關閉礦井地上/下資源定量評估與轉型路徑探討

郭亞超， 王 鵬， 董霽紅

(1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇徐州 221116； 2.西安科技大學安全科學與工程學院，西安 710077；3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，西安 710077； 4.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州 221116)

0 引言

關閉礦井是指礦山企業由于服務年限期滿、資源枯竭等原因停止開采活動。隨著我國傳統產業去產能、去庫存政策的提出[1-2]，關閉礦井數量逐年增加。據統計，從2014 年1月至2016 年12月全國關閉礦井達2 858處，合計產能35 686萬t/a[3]。在經歷了數十年的開發，這些礦井形成了巨大的井上下空間。礦井關閉后，這些空間若不加以轉型利用，將造成空間資源的廢棄，同時造成殘留煤炭資源的浪費，加之環境污染，將成為重大的潛在地質隱患[4-5]。

西方采礦業較發達國家的學者在20 世紀中葉就對關閉礦井轉型升級進行了研究，并取得了一些成功案例[5]。近年來，我國許多關閉礦井建立了國家礦山公園，如棗莊中興國家礦山公園、大同晉華宮井下探秘區[3]、唐山開灤國家地質公園[6]等，但在煤礦空間利用方面整體還處于起步階段。我國學者在研究國內外關閉礦井利用現狀的基礎上，提出了關閉礦井轉型升級構想體系，闡述了關閉礦井資源轉型利用的新方向[7-12]。這些成果為關閉礦山轉型發展提供了思路借鑒，但對關閉礦井殘留煤炭資源、地上/下空間資源等詳細估算方面還需深入研究[13-18]。本文以陜西朱家河中型礦井為例，定量評估地上/下殘留煤炭資源以及空間資源，探討關閉礦井地上/下資源轉型發展新路徑，為關閉礦井實現轉型升級與資源利用提供基礎。

1 關閉礦井地上/下資源特征與類型

關閉礦井地上/下資源種類眾多，分析地上/下資源特征與類型，將各種資源進行歸類，是實現地下資源整體規劃，地上資源統籌發展，礦區一體化開發的基礎。

1.1 關閉礦井地上/下資源特征

1)地/上下空間巨大，可利用價值高。2014年至2018年下半年，我國關閉礦井達7 516座[3]，地表生產區、生活區、辦公區、輔助生產區以及井下巷道、車場等空間資源較大。

2)設備處置不當，損耗嚴重。全國多數關閉煤礦資產設備處置不當，堆積成片，同時有些地面設備，如主副井井架、主井絞車等未及時有效處理，損耗嚴重。

3)環境問題突出。隨著煤炭資源的開采礦區出現地表塌陷、開裂等嚴重問題。同時排出的礦井水含有毒有害物質，造成地表水、土壤的污染。大量的煤礦關閉后，沒有進行土地復墾和環境治理，矸石山、排土場等打破了綠水青山的格局。

4)煤炭殘留較多，資源浪費問題突出。據相關研究，到2030年我國關閉達15 000處[4]。由于開采條件限制，全國礦井回采率較低，關閉礦井仍然賦存大量煤炭資源。

1.2 關閉礦井地上/下資源類型

關閉礦井資源種類眾多，主要包括空間資源、井上下設備、土地資源、殘留煤炭資源、水資源等等(表1)。隨著關閉礦井的大幅度增加，我國迫切需要解決關閉礦井資源的轉型利用問題[7]。

表1 關閉礦井地上/下資源類型

1.3 研究區概況

陜西煤業化工集團蒲白礦務局朱家河礦井設計生產能力90萬t/a，服務年限62a，礦井自上而下分別為3 煤、5-1煤、5-2煤、6-1煤、10煤。其中 5-2煤為中厚煤層，其余煤層均為薄煤層，煤層傾角不大于10°。礦井劃分兩個水平開采。第一水平標高 +600 m，主要運輸大巷和回風大巷相互平行布置，兩巷間距30 m。第二水平標高+520 m，用集中下山開采第二水平。由于國家去產能政策的要求，2016年8月15日停止原煤生產開始回撤，礦井關閉前，二水平工作還未進行，于2016年11月30日徹底關閉。礦井關閉后，井上/下資源種類眾多，礦井采區布置情況如圖1所示。

圖1 朱家河礦井布置情況Figure 1 Zhujiahe mine layout plan

朱家河礦井地處渭北礦區山區地帶，有著我國煤礦典型特征。朱家河礦井生產中各種設備設施種類齊全，同時地面辦公區、生活區、生產區等地表建筑分區明顯，礦井關閉后井上下空間、設備等維護較好，以朱家河中型礦井為例，進行井上下資源評估，對于預估全國關閉礦井容積，探討轉型發展路徑具有典型代表性。

2 井下可用空間資源估算

礦井關閉后各類資源轉型利用率較低，特別是井下空間資源的開發利用不充分，對關閉礦井地下資源進行高效準確評估，可為地下空間資源整體規劃提供基礎數據。

2.1 不同類型井下可用空間估算

2.1.1 實測估算

礦井生產系統包括開拓巷道、準備巷道、回采巷道，巷道斷面主要有半圓拱形巷道、圓弧拱形巷道、梯形巷道。在地下空間實測估算時， 不同類型巷道總可利用空間可根據下式計算：

(1)

式中：V為估算巷道可利用空間，m3；S為估算巷道凈斷面積，m2；L為估算巷道長度，m。

2.1.2 探地雷達探測估算

隨著探地雷達技術的不斷成熟，由于其在地下空間評估方面有著“快、精、準”的特點而被廣泛應用。對于井下空間探測，可根據待測礦井地下巷道布置平面圖，布置正交網格測線，由于雷達波穿透的介質不同，雷達濾波器接收到的數據就會有差異。在數據解譯和分析時根據電磁波變化判斷巷道邊界，測算出地下空間的尺寸[19-20]。

2.2 井筒可用空間估算

朱家河礦井采用斜井開拓方式，主、副斜井斷面均為半圓拱形巷道。

礦井主斜井凈寬4.0 m，凈高3.2 m，凈斷面積11.1 m2，斜長 820 m。副斜井凈寬4.4 m，凈高3.25 m，凈斷面積12.2 m2，斜長 561 m。由公式(1)可知朱家河礦井井筒可利用空間約為1.6×104m3。

2.3 井底車場及硐室可用空間估算

由于礦井生產的需要，在礦井主要提升井筒和井下主要運輸巷道采用井底車場連接，同時還包括為井下生產服務的各類硐室。根據式(1)對井底車場及硐室有效空間進行估算結果見表2。

由表2 可知，礦井井底車場及主要硐室可利用巷道長度1 609 m左右，井底車場及主要硐室可利用空間大約為2.1×104m3，具有廣闊的利用前景。

表2 井底車場及主要硐室可利用空間估算

2.4 大巷可用空間估算

根據大巷通風、運輸、安全以及維護費用要求，一水平主要運輸大巷和回風大巷斷面凈面積12.3 m2，掘進斷面14.2 m2，巷道長度為3 298 m，根據公式(1)可知，一水平主要運輸大巷和回風大巷可利用空間約為8.1×104m3。

朱家河礦井井下可用空間主要包括主副斜井井筒、井底車場及中央水泵房及通道、材料庫等硐室以及一水平主要運輸大巷和回風大巷，采用實測估算法得到井下總可利用空間約為1.18×105m3。

根據礦井布置圖，布置正交網格測線，采用探地雷達，通過分析雷達濾波器數據，估算得到朱家河地下井筒、車場及硐室、大巷可用空間為1.25×105m3，與實測估算結果相差6.3%，這可能是由于采用探地雷達估算時，雷達信號傳輸到由采動引起的巷道圍巖各種裂隙，甚至采空區裂隙中，使得測算結果偏大。但對于地下空間估算，采用探地雷達仍具有一定的可行性。

3 殘留煤炭資源定量評估

3.1 井下殘留煤炭資源量估算

根據《關于保安煤柱設計時采用移動角的規定》，黃土層α，基巖上山β，下山γ，如圖2所示，根據垂直剖面法計算保安煤柱。計算殘留煤炭資源量，具體可根據公式：

圖2 安全煤柱留設示意圖Figure 2 Schematic diagram of safety pillar setting

(2)

式中：V為估算煤柱資源量，t；D為估算煤柱寬度，m；L為估算煤柱長度，m；H為煤層厚度，m；η為煤的容重，t3·m-3。

3.2 工作面殘留資源量估算

考慮到井下工作面開采方式的不同，根據礦井地質條件以及《礦井工業設計規范》，工作面之間留設不同寬度的安全煤柱， 巖層移動角按黃土層52°，基巖上山70°，下山68°，煤層按水平煤層計算，朱家河井田四個采區共42個工作面進行了開采作業，主要采用炮采及綜采方式，主采煤層厚度為2.6m，工作面間留設20～40m保護煤柱，煤的容重為1.40 t/m3，根據式(2)，工作面煤柱殘留煤炭資源約144萬t(表3)。

表3 工作面殘留資源量估算

3.3 井田內其余殘留煤炭資源量估算

白水河、鐵路以及林皋水庫位于礦區中央，為了礦井安全生產白水河與鐵路以河流最高洪水位線并留有15 m保護煤柱為界，林皋水庫留設覆水區外加15 m保護帶。工業廣場及風井廣場按二級保護，設有選煤廠，工業廣場占地面積12.2 hm2，護圍帶寬10 m；村莊按三級保護，護圍帶寬5 m，井田范圍內較大范圍的村莊有安家大隊、洼里村、姚家村、圣山廟、王莊新村，如圖1所示。同時井田內含有較大斷層，斷層煤柱根據斷層斷距大小留設，斷距比較大的兩側各留50 m煤柱。

在井田邊界留設20m寬度保護煤柱。同時井田范圍內林皋井，安家井和高陽井位于井田中部首采區和接續采區，對于對礦井正常開采影響較大。

由表4 可知，井田內鐵路及河流、水庫、斷層、井田邊界、大巷及風井、小窯采空區、工業廣場以及村莊下壓煤總資源量達5 405.33萬t。

表4 井田內其余煤炭資源估算

朱家河礦井遺留煤炭資源主要包括井田內鐵路及河流、水庫、工業廣場以及村莊保護煤柱，工作面保護煤柱，總殘留資源量達5 600萬t。

4 礦井工業廣場建筑空間估算

礦井工業廣場作為礦井生產必不可少的部分，主要由辦公區、生活區、生產區以及輔助生產區組成，占用大量的土地資源和空間資源，對工業廣場建筑空間進行估算，對實現關閉礦井轉型發展具有重要意義。

4.1 工業廣場建筑空間估算方法

4.1.1 實測估算

通過現場測量方式，得到工業廣場建筑尺寸，對于工業廣場建筑占地面積以可用空間容積主要采用：

(3)

(4)

式中：V為估算建筑可用空間，m3；D為估算建筑物寬度，m2；L為估算建筑物長度，m；H為建筑物高度，m；S為建筑物占地面積，m2。

4.1.2 低空數據快速估算

隨著低空無人機技術的發展[20]，采用低空無人機快速獲取礦區建筑的正射影像，結合數字化測圖方法，實現礦區工業廣場建筑的快速測量，不僅可以達到測量的精度要求，而且具有省時省力、效率高的優點，同時借助 sketchup等軟件進行三維建模，使得礦區建筑容積估算更加客觀、立體化。

采用無人機對于礦區建筑空間容積進行估算流程為：通過無人機對礦區進行航拍，再通過影像鑲嵌將單張正射影像拼接成一張無縫的影像，按一定比例構建礦區建筑三維模型，最后根據建筑控制點測量建筑空間容積大小。

4.2 朱家河礦井工業廣場建筑空間估算

4.2.1 實測估算

朱家河礦井工業廣場地面建筑設施保存都比較完整，辦公區建筑主要包括行政辦公樓、車庫、辦公化驗室等；生活區包括公寓樓、職工餐廳、活動中心、健身房等主要建筑；生產區包括主變室、機修廠、轉運站、篩選車間等以及輔助生產的圓形儲煤場、水處理沉淀池、污水處理間等建筑，通過現場實測統計方式對工業廣場辦公區、生活區、生產區建筑設施進行測量，根據式(3)及(4)對建筑物占地面積及空間容積作出估算，其中辦公區建筑占地面積2 375.7m2，空間容積2.2×104m3；生活區建筑占地面積5 074.8m2，空間容積3.4×104m3，生產區建筑占地面積5 696.2m2，空間容積3.8×104m3；輔助生產區建筑占地面積9 951.6m2，空間容積1.0×104m3，整個工業廣場建筑空間容積達1.04×105m3。工業廣場建筑空間容積占比依次為生產區37%，生活區33%，辦公區21%，輔助生產區為9%。

4.2.2 低空數據快速估算

根據礦區建筑分布特征，對工業廣場范圍進行實地踏勘，詳細分析礦區工業廣場資料，嚴格按照建筑設計規范的要求嚴格設計飛行路線。對朱家河礦區工業廣場進行采樣航拍時，設置航向重疊率為75%，旁向重疊為65%，然后使用網絡RTK模式測量獲取航拍范圍。根據航拍影像中建筑物位置，借助數字化測圖方法測量其相對坐標，進行展點、繪圖，得到工業廣場建筑的精確尺寸。按照《建筑設計規范》，工業廣場建筑按3m高度估算，經無人機航拍數據測量，辦公區建筑空間容積2.0×104m3；生活區建筑空間容積3.6×104m3，生產區建筑空間容積3.88×104m3；輔助生產區建筑空間容積1.2×104m3，整個工業廣場建筑空間容積達1.06×105m3，與實測估算結果相差2%?？梢姴捎脽o人機低空數據隊礦區建筑進行快速評估具有較高的準確性。同時利用sketchup軟件對礦區建筑物進行三維建模，使得礦區建筑容積估算更加客觀、立體化。

以朱家河礦井地面建筑空間為標準，若大型礦井、小型礦井工業廣場建筑空間容積與中型礦井工業廣場建筑空間容積間比例系數按1.2和0.5計算，從2014年初至2016年底，全國關閉礦井2858處，其中小型關閉礦井2 684處，占全國關閉礦井規?？偭康?5.25%，地面建筑空間容積約為1.4×108m3，中型關閉礦井126處，占全國關閉礦井規?？偭康?0.41%，地面建筑空間容積約為1.3×107m3，大型關閉礦井48處，占全國關閉礦井規?？偭康?4.34%，地面建筑空間容積約為0.6×107m3。全國關閉礦井地面建筑總空間容積達1.59×108m3。按此比例，2018年底，全國關閉礦井7 516座，地面建筑空間容積達4.13×108m3;2030年將達15 000處，地面建筑空間容積達8.3×108m3。

5 陜西朱家河中型關閉礦井轉型發展路徑探討與分析

國外對于關閉礦井資源開發利用研究起步較早，近年國內對關閉礦井空間的開發路徑也進行了分析探討，但目前在此方面仍需深入研究，在國內外研究的基礎上，探討關閉礦井資源轉型發展新路徑，對于關閉礦井轉型升級具有重要意義。

5.1 國內外關閉礦井轉型發展路徑探討

德國、英國、芬蘭、比利時等國外采礦業發達國家主要對煤礦、金屬礦、非金屬礦、鹽礦等關閉礦井資源進行了綜合利用，主要利用方式為構建工業旅游景區，建立地下存儲基地，地下氣化及儲氣，地下水庫、打造礦區養殖場、地下實驗室、地下醫療站等[21-22]。

近年來，我國關閉礦井地上下空間資源也得到應用，主要用于礦山公園和礦山博物館、地下儲油、儲氣庫、地下醫院、地下實驗室、地下水庫、地下抽水蓄能發電站、壓縮空氣蓄能發電站、地下小型核電站、地下車庫，礦區新農業、存儲廢物、存儲環境有特殊要求的物品等方面[23-33]。

5.2 陜西朱家河關閉礦井轉型發展路徑分析

5.2.1 井下天然氣存儲空間站

天然氣作為重要的消費能源，國外一些國家開發地下存儲技術，但目前僅在美國、比利時、德國成功的將關閉煤礦作為地下儲氣庫[23-24]。朱家河礦井位于我國“西氣東輸”線路的咽喉地帶，井下可利用空間約為1.18×105m3，基于其地理位置，開發井下儲氣庫，形成西氣東輸陜西地區中轉站，對于西安大都市及周邊地區發展具有重要意義。

5.2.2 井下水庫以及污水處理站

打造井下水庫以及污水處理站不但能夠充分利用礦井水以及周邊地區污水[25-27]，防止礦井水以及污水外排造成的礦區土壤、河流等污染，而且能基于井下水庫建立區域水資源優化配置調控平臺，實現區域尺度水平衡。朱家河礦井地處渭北旱塬，構建井下水庫以及污水處理站可為周圍礦井及周邊地區提供廢水及礦井水處理-存儲-調度平臺，為渭北旱塬反季節供水，緩解區域旱情。

5.2.3 礦區新農業

礦區工業廣場空間為發展礦區新農業提供了清凈，優雅的辦公場所，工業廣場建筑空間容積1.04×105m3，可以充分利用井上空間進行農業新品種的研發。井下空間具有適合植物生長的溫度和濕度條件，礦井關閉后，利用井下巷道構建井下農場，并人為提供植物生長需要的陽光、土壤等，實現井下植物反季節種植。此外，關閉礦井空間可作為厭光動植物、微生物的養殖或者培養空間，實現高產高效、優質和環保健康的農業發展新模式[28]。開發朱家河礦區新農業，不僅可實現區域蔬菜、水果等反季節種植，又打造了西部地區魚、水生動物等井下養殖基地，帶動了區域經濟的發展。

5.2.4 地下空間療養院

礦井地下空間環境能夠為季節性疾病，如氣管炎、季節性過敏、支氣管炎提供恢復和治療場所[29-32]。礦井經過多年的開發，帶動了周圍經濟的快速發展，一般礦區人口較多，經現場調查統計朱家河礦井周邊人口較多，開發礦區療養院，不但能夠為礦區患者提供舒適而熟悉的療養環境，使礦區資源得到充分利用，而且為礦區居民在此提供工作崗位，解決人員失業問題，將產生良好的社會經濟效益。

5.2.5 殘留煤炭資源流態化開采

朱家河礦井總殘留煤炭資源達5 600萬t。構建煤炭井下原位采、選、充、電、氣、熱、輸運一體化流態化開采技術體系[33]，不但解決了資源生產效率低、生態破壞嚴重、煤炭采出率低、運輸消費程序復雜等一系列問題，而且實現煤炭資源開采理念變革。

6 結論

我國關閉礦井數量逐年增加，礦井關閉后的空間資源、井上下設備、土地資源、水資源、殘留煤炭資源等的轉型利用不充分，尤其是空間資源的利用率較低，對關閉礦井資源進行高效準確評估，實現關閉礦井資源轉型成為社會發展的需要。分析了關閉礦井資源特征及類型，提出了采用探地雷達和低空數據關閉礦井資源的估算方法，估算得到朱家河井下可利用空間約為1.18×105m3，工業廣場建筑空間容積達1.04×105m3。2018年底，全國關閉礦井地面建筑空間容積達4×108m3，2020年全國關閉礦井地面建筑空間容積達6.7×108m3，2030年將達到8.3×108m3。驗證了探地雷達以及低空數據在關閉礦井空間資源評估方面的可行性，預估了全國關閉礦井的空間容積。同時，依據保護煤柱留設方式，估算得朱家河礦井總殘留煤炭資源達5 600萬t。

探討了國內外關閉礦井空間轉型發展新路徑，提出了朱家河關閉礦井轉型發展新方向，如構建井下儲氣站、井下水庫，開發礦區新農業，建立地下空間療養院以及殘留煤炭資源流態化開采，形成了礦井轉型發展技術體系，可在關閉礦井資源定量評估及轉型路徑方面提供借鑒。