关闭矿井地上/下资源定量评估与转型路径探讨

郭亚超， 王 鹏， 董霁红

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116； 2.西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710077；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，西安 710077； 4.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116)

0 引言

关闭矿井是指矿山企业由于服务年限期满、资源枯竭等原因停止开采活动。随着我国传统产业去产能、去库存政策的提出[1-2]，关闭矿井数量逐年增加。据统计，从2014 年1月至2016 年12月全国关闭矿井达2 858处，合计产能35 686万t/a[3]。在经历了数十年的开发，这些矿井形成了巨大的井上下空间。矿井关闭后，这些空间若不加以转型利用，将造成空间资源的废弃，同时造成残留煤炭资源的浪费，加之环境污染，将成为重大的潜在地质隐患[4-5]。

西方采矿业较发达国家的学者在20 世纪中叶就对关闭矿井转型升级进行了研究，并取得了一些成功案例[5]。近年来，我国许多关闭矿井建立了国家矿山公园，如枣庄中兴国家矿山公园、大同晋华宫井下探秘区[3]、唐山开滦国家地质公园[6]等，但在煤矿空间利用方面整体还处于起步阶段。我国学者在研究国内外关闭矿井利用现状的基础上，提出了关闭矿井转型升级构想体系，阐述了关闭矿井资源转型利用的新方向[7-12]。这些成果为关闭矿山转型发展提供了思路借鉴，但对关闭矿井残留煤炭资源、地上/下空间资源等详细估算方面还需深入研究[13-18]。本文以陕西朱家河中型矿井为例，定量评估地上/下残留煤炭资源以及空间资源，探讨关闭矿井地上/下资源转型发展新路径，为关闭矿井实现转型升级与资源利用提供基础。

1 关闭矿井地上/下资源特征与类型

关闭矿井地上/下资源种类众多，分析地上/下资源特征与类型，将各种资源进行归类，是实现地下资源整体规划，地上资源统筹发展，矿区一体化开发的基础。

1.1 关闭矿井地上/下资源特征

1)地/上下空间巨大，可利用价值高。2014年至2018年下半年，我国关闭矿井达7 516座[3]，地表生产区、生活区、办公区、辅助生产区以及井下巷道、车场等空间资源较大。

2)设备处置不当，损耗严重。全国多数关闭煤矿资产设备处置不当，堆积成片，同时有些地面设备，如主副井井架、主井绞车等未及时有效处理，损耗严重。

3)环境问题突出。随着煤炭资源的开采矿区出现地表塌陷、开裂等严重问题。同时排出的矿井水含有毒有害物质，造成地表水、土壤的污染。大量的煤矿关闭后，没有进行土地复垦和环境治理，矸石山、排土场等打破了绿水青山的格局。

4)煤炭残留较多，资源浪费问题突出。据相关研究，到2030年我国关闭达15 000处[4]。由于开采条件限制，全国矿井回采率较低，关闭矿井仍然赋存大量煤炭资源。

1.2 关闭矿井地上/下资源类型

关闭矿井资源种类众多，主要包括空间资源、井上下设备、土地资源、残留煤炭资源、水资源等等(表1)。随着关闭矿井的大幅度增加，我国迫切需要解决关闭矿井资源的转型利用问题[7]。

表1 关闭矿井地上/下资源类型

1.3 研究区概况

陕西煤业化工集团蒲白矿务局朱家河矿井设计生产能力90万t/a，服务年限62a，矿井自上而下分别为3 煤、5-1煤、5-2煤、6-1煤、10煤。其中 5-2煤为中厚煤层，其余煤层均为薄煤层，煤层倾角不大于10°。矿井划分两个水平开采。第一水平标高 +600 m，主要运输大巷和回风大巷相互平行布置，两巷间距30 m。第二水平标高+520 m，用集中下山开采第二水平。由于国家去产能政策的要求，2016年8月15日停止原煤生产开始回撤，矿井关闭前，二水平工作还未进行，于2016年11月30日彻底关闭。矿井关闭后，井上/下资源种类众多，矿井采区布置情况如图1所示。

图1 朱家河矿井布置情况Figure 1 Zhujiahe mine layout plan

朱家河矿井地处渭北矿区山区地带，有着我国煤矿典型特征。朱家河矿井生产中各种设备设施种类齐全，同时地面办公区、生活区、生产区等地表建筑分区明显，矿井关闭后井上下空间、设备等维护较好，以朱家河中型矿井为例，进行井上下资源评估，对于预估全国关闭矿井容积，探讨转型发展路径具有典型代表性。

2 井下可用空间资源估算

矿井关闭后各类资源转型利用率较低，特别是井下空间资源的开发利用不充分，对关闭矿井地下资源进行高效准确评估，可为地下空间资源整体规划提供基础数据。

2.1 不同类型井下可用空间估算

2.1.1 实测估算

矿井生产系统包括开拓巷道、准备巷道、回采巷道，巷道断面主要有半圆拱形巷道、圆弧拱形巷道、梯形巷道。在地下空间实测估算时， 不同类型巷道总可利用空间可根据下式计算：

(1)

式中：V为估算巷道可利用空间，m3；S为估算巷道净断面积，m2；L为估算巷道长度，m。

2.1.2 探地雷达探测估算

随着探地雷达技术的不断成熟，由于其在地下空间评估方面有着“快、精、准”的特点而被广泛应用。对于井下空间探测，可根据待测矿井地下巷道布置平面图，布置正交网格测线，由于雷达波穿透的介质不同，雷达滤波器接收到的数据就会有差异。在数据解译和分析时根据电磁波变化判断巷道边界，测算出地下空间的尺寸[19-20]。

2.2 井筒可用空间估算

朱家河矿井采用斜井开拓方式，主、副斜井断面均为半圆拱形巷道。

矿井主斜井净宽4.0 m，净高3.2 m，净断面积11.1 m2，斜长 820 m。副斜井净宽4.4 m，净高3.25 m，净断面积12.2 m2，斜长 561 m。由公式(1)可知朱家河矿井井筒可利用空间约为1.6×104m3。

2.3 井底车场及硐室可用空间估算

由于矿井生产的需要，在矿井主要提升井筒和井下主要运输巷道采用井底车场连接，同时还包括为井下生产服务的各类硐室。根据式(1)对井底车场及硐室有效空间进行估算结果见表2。

由表2 可知，矿井井底车场及主要硐室可利用巷道长度1 609 m左右，井底车场及主要硐室可利用空间大约为2.1×104m3，具有广阔的利用前景。

表2 井底车场及主要硐室可利用空间估算

2.4 大巷可用空间估算

根据大巷通风、运输、安全以及维护费用要求，一水平主要运输大巷和回风大巷断面净面积12.3 m2，掘进断面14.2 m2，巷道长度为3 298 m，根据公式(1)可知，一水平主要运输大巷和回风大巷可利用空间约为8.1×104m3。

朱家河矿井井下可用空间主要包括主副斜井井筒、井底车场及中央水泵房及通道、材料库等硐室以及一水平主要运输大巷和回风大巷，采用实测估算法得到井下总可利用空间约为1.18×105m3。

根据矿井布置图，布置正交网格测线，采用探地雷达，通过分析雷达滤波器数据，估算得到朱家河地下井筒、车场及硐室、大巷可用空间为1.25×105m3，与实测估算结果相差6.3%，这可能是由于采用探地雷达估算时，雷达信号传输到由采动引起的巷道围岩各种裂隙，甚至采空区裂隙中，使得测算结果偏大。但对于地下空间估算，采用探地雷达仍具有一定的可行性。

3 残留煤炭资源定量评估

3.1 井下残留煤炭资源量估算

根据《关于保安煤柱设计时采用移动角的规定》，黄土层α，基岩上山β，下山γ，如图2所示，根据垂直剖面法计算保安煤柱。计算残留煤炭资源量，具体可根据公式：

图2 安全煤柱留设示意图Figure 2 Schematic diagram of safety pillar setting

(2)

式中：V为估算煤柱资源量，t；D为估算煤柱宽度，m；L为估算煤柱长度，m；H为煤层厚度，m；η为煤的容重，t3·m-3。

3.2 工作面残留资源量估算

考虑到井下工作面开采方式的不同，根据矿井地质条件以及《矿井工业设计规范》，工作面之间留设不同宽度的安全煤柱， 岩层移动角按黄土层52°，基岩上山70°，下山68°，煤层按水平煤层计算，朱家河井田四个采区共42个工作面进行了开采作业，主要采用炮采及综采方式，主采煤层厚度为2.6m，工作面间留设20～40m保护煤柱，煤的容重为1.40 t/m3，根据式(2)，工作面煤柱残留煤炭资源约144万t(表3)。

表3 工作面残留资源量估算

3.3 井田内其余残留煤炭资源量估算

白水河、铁路以及林皋水库位于矿区中央，为了矿井安全生产白水河与铁路以河流最高洪水位线并留有15 m保护煤柱为界，林皋水库留设覆水区外加15 m保护带。工业广场及风井广场按二级保护，设有选煤厂，工业广场占地面积12.2 hm2，护围带宽10 m；村庄按三级保护，护围带宽5 m，井田范围内较大范围的村庄有安家大队、洼里村、姚家村、圣山庙、王庄新村，如图1所示。同时井田内含有较大断层，断层煤柱根据断层断距大小留设，断距比较大的两侧各留50 m煤柱。

在井田边界留设20m宽度保护煤柱。同时井田范围内林皋井，安家井和高阳井位于井田中部首采区和接续采区，对于对矿井正常开采影响较大。

由表4 可知，井田内铁路及河流、水库、断层、井田边界、大巷及风井、小窑采空区、工业广场以及村庄下压煤总资源量达5 405.33万t。

表4 井田内其余煤炭资源估算

朱家河矿井遗留煤炭资源主要包括井田内铁路及河流、水库、工业广场以及村庄保护煤柱，工作面保护煤柱，总残留资源量达5 600万t。

4 矿井工业广场建筑空间估算

矿井工业广场作为矿井生产必不可少的部分，主要由办公区、生活区、生产区以及辅助生产区组成，占用大量的土地资源和空间资源，对工业广场建筑空间进行估算，对实现关闭矿井转型发展具有重要意义。

4.1 工业广场建筑空间估算方法

4.1.1 实测估算

通过现场测量方式，得到工业广场建筑尺寸，对于工业广场建筑占地面积以可用空间容积主要采用：

(3)

(4)

式中：V为估算建筑可用空间，m3；D为估算建筑物宽度，m2；L为估算建筑物长度，m；H为建筑物高度，m；S为建筑物占地面积，m2。

4.1.2 低空数据快速估算

随着低空无人机技术的发展[20]，采用低空无人机快速获取矿区建筑的正射影像，结合数字化测图方法，实现矿区工业广场建筑的快速测量，不仅可以达到测量的精度要求，而且具有省时省力、效率高的优点，同时借助 sketchup等软件进行三维建模，使得矿区建筑容积估算更加客观、立体化。

采用无人机对于矿区建筑空间容积进行估算流程为：通过无人机对矿区进行航拍，再通过影像镶嵌将单张正射影像拼接成一张无缝的影像，按一定比例构建矿区建筑三维模型，最后根据建筑控制点测量建筑空间容积大小。

4.2 朱家河矿井工业广场建筑空间估算

4.2.1 实测估算

朱家河矿井工业广场地面建筑设施保存都比较完整，办公区建筑主要包括行政办公楼、车库、办公化验室等；生活区包括公寓楼、职工餐厅、活动中心、健身房等主要建筑；生产区包括主变室、机修厂、转运站、筛选车间等以及辅助生产的圆形储煤场、水处理沉淀池、污水处理间等建筑，通过现场实测统计方式对工业广场办公区、生活区、生产区建筑设施进行测量，根据式(3)及(4)对建筑物占地面积及空间容积作出估算，其中办公区建筑占地面积2 375.7m2，空间容积2.2×104m3；生活区建筑占地面积5 074.8m2，空间容积3.4×104m3，生产区建筑占地面积5 696.2m2，空间容积3.8×104m3；辅助生产区建筑占地面积9 951.6m2，空间容积1.0×104m3，整个工业广场建筑空间容积达1.04×105m3。工业广场建筑空间容积占比依次为生产区37%，生活区33%，办公区21%，辅助生产区为9%。

4.2.2 低空数据快速估算

根据矿区建筑分布特征，对工业广场范围进行实地踏勘，详细分析矿区工业广场资料，严格按照建筑设计规范的要求严格设计飞行路线。对朱家河矿区工业广场进行采样航拍时，设置航向重叠率为75%，旁向重叠为65%，然后使用网络RTK模式测量获取航拍范围。根据航拍影像中建筑物位置，借助数字化测图方法测量其相对坐标，进行展点、绘图，得到工业广场建筑的精确尺寸。按照《建筑设计规范》，工业广场建筑按3m高度估算，经无人机航拍数据测量，办公区建筑空间容积2.0×104m3；生活区建筑空间容积3.6×104m3，生产区建筑空间容积3.88×104m3；辅助生产区建筑空间容积1.2×104m3，整个工业广场建筑空间容积达1.06×105m3，与实测估算结果相差2%。可见采用无人机低空数据队矿区建筑进行快速评估具有较高的准确性。同时利用sketchup软件对矿区建筑物进行三维建模，使得矿区建筑容积估算更加客观、立体化。

以朱家河矿井地面建筑空间为标准，若大型矿井、小型矿井工业广场建筑空间容积与中型矿井工业广场建筑空间容积间比例系数按1.2和0.5计算，从2014年初至2016年底，全国关闭矿井2858处，其中小型关闭矿井2 684处，占全国关闭矿井规模总量的55.25%，地面建筑空间容积约为1.4×108m3，中型关闭矿井126处，占全国关闭矿井规模总量的20.41%，地面建筑空间容积约为1.3×107m3，大型关闭矿井48处，占全国关闭矿井规模总量的24.34%，地面建筑空间容积约为0.6×107m3。全国关闭矿井地面建筑总空间容积达1.59×108m3。按此比例，2018年底，全国关闭矿井7 516座，地面建筑空间容积达4.13×108m3;2030年将达15 000处，地面建筑空间容积达8.3×108m3。

5 陕西朱家河中型关闭矿井转型发展路径探讨与分析

国外对于关闭矿井资源开发利用研究起步较早，近年国内对关闭矿井空间的开发路径也进行了分析探讨，但目前在此方面仍需深入研究，在国内外研究的基础上，探讨关闭矿井资源转型发展新路径，对于关闭矿井转型升级具有重要意义。

5.1 国内外关闭矿井转型发展路径探讨

德国、英国、芬兰、比利时等国外采矿业发达国家主要对煤矿、金属矿、非金属矿、盐矿等关闭矿井资源进行了综合利用，主要利用方式为构建工业旅游景区，建立地下存储基地，地下气化及储气，地下水库、打造矿区养殖场、地下实验室、地下医疗站等[21-22]。

近年来，我国关闭矿井地上下空间资源也得到应用，主要用于矿山公园和矿山博物馆、地下储油、储气库、地下医院、地下实验室、地下水库、地下抽水蓄能发电站、压缩空气蓄能发电站、地下小型核电站、地下车库，矿区新农业、存储废物、存储环境有特殊要求的物品等方面[23-33]。

5.2 陕西朱家河关闭矿井转型发展路径分析

5.2.1 井下天然气存储空间站

天然气作为重要的消费能源，国外一些国家开发地下存储技术，但目前仅在美国、比利时、德国成功的将关闭煤矿作为地下储气库[23-24]。朱家河矿井位于我国“西气东输”线路的咽喉地带，井下可利用空间约为1.18×105m3，基于其地理位置，开发井下储气库，形成西气东输陕西地区中转站，对于西安大都市及周边地区发展具有重要意义。

5.2.2 井下水库以及污水处理站

打造井下水库以及污水处理站不但能够充分利用矿井水以及周边地区污水[25-27]，防止矿井水以及污水外排造成的矿区土壤、河流等污染，而且能基于井下水库建立区域水资源优化配置调控平台，实现区域尺度水平衡。朱家河矿井地处渭北旱塬，构建井下水库以及污水处理站可为周围矿井及周边地区提供废水及矿井水处理-存储-调度平台，为渭北旱塬反季节供水，缓解区域旱情。

5.2.3 矿区新农业

矿区工业广场空间为发展矿区新农业提供了清净，优雅的办公场所，工业广场建筑空间容积1.04×105m3，可以充分利用井上空间进行农业新品种的研发。井下空间具有适合植物生长的温度和湿度条件，矿井关闭后，利用井下巷道构建井下农场，并人为提供植物生长需要的阳光、土壤等，实现井下植物反季节种植。此外，关闭矿井空间可作为厌光动植物、微生物的养殖或者培养空间，实现高产高效、优质和环保健康的农业发展新模式[28]。开发朱家河矿区新农业，不仅可实现区域蔬菜、水果等反季节种植，又打造了西部地区鱼、水生动物等井下养殖基地，带动了区域经济的发展。

5.2.4 地下空间疗养院

矿井地下空间环境能够为季节性疾病，如气管炎、季节性过敏、支气管炎提供恢复和治疗场所[29-32]。矿井经过多年的开发，带动了周围经济的快速发展，一般矿区人口较多，经现场调查统计朱家河矿井周边人口较多，开发矿区疗养院，不但能够为矿区患者提供舒适而熟悉的疗养环境，使矿区资源得到充分利用，而且为矿区居民在此提供工作岗位，解决人员失业问题，将产生良好的社会经济效益。

5.2.5 残留煤炭资源流态化开采

朱家河矿井总残留煤炭资源达5 600万t。构建煤炭井下原位采、选、充、电、气、热、输运一体化流态化开采技术体系[33]，不但解决了资源生产效率低、生态破坏严重、煤炭采出率低、运输消费程序复杂等一系列问题，而且实现煤炭资源开采理念变革。

6 结论

我国关闭矿井数量逐年增加，矿井关闭后的空间资源、井上下设备、土地资源、水资源、残留煤炭资源等的转型利用不充分，尤其是空间资源的利用率较低，对关闭矿井资源进行高效准确评估，实现关闭矿井资源转型成为社会发展的需要。分析了关闭矿井资源特征及类型，提出了采用探地雷达和低空数据关闭矿井资源的估算方法，估算得到朱家河井下可利用空间约为1.18×105m3，工业广场建筑空间容积达1.04×105m3。2018年底，全国关闭矿井地面建筑空间容积达4×108m3，2020年全国关闭矿井地面建筑空间容积达6.7×108m3，2030年将达到8.3×108m3。验证了探地雷达以及低空数据在关闭矿井空间资源评估方面的可行性，预估了全国关闭矿井的空间容积。同时，依据保护煤柱留设方式，估算得朱家河矿井总残留煤炭资源达5 600万t。

探讨了国内外关闭矿井空间转型发展新路径，提出了朱家河关闭矿井转型发展新方向，如构建井下储气站、井下水库，开发矿区新农业，建立地下空间疗养院以及残留煤炭资源流态化开采，形成了矿井转型发展技术体系，可在关闭矿井资源定量评估及转型路径方面提供借鉴。