城区型废弃矿区地下空间开发策略研究

2019-03-13罗萍嘉田亚琦

中国矿业 2019年3期

罗萍嘉，田亚琦

(中国矿业大学建筑与设计学院，江苏徐州 221116)

中国是全球采矿大国之一，矿产资源十分丰富。但是由于经济发展，矿产资源的需求量不断扩大，从而导致矿产资源消耗殆尽。作为工业化发展的伴生物，废弃矿区已经成为资源枯竭型城市内在危机的外化表征[1]，而城区型废弃矿井带来的压力尤为明显。

谢和平院士提出向地下要空间，向地球深部要资源是未来发展的必然趋势，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题[2]。目前，我国对关停矿井的研究大多停留在生态复垦和旅游开发层面，对矿井地下空间二次利用的研究缺乏系统成熟的理论研究，导致我国每年仍有大量关停矿井的地下空间被荒废。但是在国外，尤其是一些发达国家和地区，在20世纪中期就开始对废弃矿井的再利用进行研究，到如今已经有了相对完整成熟的理论体系，并形成以文化娱乐为主导的旅游科普教育模式、地下储库模式、地下医学疗养院模式、地热资源开发利用模式、深地实验室模式以及建设地下生态城市模式等(表1)[3-11]。由于“矿业城市”系统具有同步性、差异性和复杂性，而城区型矿区是我国重点转型的矿区类型，因此，本文通过分析地下空间模式的限制条件，构建“矿城”协同生态转型运行系统，以“矿城”协同发展为主要出发点，提出城区型废弃矿区地下空间开发的三点策略。

表1 国外废弃矿井的开发利用情况Table 1 Development and utilization of abandoned mines in foreign country

1 城区型矿区地下空间开发策略的提出

1.1 城区型矿区特征

城区型矿区以城市主城区为中心城区，这些矿区紧邻市区，甚至在城市总规划范围之内。从区位交通来看，这类矿区地理位置优越，交通便利，易与“外界”联系。从环境影响来看主要有三点：①环境二次污染严重，自然景观被破坏；②“城中村”问题严重，区域散乱；③工业场所感强。从社会经济来看，产业结构主要以第二产业为主，并带动主要以服务“城中村”为主的第三产业发展，此类矿区土地价值低，利用率不高。同时，由于城区型矿区优越的地理位置，失业人员再就业的机会比较多，矿区的关注度也较高，易受到政策的支持。综上所述，城区型矿区与城市发展是不可分割的整体，它的存在不仅影响城市的生态环境，更影响城市的空间扩展，阻碍城市的发展。

1.2 废弃矿区采空区危害

采空区是指矿物被采出后所形成的空洞区，大面积采空区的存在会带来很多问题，比如：废弃矿井下的地下空间会被大量积水淹没，可能发生突水事故；矿井中的有害气体等在某些情况下会顺着一些裂缝溢出，形成有一定压力的储气仓，引发安全隐患；由于矿业采掘形成的地下空间长时间受重力作用，容易形成地面塌陷及山体滑坡等地质灾害。因此，应该对采矿遗留的地下空间加以修复并进行开发利用，从根本上降低甚至杜绝地质灾害发生的可能。

1.3 废弃矿井地下空间开发的必要性

废弃矿井地下空间不仅是“矿城”协同转型路上急需解决的问题，更具有深层次开发利用的必要性。

我国90%以上的矿区是井工开采，矿井关停废弃后井下存在着大量有待二次利用的地下空间，主要包括遗留的巷道、峒室和生产作业的废弃采区等，如图1所示[12]。因此，如果能将废弃矿井下得天独厚的地下空间资源选择适宜的开发模式利用起来，这样在节约大量开挖成本的同时，避免了闲置的矿井地下空间造成的地面塌陷及空间浪费，赋予废弃矿区新的生命，将其“变废为宝”。

废弃矿井地下空间的经济、生态、文化以及科普教育等价值同样引起社会的关注。丰富的矿井地下空间资源如果加以合理的开发利用，不仅对生态环境起到很好的修复作用，还对经济的发展以及工业遗产的认同感的提升起到辅助作用。

图1 煤矿井巷布置与生产系统示意图Fig.1 Allocation of coal mine and production system

2“矿城”协同转型是矿区地下空间开发的总模式

2.1 “矿城”协同转型模式的提出

城市和资源型企业在同一地理区域构建了各自独立的系统，这两个系统既统一又独立，在发展过程中具有同步性也具有差异性。在资源型城市发展初期，经济产值与矿业产值呈同步上升的趋势，资源型企业的发展也带动了城市各项基础设施的建设；而

城市的发展，也使得企业的外部资源和周边环境得到有效改善，生产与生活的基础设施逐渐完善，并且城市规模的扩张与矿区的煤炭总产量呈很大的协同性。但在后期，由于其他产业的迅速发展以及新能源的兴起，这种协同性逐渐减弱。城市与矿区是两个相对独立的系统，在居民生活、社会保障、教育文化以及设施建设方面，各成体系，缺少共同的认识及合作，从而制约了城市的发展。由于废弃矿区闲置下来的土地存在地块分散、再开发难度高、利用价值不高以及地面塌陷等问题，导致矿区居民赖以生存的土地与城市的差异增大，严重阻碍了城市与矿区的协同发展。

在高度关联和复杂的系统下，分开解决单个问题是使城市陷入更大的恶性循环，所以研究城区型废弃矿区地下空间开发策略的首要条件，就是把握好协同发展理论，将协同转型模式引入地下空间的开发策略中，使矿区与城市在空间与政策上不再分裂，将二者重组为一个新系统。

2.2 矿区地下空间开发的限制因素及转型模型的构建

2.2.1 矿区地下空间开发模式的限制因素

城市与矿区的环境条件不同导致区位与埋深是限制矿区地下空间开发的主要条件。区位因素主要影响地下空间开发模式的选择，比如地下商业综合体、地下轨道等市政地下工程都必须位于城市中心区这些人流密集的地带，不适合矿区地下空间的二次开发。而地下资源储库、废弃物处置场地型以及一些伴随危险性的开发模式则必须远离城市主城区。而埋深指开发深度，不同的地下空间发展建设方向有不同的开发深度(表2)。由于受到经济技术条件的制约，目前世界范围内的地下空间开发深度大多控制在30～50 m之间，但矿井空间往下延伸可到达1 000 m以下[9]。所以，在经济技术条件以及安全度保证的前提下，矿区地下空间的开发模式主要受区位因素的影响。在探索废弃矿区地下空间开发模式时，除了要考虑自身限制条件，还应该考虑城市生态转型复合系统。

表2 不同开发深度下的地下空间发展建设方向Table 2 Development direction of underground space in different depths

2.2.2 “矿城”协同生态转型体系的形成

“矿城”协同生态转型涉及社会、政治、经济、资源等多个方面。本文构建城市生态转型复合系统模型，阐明了资源枯竭型城市转型内部各要素之间的相互影响关系和有机联系(图2)[13]。

首先，“生态空间”是城市建设的一大方向，而资源枯竭型城市的转型应该朝着这一方向出发。单一的城市形态思维并不可取，必须结合多种学科，将新思维新理论应用到资源枯竭型城市的规划发展中，形成新的生态规划手段。此模型从政策决策系统出发，形成空间发展、自然环境、经济、能源资源以及文化五大政策，保证了资源枯竭型城市转型的大体方向。此外，运用监测评估系统以及规划系统控制了转型效果，从而有目标、有根据的科学地进行转型规划。在“五大政策”中，只有能源资源政策和文化政策受区位因素影响较小，而其余的三个政策都与矿区所处位置以及周边环境密不可分。

图2 城市生态转型复合系统模型Fig.2 Model of urban composite ecological transformation system

3 城区型废弃矿区地下空间协同开发策略

对于一个城市或者地区来讲,“一些特殊项目的运作对于区域整体协调发展具有显著的带动、促发和推进作用”[14]。同样，以开发城区型废弃矿区地下空间为主的特殊项目能够将城市资源整合，迸发城市新活力。

3.1 利用废弃矿井下的地热资源，开发能源政策指导下的城市“新能源”基地

可再生资源的开发利用是城市实现生态转型的一大途径。据统计，截至2008年，全国煤矿的高温矿井共有62个，其中约60%的矿井常年温度处于30～35 ℃[15]。煤矿地下空间的丰富而稳定的地热资源等待被利用。室温调节以及热能发电是对废弃矿井下的地热资源研究的主要体现[16]。

3.1.1 利用地源热泵系统调解地面用户室温

利用地热资源调节室温主要有两种方式：第一种是将地热水直接注入供暖管道，但仅能为地面用户供暖；第二种是利用地源热泵系统。由于废弃矿井下的巷道常年温度相对稳定，夏季地下温度低于地上温度，冬季地下温度却高于地面建筑内温度。而地源热泵调节室温的特点就是将废弃矿井当作换热器，通过浅层地表的水、土壤等交换热量，再将其通过地源热泵输送至室内温度调节系统中，这样便可以在不需要其他辅助热源及冷却设备的条件下，实现地面建筑内用户冬夏季调节室温的需求。

3.1.2 利用矿区地热资源进行发电

利用废弃矿井下的地热能，建立新型的地热能发电站。发电的过程主要是以热蒸气为主的，地热能产生的热蒸气输进涡轮机中，使涡轮机转动发电，使用后的热蒸气再注回到管道中。利用地热资源发电的整个过程中，热蒸气的产生不需要任何固体燃料的加热，仅仅依靠地热能。除此之外，建立周边社区供热及热循环系统。通过地热能进行发电，大大减少固体燃料燃烧产生的二氧化碳对环境的污染，有利于城市及周边生态环境的改善，符合城市转型的要求。荷兰海尔伦市利用煤炭矿井下的地热能建成的新型发电站是比较著名的一个案例。此发电站的建成不仅产生电能，而且调节附近300多处建筑的室内温度，从而使当地的CO2排放量减少了55%[9]。

基于此，以徐州市卧牛矿矿区为例。卧牛矿业废弃地位于徐州市西南方向，距城市中心区仅8 km，地理位置优越，周边不仅有京杭大运河，还紧靠铁路线，是典型的城区型废弃矿区。卧牛矿废弃后阻碍城市的发展，所以徐州市将卧牛矿废弃地定为重点规划地块，区域的发展潜力巨大。由于卧牛矿周边大面积土地都被划为居住用地，并且卧牛矿内地下遗留3条大巷，总长约57.84 km。在针对现代节能建筑供暖时，6 km的巷道配合高效热泵机组可以提供6万多平方米的供暖面积。因此，在加固后的废弃矿井下引入地源热泵、涡轮机等新技术，利用地热资源，为周边居民提供清洁能源，并调节建筑室温，使卧牛矿成为徐州市的新能源基地，并推动徐州市的可持续发展。

另外，地热资源开发利用要结合相应的政策奖励。比如政府应鼓励地产公司与煤炭企业共同合作进行地下巷道的开发利用；对于前期投入较大的项目，政府应给予相应的政策支持和资金扶持等。

3.2 利用废弃矿井下的特殊环境建立地下医学机构等，发展地下宜居城市，满足城市空间发展的政策

当前社会城市化进程不断加快、人口激增、住房紧张以及空间紧凑等问题也是城市发展过程中不可回避的。据预测，21世纪末期地下空间将成为全球1/3～2/3人口主要的生活工作空间[17]，所以地下空间是人类扩展城市空间的首选目标，而地下环境对人体的影响同样是首要考虑的因素。据意大利国家地下核物理研究所的一项关于低辐射环境下对生物的影响研究表明，在深地低辐射环境中细胞生长发育减缓。同时，大量的研究表明，矿井巷道全部位于岩石之中，矿物盐层中含有的某些物质弥漫在空气中，产生的医学效应对治疗或改善某些呼吸疾病有一定的作用，这也是“岩洞疗法”[18]。位于罗马尼亚一个盐矿下200 m的地下疗养院就是运用岩洞疗法的典型案例，由于盐矿下常年温度保持在12 ℃，并且空气中含有氯化钠、雄黄，对治愈呼吸道疾病有显著的功效[5]。由此可见，利用一定深度下具有独特而又稳定环境的城区型废弃矿井大量的地下空间，建立地下医学、地下疗养院等场所，在缓解城市空间紧张等社会问题的同时，还满足了城市居民对身心健康的追求，具有一定的医学价值，并且推动了矿井转型以及职工分流，是符合城市生态转型的一大重要举措。

以北京市门头沟煤矿为例[19]。根据谢和平院士论文《深地医学研究进展及构想》中的内容，为实现“十三五”期间提出的煤炭产能全部退出北京市的目标，门头沟煤矿可依托北京市大量的科研人员以及优质的医疗资源，建立我国的深地医学实验室，进行医学基础研究。门头沟煤矿位于北京市下辖的市辖区门头沟区，地理位置优越，交通便利，井田面积达63.2 km2，最深处有超过1 000 m的地表覆盖岩土层，矿井深度介于650～1 400 m之间，深度合适，矿井成型，方便快速改造。同时，可选取安全的矿井结合“洞穴疗法”建立地下疗养机构，有利于北京市严重的空气污染而造成的呼吸道疾病、变应性鼻炎等病症的恢复。

3.3 开发“文化小生境”概念下的废弃矿区地下空间，形成文化政策指导下的城市新形象

文化小生境是指文化特性在同一区域内相互作用而形成所处区域内特有的文化环境。因此，城区型矿区和周边建筑、环境特点组成其独有的有价值的文化小生境，成为城市工业遗产的一部分，是城市工业化进程的象征[20]。工业遗产产生于废弃的矿区以及工业基地，一些城市居民对工业遗产的认识不充分，认为是工业遗产的存在导致城市发展的停滞不前。

升级城市遗产类文化，能够使本地居民的归属感增加。资源枯竭型城市应当升级城区型废弃矿区的工业遗产文化，通过文化教育手段，建立多元化的文化空间，实现产业转型的同时，增强居民对工业遗产的认同感，从而实现城区型矿区·城市的协同发展。具体方法如下：利用现有的废弃矿井地下设备及资源，经过二次开发和部分修复重建，重现不同时期煤矿的生产技术、生产过程以及真实采煤场景，并利用地面与地下存在的高差，构建如地下瀑布等地下生态景观，形成“地上+地下”一体开发以教育、参观、娱乐、体验为主的矿区主题公园等。德国鲁尔区是发挥文教产业的典型代表之一，特别是在废弃矿井原址上建造的波鸿市德国国家煤炭博物馆，以矿井地下空间的互动体验项目最为出名[7]。德国煤炭博物馆的建成，吸引了大量的游客，每年接待大约60万名参观者，其中包括来自世界各地的慕名参观者，在开发了旅游产业的同时也提高了人们对工业遗产的认同，促进了该城市服务业的快速发展。

我国目前已建成的矿井地下空间的项目有紧邻山西大同市区的晋华宫国家矿山公园，四川乐山的嘉阳国家矿山公园等。对此，以徐州夏桥煤矿为例进行实证研究。夏桥煤矿始建于1882年，是我国近代民族工业发源地之一，位于徐州贾汪中心城区的西南部，交通便利，地块价值高。夏桥煤矿废弃后，闲置的废弃土地、地区经济衰退、文化传承湮灭以及大量下岗工人都是不可避免的问题。夏桥矿所在地贾汪区的旅游业发展前景良好，废弃地保留了完整的矿井设备、工业厂房以及铁路等，并且还具有红色文化背景。所以，根据《贾汪区总体规划(2004～2020年)》，可建设特色矿业文化主题公园，以地面博物馆、文化广场以及矿井地下体验为主，让参观者不仅能看到夏桥矿的发展历史，学习到相关煤炭知识，也能在互动体验中感受到煤矿工人的不易。通过这种集科普、旅游、休闲为一体的特色项目，塑造努力拼搏，忘我奉献的“徐州精神”，做到文化的延续，促进城市的发展。