關閉礦山空間資源特征解析與轉(zhuǎn)型路徑

董霽紅，吉 莉，高華東，劉 峰，王 蕾，黃艷利

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 公共管理學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國煤炭學會，北京 100013)

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎，開發(fā)利用礦產(chǎn)資源對人類社會的進步起到巨大推動作用。但同時，礦產(chǎn)開采也會帶來地質(zhì)地貌擾動、自然景觀受損、生態(tài)環(huán)境與人居安全風險等負面影響。針對資源枯竭、開采成本大以及在過往長期不良發(fā)展中形成的“高位、污染、粗放、無序”被動式發(fā)展的礦井，將采取封井措施。一味選擇封井不僅會造成一定程度的資源浪費，還可能誘發(fā)新的礦山環(huán)境污染風險和地質(zhì)環(huán)境災害。工業(yè)發(fā)達國家與地區(qū)高度重視這一問題，圍繞關閉/廢棄礦山的轉(zhuǎn)型、機制、規(guī)范進行了大量研究與實踐創(chuàng)新。

據(jù)統(tǒng)計，2018年世界范圍內(nèi)關閉/廢棄礦山的數(shù)量超過100萬座，主要分布在北美、歐洲、南非、澳洲和東亞等地區(qū)。僅以加拿大安大略省為例，約有6 000 座報廢礦井和近7 000座采空采石場和露天礦井。自20世紀中葉開始，美國、英國、德國等采礦業(yè)發(fā)達或地下空間開發(fā)技術相對先進的國家率先開展了關閉礦山研究與實踐熱潮，有效降低了礦山關閉帶來的不利影響和沖擊。進入21世紀，在全球關閉礦山數(shù)量急劇增加的現(xiàn)實壓力以及可持續(xù)發(fā)展與綠色經(jīng)濟理念推動下，國際組織和相關學者針對廢棄礦山與資源能源再生利用研究與實踐逐步拓展，積累了大量關閉/廢棄礦山轉(zhuǎn)型模式案例、理論體系和法律規(guī)范。

中國是世界采礦大國之一，礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲量的礦產(chǎn)多達148種，各類大中型礦山企業(yè)8萬余個。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)，部分礦井已到達其生命周期終點，也有部分落后產(chǎn)能礦井因開采成本高、虧損嚴重，面臨關閉/廢棄。2005年以來，國家相繼出臺“關于全面整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序的通知”、“關于深化煤礦整頓關閉工作的指導意見”、“關于做好關閉不具備安全生產(chǎn)條件非煤礦山工作的通知”等去產(chǎn)能政策，一些資源枯竭及落后產(chǎn)能礦井和露天礦坑加快關閉，形成大量關閉/廢棄礦井。據(jù)統(tǒng)計，2020年全國因化解產(chǎn)能或安全問題關閉煤礦數(shù)量達428處，退出煤礦產(chǎn)能約1.5億t/a。預計到2030年，我國關閉礦井將達到1.5萬處。我國已關閉礦井中賦存煤炭資源420億t、非常規(guī)天然氣近5 000億m、地下空間資源約為72億m，并且還具有豐富的礦井水資源、地熱資源、旅游資源等。礦山直接關閉會造成巨大的資源浪費和國有資產(chǎn)流失。在全球碳達峰與碳中和“雙碳戰(zhàn)略”、低碳綠色可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟的時代背景下，如何科學開發(fā)利用關閉礦山資源與促進資源枯竭礦區(qū)轉(zhuǎn)型，已成為當今世界能源環(huán)境領域的重要議題。然而針對關閉后的礦山應如何發(fā)展，如何采用有效的模型方法與技術手段科學評估與管理剩余資源，國內(nèi)尚缺乏理論框架與參考范例。

筆者分析了國內(nèi)外關閉礦山研究熱點與理論體系，探究識別關閉礦井地上/下空間資源類型，研究探討不同資源類型可用空間估算方法和井下殘留煤炭資源估算方法，系統(tǒng)比較全球主要礦業(yè)國家已有關閉礦山轉(zhuǎn)型模式，給出關閉礦山轉(zhuǎn)型路徑技術體系，并以渭河流域15對關閉礦井為例，研究確定礦山最佳轉(zhuǎn)型路徑。

1 關閉礦山釋義

1.1 關閉礦山(Mine closure/Abandoned mine)釋義

..關閉礦山/廢棄礦山/關停礦山

國內(nèi)一般將“關閉礦山”定義為資源枯竭、地質(zhì)條件復雜、宏觀調(diào)控、市場影響、經(jīng)營狀況等造成的永久性停產(chǎn)礦山企業(yè)。此外，也有部分學者將“關閉礦山”與“廢棄礦山”“關停礦山”概念等同，并將其定義為“因為采礦活動而導致的原地貌被破壞或者被占用，而產(chǎn)生的露天采礦場、塌陷區(qū)、排土場及尾礦庫等無經(jīng)濟價值的土地”。關閉礦山的研究內(nèi)容廣泛，涉及社會、經(jīng)濟、管理、環(huán)境等多學科領域，以及地質(zhì)、采礦等相關工程技術，還與國家政策、法律法規(guī)密切相關，研究內(nèi)容主要涵蓋：研究礦山開采過程中和結(jié)束后對整個礦區(qū)的全面(社會、政治、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境)影響，從建立“綠色礦區(qū)”的戰(zhàn)略角度出發(fā)，為決策者全程服務，趨利避害，以使決策結(jié)果達到最優(yōu)化。目標是科學“消費”，合理開發(fā)，使整個礦區(qū)始終處于“安詳”狀態(tài)，實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

國外關于“關閉礦山”概念有數(shù)個術語解釋，簡稱閉礦，通常被譯為“closed mine，mine closure，abandoned mine，disused mine，disused mine，shut-down mine”以及“discarded mine”等，其中“mine closure”和“abandoned mine”釋義最為普遍。國外礦山企業(yè)多為露天礦，因此國外礦山關閉研究主要針對環(huán)境恢復與土地復墾問題，如由Springer出版的專著Ecorestoration of the coalmine degraded lands將“關閉礦山”定義為“Mine closure as a process refers to the period of time when the operational stage of a mine is ending or has ended and the final decommissioning and mine rehabilitation is being undertaken”(關閉礦山是指礦山的運行階段正在結(jié)束或已經(jīng)結(jié)束，同時正在進行礦山修復的一個階段)；美國《礦產(chǎn)保護與開發(fā)規(guī)則》(The Mineral Conservation and Development Rules,MCDR)則將“關閉礦山”定義為：“Mine closure means steps taken for reclamation,rehabilitation measures taken in respect of a mine or part thereof commencing from cessation of mining or processing operation in a mine or part thereof”(關閉礦山是指自礦山或其部分停止采礦或加工作業(yè)開始，對礦山或其部分采取的復墾、修復措施)；而澳大利亞相關學者則將“關閉礦山”定義為“Abandoned mine refers to the permanent termination of the production activities and termination of the lease at the mine or dressing plant after completion of the disposal procedures for the cessation of production”(閉礦指一座礦山或選礦廠區(qū)在完成停產(chǎn)善后處理程序之后永久性中止生產(chǎn)活動并以解除租約為標志)。

..學術關注

利用CiteSpace可視化計量分析軟件，以中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫為檢索平臺，以“關閉/廢棄礦山”“關閉/廢棄礦井”“閉坑礦山”“地下空間資源估算”“轉(zhuǎn)型發(fā)展”“轉(zhuǎn)型升級”“資源化利用”“二次開發(fā)”為主題進行檢索，檢索年限為1985—2021年，得到國內(nèi)關閉礦山轉(zhuǎn)型研究關鍵詞聚類趨勢變化圖譜。國內(nèi)關閉礦山轉(zhuǎn)型相關文獻成果出現(xiàn)2個高峰期：第1個高峰期出現(xiàn)在1992年前后，該時期研究領域較單一，研究主題主要以“廢棄礦井”為關鍵詞，以“塌陷坑”“地表塌陷”“下沉盆地”為主；第2個高峰期出現(xiàn)在2006年，2006年之后，各學科間的聯(lián)系和交叉越來越緊密，“礦山環(huán)境”“生態(tài)修復”“植被恢復”“修復措施”“關閉煤礦”“地質(zhì)環(huán)境”“開發(fā)利用”作為關鍵聚類詞在這一時期發(fā)文量迅速上升。近年來，“景觀重塑”“再生利用”“價值評估”“井下空間”“一井多用”等作為熱點詞成為學者研究的重點領域。說明我國目前關閉礦山轉(zhuǎn)型模式單一，亟需利用先進技術，探索新的開發(fā)模式和理論框架來解決當前面臨的關閉礦山資源化利用和轉(zhuǎn)型發(fā)展問題。

國際數(shù)據(jù)以Web of Science為檢索平臺，在高級檢索中輸入TS=((closed* mine OR abandoned* mine OR disused* mine OR shut-down* mine OR discarded* mine)AND(redevelopment OR cycling OR reutilization OR transformation OR transition))，檢索年限為1985—2021年，采用圖譜聚類算法進行時間尺度聚類(Timeline View)提取聚類標簽，得到國際關閉礦山轉(zhuǎn)型研究關鍵詞聚類圖譜。國際關閉礦山轉(zhuǎn)型領域的研究熱點包含“using artificial stream”“technogenic soil”“mine closure”“molecular diversity”“benthic diatom assemblage”“fluid fine tailing”“abandoned bentonite mined land”“l(fā)ife cycle”8個方面。國際關閉礦山轉(zhuǎn)型研究主要涵蓋礦區(qū)水土污染、重金屬和有毒氣體泄露防治；閉礦后風險評估、金屬礦山污染物泄露防治等估測方法與治理措施；礦山關閉后可持續(xù)發(fā)展路徑、地面管理、地下空間資源利用與立體開發(fā)、商業(yè)開發(fā)評估與功能轉(zhuǎn)變、生態(tài)修復標準框架制定等管理保護，開發(fā)利用，以及閉礦后的社會影響、新技術應用等方面。關閉礦山轉(zhuǎn)型相關文獻成果產(chǎn)出高峰期集中在1998—2013年，2015年前后，“China”作為高頻關鍵詞出現(xiàn)，說明隨著我國關停礦山數(shù)量擴大，國家機構(gòu)和科研人員對關閉礦山資源化利用與轉(zhuǎn)型發(fā)展相關研究的迫切需求。

..問題評述

由于我國礦山企業(yè)和一些地區(qū)對關閉礦山再利用意識不強，綜合利用支撐條件不足，多數(shù)礦井直接關閉或廢棄，未開展關閉礦井資源的綜合調(diào)查與評價，造成資源的巨大浪費。目前，我國對關閉礦山資源缺少統(tǒng)一和有效管理的政策，對全國關閉礦山礦產(chǎn)資源狀況依然不清，尚未形成完善的礦井資源綜合調(diào)查和地質(zhì)評價的理論與技術體系。主要問題：

(1)國外關閉礦山框架體系貫穿于礦山勘探→投產(chǎn)→關閉全生命周期，期間須根據(jù)實際情況進行多次修改矯正，而國內(nèi)關閉礦山方案往往是在礦企經(jīng)營困難、面臨破產(chǎn)的情況下才開始制定上報，技術方案滯后，指導作用有限。

(2)目前在對關閉礦山危害與剩余資源評估、勘查、設計、監(jiān)測、開發(fā)利用等方面，尚未形成一套相對成熟的指導性標準和評價、驗收體系；所采用監(jiān)測、治理手段和方法相對單一，對于新技術、新方法、新理論的應用不夠，關閉礦山開發(fā)利用的專業(yè)技術隊伍建設進展緩慢。

(3)尚未出臺全國及各地礦山關閉退出總體規(guī)劃、專項規(guī)劃和細化方案，關閉礦山退出機制不完善。

(4)我國關閉礦山退出主要借鑒與環(huán)境保護相關的法律規(guī)范，地方在執(zhí)行關閉礦山監(jiān)管、治理和開發(fā)利用時，缺乏針對關閉礦山的法律依據(jù)和標準。

(5)礦山退出后人員安置、資產(chǎn)債務處置和環(huán)境修復缺乏統(tǒng)一的參考標準，且關閉后的礦山多處于廢棄狀態(tài)，后續(xù)的人員管理缺乏。

(6)廢棄礦井土地及相關資源綜合利用投資動力缺乏，開發(fā)利用方式方法不多，資金來源不足，資本市場通道未打通。相比于國際上礦業(yè)發(fā)達國家，我國關閉礦山土地利用資金主要來源于政府，這種模式難以滿足關閉礦山資源綜合利用的資金需求。

……

1.2 關閉礦山研究理論體系框架

國外礦山多為露天礦，因此國外礦山關閉主要涉及環(huán)境恢復與土地復墾，主要指環(huán)境保護問題、管理問題和社會公眾問題等，其中礦區(qū)土地恢復是其核心內(nèi)容。另外，社會公眾磋商和參與也被認為是一項需要給予足夠重視的問題。美國、英國、加拿大、澳大利亞、德國等國家已經(jīng)歷了煤礦大規(guī)模開發(fā)和關閉過程，這些國家非常重視關閉煤礦理論研究和管理模式的創(chuàng)新，已形成相對完善的關閉礦山修復理論框架和技術體系，包括閉礦計劃、利益相關方參與、財經(jīng)保障、閉坑方法及標準、采后監(jiān)測及維護、責任交接等核心要素，且礦山關閉理念貫穿于礦業(yè)項目全生命周期，如圖1所示。

圖1 礦山全生命周期階段示意

國內(nèi)針對關閉礦山的理論與技術體系研究起步較晚，但發(fā)展迅速，涉及內(nèi)容包括廢水治理規(guī)劃、固體廢棄物治理規(guī)劃、排土場治理規(guī)劃、氣體災害和粉塵防治規(guī)劃、采礦塌陷防治規(guī)劃、礦區(qū)土地復墾規(guī)劃、閉礦景觀生態(tài)規(guī)劃等。在長期探索過程中，國內(nèi)科研機構(gòu)和相關學者針對關閉礦山地上/下空間資源化利用理論框架和技術體系也進行了初步探索和研究(圖2)。

圖2 關閉礦山資源化利用理論框架與技術體系

首先提出關閉礦山評價標準并明確責任體系，然后對采空區(qū)覆巖長期沉陷規(guī)律和采空區(qū)水、氣與污染物質(zhì)的多場地耦合與遷移規(guī)律進行研究；基于此，制定關閉礦山地上/下空間長期穩(wěn)定性評價標準，并指明關閉礦山地上/下空間和資源利用方法。在此基礎上，明確關閉礦山資源化利用關鍵技術，包括關閉礦山的長期安全評價與監(jiān)測技術、長期環(huán)境評價與監(jiān)測技術、開拓巷道空間利用技術、采空區(qū)利用技術、生態(tài)環(huán)境修復技術等。

1.3 關閉礦山評價方法及應用分析

由于不同礦山的資源特征不同，其關閉后的再利用方向尚不明確，通過調(diào)研匯總列出關閉礦山主要的評價方法，以便不同的關閉礦山根據(jù)其資源特征選用相應評價方法。關閉礦山評價方法主要包括指數(shù)分析法、生態(tài)足跡法、狀態(tài)空間法、承載力評價法、系統(tǒng)動力學方法、聚類分析法等，見表1。

表1 關閉礦山評價方法與適用性

以渭河流域15對關閉礦井為例，主要采用聚類分析法和層次分析法確定了礦井轉(zhuǎn)型路徑。通過聚類分析法分別對15對礦井地上和地下資源進行分類，將資源狀況相近的礦區(qū)聚合，如地表變形、地下空間體積、地下工程情況、地質(zhì)風險、采掘方式、建筑新舊度、區(qū)域發(fā)展排名、閉礦后維持人數(shù)、區(qū)域特色等情況，其分析更加直觀、易于觀察，再根據(jù)陜西省行政區(qū)劃及礦山資源特征，實現(xiàn)15對關閉礦井資源聚合分類。劃分礦山地上/下資源的目的，是要根據(jù)各礦井資源特點、區(qū)域位置的不同進行分類，指導礦山轉(zhuǎn)型，使轉(zhuǎn)型后的發(fā)展更加符合當?shù)貙嶋H。

關閉礦山可選擇的轉(zhuǎn)型路徑并不單一，綜合效益最大化是路徑選擇的標準?；趯哟畏治龇ㄓ嬎悴煌D(zhuǎn)型路徑的綜合效益以確定礦山最佳轉(zhuǎn)型路徑。綜合效益具體可劃分為生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益，根據(jù)科學、可行的原則選擇合適效益指標，構(gòu)建評價指標體系。

分析綜合效益評價指標系統(tǒng)中各因素間的相互關系，構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)模型，包括3部分:第1部分是目標層；第2部分是準則層，包含生態(tài)效益指標、社會效益指標、經(jīng)濟效益指標；第3部分是指標層，包含涵養(yǎng)水土、凈化水源、凈化環(huán)境、擴大就業(yè)、提升城市形象、提高發(fā)展水平、政府補貼、門票收入和餐飲業(yè)發(fā)展在內(nèi)的9個描述性和評估性指標。兩兩比較同一層次中要素與上一層次中某一準則的重要性，形成矩陣進行判斷，采用層次分析法計算各類指標權(quán)重。通過調(diào)查問卷獲得各指標值，將指標權(quán)重與指標值相乘，得到轉(zhuǎn)型方案的綜合效益值，選擇綜合效益最大值的路徑作為礦區(qū)最佳轉(zhuǎn)型路徑。

2 關閉礦山資源類型識別與空間特征

2.1 基于多源數(shù)據(jù)的礦區(qū)資源識別

根據(jù)遙感影像選擇無人機飛行場地及飛行目標規(guī)劃，對目標區(qū)域?qū)嵤╋w行作業(yè)，獲得礦區(qū)全景圖(圖3)，再對無人機航拍數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)移與分析，最后完成礦區(qū)地面資源分類。通過高分遙感影像與低空無人機數(shù)據(jù)的相互配合，依據(jù)礦區(qū)工業(yè)場地特征，識別礦區(qū)地上資源，包含地表水資源、土地資源、工業(yè)廣場和生活區(qū)建筑。

圖3 煤礦無人機航拍全景

根據(jù)礦井水文地質(zhì)類型劃分資料、生產(chǎn)礦井地質(zhì)資料、礦井綜采工作面說明資料、綜采工作面設計圖、采掘工程平面圖、巷道平面布置圖、采區(qū)地質(zhì)說明書、開采現(xiàn)狀報告、工作面設備回撤等資料識別礦山地下資源類型，包括地下水資源、殘留煤炭資源、地下空間資源、井下設備。三維建模煤礦井下巷道布局，如圖4所示。

圖4 三維建模煤礦井下巷道布局示意

2.2 關閉礦山資源類型與特征

關閉礦山地表水資源指礦區(qū)及其周邊池塘、河流、湖泊、水庫等水體，礦山土地資源包括廢棄地、開采造成的塌陷地(排土場、廢石堆、尾礦等)以及礦區(qū)周邊耕地，礦區(qū)工業(yè)廣場主要包括建(構(gòu))筑物(辦公樓、調(diào)度樓、井口建筑群、選煤廠、動力及輔助設施等)、地面線性設施(鐵路、公路、電力及通訊線路等)、井上設備(提升、運輸、通風、排水、供電、壓風和選煤廠設備等)，礦山生活區(qū)滿足礦山職工居住要求，一般由福利、文教、衛(wèi)生、商業(yè)及住宅區(qū)所組成，包括食堂、浴室、鍋爐房、俱樂部、礦區(qū)醫(yī)院、職工宿舍等。關閉礦山資源類型，如圖5所示。

圖5 關閉礦山資源類型

關閉礦山地下水資源包括井底水倉儲水、采空區(qū)積水、井田所在水系統(tǒng)內(nèi)的地下水，殘留煤炭資源主要包括礦山關閉前未開采煤層以及大巷、井筒、工作面、斷層、井田邊界等位置的保護煤柱，井下空間主要有井筒、巷道、硐室及采空區(qū)等空間，井下設備主要有采掘設備(采煤機、掘進機、裝煤機、鑿巖機、乳化液泵站等)、運輸設備(刮板輸送機、帶式輸送機、轉(zhuǎn)載機、人行車、架線電機車、絞車、礦車等)、排水設備(水泵、電機等)、供電設備以及其他管路、電纜、通訊等設備。

3 關閉礦山地上/下空間資源評估

關閉/廢棄礦山遺留資源中，地上工業(yè)廣場空間資源、地下空間資源和殘留煤炭資源是較為重要的遺留資源。因此，以陜西朱家河煤礦為例，計算地上工業(yè)廣場建筑空間、地下空間與殘留煤炭資源量。其他資源如地上/下殘留設備資源可根據(jù)礦山關閉回撤資料進行統(tǒng)計，地上、下水資源量可通過河流流量、湖泊或水庫儲水量、地下水位估算，土地資源量可通過丈量統(tǒng)計。

3.1 地上工業(yè)廣場建筑空間資源評估

廢棄工業(yè)場地一般不受煤炭開采影響或受影響較小，工程地質(zhì)條件較好，交通、供電、供水、供氣等設施齊全，可以直接對其規(guī)劃利用。對于工業(yè)廣場建筑占地面積的可用空間，可根據(jù)式(1),(2)計算：

(1)

(2)

式中，為建筑物占地面積，m；,,分別為建筑物的長、寬、高，m；為估算的建筑可用空間，m。

以陜西朱家河關閉礦山為例，朱家河煤礦關閉后，礦井地面建筑設施保存較完整。礦井工業(yè)廣場建筑主要包括辦公區(qū)、生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)及輔助生產(chǎn)區(qū)建筑。辦公區(qū)建筑主要包括行政辦公樓、車庫、辦公化驗室等；生活區(qū)包括宿舍樓、職工餐廳、活動中心、健身房等；主要建筑生產(chǎn)區(qū)包括主變室、機修廠、轉(zhuǎn)運站、庫房、篩選車間及輔助生產(chǎn)的圓形儲煤場、水處理沉淀池、污水處理間等建筑。

通過實測統(tǒng)計方式對礦區(qū)建筑進行測量，根據(jù)式(1),(2)計算建筑物占地面積及空間體積。其中，辦公區(qū)建筑占地面積2 375.7 m，空間體積2.2×10m；生活區(qū)建筑占地面積5 074.8 m，空間體積3.4×10m；生產(chǎn)區(qū)建筑占地面積5 696.2 m，空間體積3.8×10m；輔助生產(chǎn)區(qū)建筑占地面積9 951.6 m，空間體積1.0×10m。整個工業(yè)廣場建筑空間體積達1.04×10m。

3.2 地下資源空間定量評估

..井下空間估算

(1)井下巷道和硐室。硐室和井下巷道的空間形狀類似，空間計算方法相似，以井下巷道為例給出空間估算方法。巷道的斷面形狀主要包括半圓拱形、圓形拱形和梯形，形狀規(guī)則見表2。

表2 不同類型巷道的規(guī)格及斷面計算

井下不同類型巷道可利用空間可根據(jù)式(3)計算：

(3)

式中，為巷道可利用空間，m；為巷道凈斷面積，m；為巷道長度，m。

(2)井筒。井筒可利用空間可根據(jù)式(4)計算：

(4)

式中，為井筒可利用空間，m；為井筒凈斷面積，m；為井筒高度，m。

以朱家河煤礦為例，該礦井下可用空間主要包括主副斜井井筒、井底車場、中央水泵房、通道、材料庫等硐室及一水平運輸大巷和回風大巷。井下總體可利用空間為1.18×10m，其中：① 一水平運輸大巷和回風大巷凈斷面積均為12.3 m，巷道長度均為3 298 m，根據(jù)式(3)計算得到其空間體積約為8.1×10m。② 礦井主斜井凈斷面積11.1 m，斜長820 m。副斜井凈斷面積12.2 m，斜長561 m，根據(jù)式(4)，計算得到朱家河煤礦礦井井筒空間體積約為1.6×10m。③ 礦井井底車場及主要硐室可利用巷道長度1 609 m，井底車場及主要硐室空間體積約為2.1×10m。

..井下殘留煤炭資源估算

殘留煤炭資源主要包括礦山關閉前未開采煤層和保護煤柱，其中，未開采煤層資源量可根據(jù)礦山關閉資料得到。保護煤柱指在煤礦開采范圍內(nèi)為地面建筑和安全礦井生產(chǎn)而保留的不開采的煤，例如為保護區(qū)內(nèi)地表鐵路、橋梁、城鎮(zhèn)和村莊而在相應地下區(qū)內(nèi)保留的保護煤柱。保護煤柱的計算方法有3種，包括垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標高投影法，其中以垂直剖面法最為常用。根據(jù)垂直剖面法計算保護煤柱，繼而計算殘余煤炭資源量，具體計算如式(5)所示。

(5)

式中，為估算煤柱資源量，t；為煤柱占地面積(煤層按水平煤層計算)，m；為煤層厚度，m；為煤的密度，t/m。

以朱家河煤礦為例，計算其殘留煤炭資源量。朱家河煤礦4個采區(qū)共計42個工作面進行了開采作業(yè)，主要采用炮采及綜采方式，主采煤層厚度為2.6 m，工作面間留設20～40 m保護煤柱，煤的密度為1.40 t/m，根據(jù)式(5)計算得到工作面煤柱殘留煤炭資源約144.10萬t。井田內(nèi)鐵路及河流、水庫、斷層、井田邊界、大巷及風井、小窯采空區(qū)、工業(yè)廣場以及村莊下壓煤總資源量達5 515.14萬t。朱家河煤礦總殘留煤炭資源量近5 600萬t。

3.3 資源轉(zhuǎn)型適宜程度

在制定關閉礦山資源開發(fā)利用模式前需進行轉(zhuǎn)型適宜性評價，這不僅要注重關閉礦山轉(zhuǎn)型帶來的社會經(jīng)濟價值還要關注生態(tài)價值。

(1)礦山轉(zhuǎn)型約束因子。轉(zhuǎn)型約束因子包含評估性因子和含描述性因子，主要包括礦山稟賦、自然條件、外在因素、經(jīng)濟可行性4個方面(圖6)。礦山稟賦包括采掘方式、資源和設施、礦山類型、轉(zhuǎn)型潛力和礦山規(guī)模；自然條件包括地表沉陷、土壤侵蝕、圍巖情況、污染狀況和開采深度；外在因素包括區(qū)位條件、公眾支持度、市場需求、技術需求和政策完備性；經(jīng)濟可行性包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟占比、礦業(yè)產(chǎn)值、從業(yè)人數(shù)和經(jīng)濟增長度。

圖6 關閉礦山轉(zhuǎn)型約束因子

每個約束因子的權(quán)重值對準確評價關閉礦山轉(zhuǎn)型適宜性尤為重要。約束因子及權(quán)重根據(jù)關閉礦山的實際情況，采用專家打分等方法賦值。約束因子對轉(zhuǎn)型適宜程度打分根據(jù)轉(zhuǎn)型方向，結(jié)合定性、定量分析方式綜合判斷是否適宜于轉(zhuǎn)型類型，轉(zhuǎn)型潛力按照可選擇的轉(zhuǎn)型方案數(shù)賦分，其余按礦山實際采取等級打分制，參考GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》、GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》等相關規(guī)范進行打分，綜合分值采取百分制。

(2)關閉礦山轉(zhuǎn)型適宜性評價模型。根據(jù)不同開采方式、礦山實際情況選取轉(zhuǎn)型約束因子，選擇權(quán)重確定方法并進行賦權(quán)，計算轉(zhuǎn)型適宜程度綜合約束因子值：

(6)

式中，為綜合約束因子值；為第個約束因子的權(quán)重；為第個約束因子中第個分約束因子的權(quán)重；為第個約束因子的第個分約束因子值；為約束因子總數(shù)；為第個約束因子中包含的分約束因子個數(shù)。

(3)關閉礦山轉(zhuǎn)型適宜程度。根據(jù)轉(zhuǎn)型適宜程度初步確定關閉礦山能否轉(zhuǎn)型以及可行的轉(zhuǎn)型模式。關閉礦山轉(zhuǎn)型適宜等級Ⅰ表示轉(zhuǎn)型路徑特別困難；等級Ⅱ表示轉(zhuǎn)型路徑困難；等級Ⅲ表示轉(zhuǎn)型路徑較為困難；等級Ⅳ表示轉(zhuǎn)型路徑較為適宜；等級Ⅴ表示轉(zhuǎn)型路徑適宜(表3)。

表3 關閉礦山轉(zhuǎn)型適宜程度

4 關閉礦山轉(zhuǎn)型路徑研究

4.1 全球主要礦業(yè)國家轉(zhuǎn)型對比

(1)主要礦業(yè)國家關閉礦山轉(zhuǎn)型模式對比。針對關閉/廢棄礦山仍然存在大量地上/下資源，國內(nèi)外對煤礦、金屬和非金屬礦、鹽礦等關閉/廢棄礦井進行開發(fā)利用，比較了全球主要礦業(yè)國家的關閉礦山成功轉(zhuǎn)型方式，見表4。

表4 全球主要礦業(yè)國家關閉/廢棄礦山轉(zhuǎn)型對比

(2)境內(nèi)外礦山資源轉(zhuǎn)型開發(fā)利用模式。針對關閉礦山資源分為地上資源和地下資源，進一步總結(jié)分析境內(nèi)外關閉礦山地上/下資源開發(fā)利用模式，包括地上開發(fā)利用和地下空間資源綜合利用。地上開發(fā)利用包括礦山公園、礦山博物館、工業(yè)遺跡等，地下空間開發(fā)利用包括地下存儲、地下實驗室、能源開發(fā)等(表5)。

表5 境內(nèi)外礦山資源轉(zhuǎn)型利用模式[38]

國外發(fā)達國家如美國、德國等較早完成工業(yè)化，這些國家較早關注關閉礦山產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、環(huán)境破壞、資源浪費等問題，因地制宜進行了多路徑關閉礦山轉(zhuǎn)型探索。在部分經(jīng)典轉(zhuǎn)型案例中，結(jié)合地上和地下空間綜合開發(fā)，還有部分利用廢棄礦井的巷道、硐室及所開采類型礦產(chǎn)特點進行不同類型的物品存儲、地下實驗、地下能源再開發(fā)、地下醫(yī)療等。其中，利用關閉礦山井下空間是礦井開發(fā)利用主要模式，該模式具有節(jié)約土地、保護環(huán)境、不受風塵噪聲污染、溫度濕度等環(huán)境條件穩(wěn)定，還具有節(jié)省前期建設投資等優(yōu)點。

國內(nèi)工業(yè)化進程起步較晚，借鑒國外成功經(jīng)驗并結(jié)合自身特點，也進行了較多關閉礦山轉(zhuǎn)型探索。就轉(zhuǎn)型類型分析，國內(nèi)關閉礦山較多轉(zhuǎn)型為博物館、生態(tài)公園等工業(yè)旅游或工業(yè)景觀類型，比較著名的有徐州市潘安湖治理和上?！吧羁泳频辍蹦Ｊ健４送?，神東礦區(qū)廢棄礦坑建立地下水庫探索走在世界前列。廢棄礦坑潛在能源再利用及各類物品地下存儲方面國內(nèi)也取得了進展，地下養(yǎng)殖技術較其他轉(zhuǎn)型方式簡單，在國內(nèi)外關閉礦山轉(zhuǎn)型中均有成功案例。但國內(nèi)對于利用關閉礦山進行地下實驗、地下醫(yī)療、地下城市及公共基礎設施建設等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展較國外還有一定差距，未來需發(fā)展多元化關閉礦山轉(zhuǎn)型利用新方向，加快關閉礦山綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型。

4.2 關閉礦山轉(zhuǎn)型路徑技術體系

基于關閉礦山轉(zhuǎn)型約束條件、轉(zhuǎn)型適宜等級、資源條件等給出了關閉礦山轉(zhuǎn)型路徑技術體系，提出了資源轉(zhuǎn)型路徑確定步驟，并以渭河流域15對關閉礦井為例，給出礦山最佳轉(zhuǎn)型路徑。

..關閉礦山轉(zhuǎn)型技術路徑

總結(jié)分析國內(nèi)外關閉礦山開發(fā)利用方案，得到關閉礦井地上/下空間綜合利用技術體系，如圖7所示。礦山地上資源轉(zhuǎn)型分為4個模式：礦業(yè)旅游開發(fā)利用模式、自然生態(tài)修復模式、融合地下空間利用模式、修復與開發(fā)綜合利用模式，礦山地下資源轉(zhuǎn)型大致分為3個模式：地下資源再利用模式、經(jīng)濟利用開發(fā)模式、低碳生態(tài)發(fā)展模式。

圖7 關閉礦山地上/下空間綜合利用技術體系

每一種開發(fā)利用模式需要礦山滿足不同的資源要求，如：地下觀光旅游開發(fā)對礦山地質(zhì)條件有一定要求，需要礦山圍巖穩(wěn)定，支護條件好，適合具有一定規(guī)模，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定且安全系數(shù)較高，區(qū)位條件較為便捷的關閉礦山試行；地下存儲對礦井深度、礦區(qū)及周圍地質(zhì)構(gòu)造有較高要求，如果利用礦井的巷道、硐室等井下空間，其穩(wěn)定性和使用壽命也是必須考慮的因素，存放放射性廢物等工業(yè)廢物時，還需考慮放射性廢物與周圍巖層環(huán)境是否會產(chǎn)生理化反應、廢物存放環(huán)境可能發(fā)生的變化等因素；地下能源及伴生能源的開發(fā)除了要考慮礦山自身資源稟賦、地質(zhì)條件外，還要考慮市場導向。礦區(qū)內(nèi)環(huán)境質(zhì)量較好、交通便利、基礎設施完善且附近有成熟景區(qū)的關閉礦山應以休閑度假模式為轉(zhuǎn)型利用方向；采煤塌陷區(qū)容易造成積水的廢棄礦區(qū)應以濕地恢復為主；地理區(qū)位差、復墾對土地資源數(shù)量改善有限、開采面無特殊景觀價值、新景觀資源也無法拓展的廢棄礦區(qū)應首選植被恢復模式。

..轉(zhuǎn)型路徑提出步驟

根據(jù)礦山資源特征，結(jié)合約束因子，采用資源轉(zhuǎn)型適宜性模型對關閉礦山進行初步評價，總結(jié)得到關閉礦山在某些方面潛在的資源優(yōu)勢，據(jù)此初步提出關閉礦山多種轉(zhuǎn)型路徑，再根據(jù)層次分析法計算轉(zhuǎn)型路徑的綜合效益，將綜合效益最大的轉(zhuǎn)型路徑確定為礦山最適轉(zhuǎn)型路徑，并進行關閉礦山具體的方案規(guī)劃設計。轉(zhuǎn)型路徑確定步驟如圖8所示。

圖8 關閉礦山轉(zhuǎn)型路徑確定步驟

..渭河流域15對關閉礦井轉(zhuǎn)型路徑

考慮關閉礦山地上/下資源特征以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展趨勢，綜合評價渭河流域 15對關閉礦井社會-經(jīng)濟-生態(tài)效益，給出最適轉(zhuǎn)型路徑，見表6。

表6 渭河流域15對關閉礦井最適轉(zhuǎn)型路徑

4.3 關閉礦山轉(zhuǎn)型發(fā)展方向

在加速實現(xiàn)全球碳中和的國際共識背景下，未來礦山轉(zhuǎn)型更加注重綠色可持續(xù)發(fā)展，關閉礦山資源化利用需進行跨學科和跨領域的理論研究和大數(shù)據(jù)技術應用。在遵循生態(tài)圈構(gòu)建與自循環(huán)原則，廢舊利用、開發(fā)與保護統(tǒng)一原則，地上與地下協(xié)調(diào)、系統(tǒng)化立體開發(fā)原則，平戰(zhàn)、平災結(jié)合和遠期與近期呼應原則，可持續(xù)發(fā)展原則五大原則下構(gòu)建多元化轉(zhuǎn)型模式，滿足當前及未來社會經(jīng)濟發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求。我國要實行關閉礦山綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型關鍵需將科技創(chuàng)新與制度保障相結(jié)合。

一是公共服務設施建設，如結(jié)合呼吸道、肺結(jié)核等疾病研究的地下醫(yī)院、地下療養(yǎng)院，為緩解地上城市壓力開發(fā)的地下物流系統(tǒng)、地下公墓、地下圖書館等，部分與深地領域相關院校如礦業(yè)類大學可嘗試產(chǎn)學研結(jié)合的“礦山校區(qū)”。

二是清潔能源開發(fā)，除了對已有太陽能發(fā)電、地下水電站、壓縮空氣儲能進行研究外，還包括零排放高效能鹽礦儲氫、甲烷提取、尾礦深部原位開采、選育礦井微生物進行生物采礦等。

三是地下生態(tài)型智慧城市，已有國家建設了功能完善的地下應急避難所、地下城市。同時隨著核聚變?nèi)嗽焯?、地下生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的研究、地下農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)等技術的不斷完善，已有國家開展了地下生態(tài)城市實驗，如俄羅斯計劃于2020年在西伯利亞的廢棄礦坑中進行研究。

此外，我國積極探索基于5G技術，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術進行全生命周期綠色智慧礦山開發(fā)，如華為參與開發(fā)“智能礦山聯(lián)合解決方案”。國際上新技術發(fā)展也逐步引領礦業(yè)開發(fā)領域的新變革，深部探測技術、礦業(yè)開采全生命周期的環(huán)保治理、增加碳匯的礦業(yè)生態(tài)修復等研發(fā)助力綠色礦山、智能礦山發(fā)展。

5 結(jié) 語

煤炭行業(yè)部分礦井關閉造成一定程度的資源浪費、資源轉(zhuǎn)型利用率低、生態(tài)環(huán)境受損等問題。關閉/廢棄礦山資源轉(zhuǎn)型利用研究有助于解決關閉礦山資源轉(zhuǎn)型利用的理論問題與現(xiàn)實需求，提高礦山資源全生命周期利用效率，實現(xiàn)綠色礦山高質(zhì)量發(fā)展。研究劃分了關閉礦山地上/下資源類型，給出了關閉礦井地上/下空間資源定量評估方法及殘留煤炭資源的估算方法，構(gòu)建了礦山轉(zhuǎn)型適宜性評估模型，比較總結(jié)了國內(nèi)外關閉礦山轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑的實踐案例，給出了渭河流域15對關閉礦井的轉(zhuǎn)型利用路徑。研究可為量化關閉礦山地下空間資源提供理論基礎與方法參考，并為其他關閉礦井企業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型脫困和可持續(xù)發(fā)展提供切實可行的轉(zhuǎn)型藍本和參考范例。