廢棄煤礦資源及賦存特征探討

翟晉忠

(山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，太原 030053)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2000—2015 年 全 國 累 計 廢 棄 煤 礦 井 1.8萬余處，“十三五”期間關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量還在大量增加。以山西為例，2015年前廢棄(關(guān)閉)煤礦約7 000座，2015年后已廢棄(關(guān)閉)和擬廢棄(關(guān)閉)煤礦137座[1]。廢棄(關(guān)閉)煤礦不僅存在礦山地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)環(huán)境問題隱患，威脅周邊生產(chǎn)煤礦安全，還在于廢棄煤礦中留存有大量煤炭、煤層氣、礦井水、地下空間、地?zé)豳Y源。研究廢棄煤礦及其資源[2]，探討廢棄煤礦資源的概念、類別、賦存特征、形成條件，是正確認(rèn)識、合理開發(fā)利用廢棄煤礦資源的基礎(chǔ)。

1 廢棄煤礦研究及廢棄煤礦定義

2000年以前，我國關(guān)于廢棄煤礦或廢棄關(guān)閉礦井，多在引用國外廢棄煤礦、關(guān)閉煤礦(礦井)資料，論述廢棄煤礦引發(fā)的地面塌陷、地下水污染時提及。2000年開始，在涉及廢棄煤礦地下水污染、廢棄礦山引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[3]、廢棄煤礦積水過程分析[4]、廢棄煤礦煤層氣(瓦斯)[5-8]、儲層描述[9]和估算煤層氣資源量[10]時提及廢棄煤礦(礦井)。之后，研究廢棄煤礦資源者日益增多：研究廢棄煤礦地下空間利用(謝和平等)，廢棄煤礦資源戰(zhàn)略研究、精準(zhǔn)開采[11]，廢棄煤礦資源地質(zhì)工作重點方向、綜合開發(fā)利用及地質(zhì)保障[12-14]，廢棄煤礦煤層氣聚集機理、資源量估算、評價、抽采[15-19]，廢棄煤礦地下水及其污染[20-25]等方面均涉及廢棄(或關(guān)閉)煤礦(或礦井)、廢棄煤礦資源概念，但較少有明確論述概念、定義者。僅袁亮[11]“隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和煤炭資源的持續(xù)開發(fā)，部分礦井已到達(dá)其生命周期，也有部分落后產(chǎn)能礦井不符合安全生產(chǎn)要求，或開采成本高虧損嚴(yán)重，面臨關(guān)閉或廢棄”[26]“當(dāng)前經(jīng)濟技術(shù)條件下停止開采的煤礦統(tǒng)稱關(guān)閉煤礦”[1]“達(dá)到生命周期、產(chǎn)能過剩、安全環(huán)保等原因而關(guān)閉的煤礦”等，明確提出論述和定義。而張農(nóng)更將廢棄煤礦概念分為狹義“指已廢棄的煤礦或由于某種礦產(chǎn)資源枯竭并受到其開采生產(chǎn)活動所破壞的、未經(jīng)治理而無法使用的場地或土地。”和廣義“指某種礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)煤礦/礦區(qū)，由于該種礦產(chǎn)資源已枯竭及即將枯竭的(開采時間不足5年或可采礦產(chǎn)資源儲量不足5%的在采煤礦)或失去開采價值的，或不滿足生態(tài)環(huán)境保護開采條件的，或國家和地方關(guān)停政策等原因在現(xiàn)階段一定時期內(nèi)或永久時期內(nèi)關(guān)閉退出的，并且開采活動造成了生態(tài)環(huán)境破壞的區(qū)域?！?/p>

從以上論述可以看出，廢棄煤礦概念或定義，必須要包括：狀態(tài)—廢棄(關(guān)閉);原因—資源枯竭、經(jīng)濟技術(shù)、安全、環(huán)保、政策;空間范圍3個方面的要素，才能構(gòu)成完整的廢棄煤礦概念。

綜合各方面論述，廢棄煤礦可定義為：由于煤炭資源枯竭或開采經(jīng)濟技術(shù)不合理、安全生產(chǎn)無保證、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、去產(chǎn)能政策等原因而停止開采、放棄開采并依一定程序關(guān)閉的煤礦，其空間范圍包括煤礦礦界內(nèi)地面及地下采動影響區(qū)域。

2 廢棄煤礦資源及類別

廢棄煤礦概念明確后，亦須明確廢棄煤礦資源及類別。

綜合袁亮院士、謝和平院士、任輝、吳國強、賀小龍、張農(nóng)、謝友泉、韓保山、孫文浩等人的論述，廢棄煤礦所賦存匯聚的資源有：煤炭及其伴生資源、煤層氣資源、礦井水資源、地下空間資源、地?zé)豳Y源，以及工業(yè)旅游資源、土地資源、可再生能源資源(風(fēng)能、光能)、地面建筑物、構(gòu)筑物等。

廢棄煤礦資源可分為三類：第一類為賦存匯聚礦井地下的資源，有煤炭及其伴生資源、煤層氣資源、礦井水資源、地下空間資源、地?zé)豳Y源，其中除地下空間資源外，均為礦產(chǎn)資源；第二類為依附廢棄煤礦地表或土地而存在的資源，有土地資源、可再生能源資源(風(fēng)能、光能)、地面建筑物、構(gòu)筑物；第三類為工業(yè)旅游資源，是依據(jù)包括地面建筑物、構(gòu)筑物，地下空間資源及其文化工業(yè)價值開發(fā)創(chuàng)造的新型資源。

從廣義角度而言，廢棄煤礦資源應(yīng)包括賦存匯聚于廢棄煤礦地下的資源、依附地表或土地而存在的資源和綜合地下地表開發(fā)的工業(yè)旅游資源。從狹義角度而言，廢棄煤礦資源僅為地下資源。

就狹義而言，廢棄煤礦資源為1存在、匯聚于廢棄煤礦地下范圍，由采礦活動形成、殘留、匯聚的，有開發(fā)利用潛力，能夠以一定的技術(shù)方法進行開發(fā)利用的礦產(chǎn)資源和地下空間資源。具體分為煤炭、煤層氣、礦井水、地?zé)?、地下空間等五種資源。而這五種資源又可劃分為兩類，一類是由廢棄煤礦殘留形成，包括煤炭資源、地下空間資源，在煤礦中心必然存在的；一類是在滿足一定條件下存在或匯聚于廢棄煤礦的地下空間中，包括煤層氣資源、礦井水資源、地?zé)豳Y源，其不能夠在所有廢棄煤礦中必然存在。

3 廢棄煤礦資源賦存特征和形成條件

3.1 廢棄煤礦煤炭資源

廢棄煤礦煤炭資源為原始賦存的煤炭資源在煤礦生產(chǎn)期間，因技術(shù)、安全、環(huán)保、經(jīng)濟等原因未能開采利用，留存于廢棄煤礦中的煤炭資源。

廢棄煤礦煤炭資源賦存特征既受煤層原始賦存條件控制(煤層埋深、厚度、地質(zhì)構(gòu)造及其演化、水文地質(zhì)條件)，也受煤礦的開采方式方法、開采強度及回采率的控制，在廢棄煤礦井下成層狀以殘留狀存在。

廢棄煤礦煤炭資源存在于所有廢棄煤礦中。廢棄煤礦煤炭資源由潛在型轉(zhuǎn)化為可計量的現(xiàn)實型資源時(在明確開發(fā)利用技術(shù)方法后)，其數(shù)量較易于估算，估算結(jié)果較可靠。但目前而言，國內(nèi)外尚未有有效技術(shù)方法予以開發(fā)利用的實例。

3.2 廢棄煤礦地下空間資源

廢棄煤礦地下空間資源為煤礦采礦活動形成，具有潛在利用價值，可供不同類型需求的煤礦井地下空間系統(tǒng)。

廢棄煤礦地下空間資源可分為兩類：第一類為較規(guī)范完整的地下空間系統(tǒng)，如井筒、井底車場、中央變電所、泵房、水倉、永久性大巷、各類硐室等；第二類為由采區(qū)巷道、工作面、采空區(qū)等形成的不規(guī)范的垮落帶、裂隙帶構(gòu)成的裂隙地下空間系統(tǒng)。

一般情況下，第一類地下空間資源(規(guī)范完整的地下空間)開發(fā)利用價值大、范圍廣、較容易。第二類地下空間資源，開發(fā)利用價值較小、范圍較窄、難度大，主要可用于儲存氣體、液體。

廢棄煤礦地下空間資源賦存特征，受控于煤層原始賦存條件、煤礦開拓方式、采區(qū)及工作面的部署和聯(lián)通方式、煤礦開采方式及回采率。

廢棄煤礦地下空間資源存在于所有廢棄煤礦中。廢棄煤礦地下空間資源由潛在型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實型資源，主要在于為一定條件下的廢棄煤礦地下空間落實利用途徑、目的；明確利用目的的地下空間資源數(shù)量較易于估算，估算結(jié)果較可靠。國內(nèi)外已有比較多的廢棄煤礦地下空間資源開發(fā)利用的實例。

謝和平等[27](2018)分析了我國煤礦地下空間容量，繪制地下空間分布圖，建立煤礦地下空間的判識和估算方法，提出了廢棄煤礦地下空間開發(fā)利用的六大設(shè)計原則和四大設(shè)計理念，同時，結(jié)合京西煤礦地下空間可利用容量、關(guān)停順序和內(nèi)外部建設(shè)條件提出了合理的開發(fā)利用規(guī)劃目標(biāo)，作為典型案例設(shè)計了京西煤礦地下空間開發(fā)利用的構(gòu)想；武志德等[28](2019)分析了我國煤礦開采形成的地下空間特點，對廢棄礦井建設(shè)地下儲氣庫提出了新的建議。此外，國內(nèi)廢棄煤礦關(guān)閉后多建設(shè)成綜合性礦山公園、科普教育與教學(xué)實踐基地、地下水庫及抽水蓄能發(fā)電、壓縮空氣儲能等，其中晉華宮礦國家礦山公園、河北開灤煤礦國家地質(zhì)公園、四川樂山嘉陽國家礦山公園、太原西山國家礦山地質(zhì)公園等是我國關(guān)閉煤礦資源開發(fā)利用的典型代表[27]。

3.3 廢棄煤礦煤層氣資源

廢棄煤礦煤層氣資源為匯聚賦存于廢棄煤礦采礦活動形成的地下空間、殘留煤炭及采礦活動影響范圍煤層和圍巖中的煤層甲烷資源。

廢棄煤礦煤層氣資源通常以游離態(tài)存在于廢棄煤礦的規(guī)則和不規(guī)則孔裂隙空間中，以吸附態(tài)存在于礦井殘留煤炭及圍巖有機質(zhì)中，以水溶態(tài)存在于廢棄煤礦井水中，并以前兩者為主，水溶態(tài)賦存量極少。

有潛在利用價值的廢棄煤礦煤層氣資源的形成，必須具備以下幾個條件：①煤層原始甲烷含量值高，應(yīng)不小于地面開采煤層氣的下限值，通常為高瓦斯礦井。②煤層埋藏深度足夠大，保證煤層原始甲烷含量值足夠高和采礦形成的“上三帶”(垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶)不導(dǎo)通地表。③導(dǎo)水裂隙帶之上有足夠厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖封閉蓋層。④構(gòu)造簡單，利于甲烷保存。⑤水文地質(zhì)條件簡單，地下水積聚緩慢或無積聚。

廢棄煤礦煤層氣資源在達(dá)到一定單位含量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模時，能夠通過井筒預(yù)埋管、地面鉆井以自然排放、人工抽放方式加以利用，美國、英國、德國等已經(jīng)有多年實踐，我國也有相關(guān)研究和探索。如：

孟召平等(2016)[18]對山西晉煤集團晉圣煤礦采空區(qū)煤層氣資源進行了評價，評價結(jié)果認(rèn)為廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣資源豐富，井田面積6.5km2，二疊系山西組3號煤層煤層氣總資源量為5.871 7×108m3。于志軍[29](2017)以烏蘭煤礦為依托，分析了呼魯斯太礦區(qū)烏蘭煤礦地質(zhì)特征及目前瓦斯抽采現(xiàn)狀，開展廢棄礦井外瓦斯地面抽采及資源化利用研究。李振(2018)[19]以山西省晉煤集團沁水煤田廢棄老空區(qū)為研究對象，科學(xué)界定廢棄礦井老空區(qū)煤層氣儲氣空間概念、分析了老空區(qū)煤層氣來源、綜合不同類型老空區(qū)煤層氣儲氣空間等，確定最佳鉆井位置的最佳井位，在晉煤集團老空區(qū)煤層氣抽采中應(yīng)用，取得了良好的抽采效果。

3.4 廢棄煤礦水資源

廢棄煤礦水資源為通過地表滲漏、地下含水層徑流匯聚于廢棄煤礦地下空間，與煤巖體存在一定物質(zhì)交換，在達(dá)到一定規(guī)模、水質(zhì)條件下，能夠加以利用的水資源。

廢棄煤礦水資源存在于礦井開采形成的規(guī)則空間、不規(guī)則孔裂隙中以及由采礦空間導(dǎo)通串層的低于礦井水位的含水層中。

有潛在利用價值的廢棄煤礦水資源的形成，必須具備的條件有：①廢棄煤礦位于區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面之下；②開采煤層之上有至少一層一定富水性的含水層或地表水體存在；③廢棄煤礦處于地下水系統(tǒng)徑流匯水條件較好的位置(如徑流帶或匯集、排泄區(qū))；④采礦活動形成的導(dǎo)水裂隙帶或煤礦存在的構(gòu)造，能夠?qū)簩禹數(shù)装鍑鷰r中存在的含水層或地表水滲漏帶。

廢棄煤礦水資源在達(dá)到一定規(guī)模和水質(zhì)要求時，能夠直接和間接加以利用，國內(nèi)外已經(jīng)有多年實踐，近年來我國相關(guān)研究和探索實踐正在加深加強。如：

顧大釗(2015)[30]為保障煤礦安全，解決將大量礦井水外排地表蒸發(fā)損失的問題，提出了“導(dǎo)儲用”為核心的煤礦地下水庫地下水保護利用理念，研究開發(fā)了涵蓋煤礦地下水庫設(shè)計、建設(shè)和運行的技術(shù)體系，并在神東礦區(qū)成功建設(shè)了示范工程，累計建成32座煤礦地下水庫，為礦區(qū)提供了95%以上用水，且實現(xiàn)了長期低成本安全穩(wěn)定運行；峰峰集團將關(guān)閉礦井水作為生態(tài)水網(wǎng)、生活用水；淄博礦業(yè)集團已成功利用關(guān)閉煤礦礦井水為附近電廠供水；徐州市新河煤礦成功利用該井富鍶礦井水生產(chǎn)礦泉水，證實關(guān)閉煤礦礦井水利用廣泛可行。

3.5 廢棄煤礦地?zé)豳Y源

廢棄煤礦地?zé)豳Y源為賦存于廢棄煤礦氣、水載體中，在具備一定溫度、規(guī)模和持續(xù)性時，具有潛在利用價值的地?zé)崮苜Y源。

廢棄煤礦地?zé)豳Y源以礦井地下空間中的氣、水為載體，并能通過直接抽取或換熱方式加以利用。

有潛在利用價值的廢棄煤礦地?zé)豳Y源的形成，必須具備的條件有：①煤礦處于大地?zé)崃髦?、地溫梯度高異常區(qū)或深大斷裂導(dǎo)熱帶；②開采煤層埋藏深度足夠大；③廢棄煤礦地下空間積聚有較大規(guī)模，有一定穩(wěn)定性的氣、水體；④圍巖封閉條件好，有利于保持地溫。

廢棄煤礦地?zé)豳Y源在達(dá)到一定條件和規(guī)模時，能夠通過一定技術(shù)方法加以利用，目前國內(nèi)外相關(guān)研究和探索開展較少。

4 結(jié)論

1)廢棄煤礦為由于煤炭資源枯竭或開采經(jīng)濟技術(shù)不合理、安全生產(chǎn)無保證、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、去產(chǎn)能政策等原因而停止開采、放棄開采并依一定程序關(guān)閉的煤礦。

2)廣義的廢棄煤礦資源應(yīng)包括賦存匯聚于廢棄煤礦地下的資源、依附地表或土地而存在的資源和綜合地下地表開發(fā)的工業(yè)旅游資源。狹義的廢棄煤礦資源有煤炭、煤層氣、水、地?zé)?、地下空間五種資源。其中除地下空間資源外均為礦產(chǎn)資源，煤炭、地下空間資源必然存在于所有廢棄煤礦中，煤層氣、水、地?zé)豳Y源的賦存匯聚必須滿足各自的特定條件。

3)廢棄煤礦煤炭、地下空間、煤層氣、水、地?zé)豳Y源既受煤層原始賦存條件控制(煤層埋深、厚度及其變化、地質(zhì)構(gòu)造及其演化、水文地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)及含量、地溫值)，也受煤礦的開采方式方法、開采強度及回采率的控制。