我国废弃煤矿井地质工作重点方向研究与思考

贺小龙，吴国强，朱士飞，乔军伟，王行军

(1.中国煤炭地质总局航测遥感局,陕西 西安 710199;2.中国煤炭地质总局,北京 100038;3.江苏地质矿产设计研究院,江苏 徐州 221006;4.中煤地质工程有限公司,北京 100040)

我国煤炭行业经过几十年开采，特别是“黄金十年”的高强度开采，可采储量急剧下降，很多煤矿成为资源衰竭煤矿，面临关闭。此外国家及各地政府陆续出台了相关产业政策，大力整合煤炭资源，关闭煤矿的数目急剧增加。我国废弃煤矿井分布范围广，存在历史长短不一，规模大小也不同。煤矿关闭后仍赋存多种可利用资源，比如煤及共伴生资源、煤层气、矿井水、地热、地下空间、土地等，直接关闭导致资源的极大浪费和国有资产的损失，同时也存在着矿山安全、环境和社会问题的隐患，引起了国内外的广泛关注。近年来，袁亮研究团队[1-2]、谢和平研究团队[3-6]积极致力于我国废弃煤矿井资源的评价与开发利用研究。地质工作是废弃煤矿井资源开发利用的关键部分，贯穿于开发利用的全过程，可有效地摸清废弃煤矿井资源地质情况，为废弃煤矿井资源开发利用和宏观决策提供基础资料和科学依据。

1 废弃煤矿井分布情况概述

据统计，2000～2015年全国累计废弃煤矿井1.8万余处，“十三五”期间关闭矿井数量将大量增加。根据我国各省(区、市)发布的2016年和2017年废弃煤矿井公开文件[7-8]，废弃煤矿井在各省(区、市)的具体分布情况如图1和图2所示，主要位于山西、湖南、贵州、四川、云南、黑龙江、重庆、河北、辽宁和陕西10个省(市)。2016年和2017年已退出煤炭产能4.93亿t[7-8]，这些退出的煤炭产能主要分布于我国产能较小、地质条件复杂、安全生产条件落后、开采年限较长、煤质较差的地区。中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”研究结果表明，预计到2020年，我国关闭/废弃矿井数量将达到12 000处，到2030年数量将到达15 000处。

图1 2016年我国各省废弃煤矿井个数Fig.1 The number of abandoned coalmines in China in 2016

图2 2017年我国各省废弃煤矿井个数Fig.2 The number of abandoned coal mines in China in 2017

2 废弃煤矿井资源地质特征

我国废弃煤矿井剩余的煤、煤层气、矿井水、地热、地下空间与土地等资源丰富，合理的开发利用这些资源，减少资源的浪费和破坏，应该首先从废弃煤矿井资源的地质工作着手，认真分析研究废弃煤矿井资源的地质特征、赋存特征。做好废弃煤矿井地质工作，对促进废弃煤矿井安全合理开发利用具有极其重要的意义。

2.1 剩余煤炭资源

我国煤矿井开采历史悠久，关闭及废弃煤矿井数量多、煤矿采空区面积大，废弃煤矿井井下残留有量大、面广的剩余煤炭资源[9-10]。据目前研究成果，去产能煤矿中赋存煤炭资源量高达420×108t。废弃煤矿井中的剩余煤炭资源，在横向上主要分布有煤柱、边角煤、“三下一上”残煤、丢失顶底板煤及薄、劣不可采煤等；在纵向上则主要分布于上、下邻近煤层，形成邻近不可采煤层和深部不可采煤层等。总体而言，煤层埋深越大，构造越复杂，煤层群越发育，矿井中残煤的总体比例越大[11]。

2.2 煤层气资源

据袁亮院士团队估算，我国废弃煤矿井煤层气资源近5 000×108m3。据报道，废弃矿井煤层气抽采利用将是我国“十三五”期间乃至今后较长时间煤层气抽采利用的新动向[12]。开采过程中对煤层的扰动破坏，吸附的瓦斯气体会从煤岩中释放出来。煤矿关闭后，体系处在一个封闭的状态中，煤层采空区瓦斯的压力降低，残煤中部分吸附态瓦斯转变成游离瓦斯存储于地下储气空间。废弃矿井中瓦斯(煤层气)的主要来源包括：邻近煤层、邻近岩层(围岩)、遗煤、煤柱及生物成因煤层气[13]。废弃矿井煤层气资源量的大小主要取决于煤炭开采采动影响范围内残留煤炭量(残煤量)及其含气量(残煤含气量)、矿井封闭程度(封闭方式及封闭效果)、采空区或工作面充水程度等[14]。

2.3 矿井水资源

废弃煤矿井水资源丰富，是一种目前尚未得到充分认识和开发利用的地下水资源。随着煤矿关闭，矿井水疏排系统停止工作，使得井下水位逐渐抬升，扰动破坏了矿区不同含水层原有的地下水补、径、排条件，使地下水流场和地下水化学场发生改变，煤炭开采遗留的空间将是地下水新的赋存空间。废弃矿井水渗出后，携带大量污染物质，这会造成水源污染。若能对废弃煤矿井的矿井水加以保护和利用，可以有效缓解我国缺水地区水资源紧张局面，变害为利。

2.4 地热资源

我国很多废弃煤矿井开采深度达数百米，甚至超千米，地温较高，有的还存在地温异常。地热在矿井正常生产阶段一般都作为热害处理，但是在矿井关闭后，地热已有益无害，可作为清洁能源充分开发和利用[15-16]。我国废弃煤矿井地热资源西南地区最为丰富，其次是华北地区和中南地区，再次为华东地区，而以东北地区、西北地区最少。影响废弃煤矿井地热资源分布的因素主要包括：基底起伏以及构造形态、断裂、岩浆活动、水文地质条件等[17]。

2.5 地下空间资源

井工煤矿在建设和生产过程中必然会产生大量的空间，如井筒、井底车场、中央变电所、泵房、巷道与硐室以及采空区等空间。谢和平等[4]的研究表明，我国煤矿90%以上是井工开采，到2030年煤矿采空区地下空间约为234.52亿m3。开发利用废弃煤矿井的地下空间，既避免了煤矿采空区被充填造成极大的地下空间浪费，又缓解了地面城市发展面临的人口增加、土地紧缺等突出问题[6]。地下空间资源的开发利用应进行长期稳定性评价，充分考虑围岩结构、围岩强度和流变特性。废弃煤矿井闭坑时间长短不一、面积大小各异，矿井采空区位置和范围很难确定，加上各种图文资料缺失，长期准确的安全监测与评价难度较大。

2.6 土地资源

我国废弃煤矿井占用土地资源面积大，绝大多数未开发利用，存在巨大的资源浪费和地质隐患[18-19]。废弃煤矿井土地资源类型包括：釆空区及塌陷区废弃地，矸石山废弃地、煤矿废弃地矿区工业场地。按煤矿开采类型可分为两类：一是露天矿区废弃地，其对景观和生态的破坏较为严重，修复难度较大，形成大型难以修复的矿坑，如抚顺西露天煤矿废弃地；二是非露天矿区废弃地，对景观的破坏程度小，但地下采空区面积大，容易塌陷，对生态的破坏非常严重，如唐山南湖公园前身矿区废弃地，随着地下的开釆形成了塌陷区[20]。

3 废弃煤矿井地质工作重点研究方向

3.1 废弃煤矿井剩余煤炭资源分布与赋存特征研究

重点开展废弃煤矿井剩余煤炭资源现状调查研究，对其数量、地理分布进行统计和分类，确定废弃煤矿井剩余煤炭资源分布情况。重点废弃煤矿井区收集闭坑报告，分析评价废弃煤矿井地层、构造、水文、煤层、煤质、瓦斯、开采技术条件、矿井生产等地质资料，研究废弃煤矿井剩余煤炭资源分布与赋存特征，为废弃煤矿井剩余煤炭资源的合理开发利用提供翔实的地质基础资料。

3.2 废弃煤矿井瓦斯资源分布与赋存特征研究

重点分析研究废弃煤矿井瓦斯成分及含量，储层孔隙性、渗透性、储层压力特征等，从瓦斯成藏条件出发，研究废弃煤矿井瓦斯赋存特征。通过理论分析和数学推导，建立废弃煤矿井瓦斯资源量评价方法。重点在黑龙江、辽宁、内蒙古、河北、山东、河南、山西、陕西、宁夏、重庆、云南、贵州、四川和新疆等14个省(区、市)开展废弃煤矿井瓦斯资源调查评价工作[21]。选择典型废弃煤矿井进行瓦斯利用条件、利用方式研究，初步建立废弃煤矿井瓦斯开发利用模式。

3.3 废弃煤矿井矿井水分布与地质特征研究

重点从我国华北赋煤区、西北赋煤区、华南赋煤区和东北赋煤区四个主要赋煤区调查废弃煤矿井井田地质、水文地质资料，分析其水文地质情况，确定废弃煤矿井水资源赋存条件及位置、矿井水水质及涌水量，摸清废弃煤矿井地下水系统现状及矿井水排泄方式、排泄量。重点分析评价废弃煤矿井水文地质单元及特征，地下水类型，主要含水岩组的分布、富水性、透水性、地下水位、地下水化学特征，地下水补给、径流和排泄条件，矿井水与地下水相互转换关系及煤矿废弃后地下水回弹及矿井水排放对生态环境的影响。

3.4 废弃煤矿井地热分布与地质特征研究

重点选取辽宁、河北、福建、广东等省废弃煤矿井，揭示废弃煤矿井深部地热能聚敛的地球动力学过程，探究废弃煤矿井地热形成机制，分析废弃煤矿井的构造地质条件和地质历史背景，梳理导致地温变化的因素，包括基岩的类型、构造、地下水循环和岩浆活动。在此基础上开展地热富集区地热资源探测评价技术示范研究，提出废弃煤矿井地热源开发利用区划方案。

3.5 废弃煤矿井地下空间资源分布与地质评价

重点调查评价废弃煤矿井地下空间的基础地质、水文地质、工程地质、环境地质和地下工程的类型、埋深、出入口位置以及空间三维坐标信息、地下工程与地面建筑的关系等具体内容。重点在煤炭资源枯竭型城市对废弃煤矿井地下空间资源的分布、数量等基本信息进行系统调查，摸清地下空间资源家底，提出废弃煤矿井可利用空间资源的详细数据，对影响地下空间利用的水害、煤层气，地应力，地热等进行评价。

3.6 废弃煤矿井土地资源分布与土地复垦研究

重点在资源枯竭型城市典型废弃煤矿井开展建筑物(如厂房和办公楼)的处置利用，调查采煤沉陷区以及煤矸石山等土地资源分布情况，包括查明矿山土地类型、分布及利用、土地资源破坏情况；固体废弃物堆场占用、地面塌陷、地裂缝、地面变形等破坏的土地类型、位置、面积、时间等；主要对塌陷的土地、煤矸石、粉煤灰压占后污染的土地、煤矿闭坑后的废弃地、工业广场等进行土地复垦研究，在进行治理研究时根据废弃煤矿区的经济和自然条件、土地利用状况、土地塌陷破坏程度以及所具备的治理条件，因地制宜，采取适宜的治理措施，综合治理，优化煤矿区的土地资源配置，达到矿区土地复垦的预期效益。根据调查情况提出合理的规划利用治理方案，提高土地资源的利用率。

3.7 废弃煤矿井区地质环境问题调查评价

系统分析我国废弃煤矿井的区域环境特征、产生的生态环境影响等；重点选取城市周边及对人类活动影响范围广的地区，例如两淮矿区、晋陕蒙(陕北地区)等全面系统查明废弃煤矿井区地质环境问题的类型、分布及规模等，包括矿山地质灾害的类型、规模、时间、危害，形成因素及触发因素；矿产资源开采对含水层的影响与破坏；矿山开发活动对土地资源和地形地貌景观的影响与破坏；固体废弃物(废石、尾矿、煤矸石等)堆放和废水(矿坑水、选矿废水、洗煤水、淋滤水等)排放对土壤、地表水和地下水污染等，并对各种地质环境问题和地质灾害提出防护措施和处理建议。

4 思考与建议

1) 全面开展废弃煤矿井资源核查，摸清资源家底；构建政府主导、政策扶持、社会参与、市场化运作的资源核查新模式；实施国家科技重大专项及有关科技计划，进一步加大对废弃煤矿井资源基础理论研究和关键技术及装备研发的支持力度。

2) 积极开展废弃煤矿井水资源监测和预测废弃煤矿井水可利用量及水质演化特征；加强废弃煤矿井废水和区域环境综合治理；加强矿井水资源利用分析，强化矿井水资源对环境影响跟踪分析和动态评估。针对矿井水资源利用问题，提出矿井水资源化利用总体建议；不同矿区因地制宜选择矿井水利用发展方向，最大限度地提高矿井水利用率，实现以循环经济为目标的矿井水利用。尽快建立废弃煤矿井水利用的政策支持体系、技术服务体系和监督管理体系；加快技术研发，提高矿井水利用水平，完善矿井水利用产业化政策，扩展矿井水利用市场，扩大矿井水利用规模。

3) 加强废弃煤矿井地热资源调查与开发利用研究。政府应当通过引进国外先进技术、国际合作、政企联合、优惠政策等方式促进废弃煤矿井地热新技术的研发和应用，提高整个产业的技术水平；加大对地热开发利用企业的指导，推动新技术和梯级利用模式的应用，获得更高的经济、社会、环境效益。可在全国煤矿热害突出的平顶山八矿、徐州三河尖矿、淮南张集矿、朱集东矿、丁集矿等国有重点矿井周边开展废弃煤矿井地热资源开发的示范工程，建立废弃煤矿井地热源综合利用模式。

4) 废弃煤矿井地下空间资源开发利用建议先选择试点城市，在政府领导下，由自然资源管理部门牵头进行地下空间调查工作，制定调查规范、指南、标准，总结技术、流程、装备、信息平台建设等经验，在此基础上进行评估、完善并加以推广，安全合理开发利用人类地下矿产资源开发所遗留的巨大地下空间资源。

5) 加快推进废弃煤矿井生态环境与地质环境问题调查，改善矿区及周边地区生态环境；发挥遥感技术的先导和基础作用，分析地质环境破坏程度，对废弃煤矿井地质环境问题及其有关信息等进行采集和数据更新，因地制宜、分区规划、统筹调查环境问题，分阶段解决制约经济发展和群众反映强烈的环境问题，改善重点区域、流域、海域、城市的环境质量。

6) 构建废弃煤矿井资源环境评价体系，提出未来某一条件下废弃煤矿井资源综合利用价值的大小或资源利用的可持续程度，为废弃煤矿井资源开发利用地质环境保护提供对策及建议，为科学论证废弃煤矿井资源绿色安全开发利用与环境保护提供地质保障。

7) 建议进行废弃煤矿井资源调查成果数据整理与汇总，研究数据标准及规范，开展废弃煤矿井资源综合调查数据库研制和建设工作。以建立形成的数据库为基础，开发数据库动态管理平台，建立一套满足废弃煤矿井可利用资源信息数据存贮、管理要求的煤矿基础数据库及动态更新管理平台系统，通过对煤矿基础数据库资源进行有效的管理，实现数据共享，最大限度减少不必要的重复性工作，提高工作效率，为废弃煤矿井资源的精准利用和规划部门提供决策支持。

5 结 语

我国废弃煤矿井潜在的煤、气、水、地热、土地、空间等多种可供再利用的资源丰富，但废弃煤矿井资源开发利用的研究起步较晚，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，从最基础的地质工作去开展研究，是废弃煤矿井资源开发利用最关键部分，起到基础和支撑作用。瞄准废弃煤矿井地质工作的重点方向，促进我国废弃煤矿井研究体系的全面发展，进一步加快废弃煤矿井各类资源开发利用的研究进程，将影响到废弃煤矿井资源的安全开发利用和经济效益，为经济社会发展提供基础资料，为国家废弃煤矿井重大工程建设和宏观决策提供科学依据，促使我国煤炭行业由最初的单一资源开采利用发展成为煤基多元协同与原位采用一体化和深地空间利用的智慧能源系统，煤炭最终成为绿色、安全、高科技含量的清洁能源，对保障国家能源安全与环境保护具有重要的战略意义。