河北省关闭煤矿“生态闭井”及关键技术探讨

陈中山，杨 彪

（1.河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000；2.河北省煤田地质局，河北 石家庄 050085）

0 引 言

煤炭资源是我国国民经济、社会发展和人民生活的重要物质基础之一。但煤炭资源开发在促进国民经济快速增长的同时，也产生了严重的生态破坏和环境污染问题。随着煤炭供给侧结构性改革深入推进，大量灾害严重、资源枯竭、产能落后（过剩） 的煤矿陆续关闭退出。以河北省为例，为淘汰落后产能，2013—2015 年关闭煤矿73 处，淘汰落后产能744 万t。2016 年后，按照国家供给侧结构性改革部署开始实施化解过剩产能，2016—2020年全省计划将关闭煤矿123 处，截止到2019 年底，河北省实际已关闭煤矿131 处，如图1 所示。河北省主要矿区关闭煤矿多要素综合调查成果表明，煤矿关闭退出后，残存着规模可观的剩余资源（剩余煤炭、煤层气、土地、矿井水、地下空间、地热等），不仅造成资源的浪费，部分残存资源也易引发次生灾害，威胁周边生产生活安全，同时增加了温室气体排放，如图2 所示。

国外一些工业发达国家在20 世纪初已经开始对矿山环境问题进行密切关注，它们在进行煤矿开采的同时，就开始研究矿山环境恢复治理方面的问题，研究较为广泛的领域主要集中在废弃矿山生物种类的多样性研究、土壤中重金属在植物中富集、矿山开采对周边环境的影响、3S 技术在土地复垦以及监测和评价中的应用、矿山水体污染的修复等。在20 世纪中叶开始探索关闭煤矿资源的再利用问题，积累了瓦斯抽采利用、地下水库、博物馆、矿山地质公园、物资储备库、地热清洁利用、地下实验室、地下农田种植培育以及人防工程等技术开发和实践，开拓了关闭矿井资源化利用的模式。

图1 河北省主要关闭煤矿分布Fig. 1 Distrbution of closed coal mines in main mining areas of Hebei Province

图2 关闭煤矿多要素调查及现状示意Fig.2 Multi factor investigation and present situation of closed coal mine

我国学者对煤矸石综合利用及矸石山绿化方面进行了研究。胡振琪教授提出了利用硫酸盐还原菌（SRB） 对煤矸石硫污染的修复技术、土壤改良的生物技术和矸石决速热化技术等[2]。诸多学者对矿井闭井后可能产生的地下水污染问题、地下空间利用等方面进行了探讨与研究。周建军等人建立了废弃矿井淹没的多种介质水流数学模型，进行了矿井淹没过程中涌水实时计算的FEFLOW 模块设计和开发[3]。冯启言等在全国范围矿井水调查与分析的基础上，构建了适用于评价废弃矿井地下水污染风险的指标体系及模型[4]，并以徐州贾汪关闭矿区为研究区域，研究矿井关闭带来的水环境效应，并结合室内模拟实验研究矿井关闭后矿井水中典型污染物的演化机理。袁亮、谢和平、武强院士等提出了地下空间的利用模式，主要包括供农作物、石油、城市垃圾、工业“三废”储藏（存） 与种养殖、汛期拦洪，也可开发为地下科技原位试验场、军事防御工程、疗养院、地下城市以及旅游、科教、体闲场所、光伏发电站等[5-7]。孙亚军等以徐州矿区徐矿集团所属各矿闭坑过程中有关矿井关闭前后水害防治、矿井水综合利用、矿山地质环境恢复等方面采取的关键技术措施为基础，以“绿色闭坑”的理念为指导，开展了系统总结和凝练，提出了“绿色闭坑”的关键技术[8]。国内外大量研究成果主要集中在矿山环境恢复治理、矸石山利用与治理，矿井闭井后主要研究集中在地下水污染、地下空间利用等方面，对如何实现系统的“生态闭井”研究较少。

1 “生态闭井”科学内涵

1.1 科学内涵

大多数煤矿闭井一般采用的措施是在井下设备拆除后，进行井筒封闭。该处理方式虽然杜绝了非法开采，但在开采过程中形成的或潜在的非煤资源没有得到有效利用。生态闭井的基本理念是基于剩余煤炭资源和采煤开采过程中形成的非煤资源的科学利用及产生的各类生态破坏和环境污染等问题提出的，强调的是剩余煤炭资源、非煤资源的开发与利用及对矿山生态系统的修复与重建，最终实现变废为宝、化害为利的目标。主要体现在“剩余资源（煤炭和非煤资源） 开发利用”、“生态修复、重建”、“安全、环保”、“可持续”。

1.2 国内研究现状、水平及发展趋势

在20 世纪50 年代，我国有个别矿山或单位自发地进行了一些恢复治理工作，经过近多年的自发摸索，从自发、零散状态转变为有组织的恢复治理阶段。目前国家逐渐重视起矿山景观治理，2004年国土资源部推出了矿山公园的评审，目的是通过建设矿山公园，有效地保护矿业遗迹，推广矿业历史文化，整合矿山废弃地资源，再造同城市发展相和谐的景观，标志着我国矿山废弃地景观的恢复改造真正的开展起来。我国关闭煤矿剩余资源开发利用起步较晚，研究薄弱，开发利用主要体现在矿山公园（工业遗迹）、地下水库建设、老采空区煤层气综合利用等方面。

河北省部分煤矿资源类型及利用途径多样，其中采煤塌陷区土地以旅游、矿山公园、积水区养殖为主导，地下空间（巷道） 以种植为主导，矿井水以湿地公园和地热利用为主导，煤层气以抽采瓦斯发电为主导以及煤矸石以发电、制砖、充填为主导，见表1。

表1 河北省以往煤矿资源综合利用统计Table 1 Statistics of past comprehensive utilization of coal resources in Hebei Province

1.3 “生态闭井”与“绿色闭坑”区别

“生态闭井”强调的是剩余煤炭资源、非煤资源的开发与利用及对矿山生态系统的修复与重建，最终在生态修复的基础上实现变废为宝、化害为利目标。体现的是“资源”、“高效利用”、“生态修复、重建”、“安全、环保”、“可持续”等方面。“绿色闭坑”强调的是对煤炭开采造成的事故隐患和对生态、土地、地下水等造成的负效应进行综合整治，达到消除事故隐患、改善生态环境，适应当地经济发展和人民生活要求的目的。体现的是“安全”、“生态”、“生态可持续”等方面。

“生态闭井”内涵相比“绿色闭坑”内涵增加了“资源”、“高效利用”等内容。可以看出“绿色闭坑”与“生态闭井”理念存在一定的差异。

2 生态闭井关键技术

2.1 拟解决的关键科学技术

针对生态闭井理念拟解决的主要关键科学技术有地表资源开发利用技术、煤层气（瓦斯） 资源开发利用技术、煤炭地下气化技术、地下空间开发利用技术、矿井水（地热） 资源开发利用技术和地表生态修复技术等。

2.2 主要研究内容

2.2.1 地表资源开发利用

主要以闭井后地表遗留的建筑、土地和煤炭开采过程中产生的大量煤矸石的综合利用为重点，进行深入研究、利用。

2.2.2 煤层气（瓦斯） 资源开发利用

重点是要摸清关闭煤矿瓦斯灾害、资源及甲烷逸散和减排潜力情况，在重点地区推动实施若干个关闭煤矿瓦斯治理和利用试点工程，逐步建立关闭煤矿瓦斯灾害评价、资源预测、抽采利用技术体系和政策保障机制。另外，低浓度瓦斯矿井数量巨大，但其热值小，发电以及民用燃气无法直接利用，所以低浓度瓦斯利用是提高瓦斯利用率极为重要的一方面。受开采的影响，煤矿的井下基本情况、水文条件、储层特征、资源量、地面情况等都处于一个动态的变化过程，如何克服这些不利因素，准确判断矿井瓦斯的开发价值，以及确定合理的抽放技术，是煤层气（瓦斯） 开发的关键。

2.2.3 煤炭地下气化

变传统物理采煤为化学采煤，但不是所有的闭井后剩余煤层都可以进行地下气化，其经济性首先要建立在地质评价模型基础上，对气化煤层从地质条件、煤层情况、煤质情况、水文条件、环境影响和安全条件进行评价。

2.2.4 地下空间综合利用

依据矿井实际情况，确定回收利用最大空间，闭井前（或闭井期间） 利用帷幕注浆、局部注浆加固、建挡水墙等技术，对地下空间利用和不利用空间实施科学隔离，为下一步地下空间利用奠定基础。主要以构建水库、物资储存、废弃物处理、科研（或生态旅游、疗养、养殖等） 等为主导作为切入点进行深入研究。

2.2.5 矿井水（地热） 资源开发利用

由于矿井地下空间环境的特殊性，使得矿井水井下处理难度远高于地面，这就需要解决和处理好地下空间利用、完善的自动控制技木、系统的模块化和可移动化设计等诸多关键技术问题。依据不同深度开采特点，可基于地热梯级利用模式，科学合理利用水源热泵技术。

2.2.6 地表生态修复

主要对采煤形成的塌陷区、矸石山生态修复模式和技术进行研究。依据塌陷区规模、沉降程度以及不同煤矿矸石山风化程度，探索可行的生态修复模式。针对不同的生态修复模式确定相应的生态修复技术。

图3 唐山开滦矿山公园井下“神秘旅游”Fig.3 Underground“mysterious tourism”in Kailuan Mine Park

3 “生态闭井”的思考与建议

3.1 规范闭井技术管理

制定煤矿闭井技术标准，为后续煤矿剩余资源开发利用创造有利条件。

3.2 做好闭井前地质测量工作

（1） 闭井前，应仔细核对井下采掘工程与相关矿山图纸是否一致，将停掘、停采位置以及之前漏绘的采掘工程全部真实地绘制在采掘工程平面图、矿井水文地质图等主要矿图上，并将存在偏差和漏填的部分加以校正和补充。

（2） 资源开发利用潜力较小的煤矿，闭坑后应采用注浆封填措施，封堵井下水文地质孔、水源井，认真记录封闭日期、封堵长度与位置、封堵材料与数量和封堵效果等，并编制井下水文孔(水源井)封堵报告；同时封堵井下主要涌(突)水点，特别是由当地主要供水含水层补给的涌(突)水点，应认真记录施工日期、封堵材料与数量、封堵效果以及施工前涌(突)水点的涌水量、水位、水温等水文地质信息，并编制井下涌(突)水点封堵报告。

（3） 加强观孔保护与利用，对地下水进行实时观测。

（4） 按照规定向有关部门提交的矿井闭坑地质报告应涵盖剩余资源内容。

3.3 采掘资料归档

将收集、校审过的采掘工程平面图、矿井水文地质图等矿图、井下水文孔(水源井)的井孔结构图及其封堵报告、突水点封堵报告、矿井水文地质台帐、矿井闭坑地质报告、台账等电子与纸质资料及时归档并长期保存，建立煤矿闭井信息数据库，形成技术资料审核和共享机制，以供今后煤矿剩余资源开发利用、相关区域建设活动前开展安全环境评估以及有关科研工作使用。

3.4 煤矿资源分类与差异化处置，应避免盲目闭井

依据资源基本情况、环境脆弱性、区域水文地质条件、当地工农业发展程度与旅游资源状况、交通位置以及矿山的开采范围、井巷工程质量等，对煤矿剩余资源进行分类、研究、分析、评价。根据分类结果，采取差异化的政策和对策措施。列入关闭计划的煤矿，剩余资源若没有开发利用价值并存在严重环境负效应，建议制定严密可靠的防治对策措施，最大限度地减小其关闭过程中和关闭之后可能产生的生态环境危害；若具有良好开发利用潜力，则应规划闭井措施、保护范围，制定保护与安全措施，编制综合开发利用方案，限定开采资源种类与区域，加强监督管理，避免盲目闭井。

3.5 水环境污染防治

（1） 应根据矿井水的不同污染程度、特点和危害，采取针对性的防治对策措施，避免对当地生态环境和区域地下水造成污染。

（2） 闭井矿山若开采影响范围内充水含水层富水性弱，且矿井水又不可能溢出地表，则可以采取封填井筒、封堵可能与采空区沟通的地裂缝等密闭措施，隔绝矿井水与空气的联通，形成缺氧环境，遏阻煤中黄铁矿等的持续氧化形成硫酸，避免水质持续劣质化，以减轻污染危害。

（3） 矿井若发生主要含水层突水淹采区、淹井，已无恢复生产价值，列入关闭计划的煤矿时，不能简单一关了之。在关闭之前，应对突水点进行注浆封堵，切断导水通道，避免将来形成的劣质矿井水污染当地主要含水层。

（4） 若矿井水能够透过充水通道、水文孔（水源井） 等集中通道反向补给主要含水层，对当地取供水和水源地造成现实或潜在危害，应采取地面或井下注浆封堵等措施，切断集中补给通道污染。必要时，可通过排水措施限制矿井水位，使其低于当地主要含水层底板标高，从而避免劣质矿井水反向串联补给含水层而污染地下水和供水水源地。同时对外排的矿井水加以科学合理利用。

3.6 建立开发利用相关法规和标准

在开发利用煤矿资源时，特别是将闭井煤矿作为城市垃圾、固体废料、工业废水、有毒有害气体的储藏场所前，应充分研究所利用矿山与其所在区域的地层、岩性、构造与地下水补给径流排泄之间的关系以及所处位置、当地经济发展、人口密度与分布等，进行环境安全风险评估，国家也应当建立相关法规、标准，企业(开发者)应严格遵行程序，制定并落实严密措施，避免盲目开发利用而造成在开发利用闭井矿山资源时出现新的环境问题。

3.7 密切结合闭井煤矿所在地区经济发展和产业接替整体规划

根据闭井矿山的地理、地质、开采、伴生资源和地面设施等特点，权衡煤矿闭井后的生态环境正负效应，做到合理开发挖掘与科学预控防治。

3.8 采取多种融资模式开发与防治

建立关闭煤矿沉陷区地质灾害、地下水动态监测网络，构建关闭井工煤矿地质灾害要素天、空、地、井“四位一体”立体融合监测体系。开展关闭矿山地质灾害治理、生态恢复与资源再利用示范工程，探索新思路、新技术、新模式。采取可行有效的多种融资模式，实现社会受益、企业解难、个人获利、环境改善、树立政府良好形象的多赢目标。

4 结 语

开展“生态闭井”研究，符合国家去产能、生态文明建设和资源枯竭城市转型的需求，是推进关闭矿井剩余资源高效利用的必然要求。目前我国对关闭矿井剩余资源的综合开发利用相关工作刚刚起步，缺少统一的管理、引导标准和政策，还没有形成一套可复制、可推广的关闭煤矿剩余资源综合调查与评价体系。因此，开展“生态闭井”相关研究对促进生态文明建设、保障国家资源安全具有重要意义。