山西关闭煤矿资源二次利用关键地质问题及地质保障探讨

刘汉斌，杨玉静，程芳琴

( 1.山西大学 资源与环境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省煤炭地质局，山西 太原 030006；3.山西大学 土木工程系，山西 太原 030006)

煤矿经关闭或退出后，仍然赋存大量可利用资源，如煤炭、煤层气、矿井水、地下地上空间资源等[1]。2018年9月，习近平总书记在视察抚顺露天煤矿时指出要做好关闭矿区资源整合利用这篇大文章[2]。然而，面对山西众多的关闭煤矿，真正做好关闭煤矿资源整合，开发好、利用好山西废弃矿井面临着许多关键地质问题与挑战[3，4]。主要表现为：大多数关闭煤矿地质资料不全、地质条件复杂；残余煤炭资源大多为薄煤层且存在强带压或者“三下”煤层；多数井工煤矿关闭后通风不畅，瓦斯浓度高；矿井水由于自然流场恢复水位较高等问题。山西是中国的煤炭大省，国家的能源基地。全省年煤炭产量常年占据全国煤炭产量的25%左右。新中国成立70年来，山西累计生产煤炭192亿t，占全国煤炭总产量的1/4以上。近年来，随着煤炭、钢铁行业去产能政策的实施，山西2016年以来累计关闭、退出煤矿88座，关闭煤矿数量和退出产能全国第一。针对山西关闭煤矿资源的分析利用，以往的研究较少。陈郭静[5]分析了山西国有煤炭企业对矿井水的利用现状，提出山西应大力重视矿井水的利用，以实现全省经济、环境和社会效益的统一。李振拴等[6]分析了山西兼并重组以来部分关闭煤矿矿井水对地表水的污染和破坏，认为山西应加大和提高对矿坑排水的处理及利用。孟召平等[7]在对煤炭开采覆岩变形破坏规律研究的基础上，通过建立模型，评价了晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源。以往的研究未从全省的角度对山西关闭煤矿资源的二次利用现状和存在问题的进行分析研究。本文以山西省近年来关闭煤矿利用现状为对象，分析探讨了山西关闭煤矿资源二次利用的所面临的关键地质问题及地质保障措施。

1 资源利用现状

根据袁亮[1]等的研究，我国关闭煤矿资源化利用主要包括，能源化利用、资源化利用以及功能化利用三类。山西以往对关闭煤矿资源二次利用主要集中在抽采采空区煤层气等能源化利用方面，资源化利用较少，功能化利用主要集中在建立矿山地质公园、建设光伏发电站等。

1.1 能源化利用

山西省关闭煤矿资源能源化二次利用的主要是关闭矿井抽采煤层气。较为成功的案例有，山西晋煤集团在关闭矿井施工地面瓦斯抽采井，平均日产气量可达到2000m3/口，煤层气浓度约90%[8]。蓝焰集团关闭煤矿采空区地面煤层气抽采示范项目煤层气井单井日均产量1155m3，截至2016年底累计抽采利用约1700万m3煤层气[9]。

1.2 资源化利用

山西目前关闭煤矿水资源化利用较少，主要集中晋城、大同、长治等地。如晋城南沟煤矿的矿井废弃水在农业灌溉、市政建设和城市绿化上大量利用[5]。同煤集团青磁窑矿井水处理后可达到居民引用水标准，塔山矿区充分利用采空区积水进行景观灌溉与道路洒水。长治等地将采煤沉陷区积水改造成景观湖等。

1.3 功能化利用

山西省对关闭矿井功能化利用目前主要用来建设生态公园与观光景区以及地下水库。如太原西山万亩生态园以及依托关闭的白家庄矿建设的太原西山国家矿山公园。晋煤集团长平矿在煤矿工业旧址上开发了以展示工业遗迹景观为主的工业景区。同煤集团利用采煤沉陷区建设光伏电站。山西关闭煤矿地下空间资源利用较为成熟的案例有主要是同煤集团的晋华宫矿山地质公园和长平矿地质公园。晋城将生产矿井水引流到废弃煤矿，将废弃矿井用作地下储水库，解决了1万多亩旱作农田的灌溉问题，产生了巨大的经济和社会效益，晋城地区废弃煤矿功能化利用情况[5]见表1。

表1 晋城地区废弃煤矿功能化利用表

2 关键地质问题

近年来，山西在关闭煤矿采空区煤层气抽采和关闭煤矿地下和地上空间资源利用方面取得了巨大进步，但同时也面临着对全省关闭煤矿资源赋存条件和赋存特征不清、开发利用单一、利用率不高等问题。此外，全省关闭煤矿矿井水的处理和利用方面仍然重视不够，部分关闭煤矿已对区域地表水造成了污染[6]。

2.1 资源赋存特征不清

图1 山西省2005—2018年关闭煤矿数量

山西省2005—2018年关闭煤矿数量情况如图1所示。由图1可知，山西2005年来累计关闭煤矿3829座[10]，2016年以来关闭88座，退出煤炭产能6920万t。其中除小部分为资源枯竭型关闭外，大部分矿井，尤其近年来关闭的大型矿井绝大多数都为政策性关闭、退出煤矿或者产能置换煤矿，其中蕴藏着资源量可观的煤炭资源。即使资源枯竭型矿井，也存在着薄煤层、边角煤和保安煤柱等暂不能开采的煤层。当矿井废弃或关闭后，这些煤炭就残留于井下，产生大量的煤层气资源[7]。然由于历史的原因，许多小煤矿地质资料缺失或由于产权更迭，地质资料遗失。囿于历史的局限和认识不足，以往大多数关闭煤矿并未经过严格的闭坑地质报告阶段及闭坑验收，导致地下剩余煤炭资源赋存位置不清，剩余煤炭资源量无法准确计算。此外，大部分关闭煤矿的地质构造、水文、瓦斯、开采技术条件无法核实，给资源的二次利用带来了很大困难。关闭煤矿煤层气资源方面，截至2013年底，山西省共有4700余处废弃矿井，采空区面积约5000km2，但由于采空区煤层气资源状况不清，关闭煤矿煤层气钻井成功率仅50%，且产量衰减快、不稳定，导致目前废弃煤矿采空区煤层气勘探开发有着很大的盲目性[7]。

2.2 矿井水质水量未知

表2 山西部分关闭煤矿矿井水水质情况

2.3 地下空间稳定性不明

我国煤矿单个矿井地下空间平均60万m3[3]，2005年来山西合计关闭煤矿3829座，具体见表2。因采煤造成的采空区面积近5000km2，地下和地上空间资源巨大。充分利用关闭煤矿地下空间对于缓解全省用地紧张和贯彻落实国土资源“三深一土”战略具有重要意义。但由于地下空间的稳定性无法查明，导致山西关闭煤矿无法建设更为高级的地下储油、储气、储水库等，体现更大实用价值，实现地质效益、社会效益和经济效益的统一。

3 地质保障研究

随着资源的开发以及去产能政策的进一步实施，以及煤矿的新一轮兼并重组，未来山西将出现更多的关闭煤矿。除加强关闭煤矿资源利用政策制度研究外[16]，如何在技术上解决好关闭资源二次利用遇到的关键地质问题，做好关闭煤矿地质资源二次利用的地质保障，是山西关闭煤矿资源二次开发利用的关键。

3.1 全面收集资料，加强基础研究

全面系统收集全省关闭煤矿地质资料，摸清关闭煤矿资源赋存特征，建立关闭煤矿地质特征数据库，对关闭煤矿的煤层、煤质、瓦斯、水文、构造、井田开拓方式、采掘方式、残留煤炭资源赋存情况、煤柱分布情况以及采掘图进行分析整理并归纳入库。在资料收集的基础上，加强关闭煤矿煤层气的生成[7]、运移规律研究[17]、排采规律[18]，以及矿井水自然流场的恢复规律与水质[19]、水量演化规律研究[20]。进行关闭煤矿“上三带”“下三带”的稳定性规律的研究与监测，为关闭煤矿空间的利用提供基础数据。进行煤系共伴生矿产的综合利用研究，研究探索关闭煤矿中煤系共伴生“三稀”元素、顶底板高岭土、煤下铝[21]、煤下铁的资源赋存情况。

3.2 因地制宜，精准利用

根据煤矿的关闭原因和不同的资源赋存特征和类型以及所在区域位置，设计不同的开发利用方案，因地制宜，一矿一策，精准利用。如针对高瓦斯废弃矿井加强煤层气抽采，保有资源量较大煤矿可考虑采用充填开采；针对矿井积水较大的关闭煤矿可建立水源涵养基地或建立生态景观[22，23]；城市附近、交通方便的废弃矿井可考虑建立地下贮藏库、购物广场、休闲中心等[24]。条件适宜的煤层埋藏较深的关闭煤矿可用来封存CO2[25]。而埋藏较浅的关闭煤矿可考虑进行煤下铝和煤下铁的开发利用[26，27]。残留高硫煤和低阶煤较多的关闭煤矿，可探讨进行煤炭地下气化[28-30]。

3.3 矿坑排水，充分利用

充分重视关闭煤矿积水、排水的综合利用，加大对关闭矿坑排水的处理，充分利用已有矿坑排水，进行农业灌溉或用作绿化生态、景观用水。对不能直接利用的矿井水进行人工沉淀或净化，对于一些强酸性的矿井水进行浓缩与提炼，提取其中有用物质[31]。对已处理的矿坑排水进行适当的地表回灌，提高地下水的交换与储存[6]。对北部严重缺水地区，探索建立关闭煤矿地下水库及城市应急水源[22]。

3.4 地下空间，梯级利用

加强对关闭煤矿地下空间的稳定性评价，充分开发利用关闭煤矿地下空间，按照关闭煤矿的地质地理条件梯级开发利用。如针对稳定性好的地下矿井，可建立地下储油、储气库[32]。针对密封性良好的地下矿井，改造后可建立地下抽水蓄能发电站、压缩空气式蓄能电站等[33，34]。城市附近的关闭煤矿巷道可建立地下储藏库、地下温室、地下酒窖等。高校或科研院所附近的关闭煤矿可发展为地下超静实验室、地下现场教学基地、地下图书馆阅览室等。部分无法高级利用的关闭煤矿可利用粉煤灰基胶结充填[35]、矸石粉煤灰固体充填[36]，解决地面堆放占地面积大、环境污染大的问题。而针对目前暂时不能工业开发利用的高铝粉煤灰、煤矸石等可暂时存储于关闭煤矿中，待将来技术进步后进一步开发利用。

4 结 论

山西是我国的重要煤产地，关闭煤矿数量众多，其中蕴藏着丰富可供开发利用的煤炭、煤层气、矿井水以及地下、地上空间资源。近年来，山西在关闭煤矿资源二次利用上进行了一些有益的尝试，但总体上面临着巨大的技术挑战，许多关键地质问题仍未解决，面临着关闭煤矿资源赋存特征不清、基础研究薄弱、矿井积水污染严重、地下空间稳定性不明等一系列问题。本文通过对关闭煤矿资源利用现状的分析，总结出了山西关闭煤矿二次利用面临的主要地质问题，并提出了以下地质保障措施：

1)全面收集资料，加强关闭煤矿基础研究。全面系统收集全省关闭煤矿地质资料，摸清关闭煤矿资源赋存特征，加强关闭煤矿煤层气、矿井水、煤系共伴生矿产、煤下铝、煤下铁以及矿井稳定性规律的研究与监测，为关闭煤矿空间的利用提供基础数据。

2)因地制宜，一矿一策，精准利用关闭煤矿资源。在充分掌握煤矿基础数据的基础上，根据煤矿资源赋存特征和类型以及所在区域位置，在充分考虑关闭煤矿的资源特性和地质条件的基础上，因地制宜地设计不同的开发利用方案。

3)充分重视关闭煤矿积水、排水的综合利用，加大对关闭矿坑排水的处理与二次利用。重视中南部酸性矿井水的开发利用。对北部严重缺水地区，探索建立关闭煤矿地下水库及城市应急水源。

4)加强对关闭煤矿地下空间的稳定性评价，按照关闭煤矿的地质地理条件，探索关闭煤矿地下空间的梯级利用。按照地下空间的稳定性、安全性、密闭性及距离城市的远近，探索关闭煤矿建设地下储油储气库、地下蓄能电站、地下储藏库、实验室、物资中转基地等。