生長(zhǎng)的動(dòng)植物)、或者儲(chǔ)藏特種物質(zhì)；也可進(jìn)行地下水庫(kù)建設(shè)和礦井地下水儲(chǔ)存利用，解決西部地區(qū)實(shí)際難題。同時(shí)發(fā)展礦山博物館模式，將地上和地下空間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有效推動(dòng)礦區(qū)轉(zhuǎn)型。

4.3.2 礦山轉(zhuǎn)型綜合效益

根據(jù)該礦的資源概況分析可知，其轉(zhuǎn)型利用符合礦業(yè)旅游開(kāi)發(fā)要求，依托周邊旅游景區(qū)，該礦既可以做礦山公園，也可以利用礦區(qū)閑置建筑改建為休閑度假場(chǎng)所。不同開(kāi)發(fā)利用模式帶來(lái)的綜合效益不同，綜合效益最大化是具體利用方案選擇的關(guān)鍵。利用層次分析法分析3種轉(zhuǎn)型模式帶來(lái)的綜合效益，尋求該礦最佳轉(zhuǎn)型方案。各指標(biāo)效益值如圖4所示。

圖4 渭河流域某礦不同轉(zhuǎn)型方案指標(biāo)效益數(shù)據(jù)Fig.4 Benefit under different transformation schemes of mine in Weihe River Basin

由圖4可知，3種轉(zhuǎn)型方案中，礦山博物館+地下物資儲(chǔ)備帶來(lái)的環(huán)境效益最高；礦山公園+礦山博物館帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益最高。采用平均值描述各效益指標(biāo)值，見(jiàn)表5。根據(jù)表5得到各個(gè)指標(biāo)效益值及權(quán)重，據(jù)此計(jì)算不同方案下的綜合效益。經(jīng)計(jì)算，礦山公園+度假村模式的綜合效益Z1=3.623，礦山公園+礦山博物館的綜合效益Z2=3.748，礦山博物館+地下物資儲(chǔ)備庫(kù)的綜合效益Z3=3.551。通過(guò)比較，礦山公園+礦山博物館的綜合效益最大，因此，渭河流域某關(guān)閉礦山的最佳轉(zhuǎn)型方案為礦山公園+礦山博物館。

表5 不同轉(zhuǎn)型方案效益Table 5 Benefit of different transformation schemes

5 結(jié) 語(yǔ)

關(guān)閉/廢棄礦山地下空間轉(zhuǎn)型利用是礦井資源變廢為寶的關(guān)鍵措施，對(duì)我國(guó)實(shí)施綠色低碳循環(huán)發(fā)展具有重大意義。研究劃分了關(guān)閉礦山地下資源類型，提出不同類型井下空間計(jì)算方法和殘留煤炭資源估算方法，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)3方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，建立礦山轉(zhuǎn)型綜合效益評(píng)價(jià)模型，并以渭河流域某關(guān)閉礦山為例，定量評(píng)估該礦山地下空間資源，給出了礦山最佳轉(zhuǎn)型方案。研究響應(yīng)了國(guó)家2030年碳達(dá)峰的政策綱領(lǐng)，基于“增匯減源”的轉(zhuǎn)型路徑解決了關(guān)閉礦山企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，有效提高了礦山資源全生命周期利用效率，引領(lǐng)關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型發(fā)展新方向，為貫徹落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提供新思路。

我國(guó)關(guān)閉礦山成功轉(zhuǎn)型數(shù)量比例較低，部分轉(zhuǎn)型產(chǎn)業(yè)如地下醫(yī)療、地下國(guó)防利用等尚待突破，打造關(guān)閉礦山生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵科技尚待研究，關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型在空間、數(shù)量、新科技運(yùn)用上均有繼續(xù)探索的空間。在碳達(dá)峰和碳中和背景下，我國(guó)應(yīng)積極發(fā)展多元化關(guān)閉礦山轉(zhuǎn)型利用方向，將科技創(chuàng)新與制度保障相結(jié)合，加快關(guān)閉礦山綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型。