废弃矿井潜在地质灾害、防控技术及资源利用途径研究

胡炳南，颜丙双

(1.煤炭科学研究总院 战略规划研究院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

废弃矿井可分为两类：一类是因资源自然枯竭关闭的矿井，一般地，经过几十年开采(特别是黄金十年的高强度开采)，许多煤矿储量急剧下降，形成资源衰竭型煤矿，进入关闭矿井行列；另一类是近年因过剩产能退出而关闭的矿井[1]。根据《关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》(国发〔2016〕7号)，我国计划用3～5a时间，退出产能500Mt左右、减量重组500Mt左右，化解过剩产能将产生大量关闭矿井。

因此，因资源枯竭和淘汰过剩产能关闭的矿井，在“十三五”期间将大幅增加，未来几年将是我国煤矿关闭的集中期。图1是根据历年生产矿井数量和近年新建矿井数量(国家能源局核准矿井)得出的我国关闭矿井数量变化曲线。2000—2016年，我国关闭矿井至少19106处，且数量在不断增加[2]，废弃矿井潜在地质灾害问题正加速突显出来。

图1 2000—2016年我国关闭矿井数量变化趋势

废弃矿井将会引发地质灾害威胁，如地表塌陷、矿井水隐患和矸石山及有毒气体危害等；也会造成地下资源浪费和地面资源闲置，如矿井井下空间资源(巷道、硐室等)、水气资源、地面土地、厂房、机器设备等。因此，亟待研究废弃矿井潜在地质灾害隐患特征、防控关键技术以及废弃矿井井下资源和地面资源合理利用的主要技术途径。

1 废弃矿井潜在地质灾害

1.1 地表塌陷分析

煤层开采后，上覆岩层形成“三带”。即开采煤层以上一定范围的岩层发生垮落，形成垮落带；垮落带以上一定范围的岩层产生沿水平层面和垂直层面的裂缝和断裂，形成裂缝带；裂缝带以上直至地表的岩层发生下沉和弯曲，呈现整体移动，形成弯曲下沉带，如图2所示。煤矿关闭后，工作面停止开采，地表并没有立即停止移动，仍会产生缓慢沉降。尤其是因各种原因，井下留设房柱、条带煤柱、区段煤柱、防水煤柱、村庄煤柱等的区域，矿井闭坑后，煤柱在地下水作用下逐渐水解脱落，使得煤柱强度降低，逐渐导致垮塌，进而引发邻近煤柱破坏，产生“多米诺骨牌效应”，在地面可能出现突然坍塌，损坏地表建筑物和构筑物，引发边坡失稳和泥石流等灾害。

图2 工作面煤层开采后上覆岩层“三带”

1.2 矿井水隐患分析

经过几十年的采矿活动，开采深度和开采面积均达到充分开采，许多含水层组被串联导通，水动力场发生变化，在人为排水条件下矿井成为区域地下水的排泄中心[3]。一旦矿井关闭，抽排水即停止，采空区、巷道等开采空间会渐渐充盈，水位大幅抬升，造成邻矿涌水量增大，深部煤矿矿界煤柱地下水压增加，对邻矿的安全生产构成威胁。2000年，江苏徐州矿区、湖南资兴矿区因废弃煤矿停止排水，大量矿井地下水涌入了正在生产的邻矿[4]。2016年，由于江西丰城矿区坪湖煤矿(最深开采标高-635m)和建新煤矿(最深开采标高-710m)相继关闭，停止排水，两矿地下水位直线上升，地下水压力作用在相邻深部开采的曲江煤矿50m隔离煤柱上，对该矿安全生产造成严重威胁。

废弃矿井地下水通过采动裂隙通道漫溢上升直至地表，也会污染浅层地下水和地表水。例如，某关闭矿矿井水中的矿化度达3996mg/L、硫化物达2300mg/L，污染物严重超标。矿井关闭后，不再进行矿井水的抽排和处理，使得废弃矿井地下水污染周边岩溶地下水，影响供水井水源。

1.3 矿井矸石山及有毒气体危害分析

矸石作为煤炭的伴生产物，随着煤矿开采产出，其产量约占煤炭产量的15%[5]。矸石山一般高达数十米，直接表现为对景观破坏；当矸石山边坡不再维护后，潜在边坡失稳和泥石流风险，威胁周围农田和村庄。自燃的矸石山即直接形成大气污染，产生的有毒物质经雨水冲刷流入附近河流、渗入地表，间接引起土地和地下水污染[6-7]。

矿井中，往往还存在以瓦斯(CH4)为主的易燃易爆气体，这些气体可致使人员中毒，积聚到一定程度具有爆炸风险。废弃矿井瓦斯主要通过矿井井筒、裂隙和地表塌陷通道等对外缓慢逸散或突然涌出[8-9]。如：淮南谢一矿，老矿井1949年投产，开采-660m水平以浅资源，新矿井2008年投产，开采-660～-1200m资源。2016年井口加盖关闭后，随着水位上升，井下瓦斯在地下水的挤压下仍然不断涌出，影响矿区周围的大气环境，一旦瞬间大量涌出，还会引发安全事故。

2 废弃矿井潜在地质灾害防控

2.1 矿井地表塌陷防控技术

根据覆岩破坏空间分布与地表移动时间规律，废弃矿井井下空间是地表塌陷的原因。随时间延长，上覆岩层不断压实，地表产生缓慢沉陷，存在一定的危害性；但处于相对稳定状态的煤柱一旦失效，就会诱发再次塌陷。特别是在浅部采用刀柱法、房柱式和条带法开采的采区，这些煤柱失稳是地表突然塌陷的重要因素。

因此，对于地面存在建筑物和构筑物的废弃矿井采空区，除采用注浆或废弃物充填加固措施，控制残余变形，避免煤柱失稳导致的地表突然塌陷外，还应采取措施防止边坡失稳和泥石流等灾害，采取避免建筑物和构筑物损坏的加固方案，同时设立观测站，监测地表和建筑物的移动变形，确保安全。

废弃矿井地表塌陷防控关键对策是：对浅部开采、构造复杂和不规则留煤柱区域进行针对性调查；对采煤沉陷区进行稳定性评价、合理规划和分类利用；对于兴建建筑物和构筑物的区域，可采取注浆和充填、边坡增稳和防泥石流措施，也可采用建筑物和构筑物抗变形结构加固措施。

2.2 矿井水隐患防控技术

在矿井关闭前，应根据矿井采空区与地下水导通情况，有的放矢地进行治理，封堵各种导水通道(比如，回填各类井筒空间、堵塞不同岩层间导水通道等)，防止矿井水隐患和废水蔓延。矿井关闭后，探查废弃矿井积水高度和积水区域，既要保障邻区井下安全生产，又要保障废弃矿井地面安全生产和生活用水需求。

废弃矿井水隐患防控关键对策是：对于生产矿井周边的废弃矿井，应进行矿井水隐患源如积水高度和积水区域变化等针对性调查；对于废弃矿井周边的生产矿井，应分析矿界煤柱强度，保障煤柱防水隔离功能，封堵围岩裂隙通道，控制越矿涌水量；对于生产矿井，还需要做好制定防控技术预案(设计防水封堵闸门，准备疏排通道与矿井水储备库容等)；对于矿区生活水源，应封堵与废弃矿井联通的导水裂隙通道，隔离各含水层之间的水力联系，保证地下水的供给安全。

2.3 矿井矸石山及有毒气体危害防控技术

矸石山治理的最好方法，是将其充填至煤矿井下，达到控制地表下沉和解放土地占用的双重目的。地面堆积的矸石山应进行放坡处理，减小堆积坡度至30°以下，分层碾压矸石，减小内部的孔隙率。在矸石山表层覆盖黄土后再次进行碾压，创造植物的生存环境，采用喷播技术实现矸石山绿化。在矸石山坡脚修建挡墙，防止矸石山面积进一步扩大。对于有发火危险、存在污染物的矸石山，应进行注浆防灭火、防渗防污染、微生物与植物联合改良以及矿区生态环境修复与重建等技术。有毒气体危害防控基本方法是对通道特别是井筒进行完全封堵或简易封堵[10]。如淮南谢一矿2016年停止生产后，对直通地面的浅部井8个井筒和深部井5个井筒进行封盖式简易封闭，隔离瓦斯气体暂时涌出。

矿井矸石山及有毒气体危害防控关键对策是：对于废弃矿井矸石山，首先是消除污染、其次是景观生态复垦；对于废弃矿井瓦斯，从长远来看，最好采用将井筒和通道回填压实的长效根治隔离措施。因为封盖式隔离，不是有毒气体危害防控的根本方法。对于瓦斯大的废弃矿井，随着矿井地下水的上升，有毒气体会不断顶升，气体不断压缩，存在井筒封盖处或者其他潜在通道突然涌出瓦斯危险。

3 废弃矿井资源利用

3.1 地下资源利用途径

地下资源利用主要是地下空间资源再利用、地下水资源利用和地下气体资源利用，其中最有发展潜力的是地下空间的利用。

在地下空间资源再利用方面，主要有处理废弃物、储藏固体物质、存储液体物质和改造成旅游景点，如表1。

表1 废弃矿井地下空间资源利用

(1)处理废弃物 地下空间具有工作面与开拓巷道、硐室、井底车场、斜井、竖井等残余空间[11]，可从地面向井下打钻孔方式，采用风力运输或水力运输，充入采空区。井下空间可处置建筑垃圾、电厂粉煤灰或小粒径煤矸石、居民生活厨余垃圾等废弃物质。

(2)储藏固体物质 炸药、雷管、易燃易爆化学药品、危险气体等材料具有较高的防火、防爆和防盗要求，地面存储时一般要远离城市，占用大量土地且需要修建隔爆和防泄漏设施[12]。利用改造后井下空间，储藏此类固体材料，安全性更高。

(3)存储液体物质 废弃矿井具有众多巷道群和采空区，其存储空间已经存在，只要进行相应防渗改造，形成人工与煤柱的复合坝体，即可建设地下水库。1977年，河北省南宫县建设了第一座地下水库，蓄水量达4.8×108m3。2010年，神华大柳塔煤矿建成了首个煤矿分布式地下水库，实现废弃地下空间的有效利用，还可以用于抽水蓄能电站改造[13]。废弃矿井的地下空间，是石油尤其军用油料储存的理想场所，作为战略资源储备，服务于国家能源安全，具备隐蔽性的特征。

(4)改造成旅游景点 废弃矿井改造成旅游景点在国内外均有工程实例。罗马尼亚图尔达井下盐矿是全世界首个将废弃矿井改建成旅游景点的矿井。1992年改造完成，地面包括圆形露天剧场、运动场、迷你高尔夫球场，以及保龄球道与小型摩天轮等设施。井下盐矿内长年温度11～12℃，湿度80%，几乎没有任何过敏原及细菌，非常适合过敏性呼吸道疾病病人疗养。我国大同晋华宫煤矿也进行旅游景点改造，晋华宫煤矿1956年投产，与世界文化遗产云冈石窟隔河相望，交通十分便利，具备旅游开发潜力和矿业遗产价值。晋华宫煤矿开发了国家矿山公园旅游项目，设立井下探秘特色景点(如图3)，集知识性、趣味性、探险性为一体，游客可乘缆车到达井下300m深处，参观原始采煤、炮采、普采、高档普采、综采和综合掘进等6个景点。

图3 晋华宫矿井下探秘景点

在地下水资源利用方面，我国煤矿赋存有丰富矿井水，生产时期一般直接外排[14]。矿井关闭后，一般不人为排放，从而会引发一些安全隐患。某些条件适合的废弃矿井地下水，应进行综合利用。对于含一般悬浮物的矿井水，需采用混凝沉淀技术实现极细粉尘颗粒的去除，经消毒处理后，其水质一般能够达到生产使用和生活饮用水标准[15]；对于富含矿物质的洁净矿井水，可经简单清污分流处理后，加工为矿泉水。如徐州新河煤矿矿井水含有丰富的锶元素，经权威部门认证为富锶矿泉水，由此建立了富锶矿泉水产业，并取得了良好的经济效益[16-17]。对于酸性矿井水，一般采用碱性中和剂进行处理，中和后的水一般可以直接排放或作为工业用水进行使用。

在地下气资源方面，废弃矿井地下气资源主要为矿井瓦斯。废弃矿井采动裂隙发育，采动空间附近煤体内吸附状态瓦斯多转为地下空间的游离气体，多数瓦斯被风流带走或缓慢逸散，其浓度较低[18]。废弃矿井瓦斯主要来源于未采煤层和保护煤柱。针对废弃矿井瓦斯资源，我国“十二五”期间进行了废弃矿井采空区地面煤层气抽采技术研究及示范研究，取得明显成效。截至2016年底，山西晋煤矿区已建设了27口采空区煤层气井，单井日均产量1155m3，累计抽采利用废弃矿井瓦斯约1.700×107m3。试验结果得出，常规垂直井存在施工时经过采空区地层钻进困难，抽采时单井产量低、瓦斯浓度低等问题，而采用地面复合L型水平井抽采技术，配合煤层增透技术，抽放效果显著[19]。

3.2 地面资源利用途径

在国外，德国鲁尔区具有水路、陆路交通优势。过去有煤炭、钢铁、重型机械制造三大产业支撑，在煤矿关闭后，进行了转型利用。如，埃森市12号矿，1986年关闭后改造成为一个历史性的工业纪念建筑群：把矿井原锅炉房改造为红点设计博物馆(图4)；把矿井洗煤厂改造为艺术展品的展览馆；把机修车间厂房改造为办公场所，吸引了不少创意设计公司再次入住；把矿井冷却塔改造为建筑雕塑。12号矿井建筑保护与再利用模式也得到了国际社会的广泛认同，被联合国教育、科学及文化组织认定为世界遗产。鲁尔区规划了“工业遗产之路”，连接了15座工业城市、25个重要的工业景点，极为壮观。

图4 德国废弃矿井作博物馆

在国内，2015年淮北矿业集团在相城煤矿7个采煤工作面采空区上方兴建了集团办公中心。该矿第四系厚度平均70.1m，煤层平均埋深97.5m，采厚2.5m，1977—1980年开采。对采空区进行了注浆处理，注浆材料为水泥和粉煤灰，浆液充填率大于85%。办公中心主楼底面长85.33m，宽38.67m，地面总高度达100m，目前已安全使用2a，如图5。废弃矿井地面土地，更多的是作为农、林、牧、渔用地。这些用途，可根据实际塌陷情况，依据挖深垫浅原则进行土地复垦及生态修复，恢复地表植被，避免水土流失。

图5 淮北沉陷区建百米高楼

在煤矸石利用方面，目前主要用作充填材料、发电、建筑材料、化工原料和肥料等。煤矸石作为充填材料已研发了许多技术，进行了大量工程，取得了良好经济和环境效益。煤矸石发电也是重要利用途径之一。煤矸石可用作建筑材料，用于制砖和作为混凝土骨料，实现了循环利用和零排放[20]，也可以从煤矸石中提取作为化工原料和肥料的有用矿物质。

4 结束语

通过上述分析，可以得出以下几点结论：

(1)根据统计，2000—2016年间，我国废弃矿井至少19106处。关闭矿井数量不断增加，使得废弃矿井问题已成为一个亟待重视的综合性问题。

(2)对于已闭坑废弃矿井，需要通过调查，建立这些矿井的位置、范围、开采方法、隐患类型等信息数据库，为矿区生产、生活和环境安全提供基础数据；对于将要关闭矿井，应提前制定和落实闭坑规划，防止地质灾害安全隐患；对于生产矿井，需做好有针对性的安全防控技术预案，特别要防控矿井水安全隐患。

(3)需要深入研究废弃矿井地下空间、矿井水、瓦斯、地面土地和煤矸石等资源的综合利用技术，探索我国矿区绿色开采和可持续发展新途径。

(4)建议设立废弃矿井采动区土地植被、工业景观恢复、工民建造、水环境治理等园区生态修复再造课题，进行在地质灾害防控和资源利用方面具前瞻性的关键综合技术研究和工程示范。