陳中山，楊 彪

（1.河北省煤田地質(zhì)局 物測地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000；2.河北省煤田地質(zhì)局，河北 石家莊 050085）

0 引 言

煤炭資源是我國國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。但煤炭資源開發(fā)在促進國民經(jīng)濟快速增長的同時，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題。隨著煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革深入推進，大量災(zāi)害嚴(yán)重、資源枯竭、產(chǎn)能落后（過剩） 的煤礦陸續(xù)關(guān)閉退出。以河北省為例，為淘汰落后產(chǎn)能，2013—2015 年關(guān)閉煤礦73 處，淘汰落后產(chǎn)能744 萬t。2016 年后，按照國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革部署開始實施化解過剩產(chǎn)能，2016—2020年全省計劃將關(guān)閉煤礦123 處，截止到2019 年底，河北省實際已關(guān)閉煤礦131 處，如圖1 所示。河北省主要礦區(qū)關(guān)閉煤礦多要素綜合調(diào)查成果表明，煤礦關(guān)閉退出后，殘存著規(guī)?？捎^的剩余資源（剩余煤炭、煤層氣、土地、礦井水、地下空間、地?zé)岬龋?，不僅造成資源的浪費，部分殘存資源也易引發(fā)次生災(zāi)害，威脅周邊生產(chǎn)生活安全，同時增加了溫室氣體排放，如圖2 所示。

國外一些工業(yè)發(fā)達國家在20 世紀(jì)初已經(jīng)開始對礦山環(huán)境問題進行密切關(guān)注，它們在進行煤礦開采的同時，就開始研究礦山環(huán)境恢復(fù)治理方面的問題，研究較為廣泛的領(lǐng)域主要集中在廢棄礦山生物種類的多樣性研究、土壤中重金屬在植物中富集、礦山開采對周邊環(huán)境的影響、3S 技術(shù)在土地復(fù)墾以及監(jiān)測和評價中的應(yīng)用、礦山水體污染的修復(fù)等。在20 世紀(jì)中葉開始探索關(guān)閉煤礦資源的再利用問題，積累了瓦斯抽采利用、地下水庫、博物館、礦山地質(zhì)公園、物資儲備庫、地?zé)崆鍧嵗谩⒌叵聦嶒炇?、地下農(nóng)田種植培育以及人防工程等技術(shù)開發(fā)和實踐，開拓了關(guān)閉礦井資源化利用的模式。

圖1 河北省主要關(guān)閉煤礦分布Fig. 1 Distrbution of closed coal mines in main mining areas of Hebei Province

圖2 關(guān)閉煤礦多要素調(diào)查及現(xiàn)狀示意Fig.2 Multi factor investigation and present situation of closed coal mine

我國學(xué)者對煤矸石綜合利用及矸石山綠化方面進行了研究。胡振琪教授提出了利用硫酸鹽還原菌（SRB） 對煤矸石硫污染的修復(fù)技術(shù)、土壤改良的生物技術(shù)和矸石決速熱化技術(shù)等[2]。諸多學(xué)者對礦井閉井后可能產(chǎn)生的地下水污染問題、地下空間利用等方面進行了探討與研究。周建軍等人建立了廢棄礦井淹沒的多種介質(zhì)水流數(shù)學(xué)模型，進行了礦井淹沒過程中涌水實時計算的FEFLOW 模塊設(shè)計和開發(fā)[3]。馮啟言等在全國范圍礦井水調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于評價廢棄礦井地下水污染風(fēng)險的指標(biāo)體系及模型[4]，并以徐州賈汪關(guān)閉礦區(qū)為研究區(qū)域，研究礦井關(guān)閉帶來的水環(huán)境效應(yīng)，并結(jié)合室內(nèi)模擬實驗研究礦井關(guān)閉后礦井水中典型污染物的演化機理。袁亮、謝和平、武強院士等提出了地下空間的利用模式，主要包括供農(nóng)作物、石油、城市垃圾、工業(yè)“三廢”儲藏（存） 與種養(yǎng)殖、汛期攔洪，也可開發(fā)為地下科技原位試驗場、軍事防御工程、療養(yǎng)院、地下城市以及旅游、科教、體閑場所、光伏發(fā)電站等[5-7]。孫亞軍等以徐州礦區(qū)徐礦集團所屬各礦閉坑過程中有關(guān)礦井關(guān)閉前后水害防治、礦井水綜合利用、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)等方面采取的關(guān)鍵技術(shù)措施為基礎(chǔ)，以“綠色閉坑”的理念為指導(dǎo)，開展了系統(tǒng)總結(jié)和凝練，提出了“綠色閉坑”的關(guān)鍵技術(shù)[8]。國內(nèi)外大量研究成果主要集中在礦山環(huán)境恢復(fù)治理、矸石山利用與治理，礦井閉井后主要研究集中在地下水污染、地下空間利用等方面，對如何實現(xiàn)系統(tǒng)的“生態(tài)閉井”研究較少。

1 “生態(tài)閉井”科學(xué)內(nèi)涵

1.1 科學(xué)內(nèi)涵

大多數(shù)煤礦閉井一般采用的措施是在井下設(shè)備拆除后，進行井筒封閉。該處理方式雖然杜絕了非法開采，但在開采過程中形成的或潛在的非煤資源沒有得到有效利用。生態(tài)閉井的基本理念是基于剩余煤炭資源和采煤開采過程中形成的非煤資源的科學(xué)利用及產(chǎn)生的各類生態(tài)破壞和環(huán)境污染等問題提出的，強調(diào)的是剩余煤炭資源、非煤資源的開發(fā)與利用及對礦山生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建，最終實現(xiàn)變廢為寶、化害為利的目標(biāo)。主要體現(xiàn)在“剩余資源（煤炭和非煤資源） 開發(fā)利用”、“生態(tài)修復(fù)、重建”、“安全、環(huán)?！薄ⅰ翱沙掷m(xù)”。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀、水平及發(fā)展趨勢

在20 世紀(jì)50 年代，我國有個別礦山或單位自發(fā)地進行了一些恢復(fù)治理工作，經(jīng)過近多年的自發(fā)摸索，從自發(fā)、零散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪M織的恢復(fù)治理階段。目前國家逐漸重視起礦山景觀治理，2004年國土資源部推出了礦山公園的評審，目的是通過建設(shè)礦山公園，有效地保護礦業(yè)遺跡，推廣礦業(yè)歷史文化，整合礦山廢棄地資源，再造同城市發(fā)展相和諧的景觀，標(biāo)志著我國礦山廢棄地景觀的恢復(fù)改造真正的開展起來。我國關(guān)閉煤礦剩余資源開發(fā)利用起步較晚，研究薄弱，開發(fā)利用主要體現(xiàn)在礦山公園（工業(yè)遺跡）、地下水庫建設(shè)、老采空區(qū)煤層氣綜合利用等方面。

河北省部分煤礦資源類型及利用途徑多樣，其中采煤塌陷區(qū)土地以旅游、礦山公園、積水區(qū)養(yǎng)殖為主導(dǎo)，地下空間（巷道） 以種植為主導(dǎo)，礦井水以濕地公園和地?zé)崂脼橹鲗?dǎo)，煤層氣以抽采瓦斯發(fā)電為主導(dǎo)以及煤矸石以發(fā)電、制磚、充填為主導(dǎo)，見表1。

表1 河北省以往煤礦資源綜合利用統(tǒng)計Table 1 Statistics of past comprehensive utilization of coal resources in Hebei Province

1.3 “生態(tài)閉井”與“綠色閉坑”區(qū)別

“生態(tài)閉井”強調(diào)的是剩余煤炭資源、非煤資源的開發(fā)與利用及對礦山生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建，最終在生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)變廢為寶、化害為利目標(biāo)。體現(xiàn)的是“資源”、“高效利用”、“生態(tài)修復(fù)、重建”、“安全、環(huán)?！薄ⅰ翱沙掷m(xù)”等方面?！熬G色閉坑”強調(diào)的是對煤炭開采造成的事故隱患和對生態(tài)、土地、地下水等造成的負效應(yīng)進行綜合整治，達到消除事故隱患、改善生態(tài)環(huán)境，適應(yīng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生活要求的目的。體現(xiàn)的是“安全”、“生態(tài)”、“生態(tài)可持續(xù)”等方面。

“生態(tài)閉井”內(nèi)涵相比“綠色閉坑”內(nèi)涵增加了“資源”、“高效利用”等內(nèi)容?？梢钥闯觥熬G色閉坑”與“生態(tài)閉井”理念存在一定的差異。

2 生態(tài)閉井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)

針對生態(tài)閉井理念擬解決的主要關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)有地表資源開發(fā)利用技術(shù)、煤層氣（瓦斯） 資源開發(fā)利用技術(shù)、煤炭地下氣化技術(shù)、地下空間開發(fā)利用技術(shù)、礦井水（地?zé)幔?資源開發(fā)利用技術(shù)和地表生態(tài)修復(fù)技術(shù)等。

2.2 主要研究內(nèi)容

2.2.1 地表資源開發(fā)利用

主要以閉井后地表遺留的建筑、土地和煤炭開采過程中產(chǎn)生的大量煤矸石的綜合利用為重點，進行深入研究、利用。

2.2.2 煤層氣（瓦斯） 資源開發(fā)利用

重點是要摸清關(guān)閉煤礦瓦斯災(zāi)害、資源及甲烷逸散和減排潛力情況，在重點地區(qū)推動實施若干個關(guān)閉煤礦瓦斯治理和利用試點工程，逐步建立關(guān)閉煤礦瓦斯災(zāi)害評價、資源預(yù)測、抽采利用技術(shù)體系和政策保障機制。另外，低濃度瓦斯礦井?dāng)?shù)量巨大，但其熱值小，發(fā)電以及民用燃氣無法直接利用，所以低濃度瓦斯利用是提高瓦斯利用率極為重要的一方面。受開采的影響，煤礦的井下基本情況、水文條件、儲層特征、資源量、地面情況等都處于一個動態(tài)的變化過程，如何克服這些不利因素，準(zhǔn)確判斷礦井瓦斯的開發(fā)價值，以及確定合理的抽放技術(shù)，是煤層氣（瓦斯） 開發(fā)的關(guān)鍵。

2.2.3 煤炭地下氣化

變傳統(tǒng)物理采煤為化學(xué)采煤，但不是所有的閉井后剩余煤層都可以進行地下氣化，其經(jīng)濟性首先要建立在地質(zhì)評價模型基礎(chǔ)上，對氣化煤層從地質(zhì)條件、煤層情況、煤質(zhì)情況、水文條件、環(huán)境影響和安全條件進行評價。

2.2.4 地下空間綜合利用

依據(jù)礦井實際情況，確定回收利用最大空間，閉井前（或閉井期間） 利用帷幕注漿、局部注漿加固、建擋水墻等技術(shù)，對地下空間利用和不利用空間實施科學(xué)隔離，為下一步地下空間利用奠定基礎(chǔ)。主要以構(gòu)建水庫、物資儲存、廢棄物處理、科研（或生態(tài)旅游、療養(yǎng)、養(yǎng)殖等） 等為主導(dǎo)作為切入點進行深入研究。

2.2.5 礦井水（地?zé)幔?資源開發(fā)利用

由于礦井地下空間環(huán)境的特殊性，使得礦井水井下處理難度遠高于地面，這就需要解決和處理好地下空間利用、完善的自動控制技木、系統(tǒng)的模塊化和可移動化設(shè)計等諸多關(guān)鍵技術(shù)問題。依據(jù)不同深度開采特點，可基于地?zé)崽菁壚媚Ｊ?，科學(xué)合理利用水源熱泵技術(shù)。

2.2.6 地表生態(tài)修復(fù)

主要對采煤形成的塌陷區(qū)、矸石山生態(tài)修復(fù)模式和技術(shù)進行研究。依據(jù)塌陷區(qū)規(guī)模、沉降程度以及不同煤礦矸石山風(fēng)化程度，探索可行的生態(tài)修復(fù)模式。針對不同的生態(tài)修復(fù)模式確定相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

圖3 唐山開灤礦山公園井下“神秘旅游”Fig.3 Underground“mysterious tourism”in Kailuan Mine Park

3 “生態(tài)閉井”的思考與建議

3.1 規(guī)范閉井技術(shù)管理

制定煤礦閉井技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)煤礦剩余資源開發(fā)利用創(chuàng)造有利條件。

3.2 做好閉井前地質(zhì)測量工作

（1） 閉井前，應(yīng)仔細核對井下采掘工程與相關(guān)礦山圖紙是否一致，將停掘、停采位置以及之前漏繪的采掘工程全部真實地繪制在采掘工程平面圖、礦井水文地質(zhì)圖等主要礦圖上，并將存在偏差和漏填的部分加以校正和補充。

（2） 資源開發(fā)利用潛力較小的煤礦，閉坑后應(yīng)采用注漿封填措施，封堵井下水文地質(zhì)孔、水源井，認真記錄封閉日期、封堵長度與位置、封堵材料與數(shù)量和封堵效果等，并編制井下水文孔(水源井)封堵報告；同時封堵井下主要涌(突)水點，特別是由當(dāng)?shù)刂饕┧畬友a給的涌(突)水點，應(yīng)認真記錄施工日期、封堵材料與數(shù)量、封堵效果以及施工前涌(突)水點的涌水量、水位、水溫等水文地質(zhì)信息，并編制井下涌(突)水點封堵報告。

（3） 加強觀孔保護與利用，對地下水進行實時觀測。

（4） 按照規(guī)定向有關(guān)部門提交的礦井閉坑地質(zhì)報告應(yīng)涵蓋剩余資源內(nèi)容。

3.3 采掘資料歸檔

將收集、校審過的采掘工程平面圖、礦井水文地質(zhì)圖等礦圖、井下水文孔(水源井)的井孔結(jié)構(gòu)圖及其封堵報告、突水點封堵報告、礦井水文地質(zhì)臺帳、礦井閉坑地質(zhì)報告、臺賬等電子與紙質(zhì)資料及時歸檔并長期保存，建立煤礦閉井信息數(shù)據(jù)庫，形成技術(shù)資料審核和共享機制，以供今后煤礦剩余資源開發(fā)利用、相關(guān)區(qū)域建設(shè)活動前開展安全環(huán)境評估以及有關(guān)科研工作使用。

3.4 煤礦資源分類與差異化處置，應(yīng)避免盲目閉井

依據(jù)資源基本情況、環(huán)境脆弱性、區(qū)域水文地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展程度與旅游資源狀況、交通位置以及礦山的開采范圍、井巷工程質(zhì)量等，對煤礦剩余資源進行分類、研究、分析、評價。根據(jù)分類結(jié)果，采取差異化的政策和對策措施。列入關(guān)閉計劃的煤礦，剩余資源若沒有開發(fā)利用價值并存在嚴(yán)重環(huán)境負效應(yīng)，建議制定嚴(yán)密可靠的防治對策措施，最大限度地減小其關(guān)閉過程中和關(guān)閉之后可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境危害；若具有良好開發(fā)利用潛力，則應(yīng)規(guī)劃閉井措施、保護范圍，制定保護與安全措施，編制綜合開發(fā)利用方案，限定開采資源種類與區(qū)域，加強監(jiān)督管理，避免盲目閉井。

3.5 水環(huán)境污染防治

（1） 應(yīng)根據(jù)礦井水的不同污染程度、特點和危害，采取針對性的防治對策措施，避免對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和區(qū)域地下水造成污染。

（2） 閉井礦山若開采影響范圍內(nèi)充水含水層富水性弱，且礦井水又不可能溢出地表，則可以采取封填井筒、封堵可能與采空區(qū)溝通的地裂縫等密閉措施，隔絕礦井水與空氣的聯(lián)通，形成缺氧環(huán)境，遏阻煤中黃鐵礦等的持續(xù)氧化形成硫酸，避免水質(zhì)持續(xù)劣質(zhì)化，以減輕污染危害。

（3） 礦井若發(fā)生主要含水層突水淹采區(qū)、淹井，已無恢復(fù)生產(chǎn)價值，列入關(guān)閉計劃的煤礦時，不能簡單一關(guān)了之。在關(guān)閉之前，應(yīng)對突水點進行注漿封堵，切斷導(dǎo)水通道，避免將來形成的劣質(zhì)礦井水污染當(dāng)?shù)刂饕畬印?/p>

（4） 若礦井水能夠透過充水通道、水文孔（水源井） 等集中通道反向補給主要含水層，對當(dāng)?shù)厝」┧退吹卦斐涩F(xiàn)實或潛在危害，應(yīng)采取地面或井下注漿封堵等措施，切斷集中補給通道污染。必要時，可通過排水措施限制礦井水位，使其低于當(dāng)?shù)刂饕畬拥装鍢?biāo)高，從而避免劣質(zhì)礦井水反向串聯(lián)補給含水層而污染地下水和供水水源地。同時對外排的礦井水加以科學(xué)合理利用。

3.6 建立開發(fā)利用相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

在開發(fā)利用煤礦資源時，特別是將閉井煤礦作為城市垃圾、固體廢料、工業(yè)廢水、有毒有害氣體的儲藏場所前，應(yīng)充分研究所利用礦山與其所在區(qū)域的地層、巖性、構(gòu)造與地下水補給徑流排泄之間的關(guān)系以及所處位置、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、人口密度與分布等，進行環(huán)境安全風(fēng)險評估，國家也應(yīng)當(dāng)建立相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)(開發(fā)者)應(yīng)嚴(yán)格遵行程序，制定并落實嚴(yán)密措施，避免盲目開發(fā)利用而造成在開發(fā)利用閉井礦山資源時出現(xiàn)新的環(huán)境問題。

3.7 密切結(jié)合閉井煤礦所在地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)接替整體規(guī)劃

根據(jù)閉井礦山的地理、地質(zhì)、開采、伴生資源和地面設(shè)施等特點，權(quán)衡煤礦閉井后的生態(tài)環(huán)境正負效應(yīng)，做到合理開發(fā)挖掘與科學(xué)預(yù)控防治。

3.8 采取多種融資模式開發(fā)與防治

建立關(guān)閉煤礦沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建關(guān)閉井工煤礦地質(zhì)災(zāi)害要素天、空、地、井“四位一體”立體融合監(jiān)測體系。開展關(guān)閉礦山地質(zhì)災(zāi)害治理、生態(tài)恢復(fù)與資源再利用示范工程，探索新思路、新技術(shù)、新模式。采取可行有效的多種融資模式，實現(xiàn)社會受益、企業(yè)解難、個人獲利、環(huán)境改善、樹立政府良好形象的多贏目標(biāo)。

4 結(jié) 語

開展“生態(tài)閉井”研究，符合國家去產(chǎn)能、生態(tài)文明建設(shè)和資源枯竭城市轉(zhuǎn)型的需求，是推進關(guān)閉礦井剩余資源高效利用的必然要求。目前我國對關(guān)閉礦井剩余資源的綜合開發(fā)利用相關(guān)工作剛剛起步，缺少統(tǒng)一的管理、引導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和政策，還沒有形成一套可復(fù)制、可推廣的關(guān)閉煤礦剩余資源綜合調(diào)查與評價體系。因此，開展“生態(tài)閉井”相關(guān)研究對促進生態(tài)文明建設(shè)、保障國家資源安全具有重要意義。