关闭矿井资源开发利用状况研究

2021-04-13王行军

中国煤炭地质 2021年5期

王行军

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

经过长期大规模的开采，我国许多矿山资源趋于枯竭，从而关闭、废弃。据不完全统计，自20世纪90年代末至2014年期间，全国累计关闭煤矿约7万处[1]。据不完全统计,2014—2018年全国关闭煤矿淘汰落后产能87 112万t[2]，关闭煤矿井7 516个，关闭非煤矿井27 877个。

矿山关闭后，仍有大量矿井水、地下空间、土地、地热等资源可供开发利用。据统计，截止到2008年我国重点煤矿掘进总进尺约8 338km[3-4]；据不完全统计，2014—2018年，全国因采煤矿新形成地下空间、关闭矿井的井筒地下空间分别为32.54亿m3、1.31亿m3，新形成可利用地下空间为33.85亿m3[5]。2014—2019年6月,我国煤矿因采煤新生成矿井水资源量为288.09亿m3，因关闭煤矿而减少的矿井水排放量为25.95亿m3[6]。全国每年因采煤而形成的沉陷面积将由2005年的450km2增加到2012年的7 000km2。截至2012年底我国采煤沉陷土地15 600km2 [7]。

本文以关闭/废弃矿井为研究对象，从其成因、开发利用中存在的问题、开发利用现状等方面进行了研究，从政策、评价体系和开发利用模式、信息化平台建议等方面提出一些建议。

1 关闭/废弃矿井成因

结合相关资料分析研究，矿山关闭/废弃矿井的形成原因可分为以下几种：

1)资源枯竭的矿井。矿产资源的总量因开采逐渐减少至不能支撑矿山继续生产的矿井即可采资源不足矿产资源总量的5%或服务年限小于5年的矿山。该类关闭矿井剩余资源量小，再开发利用条件简单，可以从矿业开采活动产生的新的矿产资源入手进行再次开发利用。

2)不符合安全生产要求的矿井。高瓦斯、煤与瓦斯突出以及水害、火灾和冲击地压等灾害严重，没有通过安全评估的矿井；达不到安全生产条件的矿井；未达到安全质量标准化三级标准的矿井。该类关闭矿井安全生产风险大，生产成本高，不宜再开发利用。

3)开采技术、设备落后的矿井。采用国家明令禁止使用采矿方法、工艺的矿井，资源浪费严重，效率低下，剩余资源多，但由于其开采技术较为落后后期资源再利用较为困难。

4)开采地质条件复杂的矿井。冲击地压、煤与瓦斯突出、水文地质条件极其复杂，且经专家论证，在现有技术条件下难以有效防治的矿井；深度超过1 000m的矿井。该类型关闭矿井，开采技术条件较差，但剩余资源量较大，再开发利用价值较高。

5)安全事故频发的矿井。多次发生较大及以上安全生产责任事故的矿井。该类关闭矿井剩余资源较大，但由于安全生产条件复杂，后期资源再利用具有一定困难。

6)不符合环境保护要求的矿井。开采范围与自然保护区、风景名胜区、饮用水水源保护区等区域重叠的矿井。该类矿井由于不符合环保要求，其资源暂时无法开发利用。

7)非法开采的矿井。没有取得合法的开采许可证的矿井。该类关闭矿井剩余资源量不一，但由于其开采不规范，给后期资源再利用带来了较多的困难。

8)经济效益差的矿井。由于矿产禀赋较差、剩余资源量少、管理不善等原因造成经济效益差的矿井。该类型关闭矿井再利用价值不一。

2 关闭/废弃矿井开发利用存在的问题

由于我国矿山企业对关闭/废弃矿井再利用意识普遍不强，综合利用和再利用支撑条件不足，多数矿井直接关闭或废弃，未开展关闭/废弃矿井资源的综合调查与评价，造成资源的巨大浪费，一定程度上还可能引发一系列环境、生态及安全问题[8]。面对逐年增多的关闭/废弃矿井，其累计的可供再利用的资源总量也逐年增加，但到目前为止，我国尚未出台关于关闭/废弃矿井资源管理的政策，尚未形成完善的关闭/废弃矿矿井资源综合调查和地质评价的理论与技术体系，全国关闭/废弃矿井矿产资源状况依然不清[9]。主要问题如下：

1)尚未出台关于关闭/废弃矿井资源管理的政策。2019年12月17日，自然资源部印发了《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》。《意见》，明确提出了实施的历史遗留露天开采类矿山的修复，因削坡减荷、消除地质灾害隐患等修复工程新产生的土石料及原地遗留的土石料，可以无偿用于本修复工程；确有剩余的，可对外进行销售。《意见》，仅是明确了关闭的各类露天矿山因矿山环境修复新产生的土石料和原地遗留的土石料可以用于矿山生态环境或销售，而对其它剩余资源和新产生资源是否可以开发利用没有进行明确说明。

2)尚未形成完善的关闭/废弃矿井资源综合调查和地质评价的理论与技术体系。关闭/废弃矿井资源的综合调查的调查内容、基本要求、工作流程以及具体的工作方法、技术路线、技术方法尚无明确的要求。对于不同矿种、不同类型的关闭/废弃矿井资源综合调查国家标准、行业标准、技术指南尚未出台，具体评价指标、评价内容不明确、评价标准不一，资料无法衔接。

3)关闭/废弃矿井资料管理较为混乱，造成资源难以再开发利用。由于关闭/废弃矿井的主体不同、规模不同、关闭原因不同、半闭时间不同，造成关闭/废弃矿井不同阶段资料管理混乱。对于个体矿山、集体矿山、小型矿山和关闭时间较长的关闭矿井资料丢失严重，调查难度较大同时重新开发利用的价值不大；相反，关闭时间较短国有大型矿山各阶段资料较为完整，调查难度较小，开发利用价值较大。

4)关闭/废弃矿井矿业权再次出让困难。矿井关闭后，遗留下了一系列的经济问题、社会问题，诸如债权、债务以及矿山生态环境恢复、职工安置等。如何处理新、老矿业权人的权益没有明确的法律依据，造成关闭/废弃矿井矿业权再次出让困难。

5)关闭/废弃矿井在生态环境修复过程中问题频出，使关闭/废弃矿井资源调查再利用疑虑重重。近年已发生多起以生态环境修复为名，盗采国家资源的事件，使人家关闭/废弃矿井资源调查再利用疑虑重重，致使关闭/废弃矿井资源综合调查困难。国家和地方政府对关闭/废弃矿井生态环境修复、资源综合利用等方面的监管缺乏有效的依据和标准。

6)关闭/废弃矿井综合利用方式单一。目前，我国关闭/废弃矿井综合利用方式单一，主要是设立国家公园、矿山公园，主要对象露天矿山。而对于巨量的地下空间、矿井水等资源的开发利用仍处于探索阶段，尽管一些地方在利用关闭/废弃矿井建设地下水库、地面赛车场等方面做了一些有益的尝试，但在关闭矿井综合利用的产业化、商业化和资本化模式尚不健全。

7)关闭/废弃矿井综合利用投资热度不够。现阶段我国关闭/废弃矿井综合利用的主体为政府，投资渠道单一、资金不足。由于我国尚未出台有关关闭/废弃矿井综合利用的政策法规，对于剩余资源是否可以再次开发利用、各类资源是否可以交易尚无明确规定，投资风险较大，资本市场对关闭矿井资源综合利用的投资兴趣不高。

8)关闭/废弃矿井综合利用的关键技术急需突破。特殊地下空间的开发利用涉及地下空间风险评价技术、快速检测和维护技术以及稳定性动态监测预测、安全性风险评估等关键技术[10]；对于关闭矿井涉及地下煤炭气化高效转化、矿井水及非常规能源智能精准开发模式、工业旅游开发模式、可再生能源开发与微电网输能模式等关闭/废弃矿井综合利用的关键技术[11]。这此关键技术涉及基础研究、装备制造、通讯、物联网、自动化等多领域、多学科和交叉融合，需要国家从政策、资金上进行大力支持。

3 关闭/废弃矿井开发利用模式

国外关闭/废弃矿井开发利用模式愈发多样化，但是国内关闭/废弃矿井开发利用模式较为单一、利用率较低，多以旅游开发为主，资源开发则以煤层气抽采为主，其它的利用模式较少，诸如风光发电、地下水库、抽水蓄能电站、地下储气库、地下储油库、地下实验室、井下农业、地下医院、地下储物库、废料(物)等危险物质的处置等。

3.1 可再生能源开发利用模式

国家能源局鼓励新能源产业建设。各地相继推行采煤沉陷区风力发电、光伏发电以及农光互补、渔光互补等多种新能源综合产业模式。在采煤沉陷区不积水、风能和阳光充足地区，可发展为风力发电和光伏发电基地。在山东新泰，利用采煤沉陷区土地建设了占地7.992×107m2的首个农光互补模式的200MW光伏发电示范基地；在山西大同，利用采煤沉陷区建设了具有国家先进技术光伏发电示范工程。在采煤沉陷区积水地区，可发展固定式或者漂移式光伏发电站。在安徽淮南采煤沉陷区，采用农光互补模式，建成了300MW水面漂浮式光伏电站：在山东枣庄采煤沉陷积水区，采用渔光互补模式，建成了400MW光伏电站。

3.2 地下空间开发利用模式

3.2.1 地下储气库

关闭/废弃矿井储气库是利用关闭/废弃的煤矿或其它矿藏的封闭性建立储气库。将废弃旧矿井改造为地下储气库，必须将原来通向地面的井筒进行严格密封后重新钻掘新的生产井和监测井。由于地下储气库建设改造工艺复杂，目前利用废弃煤矿作为地下储气库的成功案例不多，仅在美国、比利时、德国有为数不多的有成功案例[12-13]。

由于工艺复杂，目前我国还没有利用废弃/关闭煤矿作为地下储气库的成功案例。现在，我国主要利用废弃的石油、天然气井作为地下储气库，另有少量废弃盐矿井作为地下储气库。目前我国已利用废弃油气井建成地下储气库27座，累计调峰供气量已突破500亿m3，相当于我国2019年全年天然气消费量的六分之一左右；供气能力最强的相国寺储气库，日供气量已经达到2 443万m3；中国第一座地下储气库-天津大张坨储气库，日供气量也超过了2 100万m3[14]。

3.2.2 地下储油库

目前，我国石油储备库大多为地面石油储备库，其占地面积大、易受外界因素影响、安全性较差，因此专家学者呼吁加大地下石油储备库的建设。地下储油库具造价低、运营成本低、安全性高、占地面积小、环境效益明显、装卸速度快、隐蔽性好等特点。美国、日本以及欧洲一些国家的地下石油储备库大多建在盐岩介质或报废的盐矿井中[15]。

2014年，皖北煤电集团与中石化合作，利用旗下的含山石膏矿空区将打造成大型地下储油库。废弃采空区做地储油的技术难点为密封防渗、峒室稳定和不影响油品质量等。据介绍，含山石膏矿以房式开采方式将可形成3 150个采空区，可利用地下空间可达1 890万m3。利用石膏矿采空区建500万m3石油储备库，可比建同等规模的地面石油库节约30亿元[16]。

3.2.3 地下实验室

地下实验室，是利用位于一定深度的矿井地下空间独特而稳定的环境条件，能够满足特殊实验等的环境要求，建设的特殊实验室。美国、日本、英国等许多国家都已经建立起地下实验室。美国在南达科他州布莱克山处一处废弃金矿在地表下约1500 m建成了极深地实验室，用于暗物质探测、中微子和质子衰变实验等重大研究[8]。日本利用原砂川矿把766m深的立井，将其改造成无重力实验场[10]。

2017年，谢和平研究团队经过多年详细的论证研究最终选定在吉林省夹皮沟金矿地下1 470m建成了中国第一个细胞培养实验室，成为我国的第一个深地医学地下实验基地[10]。

3.2.4 井下农业

前苏联园艺学家在废弃矿井下进行蔬菜栽培试验已获得了成功，在地下300～500m深的矿井下面种植黄瓜、西红柿及大白菜等蔬菜，经过测定表明，井下生产的蔬菜的糖和维生素C含量增高，尤其维生素C的含量竟可以提高2～3倍；同时，井下蔬菜一年中多播多收，产量可达地面种植产量的10倍以上，而井下温室建设费只相当于地面温室的1/4[17]。

北京京煤集团有限公司、河北峰峰集团有限公司，在废弃/关闭煤矿巷道内种植蘑菇，利用废旧的矿车和铁轨运输蘑菇生长所需物料，采摘的蘑菇也利用旧轨运出[10]。

3.3 矿井水开发利用模式

3.3.1 地下水库

地下水库是指利用废弃矿井、巷道等做为贮水空间回灌储存地面水而形成的水库[18]。早在1964年，日本的松尾氏提出了修建地下水库的设想；20世纪80年代以来，日本建成一系列的地下水库，总库容达到2 800万m3，有效地保障农业、生产生活供水以及防止海水入侵。20世纪80年代以后，美国实施了含水层储存与回采工程计划，建成了100个以上的地下水库[19]。

针对西部地区煤炭开发过程中的严重缺水问题，前人提出了矿井水井下储存利用的新理念，即利用煤炭开采形成的采空区作为储水空间，用人工坝体将不连续的煤柱坝体连接构成复合坝体，将矿井回灌到地下，建设成为地下水库[20-21]。神华集团在神东矿区进行了工程示范，2010年在神东大柳塔煤矿建成了首个煤矿分布式地下水库，迄今为止，累计建成32座煤矿地下水库，储水量达到3 100万m3，是目前世界惟一的煤矿地下水库群，供用了矿区95%以上的用水[20-21]。

3.3.2 抽水蓄能电站

落差型地下抽水蓄能电站是利用废弃矿井建设的水利蓄能发电站，基本基本原理是利用废弃矿井井底与蓄水池的高度落差进行发电，用电低峰时，利用富余电力将废弃矿井内的矿井水通过水泵抽到地面的水库蓄积起来，在用电高峰期再将地面水库的水通过管道放回到矿井，推动矿井底部的水轮机发电，达到削峰填谷的目的[19]。在华北平原，很难找到建立地表抽水蓄能电站的天然高落差地形条件，因此可利用废弃矿建造抽水蓄能发电站，具有良好的经济、社会和环境效益[19]。

开滦矿务局利用废弃矿建设了落差型地下抽水蓄能电站，井下废弃巷道约47 000m3，垂直高差836.9m；由于高差太大，蓄能发电采用阶梯布置；发电装机容量11 000kW，年可获得244万元的效益[22]。

3.4 非常规气开发利用模式

我国已在晋城、淮南、铁法、阜新等矿区开展了老采空区地面钻孔煤层气抽采工作，取得了良好的抽采效果，为关闭/废弃煤矿井煤层开发利用积累了丰富的经验。例如山西晋城煤业集团己施工10口关闭煤矿地面井煤层气抽采，其中7口地面抽打井成功产气，每口井平均日产气量可达到2 000m3，甲烷浓度可达90%，初步显现了晋城煤矿区关闭煤矿煤层气开发的潜力，对我国关闭煤矿煤层气开采利用具有重要的指导意义[23]。

3.5 生态开发及工业旅游开发利用模式

生态旅游开发模式主要是利用采矿工业遗迹独特的矿业遗产与科技价值。矿井废弃/关闭后保留的部分矿井的井筒、巷道以及通风运输设备等，用以展示不同历史时期矿业生产的技术、过程及真实场景等。

我国废弃/关闭矿井的生态重建、旅游开发多以建设综合性的国家矿山公园以及生态园区为主，将废弃/关闭矿井土地生态以及矿区景观进行修复，对废弃/关闭矿井地下采区小规模的局部保留及改造利用为主。目前，国土资源部共批准建立72个国家矿山公园，31家已开园。

4 建议

1)尽快出台关于关闭/废弃矿井资源管理的政策，从政策方面支持、引导关闭/废弃矿井资源综合开发利用。

2)以中国地质调查局科技创新中心为平台，联合科研院所、大学、企业开展关闭/废弃矿井资源综合调查示范工程和开发利用模式研究，出台一系关闭/废弃矿井资源综合调查、开发利用的技术指南、标准规范，统一评价标准，尽快形成完善关闭/废弃矿井资源综合调查和地质评价的技术体系，夯实关闭/废弃矿井资源综合调查、地质评价的理论基础。

3)加强监管、监察力度，落实监督责任。同时，利用遥感等高科技手段，对关闭/废弃矿井资源开发利用、矿山生态环境修复过程进行全过程、动态、实时监测，防止发生借资源综合开发利用、矿山生态环境修复之名盗采国家资源。

4)国家和地方政府从政策、资金、税收等方面对关闭/废弃矿井资源开发利用进行支持，鼓励社会资金对关闭/废弃矿井资源开发利用项目的投资。

5)联合攻关，解决关闭/废弃矿井资源开发利用的关键技术问题，使关闭/废弃矿井资源开发利用成为一个新型产业。

6)开发关闭/废弃矿井地质资料管理技术平台，对不同阶段的形成的地质资料进行电子化、数字化，对其进行数据库管理，方便矿井在矿业时代、后矿业时代的管理，对后矿业时代矿井的资源化再利用提供有利的支撑。