矿山采空区超前管理与协同利用模式探索

邱华富　刘浪　张波　张富舜

摘 要：针对矿山采空区处理问题，分析了矿山地下采空区资源分布特点，明确了地下采空区资源管理及利用存在的问题。研究发现，我国已存在的矿山地下采空区资源超过180亿m3，并且每年约以至少10亿m3速度增加，矿山地下空间资源潜力巨大。根据目前矿山采空区处理现状，提出了矿山采空区超前管理概念，研究表明矿山采空区超前管理具有前瞻性、战略性、系统性及协同性特点。研究了矿山采空区超前管理内容，主要包括矿山采空区分类，采空区参数管理，采空区质量评价3部分。构建了矿山采空区协同利用体系，明确了矿山采空区协同利用原则，研究了矿山采空区协同利用评价方法和矿山采空区协同利用关键技术。

关键词：矿山采空区;超前管理;协同利用;质量评价;矿产资源

中图分类号：TD 98   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2020）06-0625-06

The Exploration of Advanced Management and Synergetic Utilization Mode of Mine Goaf

QIU Hua-fu，LIU Lang，ZHANG Bo，ZHANG Fu-shun

（College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Based on the problem of mine goaf management，the distribution characteristics of mine goaf resources are analyzed，and the existing problems of underground mine goaf resources management and utilization are clarified.It is founded that the existing underground space resources of mines in china exceed 18 billion m3，and increasing at a rate of at least 1 billion m3 each year.The potential of underground space resources in mines is huge.According to the current situation of mine goaf management，the concept of advanced management of mine goaf is put forward.Research shows that the advanced management of mine goaf is forward-looking，strategic，systematic and synergistic.The content of  advanced management of mine goaf is studied，which mainly includes three parts：classification of mine goaf，parameter management of goaf and quality evaluation of goaf.A synergetic utilization system of mine goaf is constructed，the principle of synergetic utilization of mine goaf is defined，and the

evaluation methods of synergetic utilization of mine goaf and key technologies of synergetic utilization of mine goaf are studied.

Key words：mine goaf;advanced management;synergetic utilization;quality evaluation;coal resource

0 引言

礦产资源是我国能源的主体，随着矿产资源的大规模开发，形成了大量地下采空区。大规模的矿山采空区具有重要的开发利用价值，如果处理不当，不但浪费地下空间资源，更容易引发采空区灾害，破坏地质生态环境。目前采空区的处理方法主要有矿柱支撑法、全部垮落法及充填开采法。矿柱支撑法需要留设大量安全矿柱，浪费资源;全部垮落法安全隐患大，不利于环境保护。充填开采能够有效地控制开采区域的岩层，又实现了清洁生产、资源高效开采及废物循环利用的目的，符合习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念。目前，充填开采在矿山中应用越来越多，但传统完全充填采空区的方法存在充填成本高、采空区空间资源浪费的特点。在充填开采过程中，如何降低充填成本，如何有效利用采空区空间资源，是突破矿山绿色高效开采的关键瓶颈。目前在矿山地下采空区综合利用方面，国内外学者已有相关创新性探索。谢和平[1]在“煤炭资源流态化开采与煤炭技术革命”研讨会上提出了废弃矿井转型升级与矿井地下空间综合利用的战略构想。刘峰、李树志[2]等指出可利用地下矿山空间作为储库构建场所。顾大钊[3]针对地下水保护利用和西部地区缺水情况，提出了在煤矿采空区建立地下水库的理念，构建了地下水库理论框架和技术体系。陈庆发、周科平[4]等从协调资源开采的角度提出了“协同利用”采空区处理方法，探讨了采空区协同利用的基本原则和基本模式。袁亮[5]等在我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考中明确了矿井空间资源改建地下储库的重要意义和迫切需求。李洪安[6]等对大数据在煤炭安全生产的发展路径与对策进行了研究。邱华富[7]等以地下空间利用为出发点，结合国家能源战略储备需求，提出以充填采矿为手段，在金属矿大型采空区构建充填储库，并结合金属矿充填采矿法的特征，提出采矿-充填-建库协同系统理念。在矿山采空区利用的应用方面，国内外取得了一些成功案例。截至2017年，我国已建成开放或获批在建的国家矿山公园共有88个，其中包括河北唐山开滦煤矿国家矿山公园、太原西山国家矿山公园、焦作缝山国家矿山公园等。在安徽含山石膏矿利用废弃矿山采空区改建储油库，建成后预计可形成500万m3的储油量[8];在金坛地区成功改造3口废弃盐岩溶腔，形成近5 000万m3的工作气量，在云应、淮安、平顶山等盐矿废弃溶腔改造储气库工作正在开展[9]。1975年在比利时Anderlues建成了废弃煤炭矿井地下储气库，形成1.8亿m3的储气能力[10]。在美国南达科他州一处1 500 m的废弃金矿的地下空间被斯坦福大学用来作为深地实验场所。德国利用盐矿处置低中放射性废物成为利用地下空间资源处置废弃物的典型案例[11-12]。国内外对于矿山采空区的利用虽有成功案例，但大规模矿山地下空间的管理利用仍然需要不断探索，矿山地下空间管理利用还是相对落后，没有形成系统的管理利用方法。在陆地空间资源日益紧张的今天，加强地下空间开发利用势在必行。文中在分析我国矿山空间利用现状的基础上，提出矿山采空区超前管理概念，综合分析矿山地下采空区处理利用方法，探讨了矿山采空区协同利用模式。

1 矿山采空区现状

1.1 矿山采空区资源分布矿山地下空间资源是指矿产资源开采后形成的地下空间，主要包括煤矿、金属非金属矿等固体矿开采后形成的地下空间。我国矿产资源丰富，近年来煤炭产量基本在35亿t左右，位居世界第一位（图1）。按照煤炭平均密度为1.35 t/m3，每年采出煤炭体积25.93亿m3。据煤炭工业资料统计（表1），1949—2019年71年以来，累计生产原煤848.54亿t，按照煤炭平均密度为1.35 t/m3，总共采出煤炭体积628.55億m3。参照工作面采空区地下空间计算方法[13]，按井工煤矿开采量占92%计算，1949—2019年井工煤矿开采形成的采空区地下空间约为157.60亿m3。据2015年我国对金属非金属矿地下采空区专项普查分析，全国金属非金属矿山地下采空区12.79亿m3。再加上矿山开采中的井巷硐室空间体积，已存在的矿山地下空间体积超过180亿m3，并且每年约以至少10亿m3速度增加，矿山地下空间资源潜力巨大。

1.2 矿山采空区资源利用现状目前，对矿山开采留下的采空区开发利用较少，对关停煤矿地下空间开发主要是建立国家矿山公园。神华集团提出煤矿地下水库概念和矿井水地下储存利用的理念，在神东矿区建成32座煤矿地下水库，开辟了煤矿地下水库建设新方向。金属矿非金属矿地下空间开发利用途径相对单一，主要方向为地下旅游、尾矿填埋、地下水库等。盐矿由于其水溶开采方式及盐岩自身良好的物理化学特性，被用来作为地下油气储库和压电蓄能储气库。总体来说，我国矿山地下空间规模巨大，目前利用率极低，这些地下空间如果不及时治理或利用，将成为潜在地质灾害隐患，合理利用则可以转化为地下空间资源，同时有效减少地质灾害隐患。

1.3 矿山采空区管理及利用存在的问题目前矿山地下采空区管理滞后，利用率低，主要存在问题。

1.3.1 滞后性

我国多数矿山开采时并未全面考虑矿山采空区的治理和利用，多数对采空区的处理都是开采后被动治理，缺乏前瞻性、战略性的采空区超前管理利用的相关规划设计。开采后被动治理成本高，效果差，如果提前有整体前瞻性利用规划，可以降低成本，使管理利用效率将大大提高。

1.3.2 理念落后传统的矿山开采并没有采空区利用的理念，没有把矿山采空区当做空间资源，而只把矿山采空区当做事故隐患，通常通过垮落放顶或者全部充填，把矿山采空区尽量“消灭”，其效果不好，垮落放顶容易破坏生态，全部充填由于其成本太高，推广较少，多数在“三下”开采中应用。把矿山采空区当做空间资源，进行合理规划设计，提高充填体强度，通过局部充填降低充填成本，做好采空区协同利用，是新的方向。

1.3.3 缺乏系统性目前矿山采空区管理不系统，缺乏矿山采空区具体详细的参数，比如矿山空间大小，规模，位置，围岩状况，应力环境等具体详细的参数。建立矿山采空区数据系统，每个矿的具体情况清楚详细，对矿山采空区的利用管理才能更有效，更有针对性，建立全国所有矿山采空区大数据，全面规划矿山管理利用，对矿山地下空间资源利用意义重大。

1.3.4 缺乏标准矿山采空区管理利用怎样才算达标，没有统一标准，目前的处理都是基于矿井采空区自身安全，能保障本矿的安全生产即可。应该对矿山采空区安全稳定进行明确的评价分级，以确定矿山采空区管理利用的相关方向和措施。

2 矿山采空区超前管理

2.1 超前管理概念矿山采空区超前管理是指矿山开采前对预开采矿山采空区资源具体参数进行详细的分类管理，明确采空区处理方式及利用方向，充分考虑矿山采空区资源利用，做到矿山开采与采空区协同利用。

2.2 超前管理特点矿山采空区超前管理体现超前理念，在对矿山采空区基本情况有了解、有规划的基础上，随矿山开采过程不断完善矿山采空区参数勘探测试，按规划对矿山采空区进行协同管理。超前管理应具备以下特点。

2.2.1 前瞻性超前管理最主要的特点体现超前理念，传统矿山开采都是在开采过程中对采空区进行简单处理，或垮落顶板，或充填采空区，有的开采以后暂不处理采空区，没有把采空区当做地下空间资源进行前瞻性的管理和利用规划，超前管理体现前瞻性的管理利用设计，落脚点在协同利用，发挥矿山空间资源的优势。

2.2.2 战略性矿山采空区管理应该具有战略性，应该建立分等级的矿山数据管理体系，针对不同类型矿山，比如煤矿、金属非金属矿，从国家、矿业集团、矿山生产单位不同层面建立矿山采空区资源详细数据库，全盘掌握我国矿山地下采空区资源情况。

2.2.3 系统性矿山采空区管理应该形成系统详细的数据库，每个矿地下采空区数量，大小，位置，形状，交通，矿山采空区围岩性质，围岩应力环境，周围水环境，周围空气状态参数，矿山采空区类型，矿山采空区稳定性级别等参数应该有详细数据，形成一个系统全面的资料数据库，并不断更新和完善。

2.2.4 协同性矿山采空区是随着矿山开采而形成并不断发展，矿山采空区的管理和利用应该与矿山开采协同，不同的采矿方法，采区设计及采矿工艺对采空区都会有不同的影响，采空区的管理利用规划应该与矿山开采相协同，协调可持续发展。

2.3 超前管理内容矿山采空区超前管理包括矿山采空区分类，采空区参数管理，采空区质量评价3部分主要内容。

2.3.1 采空区分类从采空区形成时间可以将矿山采空区分为已采空区，现采空区和未采空区。

1）已采空区。通常又叫老采空区，是指已停止开采的采空区，或开采已达充分采动（充分采动指地表移动盆地已形成平底），盆地内的各种变形已经稳定的采空区。目前我国已采空区数量多，空间大，但是对已采空区管理滞后，对已采空区的具体参数，采空区状态不清楚，需全面勘探掌握已采空区分布情况及具体参数。

2）现采空区。是指正在开采的采空区，开采未达充分采动，即地表移动盆地呈尖底状，盆内各种变形仍在继续发展的采空区。在矿山开采过程中，需及时对现采空区的分布形态，大小规模，环境等参数进行勘探测量，此阶段全面了解矿山采空区参数，对矿山采空区进行针对性处理和利用。3）未采空区。是指计划开采而尚未开采矿层，预计将形成的采空区。在矿山采空区管理时，在未开采前，应对矿山未采空区有设计规划，对矿山采空区的管理和利用有超前规划，这样矿山采空区的处理才及时可控。

2.3.2 礦山采空区参数管理建立矿山采空区管理体系，对每个矿山建档管理，对每个采空区进行编号管理，针对每个采空区进行参数管理。参数管理内容如图2所示，包括采空区规模、形状、位置、环境等内容，对每一项内容进行详细测定记录。

2.3.3 矿山采空区质量评价矿山采空区质量评价是指对矿山采空区规模、形状的可利用价值、采空区围岩稳定性，采空区环境等参数进行综合评价，确定其质量等级。矿山采空区质量评价步骤如图3所示，第一步选定具体的评价指标，第二步选择合理的评价方法，第三步确定合理的质量判断标准，最后对采空区质量进行等级评价。

3 矿山采空区协同利用体系矿山采空区协同利用体系的基本内容主要包括矿山采空区超前管理、采空区协同利用方向、矿山采空区利用评价及采空区协同利用技术，如图4所示。在对矿山采空区资源有了解的情况下，针对不同地方需求，结合矿山地域条件，确定合理的矿山采空区利用方向，对其进行相关的技术经济评价，明确采空区协同利用中的关键技术问题。

3.1 矿山采空区协同利用原则矿山地下空间形态各异，所处的地理环境、交通环境差异很大，其空间利用应因地制宜，充分考虑矿床开采与采空区利用协同发展、地面资源与地下空间协同利用、地下采空区综合可持续发展、地下采空区利用服务国家地方发展战略等基本原则。

3.1.1 矿床开采与采空区利用协同发展原则矿山采空区利用要改变传统先开采后利用的落后模式，在矿床开采的同时规划构建好采空区利用系统。将矿床开采后留下的采空区规划设计成稳定安全的空间，根据空间用途设计空间结构，保障矿床开采后空间稳定性。矿床开采与空间结构形成过程同步进行，在时间、空间、工艺、环境上具有协同关系，处理好矿床开采与采空区利用之间的协同关系是采空区协同利用的基础。

3.1.2 地面资源与地下空间协同利用原则矿山地下空间利用应与地面资源协调，地下空间的供电、供风、运输等系统都与地面相连，做好地面资源与地下空间协同利用，一方面充分利用了地面资源，同时地下空间资源可以缓解地面土地紧缺等问题。

3.1.3 地下采空区综合可持续发展原则地下空间资源是不可逆的自然资源，开发应该系统化，在空间纵向和横向设计时应该考虑综合立体布局，既要有短期规划，又要有长远考虑。矿山地下空间开发利用应该考虑空间结构的永久性和持续性，总体来讲，矿山采空区利用应该向绿色化、信息化、智能化发展，符合可持续发展要求。

3.1.4

地下采空区利用服务国家地方发展战略原则

地下空间利用方向应该符合国家和当地发展战略需求。建设地下能源储库符合国家石油战略储备的需求。矿山地下水库建设符合西部矿区水资源保护利用战略。结合当地需求，建设食品储库，地下数据库、地下博物馆、地下图书馆等设施，可以解决平时地面资源紧缺等问题，服务地方发展。

3.2 矿山采空区协同利用方向国外对矿山采空区资源开发利用历史较早，国内对矿山地下空间资源开发利用也进行了一些探索，主要方向有地下石油储库建设、地下天然气储库建设、地下压电蓄能发电站建设、地表地下抽水蓄能发电站建设、矿山地下水库建设、矿山地下物资储库等。目前对矿山采空区利用方向虽有不同的探索，但在各个方向上缺乏系统的基础理论和技术，在实践和规模化应用方面仍然不成熟，需要科研人员共同努力。

3.3 矿山采空区协同利用评价矿山采空区协同利用评价是从经济上和技术上对矿山采空区利用具体方向的综合性评估，评估该项目经济上和技术上可行性，是保障地下空间资源高效利用的必要工作。例如建立矿山地下石油储库，经济评价包括储库建设成本和储库运营成本评价，通过类比建设地下石油储库成本来判断新型的石油储库建设在经济上是否合理。一般来说，矿山地下石油储库建设是利用采空区做储库，减少了地下储库开挖工程，其建设成本相对较低。技术评价主要是评估矿山地下采空区环境是否能够满足具体工程需求，比如建设地下石油储库所需要的空间大小、围岩稳定性要求。针对不同地域、不同地质环境条件下的矿山采空区资源，在矿山采空区管理中做好分析统计，评估分类，选择相适合的开发利用方向，这样才能体现矿山采空区资源利用的高效性和合理性。

3.4 矿山采空区协同利用技术矿山采空区利用方向不同，其相关基础理论不同，在确定了利用方向后，针对该方向，需要研究其基础理论及关键技术。比如矿山地下石油储库建设，提出在矿山地下空间建立石油储库的方法，地下石油储库对围岩强度和渗透性有相关要求，建立地下石油储库中的关键技术包括矿山地下储库围岩稳定性、矿山地下空间支护技术、地下储库围岩应力应变监测技术等。建立矿山采空区地下石油储库关键技术体系，对保障矿山采空区协同利用长期安全起到重要作用。

4 结论

1）研究了目前我国矿山地下采空区利用现状及存在问题，指出目前矿山采空区管理滞后、采空区利用理念落后，缺乏矿山采空区利用的标准等缺点。2）提出矿山采空区超前管理的概念，研究发现超前管理特点包括前瞻性、战略性、系统性和协同性。3）矿山采空区管理内容主要包括矿山采空区分类，采空区参数管理，采空区质量评价3部分，对3部分内容进行了具体分析。4）构建了矿山采空区协同利用体系，明确了矿山采空区协同利用原则，分析了矿山采空区协同利用方向、矿山采空区协同利用评价方法和矿山采空区协同利用关键技术。

参考文献：

[1]谢和平，高明忠，高峰，等.关停矿井转型升级战略构想与关键技术[J].煤炭学报，2017，42（06）：1355-1365.

[2]刘峰，李树志.我国转型煤矿井下空间资源开发利用新方向探讨[J].煤炭学报，2017，42（09）：2205-2213.

[3]顾大钊.煤矿地下水库理论框架和技术体系[J].煤炭学报，2015，40（02）：239-246.

[4]陈庆发，周科平，古德生.协同开采与采空区协同利用[J].中国矿业，2011，20（12）：77-80.

[5]袁亮，姜耀东，王凯，等.我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考[J].煤炭学报，2018，43（01）：14-20.

[6]李洪安，张威虎，张婧.“互联网+”时代大数据在煤炭安全生产的发展路径与对策研究[J].技术与创新管理，2020，41（02）：172-177.

[7]邱华富，刘浪，王美，等.金属矿采矿-充填-建库协同系统及充填储库结构[J].石油学报，2018，39（11）：1308-1316.

[8]彭振华，李俊彦，杨森，等.利用废弃石膏矿储存原油可行性分析[J].工程地质学报，2013，21（03）：470-475.

[9]杨春和，梁卫国，魏东吼，等.中国盐岩能源地下储存可行性研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（24）：4409-4409.

[10]常春勤，邹友峰.国内外废弃矿井资源化开发模式述评[J].资源开发与市场，2014，30（04）：425-429.

[11]Ilg P，Gabbert S，Weikard HP.Nuclear waste management under approaching disaster：A comparison of decommissioning strategies for the german repository AsseII[J].Risk Analysis An Official Publication of the Society for Risk Analysis，2017，37（07）：1213.

[12]Rosina E，Sansonetti A，Erba S.Focus on soluble salts transport phenomena：The study cases of Leonardo mural paintings at Sala delle Asse（Milan）[J].Construction & Building Materials，2016，136：643-652.

[13]謝和平，刘建中，高明忠，等.特殊地下空间的开发利用[M].北京：科学出版社，2018：72-76.

（责任编辑：张 江）

收稿日期：

2020-09-25

基金项目：

国家自然科学基金资助项目（51904225）;陕西省教育厅科研专项（18JK0527）

作者简介：

邱华富（1986-），男，江西吉安人，讲师，博士，主要从事矿山空区治理及利用方面的研究工作.