山西關(guān)閉煤礦資源二次利用關(guān)鍵地質(zhì)問題及地質(zhì)保障探討

劉漢斌，楊玉靜，程芳琴

( 1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省煤炭地質(zhì)局，山西 太原 030006；3.山西大學(xué) 土木工程系，山西 太原 030006)

煤礦經(jīng)關(guān)閉或退出后，仍然賦存大量可利用資源，如煤炭、煤層氣、礦井水、地下地上空間資源等[1]。2018年9月，習(xí)近平總書記在視察撫順露天煤礦時指出要做好關(guān)閉礦區(qū)資源整合利用這篇大文章[2]。然而，面對山西眾多的關(guān)閉煤礦，真正做好關(guān)閉煤礦資源整合，開發(fā)好、利用好山西廢棄礦井面臨著許多關(guān)鍵地質(zhì)問題與挑戰(zhàn)[3，4]。主要表現(xiàn)為：大多數(shù)關(guān)閉煤礦地質(zhì)資料不全、地質(zhì)條件復(fù)雜；殘余煤炭資源大多為薄煤層且存在強(qiáng)帶壓或者“三下”煤層；多數(shù)井工煤礦關(guān)閉后通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛雀?；礦井水由于自然流場恢復(fù)水位較高等問題。山西是中國的煤炭大省，國家的能源基地。全省年煤炭產(chǎn)量常年占據(jù)全國煤炭產(chǎn)量的25%左右。新中國成立70年來，山西累計生產(chǎn)煤炭192億t，占全國煤炭總產(chǎn)量的1/4以上。近年來，隨著煤炭、鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能政策的實施，山西2016年以來累計關(guān)閉、退出煤礦88座，關(guān)閉煤礦數(shù)量和退出產(chǎn)能全國第一。針對山西關(guān)閉煤礦資源的分析利用，以往的研究較少。陳郭靜[5]分析了山西國有煤炭企業(yè)對礦井水的利用現(xiàn)狀，提出山西應(yīng)大力重視礦井水的利用，以實現(xiàn)全省經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益的統(tǒng)一。李振拴等[6]分析了山西兼并重組以來部分關(guān)閉煤礦礦井水對地表水的污染和破壞，認(rèn)為山西應(yīng)加大和提高對礦坑排水的處理及利用。孟召平等[7]在對煤炭開采覆巖變形破壞規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，通過建立模型，評價了晉煤集團(tuán)晉圣煤礦采空區(qū)煤層氣資源。以往的研究未從全省的角度對山西關(guān)閉煤礦資源的二次利用現(xiàn)狀和存在問題的進(jìn)行分析研究。本文以山西省近年來關(guān)閉煤礦利用現(xiàn)狀為對象，分析探討了山西關(guān)閉煤礦資源二次利用的所面臨的關(guān)鍵地質(zhì)問題及地質(zhì)保障措施。

1 資源利用現(xiàn)狀

根據(jù)袁亮[1]等的研究，我國關(guān)閉煤礦資源化利用主要包括，能源化利用、資源化利用以及功能化利用三類。山西以往對關(guān)閉煤礦資源二次利用主要集中在抽采采空區(qū)煤層氣等能源化利用方面，資源化利用較少，功能化利用主要集中在建立礦山地質(zhì)公園、建設(shè)光伏發(fā)電站等。

1.1 能源化利用

山西省關(guān)閉煤礦資源能源化二次利用的主要是關(guān)閉礦井抽采煤層氣。較為成功的案例有，山西晉煤集團(tuán)在關(guān)閉礦井施工地面瓦斯抽采井，平均日產(chǎn)氣量可達(dá)到2000m3/口，煤層氣濃度約90%[8]。藍(lán)焰集團(tuán)關(guān)閉煤礦采空區(qū)地面煤層氣抽采示范項目煤層氣井單井日均產(chǎn)量1155m3，截至2016年底累計抽采利用約1700萬m3煤層氣[9]。

1.2 資源化利用

山西目前關(guān)閉煤礦水資源化利用較少，主要集中晉城、大同、長治等地。如晉城南溝煤礦的礦井廢棄水在農(nóng)業(yè)灌溉、市政建設(shè)和城市綠化上大量利用[5]。同煤集團(tuán)青磁窯礦井水處理后可達(dá)到居民引用水標(biāo)準(zhǔn)，塔山礦區(qū)充分利用采空區(qū)積水進(jìn)行景觀灌溉與道路灑水。長治等地將采煤沉陷區(qū)積水改造成景觀湖等。

1.3 功能化利用

山西省對關(guān)閉礦井功能化利用目前主要用來建設(shè)生態(tài)公園與觀光景區(qū)以及地下水庫。如太原西山萬畝生態(tài)園以及依托關(guān)閉的白家莊礦建設(shè)的太原西山國家礦山公園。晉煤集團(tuán)長平礦在煤礦工業(yè)舊址上開發(fā)了以展示工業(yè)遺跡景觀為主的工業(yè)景區(qū)。同煤集團(tuán)利用采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站。山西關(guān)閉煤礦地下空間資源利用較為成熟的案例有主要是同煤集團(tuán)的晉華宮礦山地質(zhì)公園和長平礦地質(zhì)公園。晉城將生產(chǎn)礦井水引流到廢棄煤礦，將廢棄礦井用作地下儲水庫，解決了1萬多畝旱作農(nóng)田的灌溉問題，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，晉城地區(qū)廢棄煤礦功能化利用情況[5]見表1。

表1 晉城地區(qū)廢棄煤礦功能化利用表

2 關(guān)鍵地質(zhì)問題

近年來，山西在關(guān)閉煤礦采空區(qū)煤層氣抽采和關(guān)閉煤礦地下和地上空間資源利用方面取得了巨大進(jìn)步，但同時也面臨著對全省關(guān)閉煤礦資源賦存條件和賦存特征不清、開發(fā)利用單一、利用率不高等問題。此外，全省關(guān)閉煤礦礦井水的處理和利用方面仍然重視不夠，部分關(guān)閉煤礦已對區(qū)域地表水造成了污染[6]。

2.1 資源賦存特征不清

圖1 山西省2005—2018年關(guān)閉煤礦數(shù)量

山西省2005—2018年關(guān)閉煤礦數(shù)量情況如圖1所示。由圖1可知，山西2005年來累計關(guān)閉煤礦3829座[10]，2016年以來關(guān)閉88座，退出煤炭產(chǎn)能6920萬t。其中除小部分為資源枯竭型關(guān)閉外，大部分礦井，尤其近年來關(guān)閉的大型礦井絕大多數(shù)都為政策性關(guān)閉、退出煤礦或者產(chǎn)能置換煤礦，其中蘊藏著資源量可觀的煤炭資源。即使資源枯竭型礦井，也存在著薄煤層、邊角煤和保安煤柱等暫不能開采的煤層。當(dāng)?shù)V井廢棄或關(guān)閉后，這些煤炭就殘留于井下，產(chǎn)生大量的煤層氣資源[7]。然由于歷史的原因，許多小煤礦地質(zhì)資料缺失或由于產(chǎn)權(quán)更迭，地質(zhì)資料遺失。囿于歷史的局限和認(rèn)識不足，以往大多數(shù)關(guān)閉煤礦并未經(jīng)過嚴(yán)格的閉坑地質(zhì)報告階段及閉坑驗收，導(dǎo)致地下剩余煤炭資源賦存位置不清，剩余煤炭資源量無法準(zhǔn)確計算。此外，大部分關(guān)閉煤礦的地質(zhì)構(gòu)造、水文、瓦斯、開采技術(shù)條件無法核實，給資源的二次利用帶來了很大困難。關(guān)閉煤礦煤層氣資源方面，截至2013年底，山西省共有4700余處廢棄礦井，采空區(qū)面積約5000km2，但由于采空區(qū)煤層氣資源狀況不清，關(guān)閉煤礦煤層氣鉆井成功率僅50%，且產(chǎn)量衰減快、不穩(wěn)定，導(dǎo)致目前廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣勘探開發(fā)有著很大的盲目性[7]。

2.2 礦井水質(zhì)水量未知

表2 山西部分關(guān)閉煤礦礦井水水質(zhì)情況

2.3 地下空間穩(wěn)定性不明

我國煤礦單個礦井地下空間平均60萬m3[3]，2005年來山西合計關(guān)閉煤礦3829座，具體見表2。因采煤造成的采空區(qū)面積近5000km2，地下和地上空間資源巨大。充分利用關(guān)閉煤礦地下空間對于緩解全省用地緊張和貫徹落實國土資源“三深一土”戰(zhàn)略具有重要意義。但由于地下空間的穩(wěn)定性無法查明，導(dǎo)致山西關(guān)閉煤礦無法建設(shè)更為高級的地下儲油、儲氣、儲水庫等，體現(xiàn)更大實用價值，實現(xiàn)地質(zhì)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

3 地質(zhì)保障研究

隨著資源的開發(fā)以及去產(chǎn)能政策的進(jìn)一步實施，以及煤礦的新一輪兼并重組，未來山西將出現(xiàn)更多的關(guān)閉煤礦。除加強(qiáng)關(guān)閉煤礦資源利用政策制度研究外[16]，如何在技術(shù)上解決好關(guān)閉資源二次利用遇到的關(guān)鍵地質(zhì)問題，做好關(guān)閉煤礦地質(zhì)資源二次利用的地質(zhì)保障，是山西關(guān)閉煤礦資源二次開發(fā)利用的關(guān)鍵。

3.1 全面收集資料，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究

全面系統(tǒng)收集全省關(guān)閉煤礦地質(zhì)資料，摸清關(guān)閉煤礦資源賦存特征，建立關(guān)閉煤礦地質(zhì)特征數(shù)據(jù)庫，對關(guān)閉煤礦的煤層、煤質(zhì)、瓦斯、水文、構(gòu)造、井田開拓方式、采掘方式、殘留煤炭資源賦存情況、煤柱分布情況以及采掘圖進(jìn)行分析整理并歸納入庫。在資料收集的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)關(guān)閉煤礦煤層氣的生成[7]、運移規(guī)律研究[17]、排采規(guī)律[18]，以及礦井水自然流場的恢復(fù)規(guī)律與水質(zhì)[19]、水量演化規(guī)律研究[20]。進(jìn)行關(guān)閉煤礦“上三帶”“下三帶”的穩(wěn)定性規(guī)律的研究與監(jiān)測，為關(guān)閉煤礦空間的利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。進(jìn)行煤系共伴生礦產(chǎn)的綜合利用研究，研究探索關(guān)閉煤礦中煤系共伴生“三稀”元素、頂?shù)装甯邘X土、煤下鋁[21]、煤下鐵的資源賦存情況。

3.2 因地制宜，精準(zhǔn)利用

根據(jù)煤礦的關(guān)閉原因和不同的資源賦存特征和類型以及所在區(qū)域位置，設(shè)計不同的開發(fā)利用方案，因地制宜，一礦一策，精準(zhǔn)利用。如針對高瓦斯廢棄礦井加強(qiáng)煤層氣抽采，保有資源量較大煤礦可考慮采用充填開采；針對礦井積水較大的關(guān)閉煤礦可建立水源涵養(yǎng)基地或建立生態(tài)景觀[22，23]；城市附近、交通方便的廢棄礦井可考慮建立地下貯藏庫、購物廣場、休閑中心等[24]。條件適宜的煤層埋藏較深的關(guān)閉煤礦可用來封存CO2[25]。而埋藏較淺的關(guān)閉煤礦可考慮進(jìn)行煤下鋁和煤下鐵的開發(fā)利用[26，27]。殘留高硫煤和低階煤較多的關(guān)閉煤礦，可探討進(jìn)行煤炭地下氣化[28-30]。

3.3 礦坑排水，充分利用

充分重視關(guān)閉煤礦積水、排水的綜合利用，加大對關(guān)閉礦坑排水的處理，充分利用已有礦坑排水，進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉或用作綠化生態(tài)、景觀用水。對不能直接利用的礦井水進(jìn)行人工沉淀或凈化，對于一些強(qiáng)酸性的礦井水進(jìn)行濃縮與提煉，提取其中有用物質(zhì)[31]。對已處理的礦坑排水進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡乇砘毓?，提高地下水的交換與儲存[6]。對北部嚴(yán)重缺水地區(qū)，探索建立關(guān)閉煤礦地下水庫及城市應(yīng)急水源[22]。

3.4 地下空間，梯級利用

加強(qiáng)對關(guān)閉煤礦地下空間的穩(wěn)定性評價，充分開發(fā)利用關(guān)閉煤礦地下空間，按照關(guān)閉煤礦的地質(zhì)地理條件梯級開發(fā)利用。如針對穩(wěn)定性好的地下礦井，可建立地下儲油、儲氣庫[32]。針對密封性良好的地下礦井，改造后可建立地下抽水蓄能發(fā)電站、壓縮空氣式蓄能電站等[33，34]。城市附近的關(guān)閉煤礦巷道可建立地下儲藏庫、地下溫室、地下酒窖等。高?；蚩蒲性核浇年P(guān)閉煤礦可發(fā)展為地下超靜實驗室、地下現(xiàn)場教學(xué)基地、地下圖書館閱覽室等。部分無法高級利用的關(guān)閉煤礦可利用粉煤灰基膠結(jié)充填[35]、矸石粉煤灰固體充填[36]，解決地面堆放占地面積大、環(huán)境污染大的問題。而針對目前暫時不能工業(yè)開發(fā)利用的高鋁粉煤灰、煤矸石等可暫時存儲于關(guān)閉煤礦中，待將來技術(shù)進(jìn)步后進(jìn)一步開發(fā)利用。

4 結(jié) 論

山西是我國的重要煤產(chǎn)地，關(guān)閉煤礦數(shù)量眾多，其中蘊藏著豐富可供開發(fā)利用的煤炭、煤層氣、礦井水以及地下、地上空間資源。近年來，山西在關(guān)閉煤礦資源二次利用上進(jìn)行了一些有益的嘗試，但總體上面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，許多關(guān)鍵地質(zhì)問題仍未解決，面臨著關(guān)閉煤礦資源賦存特征不清、基礎(chǔ)研究薄弱、礦井積水污染嚴(yán)重、地下空間穩(wěn)定性不明等一系列問題。本文通過對關(guān)閉煤礦資源利用現(xiàn)狀的分析，總結(jié)出了山西關(guān)閉煤礦二次利用面臨的主要地質(zhì)問題，并提出了以下地質(zhì)保障措施：

1)全面收集資料，加強(qiáng)關(guān)閉煤礦基礎(chǔ)研究。全面系統(tǒng)收集全省關(guān)閉煤礦地質(zhì)資料，摸清關(guān)閉煤礦資源賦存特征，加強(qiáng)關(guān)閉煤礦煤層氣、礦井水、煤系共伴生礦產(chǎn)、煤下鋁、煤下鐵以及礦井穩(wěn)定性規(guī)律的研究與監(jiān)測，為關(guān)閉煤礦空間的利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)因地制宜，一礦一策，精準(zhǔn)利用關(guān)閉煤礦資源。在充分掌握煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦資源賦存特征和類型以及所在區(qū)域位置，在充分考慮關(guān)閉煤礦的資源特性和地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，因地制宜地設(shè)計不同的開發(fā)利用方案。

3)充分重視關(guān)閉煤礦積水、排水的綜合利用，加大對關(guān)閉礦坑排水的處理與二次利用。重視中南部酸性礦井水的開發(fā)利用。對北部嚴(yán)重缺水地區(qū)，探索建立關(guān)閉煤礦地下水庫及城市應(yīng)急水源。

4)加強(qiáng)對關(guān)閉煤礦地下空間的穩(wěn)定性評價，按照關(guān)閉煤礦的地質(zhì)地理條件，探索關(guān)閉煤礦地下空間的梯級利用。按照地下空間的穩(wěn)定性、安全性、密閉性及距離城市的遠(yuǎn)近，探索關(guān)閉煤礦建設(shè)地下儲油儲氣庫、地下蓄能電站、地下儲藏庫、實驗室、物資中轉(zhuǎn)基地等。