废弃矿井资源二次利用的研究

孟鹏飞

(华亭煤业大柳煤矿有限公司，甘肃 崇信 744201)

中国是世界是的采矿大国之一，矿产资源丰富，已探明储量的矿产多大148种，各类大中型矿山企业8万余个。尤其是煤炭储量和产量，分别居世界第三位和第一位。煤炭是我国当前的主要能源。据统计，国内一次能源的生产和消费中，煤炭约占四分之三。预计今后数十年内，煤炭作为我国第一能源的地位不会改变。而煤矿、冶金矿山、有色金属矿山、化工矿山以及非金属矿床在开发过程中，形成了大量井下采空区，仅煤矿每年就形成数亿立方米的空间[1]。对报废矿山如何合理利用，已经迫在眉睫。

鉴于我国粗放型的煤炭开采所引发的严重矿难灾害、资源浪费和环境破坏现象，钱鸣高院士领导的研究团队率先提出了实现煤炭资源绿色开采的理念，并得到了学术界和工业界高度关注和广泛响应。而在国外，特别是英国、德国、美国等发达国家，在上世纪中期，就开始对废弃矿井的处理进行了研究，并提出了一系列解决方案[2]。例如，英国从20世纪50年代开始在北威尔士郡进行大规模的瓦斯抽放与利用[3]；美国从20世纪70年代开始重视废弃矿井充水和矿井水质量问题，并提出了关于废弃矿井充水问题的治理方法等[4]。

1 废弃矿井的危害

在进入21世纪以后，环境保护以及和谐社会成为人们最关注的话题。而废弃的矿井对环境也有很大程度的破坏，主要包括矸石危害、采空区塌陷危害、地下水污染等。

1.1 矸石危害

矸石是指在矿石中，除有用矿物外，还含有目前无法富集或尚不能利用的一些矿物。废弃矿井附近一般都堆积着大量的废渣、废土、矸石等等，这些废渣极易产生粉尘严重污染空气，更重要的是经过雨水淋滤，产生有害废水污染河流及地下水，直接威胁居民饮水安全。某些废弃平硐由于地下采空区封堵不当，长年累月向外排放有害水体，对当地的水资源环境造成了持续的损害。另外由于废弃矿井封堵不到位，井口自然敞开，极易造成地下未开采的煤炭自燃，有害气体的外溢，形成次生地质灾害。

1.2 采空区塌陷危害

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产开采的时间，可分为老采空区、现开采区和未来开采区。大面积的采空区，使上覆岩层发生移动，在垂向上“三带”发育。随着时间的推移有可能出现地面沉陷及地裂缝。既造成了矿井生产的安全隐患；地表沉陷和地裂缝也影响到了地表形态、地面构建筑物、公路、土地资源及水体，对人们的生命财产安全造成不同程度的危害[5]。更严重的是，它使得地下水体发生垂向上的移动，破坏了地表植被赖以生存的水源，极大地破坏了生态环境，改变地表土壤的灌溉性、持水性和水土平衡，致使表土疏松、裸露面积扩大，加剧矿区水土流失，加剧沙漠化的速度和强度，使土地沙漠化趋势加快。

1.3 地下水污染

矿井一般都处在水力圈和表土圈之间，对于不同种类的矿井，其所产生的工业废弃物，可能具有易融水的有害物质，影响日常用水等。

2 废弃矿井的再利用可行性分析

2.1 废弃矿井的治理原则

针对以上问题，在废弃矿井的处理过程中，应坚持“以人为本，因地制宜，合理利用”和“在保护中开发，在开发中保护”的基本原则。坚持从实际情况出发，客观评价废弃矿井的可在利用资源，统筹规划、突出重点、综合治理、分步实施、讲究实效。特别是对废弃矿井一些为矿井生产服务的建筑物，如矿灯房、浴室、食堂、绞车房、材料库、设备库等，矿井一旦报废、它们也就完成了历史使命，若弃之不用或拆除也不完全合理，在进行地下空间利用的同时，也应结合地下利用内容加以利用。有些建筑物内的设备，在进行地下规划时能利用的也要尽量保留，如供电、通风、运输、排水、提升等系统的设备。

2.2 废弃矿井的二次利用建议

按照目前我国矿井的分布状况，可将废弃矿井的再利用用途大致分为四种情况：①高瓦斯废弃矿井；②城市附近的废弃矿井；③交通便利的废弃矿井；④其他废弃矿井。

2.2.1 对于瓦斯浓度较高的废弃矿井的二次利用

据统计，1953～1998年国有重点煤矿报废矿井459处，报废矿井和生产矿井老空区遗留的煤炭储量有300亿t以上，保有瓦斯储量预计为几千亿立方米。中国煤炭信息研究院在全国调查的82个国有重点矿务局中有报废矿井的矿务局占60%，报废矿井有150处以上，主要分布在东北地区和西南地区，如鸡西、鹤岗、辽源、北票、水城、永荣、天府等矿区，其中约70%为高瓦斯矿井。目前全国有148处以上的衰老矿井资源濒近枯竭，面临关井。因此在我国进行报废矿井瓦斯抽放与开放利用前景非常广阔。

目前，我国对煤层瓦斯的利用途径比较单一，多限于矿区生活燃气用，利用潜力有限。在废弃矿井瓦斯抽放与利用方面，英国的一些公司已经获得了大量成功经验，Alkane能源公司从报废矿井回收瓦斯直接供给当地用户或用于现场发电，所有瓦斯抽放站都设计为自动化遥控系统，目前已拥有5个达产的绿色能源基地[3]。因此，根据我国目前供电现状，完全可以实现瓦斯就近发电，并入国家供电网络，缓解目前城镇供电紧张局面。

2.2.2 市区附近的废弃矿井的二次利用

我们将在市区内或离市区不远的郊区具有矿井的城市泛称为矿业城市或矿井城市。在我国，这样的矿业城市(镇)约有400余座，其中煤炭城市约150座，如抚顺、大同、唐山、枣庄、淮南、平顶山、鸡西等，另外还有若干大大小小的铁矿、铜矿、金矿、矾矿、石膏矿等金属和非金属矿井城市200余座，如南京、包头、鞍山、马鞍山、铜陵、滁州等。这些矿业城市中，目前处于成长期的占19.7%，鼎盛期的占68.3%，衰退期的占12%。鼎盛期和衰退期台计达80%之多，可见今后10～15年内将是我国大中型矿井衰退、报废的集中期，将有大量的地下巷道、硐室被弃之[6]。

在国内，对此问题已引起有关人士的重视，但应用实例并不多。国外在这方面比我国要好得多。美国利用矿井采空区建立了一座30万平方英尺的商业、工业中心，运行效果良好。日本利用废巷道作为实验、研究、观光使用，其中一些巷道由于大量观光者的光顾而带动了该地区的发展。1965年，德国将采掘岩盐的废巷道用做深层处理放射性废物的实验设施，以及利用采矿空间作为天然气的储能库。1987年，芬兰利用废矿井建立了地下矿井博物馆和地下儿童乐园，实地表演采矿作业，展示采矿器具；澳大利亚利用蛋白矿采掘废址建了一个沙漠海角地下旅馆，并且很负盛名。1965年，乌克兰在地面岩盐矿井内开办了一所医院和一个国家疗养院。国外的这些利用实例对我们具有很好的借鉴意义[7]。

综上所述，对于矿井城市的废旧矿井的再利用主要用途为以下三个方面：①设立城市不可再生垃圾回填站；②建立地下贮藏库；③建立地下观光、娱乐场所等。

2.2.2.1 垃圾废料回填站

在矿井临近报废及正式报废后，其地下空间完全可不加任何修缮而直接用于储存地面垃圾、工业废料以及具有放射性污染的核废料(核废料需采取一定的防范措施)等。另外，矿井封闭后，地下空间不加利用的话，不仅浪费，时间久远以后还会形成地面沉降，影响地面规划及建筑物安全。存放垃圾废料后既减少了地面污染，又节约了土地，还减轻了地表的沉降，可谓一举三得。

2.2.2.2 做贮藏空间用

利用废旧巷道做为贮藏空间最为适宜，也是其最主要的用途。由于它不需人在地下长时间或长期驻留，改造费用相对较低。贮存的物品可有以下几类：

1)易爆有毒危险品类。如炸药、雷管、枪支、农药、化学药品等。这类物品具有较高的防火、防爆、防盗要求，即使建在地面一般也要远离城区。矿业城市的矿井大多数位于城郊，而且又深埋于地下，故贮存此类物品尤为合适。

2)日常生活用品类。如日用百货、粮油、食品等。日用百货的储存技术、设备不须复杂，各种商品的物理和化学性质互不干扰，多数物品对贮存期限、环境条件要求不严。粮油食品的对温度、湿度、空气成份要求比较严格一些，粮食贮藏的最适宜条件是温度15℃左右，相对湿度50%～60%，通风良好。矿井地下巷道可用较小的投资即可满足上述条件[8]。实践证明，地下贮粮品质好，虫霉繁殖少，损耗低，管理方便，不必翻仓。

3)工业设备、材料库等。工业库房在各个城市都有，设置在地面时，占地面积大，土地效益低。合理利用采空区建立地下车库，这些都具有很好的开发利用空间。另外，设备、材料对储存环境条件要求低，又多为短期性存放，故利用废弃巷道存放较为合适。

4)能源原料存贮.如石油、天然气、水等在这方面国外已有较多实例，证明是成功、有效的。石油天然气同时也是易燃易爆危险品类，较适合贮存在地下。作为地下水库使用时，工程简单、容易实现，不占农田，蒸发量小，投资少，社会效益好。

2.2.2.3 地下车库

随着改革开发的发展，买车已不再是遥不可及的事情，如果随着国民经济的增长，将会出现“买车容易，停车难“的问题[7]，所以在轿车进入家庭后，解决停车难的唯一办法就是修建综合性、多层大容量车库，如果能够合理对废旧矿井空间进行合理改造，修建地下车库，即达到废物再利用，又能解决停车难的问题，具有很好的实际意义。

2.2.2.4 做娱乐、观光、其他空间用

以地下空间作为娱乐、文化、体育场所国内外已有较多实例，也是我国近期地下空问开发利用的主要对象。若城区或城市附近有废弃矿井，完全可利用其作为球类、溜冰、棋类、游艺、舞蹈、录相、图书馆、博物馆等文化体育活动场所[9]。地下矿山具有神秘莫测之感，矿井生产期问无关人员无法进入井下，即使生长在矿山的人也并非都了解地下情况，故可借鉴国外经验，矿井报废后，将其傲为观光岩硐，置入各种景观，演示开采工艺，展示开采器具，介绍开采技术等。使人们在游览观光的同时，也获得了有关的科学知识。

矿井巷道有比较适宜的温度和湿度条件，可考虑利用其作为不需要或过多需要阳光类的动植物、微生物的养殖、培养空间，如木耳、磨菇、菌种等。根据具体情况还可作为工业生产的车间、建筑构件预制场地、工程实验室、变电站、中心控制室、战备指挥所、抢救中心、地下秘密试验室、餐饮店、会议室、防空掩蔽部等使用[10]。

2.2.3 对于处于交通方便的废弃矿井的二次利用

一般的矿井工业区都建在铁路枢纽附近，可将其改造为国家储备库，用于粮食、工业品、设备等储备。也可根据当地的农业发展情况，建立相应的水果、蔬菜仓储基地，由于矿井巷道埋深大，受地面气候影响小，温度比较稳定。并且在库内温度降到一定程度后，在硐室周围岩体内形成了一定范围的低温区，积蓄了巨大的冷量，并维持硐内具有稳定的低温。所以，作为冷藏库使用时比浅埋地下冷库及地上冷库更优越。

2.2.4 其他废弃矿井的治理建议

除了上述具有可再利用条件的矿井外，对于其他废弃矿井也应作相应的处理，防止造成灾害。对这一类废弃矿井的处理措施有以下两种。

1)工业废弃垃圾填满

面对21世纪的环境和发展，如何解决工业废弃物的大量排放造成的环境污染，充分利用矿山开采过程中报废井下空间，减少地面废弃物的占地，对于国家或者矿山企业都是一项十分有意义的工作。针对报废矿井井下空间的合理利用问题，应从井下空间的围岩水文地质、构造地质条件，存放场所密封技术，地面预处理技术，充填排放工艺，政策法规以及经济效益多方面的加以研究，积极推进此项利于当代，造福明天的环境工程向前发展。

2)封堵井口，植树造林

对于危险性高，并没有任何利用价值的废弃矿井，采取的措施是封堵井口，可采取铁栅栏封堵或者采用浆石永久封堵，防止人员进入或废水外流。而且封堵后还要做醒目的警示牌。对于存在地面塌陷或地裂缝的平硐，还应进行填埋塌陷坑或地裂缝等综合整治措施，恢复环境，排除险情。对地面出现的塌陷坑、塌陷台阶、裂缝、漏斗状流沙口等，及时填平修复，及时种树种草，恢复植被，防止土地沙漠化和水土流失。及时发现地表变形、开裂的位置，及早采取相应的措施。

3 小结

在进入21世纪后，随着我国经济的飞速发展，人们生存空间在不断缩小，“绿色”工程和地下空间的开发越来越受到人们的重视，特别是在1981年5月地下空间的开发利用已被联合国自然资源委员确定为重要的自然资源，并对世界各国开发利用给予支持。但在开发的同时应注意保护，不可过度开发，因此将已有的地下工程充分利用起来，会取得良好的经济效益和社会效益，值得我们去研究、实践。

[1] 黄侃.井下废弃空间安全处置工业垃圾研究[J].矿床开采,2000,9(5).

[2] 缪协兴,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J].采矿与安全工程学报, 2009,26(1).

[3] 郭庆勇，张瑞新.废弃矿井瓦斯抽放与利用现状及发展趋势[J].矿业安全与环保,2003,30(6).

[4] 崔洪庆,宁顺顺.废弃矿井充水问题及其研究和治理方法-以美国匹兹堡煤田为例[J].煤田地质与勘探,2007, 35(6).

[5] 雷少毅,左胜华,徐涛. 陕西省榆林市废弃矿井现状及治理[J].陕西煤炭, 2010, 29(2).

[6] 姜玉松.矿业城市废弃矿井地下工程二次利用[J].中国矿业,2003,12(2).

[7] 姜玉松.城市地下空间开发与利用的几个问题[J].地下空间,2004,24(5).

[8] 瞿万波,刘新荣,梁宁慧.重庆市一体化地下空间开发利用构想[J].地下空间与工程学报,2007,3(3).

[9] 梁晓丹,宋宏伟.地下空间对城市发展的作用与二次开发[J].安徽建筑,2001,8(2).

[10] 许宏发,谈欢欢,马军庆.普通城市地下空间的战时利用探讨[J].地下空间与工程学报,2007,3(2).