河南省煤礦城市地下空間量估算

石貝凝，向中林，李振華，張盛艷，常 斌

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南省煤田地質(zhì)局 資源環(huán)境調(diào)查中心，河南 鄭州 450000)

煤炭是我國(guó)的主體能源，煤炭持續(xù)開(kāi)采導(dǎo)致大量煤礦資源枯竭，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展常態(tài)和供給側(cè)改革背景下，關(guān)閉和廢棄礦井?dāng)?shù)量逐年增多，這些煤礦關(guān)閉/廢棄后形成大量的煤礦地下空間[1]。根據(jù)中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目“我國(guó)煤炭資源高效回收及節(jié)能戰(zhàn)略研究”，2020年我國(guó)關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量達(dá)到12000處，地下空間約為72億m3，2030年將到達(dá)15000處，地下空間約為90億m3[2]。河南省 2017—2018年兩年累計(jì)關(guān)閉158家煤礦，多集中在河南能源化工集團(tuán)、平煤神馬集團(tuán)、鄭煤集團(tuán)、神火集團(tuán)等，化解過(guò)剩產(chǎn)能3963萬(wàn)t。隨著當(dāng)代社會(huì)城市化進(jìn)程的不斷加速，大多數(shù)城市地面建設(shè)已呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，更有許多大型城市甚至達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，為擴(kuò)充城市空間容量，保證整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定高效發(fā)展，城市地下空間的開(kāi)發(fā)建設(shè)成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段[3-8]。

煤礦廢棄和關(guān)閉后遺留下大量的煤炭、煤層氣、礦井水、地下空間、土地和地?zé)岬鹊叵驴臻g資源[9，10]，將這些資源合理利用，不僅能夠變廢為寶，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠避免這些遺留資源后續(xù)引發(fā)的安全問(wèn)題，降低社會(huì)損失[2]。其中地下空間資源是最為穩(wěn)定且易開(kāi)發(fā)的資源，其開(kāi)發(fā)成本低，回報(bào)高，易實(shí)現(xiàn)[11]。煤礦開(kāi)采后留下的地下空間主要包括井筒、巷道、硐室和采空區(qū)[12]，這些地下空間在煤礦開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，在煤礦關(guān)閉后也是不可或缺的空間資源[13]，要對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，勢(shì)必要對(duì)這些地下空間容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，謝和平院士早在2018年已估算出全國(guó)煤礦地下空間容量[14]，但其研究區(qū)范圍廣、尺度主要以省份為單位，研究重點(diǎn)非單個(gè)城市。因此，本文以現(xiàn)有調(diào)查收集統(tǒng)計(jì)的煤礦數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用煤礦地下空間估算方法，對(duì)近年來(lái)河南省煤礦地下可利用空間(井巷和采空區(qū))進(jìn)行估算，根據(jù)河南省煤礦地下空間資源量概況，初步提出合理的開(kāi)發(fā)利用建議。

1 煤礦地下空間類型及利用現(xiàn)狀

煤礦經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采后，遺留下大量的地下空間，這些空間主要有井筒、巷道、硐室和采空區(qū)[12]。井筒是指在煤礦開(kāi)采或地下工程建設(shè)中，從地面向礦體開(kāi)鑿的垂直或傾斜的一類工程，分為立井和斜井，是礦井通達(dá)地面的主要進(jìn)出口。巷道空間是連接采空區(qū)與硐室的脈絡(luò)，從距離采空區(qū)最近的部分開(kāi)始依次為區(qū)段平巷、區(qū)段平巷聯(lián)絡(luò)巷、上下山巷道、主要大巷、井底車(chē)場(chǎng)、主副井。井下硐室主要有絞車(chē)房、煤倉(cāng)、排水泵房、變電所、避難硐室等。一般直徑在8 m，直立高度一般為50 m。其橫截面積大，結(jié)構(gòu)較為牢固，可利用性好。采空區(qū)一般是指將地下煤炭開(kāi)采完成后留下的空區(qū)。煤炭的賦存一般呈層狀出現(xiàn)，從而形成大片連續(xù)的采空區(qū)[12，13，15]。

一般情況下，采區(qū)巷道布置在煤層之中，服務(wù)年限短，穩(wěn)定性相對(duì)較差，在采區(qū)資源回收結(jié)束后，不再對(duì)其進(jìn)行支護(hù)和維修，煤炭采空后形成的采空區(qū)如不加以支護(hù)容易坍塌，造成不規(guī)范的垮落帶和裂隙帶。這些采區(qū)上、下山(采區(qū)式布置)、回采巷道以及不穩(wěn)定的采空區(qū)等空間，利用價(jià)值小，難度大，不作為二次利用考慮的對(duì)象[16]。井筒、永久大巷、井底車(chē)場(chǎng)和相關(guān)硐室等地下空間較為規(guī)范完整，范圍廣，并且較為穩(wěn)定牢固，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可以保存[17]，可作為重點(diǎn)空間資源加以利用。此外，雖然采空區(qū)易坍塌、不穩(wěn)定，但利用現(xiàn)有的煤柱支撐技術(shù)對(duì)采空區(qū)加以支護(hù)，由于煤柱的支撐，這些空間維護(hù)情況良好，賦存較為穩(wěn)定[18]，結(jié)合其本身空間大的優(yōu)勢(shì)，這些采空區(qū)地下空間在二次利用中也有著不可小覷的作用。

國(guó)外關(guān)停煤礦的開(kāi)發(fā)利用起步早、模式多元，主要集中在美國(guó)、德國(guó)、芬蘭、荷蘭、俄羅斯、瑞典、澳大利亞等國(guó)家[19，20]，我國(guó)關(guān)停煤礦的開(kāi)發(fā)利用雖然起步較晚、模式單一，但近年來(lái)也取得了一些成績(jī)，綜合國(guó)內(nèi)外廢棄煤礦的開(kāi)發(fā)利用情況，按照不同領(lǐng)域的不同利用模式，主要分為地下儲(chǔ)物型開(kāi)發(fā)模式、礦井水開(kāi)發(fā)型利用模式、生活工業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)旅游型開(kāi)發(fā)模式、特殊科普教育型開(kāi)發(fā)模式、療養(yǎng)場(chǎng)所型開(kāi)發(fā)模式、廢棄物處置場(chǎng)地型開(kāi)發(fā)模式等多種開(kāi)發(fā)模式[12，21，22]。

1.1 地下儲(chǔ)物型開(kāi)發(fā)模式

主要包括：儲(chǔ)油庫(kù)、儲(chǔ)氣庫(kù)、戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備庫(kù)、儲(chǔ)糧庫(kù)、儲(chǔ)熱庫(kù)、車(chē)庫(kù)和普通物資儲(chǔ)備庫(kù)等。如：美國(guó)建成世界首座廢棄煤礦地下儲(chǔ)氣庫(kù)，1975年，比利時(shí)也建成廢棄煤礦地下儲(chǔ)氣庫(kù)。2016年，我國(guó)最深的井筒式停車(chē)庫(kù)——杭州密渡橋路地下公共停車(chē)庫(kù)正式開(kāi)放，利用井筒建設(shè)的地下停車(chē)庫(kù)作為廢棄煤礦地下空間新的儲(chǔ)物模式，不僅解決了城市地面停車(chē)擁堵問(wèn)題，還節(jié)約了土地資源，為城市發(fā)展帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[19]。

1.2 礦井水開(kāi)發(fā)型利用模式

主要以地下水庫(kù)、抽水蓄能發(fā)電站的開(kāi)發(fā)為主[23]。利用廢棄礦井、巷道等作為貯水空間，回灌儲(chǔ)存地面水可形成地下水庫(kù)。日本的松尾氏提出了修建地下水庫(kù)的設(shè)想，隨后建成一系列的地下水庫(kù)，同一時(shí)期，美國(guó)建成了100多個(gè)地下水庫(kù)[24]，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、工業(yè)、以及生產(chǎn)生活供水提供了強(qiáng)有力的保障。抽水蓄能發(fā)電站的基本原理是利用廢棄礦井井底與蓄水池的高低落差進(jìn)行發(fā)電。荷蘭林堡省海爾倫市利用關(guān)停礦井建成地?zé)豳Y源新型地?zé)岚l(fā)電站，為多處民宅、商店、圖書(shū)館和大型辦公樓供暖[19]。開(kāi)灤礦務(wù)局利用廢棄礦井建設(shè)了落差型地下抽水蓄能發(fā)電站，年可獲得244萬(wàn)元的效益。

1.3 生活工業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)旅游開(kāi)發(fā)型模式

生活生產(chǎn)型模式主要用于地下農(nóng)業(yè)等類型，北京京煤集團(tuán)有限公司、河北峰峰集團(tuán)有限公司，在廢棄煤礦巷道內(nèi)種植蘑菇，將廢棄巷道用于井下農(nóng)業(yè)，取得效果較好[21]。旅游開(kāi)發(fā)型模式以礦山公園為主。德國(guó)勞西茨縣將礦區(qū)建設(shè)為以大型湖泊群為中心的生態(tài)工業(yè)旅游景點(diǎn)，供游人參觀，使廢棄礦井發(fā)揮了極大地作用[19]。目前，我國(guó)國(guó)土資源部共批準(zhǔn)建立72個(gè)國(guó)家礦山公園，31家已開(kāi)園[21]。原徐州礦區(qū)權(quán)臺(tái)煤礦和旗山煤礦的采煤塌陷區(qū)域被改造成集生態(tài)旅游和休閑娛樂(lè)為一體的國(guó)家4A級(jí)潘安湖旅游景區(qū)[17]。

1.4 特殊科普教育型開(kāi)發(fā)模式

主要應(yīng)用于科普教育和教學(xué)實(shí)踐基地。日本原砂川礦將廢棄的立井改作無(wú)重力實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)置在地下，安裝較為容易，其穩(wěn)定優(yōu)良的無(wú)重力環(huán)境、為實(shí)驗(yàn)提供了良好的條件[13]。德國(guó)波鴻市魯爾區(qū)將廢棄礦井建設(shè)為多功能展示型礦業(yè)博物館[19，25]，芬蘭的奧陶克恩普通過(guò)重現(xiàn)采礦過(guò)程的方式建設(shè)礦井樂(lè)園博物館，將廢棄煤礦改建特殊科普教育型場(chǎng)所具有一定的教育意義。

1.5 療養(yǎng)場(chǎng)所型開(kāi)發(fā)模式

意大利國(guó)家核物理研究所(LNGS)是國(guó)際唯一的醫(yī)學(xué)相關(guān)地下實(shí)驗(yàn)室，主要利用地面下1400 m的廢棄空間，對(duì)低輻射環(huán)境下生物生長(zhǎng)狀況展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)在深地低輻射環(huán)境中，細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育減緩[26]，地下空間環(huán)境某些固有特性的醫(yī)學(xué)效應(yīng)能夠改善和治愈人類某些疾病，深地實(shí)驗(yàn)室尤其對(duì)患有呼吸類疾病的病人有積極效果。

1.6 廢棄物處置場(chǎng)地型開(kāi)發(fā)模式

其主要改建為儲(chǔ)存生活垃圾、工業(yè)及建筑垃圾的場(chǎng)所等。其利用方式是將廢物處置與采礦充填開(kāi)采工藝相結(jié)合，將城市遺留垃圾用于充填煤礦開(kāi)采后形成的大量采空區(qū)，這不僅可以減輕城市垃圾帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，還能有效地防治采空區(qū)危害。德國(guó)的魯爾煤礦曾長(zhǎng)期利用發(fā)電廠的粉煤灰、采礦矸石以及焚燒后的生活垃圾充填采空區(qū)工作面空間，并取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。

就不同煤礦地下空間類型而言，結(jié)構(gòu)不同，利用途徑也不同。結(jié)合上述6種利用模式，井筒、井底車(chē)場(chǎng)、永久大巷和相關(guān)硐室等這些井巷地下空間較為穩(wěn)定和牢固，一般可用于改建為儲(chǔ)氣庫(kù)、特殊物資儲(chǔ)備所、地下療養(yǎng)所、地下養(yǎng)殖場(chǎng)、地下實(shí)驗(yàn)室等對(duì)空間穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)所。采空區(qū)一般穩(wěn)定性差，通常用于儲(chǔ)存普通物資。但因其空間大的優(yōu)勢(shì)，在作為廢棄物處置場(chǎng)處理城市生活和工業(yè)建筑垃圾時(shí)發(fā)揮了較大的作用。我國(guó)區(qū)別于國(guó)外用巷道儲(chǔ)水的模式，改用采空區(qū)垮落帶為存儲(chǔ)空間，儲(chǔ)水容量大大提升，且垮落帶內(nèi)的煤矸石對(duì)礦井水還具有過(guò)濾作用，水質(zhì)也有所提升[23]，使采空區(qū)的利用率得以提升。井巷和采空區(qū)在空間特征上各有優(yōu)劣，只有根據(jù)自身空間特征尋找適宜的利用模式，才能真正為城市發(fā)展提供幫助。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

煤炭是河南省的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源之一，是重要的基礎(chǔ)能源和生產(chǎn)原料。全省有多個(gè)市、縣有煤炭資源賦存，同時(shí)具備儲(chǔ)量豐富，門(mén)類齊全，煤質(zhì)優(yōu)良，開(kāi)采條件好等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)局、地面調(diào)查和井下調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，河南省典型煤礦有261處，其中安陽(yáng)市13處、鶴壁市12處、濟(jì)源市5處、焦作市15處、洛陽(yáng)市35處、南陽(yáng)市2處、平頂山市47處、濮陽(yáng)市3處、三門(mén)峽市22處、商丘市22處、新鄉(xiāng)市10處、信陽(yáng)市2處、許昌市19處、鄭州市52處、駐馬店市2處。具體分布情況如圖1所示。

圖1 河南省各城市煤礦分布

2.2 可利用地下空間評(píng)判指標(biāo)

煤礦井巷可利用空間和采空區(qū)可利用空間賦存情況不同，這些空間是否能夠真正達(dá)到二次利用的標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步判別，其中需要考慮到的還有安全性因素、穩(wěn)定性因素、空間環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)性因素[14，27]。滿足上述條件可進(jìn)一步判識(shí)為可利用地下空間，各因素具體情況如下。

1)安全性因素。在所有評(píng)價(jià)因素中，安全性因素是最重要的，具有一票否定權(quán)。煤礦開(kāi)采過(guò)程中存在瓦斯爆炸和突水兩大主要災(zāi)害，瓦斯等級(jí)、煤塵爆炸性、煤層自燃程度、水文地質(zhì)條件以及巷道的完好情況都是評(píng)判煤礦地下空間安全性的重要指標(biāo)和依據(jù)。

2)穩(wěn)定性因素。穩(wěn)定性和安全性一樣，在煤礦城市的開(kāi)發(fā)利用中占有十分重要的位置，圍巖穩(wěn)定性、地質(zhì)構(gòu)造條件、巷道支護(hù)形式、埋深和地面沉降速率等都對(duì)煤礦穩(wěn)定性有較大的影響。這些穩(wěn)定性較高的煤礦地下空間可利用度更高。

3)空間環(huán)境因素。溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及水質(zhì)好壞等指標(biāo)對(duì)煤礦地下空間的再次利用都有一定的影響，良好的環(huán)境在地下空間建設(shè)中優(yōu)勢(shì)明顯，可利用率更高。

4)經(jīng)濟(jì)性因素。煤礦一般建立在距離城市較遠(yuǎn)的郊區(qū)地帶，廢棄礦井在二次利用時(shí)要考慮到其交通便利性和與人的交互性，有人的地方就有市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)，人流量和區(qū)位便捷在衡量廢棄礦井利用的經(jīng)濟(jì)效益中占有重要比重，改建過(guò)程中提升運(yùn)輸?shù)碾y易和基本費(fèi)用的高低都是評(píng)判煤礦地下空間二次利用不可或缺的因素。

2.3 煤礦可利用地下空間估算方法

本文將煤礦廢棄和關(guān)閉后形成的井筒、巷道、硐室和采空區(qū)等大量可利用地下空間主要?dú)w為兩類，即井巷可利用地下空間和采空區(qū)可利用地下空間。對(duì)這些地下空間容量進(jìn)行估算，為后續(xù)煤礦地下空間開(kāi)發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐和有力地評(píng)判依據(jù)。

2.3.1 井巷可利用地下空間估算方法

井巷地下空間主要取決于煤礦礦井建設(shè)的規(guī)模大小，開(kāi)采規(guī)模越大，需要建設(shè)的井巷及配套工程容量越大，其井巷可利用地下空間越大，計(jì)算公式如下：

VR=k×G

(1)

式中，VR為井巷可利用地下空間量，萬(wàn)m3；k為不同煤礦規(guī)模下井巷可利用地下空間量的比例系數(shù)；G為煤礦規(guī)模，指煤礦在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的煤礦質(zhì)量，萬(wàn)t/a。

利用來(lái)自相關(guān)設(shè)計(jì)院、科研院所、生產(chǎn)煤礦處調(diào)研、搜集到的典型煤礦規(guī)模與井巷可利用地下空間量(主要包括井筒、井底車(chē)場(chǎng)、大巷、主要硐室等)的數(shù)據(jù)，估算出煤礦規(guī)模與其井巷可利用地下空間量的比例系數(shù)，得出煤礦井巷地下空間量。本文參照謝和平院士利用全國(guó)調(diào)研數(shù)據(jù)估算出的煤礦規(guī)模與其可利用井巷地下空間量比例系數(shù)的結(jié)果[14]，詳見(jiàn)表1。

表1 不同規(guī)模煤礦的井巷可利用地下空間量比例系數(shù)

2.3.2 采空區(qū)可利用地下空間估算方法

采空區(qū)地下空間量是指煤礦開(kāi)采后形成的地下空間體積。井工煤礦98%以上都采用垮落法管理頂板，煤層采出后，從煤層直接頂板開(kāi)始，由下而上依次垮落、斷裂、離層、彎曲，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間后終止移動(dòng)，在地表一定范圍下形成沉陷區(qū)，工作面采空區(qū)地下空間可由煤炭采出體積扣除地表沉陷體積和巖石卸壓膨脹體積得到[14]。即煤礦采空區(qū)可利用地下空間計(jì)算公式如下：

V3=V-V1-V2

(2)

其中，V為煤炭采出體積；V1為地表沉陷體積；V2為巖石卸壓膨脹體積(未破壞)；V3為采空區(qū)可利用地下空間量。

地表沉陷體積可根據(jù)不同城市的下沉系數(shù)η計(jì)算，巖石卸壓膨脹體積可按照地下空間總量與膨脹系數(shù)K計(jì)算，煤礦采空區(qū)可利用地下空間量模型為：

V3=V(1-η)/(1+K)

(3)

3 河南省煤礦城市可利用地下空間估算

3.1 井巷地下空間估算

3.1.1 井巷可利用地下空間總量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)研數(shù)據(jù)，河南省登記不同煤礦261個(gè)，其中具有采礦規(guī)模的煤礦148個(gè)，采用井巷地下空間量估算方法，統(tǒng)計(jì)得出河南省煤礦的井巷可利用地下空間總量見(jiàn)表2。

表2 河南省城市煤礦井巷可利用地下空間量

河南省煤炭產(chǎn)能共計(jì)21151 t/a。按照煤礦規(guī)模分為小型(0，30]、中型(30，120]、大型(120，500]、超大型(500，1000]和特大型(1000，2000]五個(gè)等級(jí)，其不同規(guī)模煤礦數(shù)量分別占全省煤礦數(shù)量的20.27%，41.89%，35.14%，2.03%，0.68%；采掘規(guī)模分別占河南省規(guī)模總量的3.07%，20.92%，61.73%，8.35%和5.93%，井巷可利用地下空間量分別占河南省總井巷空間量的3.45%，21.85%，61.98%，7.72%和5%，河南省煤礦井巷可利用地下空間主要依靠中大型煤礦提供。其中，生產(chǎn)煤礦數(shù)量前3位的分別是：鄭州市和平頂山市各28個(gè)，洛陽(yáng)市21個(gè)。煤礦生產(chǎn)規(guī)模前3位的分別是：鄭州市、平頂山市、洛陽(yáng)市，分別達(dá)到6593，5167和1785萬(wàn)t/a。估算出各城市現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦的井巷可利用地下空間量總計(jì)約5265.97萬(wàn)m3，按小型礦井井巷平均斷面10 m3、中型礦井井巷平均斷面14 m3、大型礦井井巷平均斷面16 m3、超大型、特大型礦井井巷平均斷面18 m3估算，可利用井巷長(zhǎng)度共約3415.59 km。其中，河南省煤礦井巷可利用地下空間量前6位分別是：鄭州市、平頂山市、洛陽(yáng)市、許昌市、三門(mén)峽市和商丘市。其空間分布如圖2所示。

圖2 河南省各市煤礦井巷可利用地下空間資源量分布

在空間上，河南省煤礦井巷可利用地下空間主要分布在省中部和西部城市，特別是中部城市，鄭州、平頂山和許昌市合計(jì)提供井巷可利用地下空間3 293.43萬(wàn)m3，占河南省總量的62.54%。

3.1.2 距離地級(jí)市50 km內(nèi)煤礦統(tǒng)計(jì)

考慮到煤礦地下空間的經(jīng)濟(jì)性因素，即地下空間利用的便利性，選擇50 km作為可較好利用的閾值，利用地理信息處理軟件ArcGIS對(duì)具有井巷地下空間的煤礦數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到井巷可利用空間距離統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 按距離分類的河南省煤礦城市可利用井巷地下空間量統(tǒng)計(jì)

河南省距離地級(jí)市50 km以內(nèi)的煤礦數(shù)量共115個(gè)，規(guī)模合計(jì)15965萬(wàn)t /a，煤礦的井巷可利用地下空間量共計(jì)3969.45萬(wàn)m3，空間分布如圖3所示，在井巷地下空間上具有優(yōu)先開(kāi)發(fā)利用的城市主要位于河南中部及西北部，距離地級(jí)市50 km以內(nèi)井巷可利用地下空間統(tǒng)計(jì)如圖4所示，其中煤礦數(shù)量較多的城市有平頂山市、鄭州市和洛陽(yáng)市，井巷可利用地下空間量較大的城市前三名為鄭州市、平頂山市和洛陽(yáng)市。

圖3 河南省距市中心50 km內(nèi)井巷地下空間資源量分布

3.2 采空區(qū)地下空間量估算

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年底，河南省累計(jì)生產(chǎn)原煤106.26億t。根據(jù)各城市煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，按照煤炭容重為1.35 t/m3，計(jì)算采出煤炭體積。地表沉陷體積與地表下沉系數(shù)相關(guān)，經(jīng)過(guò)各城市主要地面沉陷區(qū)調(diào)查，可以統(tǒng)計(jì)出城市平均下沉系數(shù)。根據(jù)“三帶”理論，巖體的膨脹主要集中在垮落帶、斷裂帶及彎曲帶的底部，巖體膨脹系數(shù)K取經(jīng)驗(yàn)值0.1[28]。利用采空區(qū)可利用地下空間估算方法，得出截至2019年底各大城市可利用采空區(qū)地下空間(表4)，為評(píng)價(jià)煤礦采空區(qū)地下空間利用的適宜性，將煤礦距離城市中心50 km作為區(qū)分條件，分別統(tǒng)計(jì)了城市周邊(≤50 km)及偏遠(yuǎn)地區(qū)(>50 km)的可利用采空區(qū)地下空間。

表4 按距離分類的河南省城市煤礦采空區(qū)可利用地下空間統(tǒng)計(jì)

河南省煤炭采出體積共計(jì)777052.64萬(wàn)m3，可利用采空區(qū)地下空間量共計(jì)180255.21萬(wàn)m3，其中位于前三的分別是鄭州市、平頂山市和三門(mén)峽市?？紤]到地下空間開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)性條件，距離城市中心50 km范圍內(nèi)煤炭采出體積共計(jì)668718.78萬(wàn)m3，可利用采空區(qū)地下空間量共計(jì)157604.37萬(wàn)m3，占采空區(qū)地下空間量的86.95%。距離城市中心50 km范圍內(nèi)煤礦數(shù)量前三名城市為：鄭州市、平頂山市和洛陽(yáng)市，可利用采空區(qū)地下空間量前三的為鄭州市、平頂山市和鶴壁市。

4 河南省典型煤礦城市地下空間開(kāi)發(fā)利用建議

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出河南省各煤礦城市地下空間資源量情況詳見(jiàn)表5，其中排在地下空間資源總量前5位的城市分別為：鄭州市、平頂山市、三門(mén)峽市、鶴壁市和洛陽(yáng)市。這幾個(gè)城市相較于河南省其他城市空間資源量較大，都超過(guò)了10000萬(wàn)m3，可作為二次開(kāi)發(fā)利用優(yōu)先考慮的對(duì)象。

表5 河南省煤礦城市可利用地下空間資源總量 萬(wàn)m3

優(yōu)先在哪些城市開(kāi)展地下空間的開(kāi)發(fā)利用，需要從多因素綜合考慮，除了可能提供的空間資源量，還應(yīng)該包括開(kāi)發(fā)安全性條件、穩(wěn)定性條件、空間環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性因素(這里的評(píng)價(jià)因素和指標(biāo)是以“煤礦城市”為中心展開(kāi)討論，與上文評(píng)判“單一煤礦”地下空間可利用性的指標(biāo)有所不同)，其中瓦斯等級(jí)、煤塵有無(wú)爆炸危險(xiǎn)、水文地質(zhì)條件、最大涌水量和沉陷區(qū)面積是評(píng)判礦井安全性的重要指標(biāo)，煤層穩(wěn)定性、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)條件、煤層傾角和沉降系數(shù)是穩(wěn)定性主要指標(biāo)，淺層地表溫度的高低、降水量的多少、水質(zhì)的好壞以及歷史文物保護(hù)區(qū)(簡(jiǎn)稱保護(hù)區(qū))等空間環(huán)境因素對(duì)煤礦地下空間的再利用也有一定的影響，而區(qū)位、最大埋深和正常涌水量是評(píng)價(jià)煤礦經(jīng)濟(jì)性因素的重要指標(biāo)[27]。通過(guò)5大因素及其各指標(biāo)的分析，參考國(guó)內(nèi)外煤礦地下空間開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，對(duì)河南省5個(gè)典型煤礦城市的開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行分析，并結(jié)合不同城市的特點(diǎn)、發(fā)展及需求等，具體開(kāi)發(fā)利用建議如下：

1)鄭州作為河南省會(huì)城市，是全省的政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心。擁有較大的商業(yè)經(jīng)濟(jì)圈，其人流量大，易造成交通堵塞，同時(shí)擁有一大批國(guó)家重點(diǎn)科研院所和軍隊(duì)重點(diǎn)院校，國(guó)家投資多，科研能力較強(qiáng)，針對(duì)這些情況[29]，結(jié)合鄭州市煤礦地下空間大的特征，可將大量的井巷可利用空間改造為井筒式停車(chē)庫(kù)，緩解鄭州市作為省會(huì)的停車(chē)擁堵問(wèn)題。憑借國(guó)家政策支持，改建地下科研研究場(chǎng)所，進(jìn)一步促進(jìn)教研發(fā)展。對(duì)于部分安全性因素和穩(wěn)定性因素不高的空間，可用于儲(chǔ)存一些性質(zhì)較穩(wěn)定的普通物資。此外，鄭州市沉陷區(qū)面積較大，通常沉陷區(qū)容易出現(xiàn)積水現(xiàn)象，水體下方土質(zhì)疏松，這部分空間雖不穩(wěn)定也不可浪費(fèi)，可將其改造為水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，在避免沉陷區(qū)資源浪費(fèi)同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)效益。難以改建和歸整的空間可作為地下垃圾場(chǎng)或地下污水處理廠，為城市整體的發(fā)展提供幫助。

2)平頂山作為中國(guó)重要的煤炭產(chǎn)地，是一座典型的煤炭工業(yè)城市，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)，號(hào)稱“中原小深圳”，其煤層氣項(xiàng)目為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)示范項(xiàng)目，且開(kāi)發(fā)前景很好。其空間環(huán)境因素較好，溫度適宜，可借此優(yōu)勢(shì)將地下空間改建為儲(chǔ)氣庫(kù)，為工業(yè)生產(chǎn)調(diào)峰提供幫助。適宜的地下溫度有助于生長(zhǎng)，地下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廠、地下動(dòng)植物養(yǎng)殖場(chǎng)甚至地下醫(yī)院都可作為平頂山地下空間再次利用的優(yōu)良選擇。

3)三門(mén)峽的發(fā)展得益于1957年的三門(mén)峽水利樞紐工程，是一座因水利而發(fā)展的城市，位于河南、山西和陜西三省交界處。憑借資源和地理位置的優(yōu)勢(shì)，可將大量地下空間改建為各種儲(chǔ)水庫(kù)，儲(chǔ)存大量生活用水，未雨綢繆，在突發(fā)缺水情況時(shí)及時(shí)供水，或在干旱時(shí)期提供“人工降雨”，為自身乃至周鄰各城市的發(fā)展提供福利。此外，三門(mén)峽空間埋深多為200～800 m，且安全性較好，可將其改建為地下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，解決地面難以完成的實(shí)驗(yàn)。

4)鶴壁人口較少，僅有146萬(wàn)人，占全省的1.46%，GDP比重較低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，但其擁有較大的采空區(qū)地下空間，將這些空間改建為大型儲(chǔ)物場(chǎng)所，物流中轉(zhuǎn)站，提供就業(yè)崗位，吸引外地人口入住，促進(jìn)城市發(fā)展進(jìn)步。

5)洛陽(yáng)作為中國(guó)的“八大古都”之一，旅游資源豐富，航空航天等大中型骨干工業(yè)企業(yè)集中，工業(yè)發(fā)展迅速，成為緊隨鄭州的第二大城市?？蓪⑵淇臻g改建為地下工業(yè)旅游基地，此舉不僅能夠增強(qiáng)洛陽(yáng)的城市底蘊(yùn)，更進(jìn)一步豐富了旅游主題，可吸引大量國(guó)內(nèi)外游客，為城市發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

5 結(jié) 論

1)河南省井巷地下可利用空間量總計(jì)約5265.97萬(wàn)m3，可利用井巷長(zhǎng)度共約3415.59 km，其中距離地級(jí)市50 km以內(nèi)空間量3969.45萬(wàn)m3，空間上主要分布在全省的中部和西部城市。其中中部城市鄭州市、平頂山市和許昌市合計(jì)提供井巷可利用地下空間3293.43萬(wàn)m3，占河南省總量的62.54%，距離地級(jí)市50 km以內(nèi)空間量合計(jì)2620.29萬(wàn)m3，占總量的49.76%。

2)河南省煤炭采空區(qū)可利用地下空間量共計(jì)180255.21萬(wàn)m3，其中距離城市中心50 km范圍內(nèi)采空區(qū)可利用地下空間量共計(jì)157604.37萬(wàn)m3，占河南省采空區(qū)可利用地下空間總量的86.95%，空間上仍主要分布在河南省的中部和西部城市。其中鄭州市提供59975.47萬(wàn)m3(距離城市中心50 km范圍內(nèi)53800.20萬(wàn)m3)，占比33.09%，平頂山市提供47034.26萬(wàn)m3(距離城市中心50 km范圍內(nèi)45599.61萬(wàn)m3)，占比25.95%。

3)河南省煤礦地下空間可利用資源總量186521.18萬(wàn)m3，其中可利用空間超過(guò)10000萬(wàn)m3的城市排名依次為鄭州市、平頂山市、三門(mén)峽市、鶴壁市和洛陽(yáng)市。這些城市地下空間資源量大，可根據(jù)其開(kāi)發(fā)安全性條件、穩(wěn)定性條件、空間環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性因素綜合評(píng)價(jià)其適宜性，優(yōu)先選擇相適應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用方式。