胡炳南，顏丙雙

(1.煤炭科學研究總院 戰(zhàn)略規(guī)劃研究院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

廢棄礦井可分為兩類：一類是因資源自然枯竭關閉的礦井，一般地，經(jīng)過幾十年開采(特別是黃金十年的高強度開采)，許多煤礦儲量急劇下降，形成資源衰竭型煤礦，進入關閉礦井行列；另一類是近年因過剩產(chǎn)能退出而關閉的礦井[1]。根據(jù)《關于煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》(國發(fā)〔2016〕7號)，我國計劃用3～5a時間，退出產(chǎn)能500Mt左右、減量重組500Mt左右，化解過剩產(chǎn)能將產(chǎn)生大量關閉礦井。

因此，因資源枯竭和淘汰過剩產(chǎn)能關閉的礦井，在“十三五”期間將大幅增加，未來幾年將是我國煤礦關閉的集中期。圖1是根據(jù)歷年生產(chǎn)礦井數(shù)量和近年新建礦井數(shù)量(國家能源局核準礦井)得出的我國關閉礦井數(shù)量變化曲線。2000—2016年，我國關閉礦井至少19106處，且數(shù)量在不斷增加[2]，廢棄礦井潛在地質(zhì)災害問題正加速突顯出來。

圖1 2000—2016年我國關閉礦井數(shù)量變化趨勢

廢棄礦井將會引發(fā)地質(zhì)災害威脅，如地表塌陷、礦井水隱患和矸石山及有毒氣體危害等；也會造成地下資源浪費和地面資源閑置，如礦井井下空間資源(巷道、硐室等)、水氣資源、地面土地、廠房、機器設備等。因此，亟待研究廢棄礦井潛在地質(zhì)災害隱患特征、防控關鍵技術以及廢棄礦井井下資源和地面資源合理利用的主要技術途徑。

1 廢棄礦井潛在地質(zhì)災害

1.1 地表塌陷分析

煤層開采后，上覆巖層形成“三帶”。即開采煤層以上一定范圍的巖層發(fā)生垮落，形成垮落帶；垮落帶以上一定范圍的巖層產(chǎn)生沿水平層面和垂直層面的裂縫和斷裂，形成裂縫帶；裂縫帶以上直至地表的巖層發(fā)生下沉和彎曲，呈現(xiàn)整體移動，形成彎曲下沉帶，如圖2所示。煤礦關閉后，工作面停止開采，地表并沒有立即停止移動，仍會產(chǎn)生緩慢沉降。尤其是因各種原因，井下留設房柱、條帶煤柱、區(qū)段煤柱、防水煤柱、村莊煤柱等的區(qū)域，礦井閉坑后，煤柱在地下水作用下逐漸水解脫落，使得煤柱強度降低，逐漸導致垮塌，進而引發(fā)鄰近煤柱破壞，產(chǎn)生“多米諾骨牌效應”，在地面可能出現(xiàn)突然坍塌，損壞地表建筑物和構筑物，引發(fā)邊坡失穩(wěn)和泥石流等災害。

圖2 工作面煤層開采后上覆巖層“三帶”

1.2 礦井水隱患分析

經(jīng)過幾十年的采礦活動，開采深度和開采面積均達到充分開采，許多含水層組被串聯(lián)導通，水動力場發(fā)生變化，在人為排水條件下礦井成為區(qū)域地下水的排泄中心[3]。一旦礦井關閉，抽排水即停止，采空區(qū)、巷道等開采空間會漸漸充盈，水位大幅抬升，造成鄰礦涌水量增大，深部煤礦礦界煤柱地下水壓增加，對鄰礦的安全生產(chǎn)構成威脅。2000年，江蘇徐州礦區(qū)、湖南資興礦區(qū)因廢棄煤礦停止排水，大量礦井地下水涌入了正在生產(chǎn)的鄰礦[4]。2016年，由于江西豐城礦區(qū)坪湖煤礦(最深開采標高-635m)和建新煤礦(最深開采標高-710m)相繼關閉，停止排水，兩礦地下水位直線上升，地下水壓力作用在相鄰深部開采的曲江煤礦50m隔離煤柱上，對該礦安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。

廢棄礦井地下水通過采動裂隙通道漫溢上升直至地表，也會污染淺層地下水和地表水。例如，某關閉礦礦井水中的礦化度達3996mg/L、硫化物達2300mg/L，污染物嚴重超標。礦井關閉后，不再進行礦井水的抽排和處理，使得廢棄礦井地下水污染周邊巖溶地下水，影響供水井水源。

1.3 礦井矸石山及有毒氣體危害分析

矸石作為煤炭的伴生產(chǎn)物，隨著煤礦開采產(chǎn)出，其產(chǎn)量約占煤炭產(chǎn)量的15%[5]。矸石山一般高達數(shù)十米，直接表現(xiàn)為對景觀破壞；當矸石山邊坡不再維護后，潛在邊坡失穩(wěn)和泥石流風險，威脅周圍農(nóng)田和村莊。自燃的矸石山即直接形成大氣污染，產(chǎn)生的有毒物質(zhì)經(jīng)雨水沖刷流入附近河流、滲入地表，間接引起土地和地下水污染[6-7]。

礦井中，往往還存在以瓦斯(CH4)為主的易燃易爆氣體，這些氣體可致使人員中毒，積聚到一定程度具有爆炸風險。廢棄礦井瓦斯主要通過礦井井筒、裂隙和地表塌陷通道等對外緩慢逸散或突然涌出[8-9]。如：淮南謝一礦，老礦井1949年投產(chǎn)，開采-660m水平以淺資源，新礦井2008年投產(chǎn)，開采-660～-1200m資源。2016年井口加蓋關閉后，隨著水位上升，井下瓦斯在地下水的擠壓下仍然不斷涌出，影響礦區(qū)周圍的大氣環(huán)境，一旦瞬間大量涌出，還會引發(fā)安全事故。

2 廢棄礦井潛在地質(zhì)災害防控

2.1 礦井地表塌陷防控技術

根據(jù)覆巖破壞空間分布與地表移動時間規(guī)律，廢棄礦井井下空間是地表塌陷的原因。隨時間延長，上覆巖層不斷壓實，地表產(chǎn)生緩慢沉陷，存在一定的危害性；但處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的煤柱一旦失效，就會誘發(fā)再次塌陷。特別是在淺部采用刀柱法、房柱式和條帶法開采的采區(qū)，這些煤柱失穩(wěn)是地表突然塌陷的重要因素。

因此，對于地面存在建筑物和構筑物的廢棄礦井采空區(qū)，除采用注漿或廢棄物充填加固措施，控制殘余變形，避免煤柱失穩(wěn)導致的地表突然塌陷外，還應采取措施防止邊坡失穩(wěn)和泥石流等災害，采取避免建筑物和構筑物損壞的加固方案，同時設立觀測站，監(jiān)測地表和建筑物的移動變形，確保安全。

廢棄礦井地表塌陷防控關鍵對策是：對淺部開采、構造復雜和不規(guī)則留煤柱區(qū)域進行針對性調(diào)查；對采煤沉陷區(qū)進行穩(wěn)定性評價、合理規(guī)劃和分類利用；對于興建建筑物和構筑物的區(qū)域，可采取注漿和充填、邊坡增穩(wěn)和防泥石流措施，也可采用建筑物和構筑物抗變形結構加固措施。

2.2 礦井水隱患防控技術

在礦井關閉前，應根據(jù)礦井采空區(qū)與地下水導通情況，有的放矢地進行治理，封堵各種導水通道(比如，回填各類井筒空間、堵塞不同巖層間導水通道等)，防止礦井水隱患和廢水蔓延。礦井關閉后，探查廢棄礦井積水高度和積水區(qū)域，既要保障鄰區(qū)井下安全生產(chǎn)，又要保障廢棄礦井地面安全生產(chǎn)和生活用水需求。

廢棄礦井水隱患防控關鍵對策是：對于生產(chǎn)礦井周邊的廢棄礦井，應進行礦井水隱患源如積水高度和積水區(qū)域變化等針對性調(diào)查；對于廢棄礦井周邊的生產(chǎn)礦井，應分析礦界煤柱強度，保障煤柱防水隔離功能，封堵圍巖裂隙通道，控制越礦涌水量；對于生產(chǎn)礦井，還需要做好制定防控技術預案(設計防水封堵閘門，準備疏排通道與礦井水儲備庫容等)；對于礦區(qū)生活水源，應封堵與廢棄礦井聯(lián)通的導水裂隙通道，隔離各含水層之間的水力聯(lián)系，保證地下水的供給安全。

2.3 礦井矸石山及有毒氣體危害防控技術

矸石山治理的最好方法，是將其充填至煤礦井下，達到控制地表下沉和解放土地占用的雙重目的。地面堆積的矸石山應進行放坡處理，減小堆積坡度至30°以下，分層碾壓矸石，減小內(nèi)部的孔隙率。在矸石山表層覆蓋黃土后再次進行碾壓，創(chuàng)造植物的生存環(huán)境，采用噴播技術實現(xiàn)矸石山綠化。在矸石山坡腳修建擋墻，防止矸石山面積進一步擴大。對于有發(fā)火危險、存在污染物的矸石山，應進行注漿防滅火、防滲防污染、微生物與植物聯(lián)合改良以及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復與重建等技術。有毒氣體危害防控基本方法是對通道特別是井筒進行完全封堵或簡易封堵[10]。如淮南謝一礦2016年停止生產(chǎn)后，對直通地面的淺部井8個井筒和深部井5個井筒進行封蓋式簡易封閉，隔離瓦斯氣體暫時涌出。

礦井矸石山及有毒氣體危害防控關鍵對策是：對于廢棄礦井矸石山，首先是消除污染、其次是景觀生態(tài)復墾；對于廢棄礦井瓦斯，從長遠來看，最好采用將井筒和通道回填壓實的長效根治隔離措施。因為封蓋式隔離，不是有毒氣體危害防控的根本方法。對于瓦斯大的廢棄礦井，隨著礦井地下水的上升，有毒氣體會不斷頂升，氣體不斷壓縮，存在井筒封蓋處或者其他潛在通道突然涌出瓦斯危險。

3 廢棄礦井資源利用

3.1 地下資源利用途徑

地下資源利用主要是地下空間資源再利用、地下水資源利用和地下氣體資源利用，其中最有發(fā)展?jié)摿Φ氖堑叵驴臻g的利用。

在地下空間資源再利用方面，主要有處理廢棄物、儲藏固體物質(zhì)、存儲液體物質(zhì)和改造成旅游景點，如表1。

表1 廢棄礦井地下空間資源利用

(1)處理廢棄物 地下空間具有工作面與開拓巷道、硐室、井底車場、斜井、豎井等殘余空間[11]，可從地面向井下打鉆孔方式，采用風力運輸或水力運輸，充入采空區(qū)。井下空間可處置建筑垃圾、電廠粉煤灰或小粒徑煤矸石、居民生活廚余垃圾等廢棄物質(zhì)。

(2)儲藏固體物質(zhì) 炸藥、雷管、易燃易爆化學藥品、危險氣體等材料具有較高的防火、防爆和防盜要求，地面存儲時一般要遠離城市，占用大量土地且需要修建隔爆和防泄漏設施[12]。利用改造后井下空間，儲藏此類固體材料，安全性更高。

(3)存儲液體物質(zhì) 廢棄礦井具有眾多巷道群和采空區(qū)，其存儲空間已經(jīng)存在，只要進行相應防滲改造，形成人工與煤柱的復合壩體，即可建設地下水庫。1977年，河北省南宮縣建設了第一座地下水庫，蓄水量達4.8×108m3。2010年，神華大柳塔煤礦建成了首個煤礦分布式地下水庫，實現(xiàn)廢棄地下空間的有效利用，還可以用于抽水蓄能電站改造[13]。廢棄礦井的地下空間，是石油尤其軍用油料儲存的理想場所，作為戰(zhàn)略資源儲備，服務于國家能源安全，具備隱蔽性的特征。

(4)改造成旅游景點 廢棄礦井改造成旅游景點在國內(nèi)外均有工程實例。羅馬尼亞圖爾達井下鹽礦是全世界首個將廢棄礦井改建成旅游景點的礦井。1992年改造完成，地面包括圓形露天劇場、運動場、迷你高爾夫球場，以及保齡球道與小型摩天輪等設施。井下鹽礦內(nèi)長年溫度11～12℃，濕度80%，幾乎沒有任何過敏原及細菌，非常適合過敏性呼吸道疾病病人療養(yǎng)。我國大同晉華宮煤礦也進行旅游景點改造，晉華宮煤礦1956年投產(chǎn)，與世界文化遺產(chǎn)云岡石窟隔河相望，交通十分便利，具備旅游開發(fā)潛力和礦業(yè)遺產(chǎn)價值。晉華宮煤礦開發(fā)了國家礦山公園旅游項目，設立井下探秘特色景點(如圖3)，集知識性、趣味性、探險性為一體，游客可乘纜車到達井下300m深處，參觀原始采煤、炮采、普采、高檔普采、綜采和綜合掘進等6個景點。

圖3 晉華宮礦井下探秘景點

在地下水資源利用方面，我國煤礦賦存有豐富礦井水，生產(chǎn)時期一般直接外排[14]。礦井關閉后，一般不人為排放，從而會引發(fā)一些安全隱患。某些條件適合的廢棄礦井地下水，應進行綜合利用。對于含一般懸浮物的礦井水，需采用混凝沉淀技術實現(xiàn)極細粉塵顆粒的去除，經(jīng)消毒處理后，其水質(zhì)一般能夠達到生產(chǎn)使用和生活飲用水標準[15]；對于富含礦物質(zhì)的潔凈礦井水，可經(jīng)簡單清污分流處理后，加工為礦泉水。如徐州新河煤礦礦井水含有豐富的鍶元素，經(jīng)權威部門認證為富鍶礦泉水，由此建立了富鍶礦泉水產(chǎn)業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟效益[16-17]。對于酸性礦井水，一般采用堿性中和劑進行處理，中和后的水一般可以直接排放或作為工業(yè)用水進行使用。

在地下氣資源方面，廢棄礦井地下氣資源主要為礦井瓦斯。廢棄礦井采動裂隙發(fā)育，采動空間附近煤體內(nèi)吸附狀態(tài)瓦斯多轉(zhuǎn)為地下空間的游離氣體，多數(shù)瓦斯被風流帶走或緩慢逸散，其濃度較低[18]。廢棄礦井瓦斯主要來源于未采煤層和保護煤柱。針對廢棄礦井瓦斯資源，我國“十二五”期間進行了廢棄礦井采空區(qū)地面煤層氣抽采技術研究及示范研究，取得明顯成效。截至2016年底，山西晉煤礦區(qū)已建設了27口采空區(qū)煤層氣井，單井日均產(chǎn)量1155m3，累計抽采利用廢棄礦井瓦斯約1.700×107m3。試驗結果得出，常規(guī)垂直井存在施工時經(jīng)過采空區(qū)地層鉆進困難，抽采時單井產(chǎn)量低、瓦斯?jié)舛鹊偷葐栴}，而采用地面復合L型水平井抽采技術，配合煤層增透技術，抽放效果顯著[19]。

3.2 地面資源利用途徑

在國外，德國魯爾區(qū)具有水路、陸路交通優(yōu)勢。過去有煤炭、鋼鐵、重型機械制造三大產(chǎn)業(yè)支撐，在煤礦關閉后，進行了轉(zhuǎn)型利用。如，埃森市12號礦，1986年關閉后改造成為一個歷史性的工業(yè)紀念建筑群：把礦井原鍋爐房改造為紅點設計博物館(圖4)；把礦井洗煤廠改造為藝術展品的展覽館；把機修車間廠房改造為辦公場所，吸引了不少創(chuàng)意設計公司再次入住；把礦井冷卻塔改造為建筑雕塑。12號礦井建筑保護與再利用模式也得到了國際社會的廣泛認同，被聯(lián)合國教育、科學及文化組織認定為世界遺產(chǎn)。魯爾區(qū)規(guī)劃了“工業(yè)遺產(chǎn)之路”，連接了15座工業(yè)城市、25個重要的工業(yè)景點，極為壯觀。

圖4 德國廢棄礦井作博物館

在國內(nèi)，2015年淮北礦業(yè)集團在相城煤礦7個采煤工作面采空區(qū)上方興建了集團辦公中心。該礦第四系厚度平均70.1m，煤層平均埋深97.5m，采厚2.5m，1977—1980年開采。對采空區(qū)進行了注漿處理，注漿材料為水泥和粉煤灰，漿液充填率大于85%。辦公中心主樓底面長85.33m，寬38.67m，地面總高度達100m，目前已安全使用2a，如圖5。廢棄礦井地面土地，更多的是作為農(nóng)、林、牧、漁用地。這些用途，可根據(jù)實際塌陷情況，依據(jù)挖深墊淺原則進行土地復墾及生態(tài)修復，恢復地表植被，避免水土流失。

圖5 淮北沉陷區(qū)建百米高樓

在煤矸石利用方面，目前主要用作充填材料、發(fā)電、建筑材料、化工原料和肥料等。煤矸石作為充填材料已研發(fā)了許多技術，進行了大量工程，取得了良好經(jīng)濟和環(huán)境效益。煤矸石發(fā)電也是重要利用途徑之一。煤矸石可用作建筑材料，用于制磚和作為混凝土骨料，實現(xiàn)了循環(huán)利用和零排放[20]，也可以從煤矸石中提取作為化工原料和肥料的有用礦物質(zhì)。

4 結束語

通過上述分析，可以得出以下幾點結論：

(1)根據(jù)統(tǒng)計，2000—2016年間，我國廢棄礦井至少19106處。關閉礦井數(shù)量不斷增加，使得廢棄礦井問題已成為一個亟待重視的綜合性問題。

(2)對于已閉坑廢棄礦井，需要通過調(diào)查，建立這些礦井的位置、范圍、開采方法、隱患類型等信息數(shù)據(jù)庫，為礦區(qū)生產(chǎn)、生活和環(huán)境安全提供基礎數(shù)據(jù)；對于將要關閉礦井，應提前制定和落實閉坑規(guī)劃，防止地質(zhì)災害安全隱患；對于生產(chǎn)礦井，需做好有針對性的安全防控技術預案，特別要防控礦井水安全隱患。

(3)需要深入研究廢棄礦井地下空間、礦井水、瓦斯、地面土地和煤矸石等資源的綜合利用技術，探索我國礦區(qū)綠色開采和可持續(xù)發(fā)展新途徑。

(4)建議設立廢棄礦井采動區(qū)土地植被、工業(yè)景觀恢復、工民建造、水環(huán)境治理等園區(qū)生態(tài)修復再造課題，進行在地質(zhì)災害防控和資源利用方面具前瞻性的關鍵綜合技術研究和工程示范。