河南省煤矿城市地下空间量估算

石贝凝，向中林，李振华，张盛艳，常 斌

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.河南省煤田地质局 资源环境调查中心，河南 郑州 450000)

煤炭是我国的主体能源，煤炭持续开采导致大量煤矿资源枯竭，在经济发展常态和供给侧改革背景下，关闭和废弃矿井数量逐年增多，这些煤矿关闭/废弃后形成大量的煤矿地下空间[1]。根据中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”，2020年我国关闭矿井数量达到12000处，地下空间约为72亿m3，2030年将到达15000处，地下空间约为90亿m3[2]。河南省 2017—2018年两年累计关闭158家煤矿，多集中在河南能源化工集团、平煤神马集团、郑煤集团、神火集团等，化解过剩产能3963万t。随着当代社会城市化进程的不断加速，大多数城市地面建设已呈现饱和状态，更有许多大型城市甚至达到过饱和状态，为扩充城市空间容量，保证整个社会的稳定高效发展，城市地下空间的开发建设成为实现这一目标的重要手段[3-8]。

煤矿废弃和关闭后遗留下大量的煤炭、煤层气、矿井水、地下空间、土地和地热等地下空间资源[9，10]，将这些资源合理利用，不仅能够变废为宝，提高社会经济效益，而且能够避免这些遗留资源后续引发的安全问题，降低社会损失[2]。其中地下空间资源是最为稳定且易开发的资源，其开发成本低，回报高，易实现[11]。煤矿开采后留下的地下空间主要包括井筒、巷道、硐室和采空区[12]，这些地下空间在煤矿开采过程中发挥了重要作用，在煤矿关闭后也是不可或缺的空间资源[13]，要对其进行开发利用，势必要对这些地下空间容量进行统计，谢和平院士早在2018年已估算出全国煤矿地下空间容量[14]，但其研究区范围广、尺度主要以省份为单位，研究重点非单个城市。因此，本文以现有调查收集统计的煤矿数据为依据，利用煤矿地下空间估算方法，对近年来河南省煤矿地下可利用空间(井巷和采空区)进行估算，根据河南省煤矿地下空间资源量概况，初步提出合理的开发利用建议。

1 煤矿地下空间类型及利用现状

煤矿经过多年的开采后，遗留下大量的地下空间，这些空间主要有井筒、巷道、硐室和采空区[12]。井筒是指在煤矿开采或地下工程建设中，从地面向矿体开凿的垂直或倾斜的一类工程，分为立井和斜井，是矿井通达地面的主要进出口。巷道空间是连接采空区与硐室的脉络，从距离采空区最近的部分开始依次为区段平巷、区段平巷联络巷、上下山巷道、主要大巷、井底车场、主副井。井下硐室主要有绞车房、煤仓、排水泵房、变电所、避难硐室等。一般直径在8 m，直立高度一般为50 m。其横截面积大，结构较为牢固，可利用性好。采空区一般是指将地下煤炭开采完成后留下的空区。煤炭的赋存一般呈层状出现，从而形成大片连续的采空区[12，13，15]。

一般情况下，采区巷道布置在煤层之中，服务年限短，稳定性相对较差，在采区资源回收结束后，不再对其进行支护和维修，煤炭采空后形成的采空区如不加以支护容易坍塌，造成不规范的垮落带和裂隙带。这些采区上、下山(采区式布置)、回采巷道以及不稳定的采空区等空间，利用价值小，难度大，不作为二次利用考虑的对象[16]。井筒、永久大巷、井底车场和相关硐室等地下空间较为规范完整，范围广，并且较为稳定牢固，在很长一段时间内可以保存[17]，可作为重点空间资源加以利用。此外，虽然采空区易坍塌、不稳定，但利用现有的煤柱支撑技术对采空区加以支护，由于煤柱的支撑，这些空间维护情况良好，赋存较为稳定[18]，结合其本身空间大的优势，这些采空区地下空间在二次利用中也有着不可小觑的作用。

国外关停煤矿的开发利用起步早、模式多元，主要集中在美国、德国、芬兰、荷兰、俄罗斯、瑞典、澳大利亚等国家[19，20]，我国关停煤矿的开发利用虽然起步较晚、模式单一，但近年来也取得了一些成绩，综合国内外废弃煤矿的开发利用情况，按照不同领域的不同利用模式，主要分为地下储物型开发模式、矿井水开发型利用模式、生活工业生产及生态旅游型开发模式、特殊科普教育型开发模式、疗养场所型开发模式、废弃物处置场地型开发模式等多种开发模式[12，21，22]。

1.1 地下储物型开发模式

主要包括：储油库、储气库、战略物资储备库、储粮库、储热库、车库和普通物资储备库等。如：美国建成世界首座废弃煤矿地下储气库，1975年，比利时也建成废弃煤矿地下储气库。2016年，我国最深的井筒式停车库——杭州密渡桥路地下公共停车库正式开放，利用井筒建设的地下停车库作为废弃煤矿地下空间新的储物模式，不仅解决了城市地面停车拥堵问题，还节约了土地资源，为城市发展带来了巨大的经济效益[19]。

1.2 矿井水开发型利用模式

主要以地下水库、抽水蓄能发电站的开发为主[23]。利用废弃矿井、巷道等作为贮水空间，回灌储存地面水可形成地下水库。日本的松尾氏提出了修建地下水库的设想，随后建成一系列的地下水库，同一时期，美国建成了100多个地下水库[24]，为当地农业、工业、以及生产生活供水提供了强有力的保障。抽水蓄能发电站的基本原理是利用废弃矿井井底与蓄水池的高低落差进行发电。荷兰林堡省海尔伦市利用关停矿井建成地热资源新型地热发电站，为多处民宅、商店、图书馆和大型办公楼供暖[19]。开滦矿务局利用废弃矿井建设了落差型地下抽水蓄能发电站，年可获得244万元的效益。

1.3 生活工业生产及生态旅游开发型模式

生活生产型模式主要用于地下农业等类型，北京京煤集团有限公司、河北峰峰集团有限公司，在废弃煤矿巷道内种植蘑菇，将废弃巷道用于井下农业，取得效果较好[21]。旅游开发型模式以矿山公园为主。德国劳西茨县将矿区建设为以大型湖泊群为中心的生态工业旅游景点，供游人参观，使废弃矿井发挥了极大地作用[19]。目前，我国国土资源部共批准建立72个国家矿山公园，31家已开园[21]。原徐州矿区权台煤矿和旗山煤矿的采煤塌陷区域被改造成集生态旅游和休闲娱乐为一体的国家4A级潘安湖旅游景区[17]。

1.4 特殊科普教育型开发模式

主要应用于科普教育和教学实践基地。日本原砂川矿将废弃的立井改作无重力实验场，实验设施设置在地下，安装较为容易，其稳定优良的无重力环境、为实验提供了良好的条件[13]。德国波鸿市鲁尔区将废弃矿井建设为多功能展示型矿业博物馆[19，25]，芬兰的奥陶克恩普通过重现采矿过程的方式建设矿井乐园博物馆，将废弃煤矿改建特殊科普教育型场所具有一定的教育意义。

1.5 疗养场所型开发模式

意大利国家核物理研究所(LNGS)是国际唯一的医学相关地下实验室，主要利用地面下1400 m的废弃空间，对低辐射环境下生物生长状况展开研究，发现在深地低辐射环境中，细胞生长发育减缓[26]，地下空间环境某些固有特性的医学效应能够改善和治愈人类某些疾病，深地实验室尤其对患有呼吸类疾病的病人有积极效果。

1.6 废弃物处置场地型开发模式

其主要改建为储存生活垃圾、工业及建筑垃圾的场所等。其利用方式是将废物处置与采矿充填开采工艺相结合，将城市遗留垃圾用于充填煤矿开采后形成的大量采空区，这不仅可以减轻城市垃圾带来的环境问题，还能有效地防治采空区危害。德国的鲁尔煤矿曾长期利用发电厂的粉煤灰、采矿矸石以及焚烧后的生活垃圾充填采空区工作面空间，并取得了成功的经验。

就不同煤矿地下空间类型而言，结构不同，利用途径也不同。结合上述6种利用模式，井筒、井底车场、永久大巷和相关硐室等这些井巷地下空间较为稳定和牢固，一般可用于改建为储气库、特殊物资储备所、地下疗养所、地下养殖场、地下实验室等对空间稳定性要求较高的场所。采空区一般稳定性差，通常用于储存普通物资。但因其空间大的优势，在作为废弃物处置场处理城市生活和工业建筑垃圾时发挥了较大的作用。我国区别于国外用巷道储水的模式，改用采空区垮落带为存储空间，储水容量大大提升，且垮落带内的煤矸石对矿井水还具有过滤作用，水质也有所提升[23]，使采空区的利用率得以提升。井巷和采空区在空间特征上各有优劣，只有根据自身空间特征寻找适宜的利用模式，才能真正为城市发展提供帮助。

2 研究数据及方法

2.1 研究区数据

煤炭是河南省的优势矿产资源之一，是重要的基础能源和生产原料。全省有多个市、县有煤炭资源赋存，同时具备储量丰富，门类齐全，煤质优良，开采条件好等优势。根据统计局、地面调查和井下调研数据统计，河南省典型煤矿有261处，其中安阳市13处、鹤壁市12处、济源市5处、焦作市15处、洛阳市35处、南阳市2处、平顶山市47处、濮阳市3处、三门峡市22处、商丘市22处、新乡市10处、信阳市2处、许昌市19处、郑州市52处、驻马店市2处。具体分布情况如图1所示。

图1 河南省各城市煤矿分布

2.2 可利用地下空间评判指标

煤矿井巷可利用空间和采空区可利用空间赋存情况不同，这些空间是否能够真正达到二次利用的标准需要进一步判别，其中需要考虑到的还有安全性因素、稳定性因素、空间环境因素和经济性因素[14，27]。满足上述条件可进一步判识为可利用地下空间，各因素具体情况如下。

1)安全性因素。在所有评价因素中，安全性因素是最重要的，具有一票否定权。煤矿开采过程中存在瓦斯爆炸和突水两大主要灾害，瓦斯等级、煤尘爆炸性、煤层自燃程度、水文地质条件以及巷道的完好情况都是评判煤矿地下空间安全性的重要指标和依据。

2)稳定性因素。稳定性和安全性一样，在煤矿城市的开发利用中占有十分重要的位置，围岩稳定性、地质构造条件、巷道支护形式、埋深和地面沉降速率等都对煤矿稳定性有较大的影响。这些稳定性较高的煤矿地下空间可利用度更高。

3)空间环境因素。温度、相对湿度、风速以及水质好坏等指标对煤矿地下空间的再次利用都有一定的影响，良好的环境在地下空间建设中优势明显，可利用率更高。

4)经济性因素。煤矿一般建立在距离城市较远的郊区地带，废弃矿井在二次利用时要考虑到其交通便利性和与人的交互性，有人的地方就有市场和经济，人流量和区位便捷在衡量废弃矿井利用的经济效益中占有重要比重，改建过程中提升运输的难易和基本费用的高低都是评判煤矿地下空间二次利用不可或缺的因素。

2.3 煤矿可利用地下空间估算方法

本文将煤矿废弃和关闭后形成的井筒、巷道、硐室和采空区等大量可利用地下空间主要归为两类，即井巷可利用地下空间和采空区可利用地下空间。对这些地下空间容量进行估算，为后续煤矿地下空间开发利用提供数据支撑和有力地评判依据。

2.3.1 井巷可利用地下空间估算方法

井巷地下空间主要取决于煤矿矿井建设的规模大小，开采规模越大，需要建设的井巷及配套工程容量越大，其井巷可利用地下空间越大，计算公式如下：

VR=k×G

(1)

式中，VR为井巷可利用地下空间量，万m3；k为不同煤矿规模下井巷可利用地下空间量的比例系数；G为煤矿规模，指煤矿在单位时间内产出的煤矿质量，万t/a。

利用来自相关设计院、科研院所、生产煤矿处调研、搜集到的典型煤矿规模与井巷可利用地下空间量(主要包括井筒、井底车场、大巷、主要硐室等)的数据，估算出煤矿规模与其井巷可利用地下空间量的比例系数，得出煤矿井巷地下空间量。本文参照谢和平院士利用全国调研数据估算出的煤矿规模与其可利用井巷地下空间量比例系数的结果[14]，详见表1。

表1 不同规模煤矿的井巷可利用地下空间量比例系数

2.3.2 采空区可利用地下空间估算方法

采空区地下空间量是指煤矿开采后形成的地下空间体积。井工煤矿98%以上都采用垮落法管理顶板，煤层采出后，从煤层直接顶板开始，由下而上依次垮落、断裂、离层、弯曲，经过若干时间后终止移动，在地表一定范围下形成沉陷区，工作面采空区地下空间可由煤炭采出体积扣除地表沉陷体积和岩石卸压膨胀体积得到[14]。即煤矿采空区可利用地下空间计算公式如下：

V3=V-V1-V2

(2)

其中，V为煤炭采出体积；V1为地表沉陷体积；V2为岩石卸压膨胀体积(未破坏)；V3为采空区可利用地下空间量。

地表沉陷体积可根据不同城市的下沉系数η计算，岩石卸压膨胀体积可按照地下空间总量与膨胀系数K计算，煤矿采空区可利用地下空间量模型为：

V3=V(1-η)/(1+K)

(3)

3 河南省煤矿城市可利用地下空间估算

3.1 井巷地下空间估算

3.1.1 井巷可利用地下空间总量统计

根据现有调研数据，河南省登记不同煤矿261个，其中具有采矿规模的煤矿148个，采用井巷地下空间量估算方法，统计得出河南省煤矿的井巷可利用地下空间总量见表2。

表2 河南省城市煤矿井巷可利用地下空间量

河南省煤炭产能共计21151 t/a。按照煤矿规模分为小型(0，30]、中型(30，120]、大型(120，500]、超大型(500，1000]和特大型(1000，2000]五个等级，其不同规模煤矿数量分别占全省煤矿数量的20.27%，41.89%，35.14%，2.03%，0.68%；采掘规模分别占河南省规模总量的3.07%，20.92%，61.73%，8.35%和5.93%，井巷可利用地下空间量分别占河南省总井巷空间量的3.45%，21.85%，61.98%，7.72%和5%，河南省煤矿井巷可利用地下空间主要依靠中大型煤矿提供。其中，生产煤矿数量前3位的分别是：郑州市和平顶山市各28个，洛阳市21个。煤矿生产规模前3位的分别是：郑州市、平顶山市、洛阳市，分别达到6593，5167和1785万t/a。估算出各城市现有生产煤矿的井巷可利用地下空间量总计约5265.97万m3，按小型矿井井巷平均断面10 m3、中型矿井井巷平均断面14 m3、大型矿井井巷平均断面16 m3、超大型、特大型矿井井巷平均断面18 m3估算，可利用井巷长度共约3415.59 km。其中，河南省煤矿井巷可利用地下空间量前6位分别是：郑州市、平顶山市、洛阳市、许昌市、三门峡市和商丘市。其空间分布如图2所示。

图2 河南省各市煤矿井巷可利用地下空间资源量分布

在空间上，河南省煤矿井巷可利用地下空间主要分布在省中部和西部城市，特别是中部城市，郑州、平顶山和许昌市合计提供井巷可利用地下空间3 293.43万m3，占河南省总量的62.54%。

3.1.2 距离地级市50 km内煤矿统计

考虑到煤矿地下空间的经济性因素，即地下空间利用的便利性，选择50 km作为可较好利用的阈值，利用地理信息处理软件ArcGIS对具有井巷地下空间的煤矿数据进行分析处理，得到井巷可利用空间距离统计数据，见表3。

表3 按距离分类的河南省煤矿城市可利用井巷地下空间量统计

河南省距离地级市50 km以内的煤矿数量共115个，规模合计15965万t /a，煤矿的井巷可利用地下空间量共计3969.45万m3，空间分布如图3所示，在井巷地下空间上具有优先开发利用的城市主要位于河南中部及西北部，距离地级市50 km以内井巷可利用地下空间统计如图4所示，其中煤矿数量较多的城市有平顶山市、郑州市和洛阳市，井巷可利用地下空间量较大的城市前三名为郑州市、平顶山市和洛阳市。

图3 河南省距市中心50 km内井巷地下空间资源量分布

3.2 采空区地下空间量估算

根据统计数据，截至2019年底，河南省累计生产原煤106.26亿t。根据各城市煤炭产量统计，按照煤炭容重为1.35 t/m3，计算采出煤炭体积。地表沉陷体积与地表下沉系数相关，经过各城市主要地面沉陷区调查，可以统计出城市平均下沉系数。根据“三带”理论，岩体的膨胀主要集中在垮落带、断裂带及弯曲带的底部，岩体膨胀系数K取经验值0.1[28]。利用采空区可利用地下空间估算方法，得出截至2019年底各大城市可利用采空区地下空间(表4)，为评价煤矿采空区地下空间利用的适宜性，将煤矿距离城市中心50 km作为区分条件，分别统计了城市周边(≤50 km)及偏远地区(>50 km)的可利用采空区地下空间。

表4 按距离分类的河南省城市煤矿采空区可利用地下空间统计

河南省煤炭采出体积共计777052.64万m3，可利用采空区地下空间量共计180255.21万m3，其中位于前三的分别是郑州市、平顶山市和三门峡市。考虑到地下空间开发利用的经济性条件，距离城市中心50 km范围内煤炭采出体积共计668718.78万m3，可利用采空区地下空间量共计157604.37万m3，占采空区地下空间量的86.95%。距离城市中心50 km范围内煤矿数量前三名城市为：郑州市、平顶山市和洛阳市，可利用采空区地下空间量前三的为郑州市、平顶山市和鹤壁市。

4 河南省典型煤矿城市地下空间开发利用建议

根据上文计算结果，统计得出河南省各煤矿城市地下空间资源量情况详见表5，其中排在地下空间资源总量前5位的城市分别为：郑州市、平顶山市、三门峡市、鹤壁市和洛阳市。这几个城市相较于河南省其他城市空间资源量较大，都超过了10000万m3，可作为二次开发利用优先考虑的对象。

表5 河南省煤矿城市可利用地下空间资源总量 万m3

优先在哪些城市开展地下空间的开发利用，需要从多因素综合考虑，除了可能提供的空间资源量，还应该包括开发安全性条件、稳定性条件、空间环境和经济性因素(这里的评价因素和指标是以“煤矿城市”为中心展开讨论，与上文评判“单一煤矿”地下空间可利用性的指标有所不同)，其中瓦斯等级、煤尘有无爆炸危险、水文地质条件、最大涌水量和沉陷区面积是评判矿井安全性的重要指标，煤层稳定性、地质构造、工程地质条件、煤层倾角和沉降系数是稳定性主要指标，浅层地表温度的高低、降水量的多少、水质的好坏以及历史文物保护区(简称保护区)等空间环境因素对煤矿地下空间的再利用也有一定的影响，而区位、最大埋深和正常涌水量是评价煤矿经济性因素的重要指标[27]。通过5大因素及其各指标的分析，参考国内外煤矿地下空间开发利用现状，对河南省5个典型煤矿城市的开发利用条件进行分析，并结合不同城市的特点、发展及需求等，具体开发利用建议如下：

1)郑州作为河南省会城市，是全省的政治、经济和文化的中心。拥有较大的商业经济圈，其人流量大，易造成交通堵塞，同时拥有一大批国家重点科研院所和军队重点院校，国家投资多，科研能力较强，针对这些情况[29]，结合郑州市煤矿地下空间大的特征，可将大量的井巷可利用空间改造为井筒式停车库，缓解郑州市作为省会的停车拥堵问题。凭借国家政策支持，改建地下科研研究场所，进一步促进教研发展。对于部分安全性因素和稳定性因素不高的空间，可用于储存一些性质较稳定的普通物资。此外，郑州市沉陷区面积较大，通常沉陷区容易出现积水现象，水体下方土质疏松，这部分空间虽不稳定也不可浪费，可将其改造为水产养殖基地，在避免沉陷区资源浪费同时获得经济效益。难以改建和归整的空间可作为地下垃圾场或地下污水处理厂，为城市整体的发展提供帮助。

2)平顶山作为中国重要的煤炭产地，是一座典型的煤炭工业城市，经济实力较强，号称“中原小深圳”，其煤层气项目为国家级重点示范项目，且开发前景很好。其空间环境因素较好，温度适宜，可借此优势将地下空间改建为储气库，为工业生产调峰提供帮助。适宜的地下温度有助于生长，地下农业生产厂、地下动植物养殖场甚至地下医院都可作为平顶山地下空间再次利用的优良选择。

3)三门峡的发展得益于1957年的三门峡水利枢纽工程，是一座因水利而发展的城市，位于河南、山西和陕西三省交界处。凭借资源和地理位置的优势，可将大量地下空间改建为各种储水库，储存大量生活用水，未雨绸缪，在突发缺水情况时及时供水，或在干旱时期提供“人工降雨”，为自身乃至周邻各城市的发展提供福利。此外，三门峡空间埋深多为200～800 m，且安全性较好，可将其改建为地下实验场地，解决地面难以完成的实验。

4)鹤壁人口较少，仅有146万人，占全省的1.46%，GDP比重较低，经济发展相对落后，但其拥有较大的采空区地下空间，将这些空间改建为大型储物场所，物流中转站，提供就业岗位，吸引外地人口入住，促进城市发展进步。

5)洛阳作为中国的“八大古都”之一，旅游资源丰富，航空航天等大中型骨干工业企业集中，工业发展迅速，成为紧随郑州的第二大城市。可将其空间改建为地下工业旅游基地，此举不仅能够增强洛阳的城市底蕴，更进一步丰富了旅游主题，可吸引大量国内外游客，为城市发展贡献力量。

5 结 论

1)河南省井巷地下可利用空间量总计约5265.97万m3，可利用井巷长度共约3415.59 km，其中距离地级市50 km以内空间量3969.45万m3，空间上主要分布在全省的中部和西部城市。其中中部城市郑州市、平顶山市和许昌市合计提供井巷可利用地下空间3293.43万m3，占河南省总量的62.54%，距离地级市50 km以内空间量合计2620.29万m3，占总量的49.76%。

2)河南省煤炭采空区可利用地下空间量共计180255.21万m3，其中距离城市中心50 km范围内采空区可利用地下空间量共计157604.37万m3，占河南省采空区可利用地下空间总量的86.95%，空间上仍主要分布在河南省的中部和西部城市。其中郑州市提供59975.47万m3(距离城市中心50 km范围内53800.20万m3)，占比33.09%，平顶山市提供47034.26万m3(距离城市中心50 km范围内45599.61万m3)，占比25.95%。

3)河南省煤矿地下空间可利用资源总量186521.18万m3，其中可利用空间超过10000万m3的城市排名依次为郑州市、平顶山市、三门峡市、鹤壁市和洛阳市。这些城市地下空间资源量大，可根据其开发安全性条件、稳定性条件、空间环境和经济性因素综合评价其适宜性，优先选择相适应的开发利用方式。