山西省煤矿采空地下空间评估与再利用研究

孙莹洁，刘 廷，刁玉杰，胡智凯

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，天津 300304；2.天津大学建筑工程学院，天津 300350）

0 引言

煤炭是我国的主导能源，长期以来为我国经济发展和社会进步做出了重要贡献。但随着我国煤炭资源的持续开发，很多煤矿面临关闭和废弃，预计到2030年，我国关闭/废弃矿井将达1.5万处（袁亮等，2018）。同时据估算，截至2030年煤矿采空地下空间将达到241.11亿m3（谢和平等，2018）。如果关闭/废弃煤矿直接弃用，将造成重大的资源浪费，还可能诱发后续的安全和环境问题。山西省煤炭资源丰富，煤炭开采历史悠久，煤炭产量一直居全国前列，且90%以上的煤矿为地下开采，煤炭开采形成了大量的采空地下空间。

随着“双碳”目标的提出，山西作为能源资源型地区和碳排放大省，实现碳达峰碳中和目标意义重大，而实现煤与新能源的协同发展将是山西省煤炭产业绿色低碳转型的重要途径。山西省煤矿采空地下空间，尤其是废弃煤矿地下空间巨大，如将其与抽水蓄能、压缩空气储能或地下封存二氧化碳等有效结合，既可以解决我国未来风电光伏等清洁能源缺乏稳定性等难题，又可合理利用煤矿采空地下空间，避免地下空间资源的浪费，从而为山西省煤炭企业转型发展及山西省实现碳中和目标提供有力支撑（王双明等，2023）。

关于山西省煤矿采空地下空间利用现状及开发模式，以往相关研究多以定性为主（刘汉斌等，2021；刘钦节等，2021；袁亮和杨科，2021），未能定量描述山西省煤炭采空地下空间可利用资源量，同时对地下空间利用模式多集中于某个单矿的特定模式。本文在前人研究基础上，系统论述山西省开采及废弃煤矿井巷和工作面开采形成的采空区地下空间，探索提出山西省煤矿地下空间未来较有潜力的四种利用模式及优先发展区，以期为山西省等煤炭资源集中开采区煤矿地下空间的开发利用提供借鉴。

1 山西省煤炭资源及煤矿分布简介

山西省煤炭资源具有储量大、分布广、品种全、煤质优、煤层多、煤层厚、埋藏浅、易开采等特点（霍超，2020）。全省含煤面积6.2万km2，占全省面积的40%。全省赋存煤炭资源并已经开采的有91个县（市、区），占全省县（市、区）的76.47%。截至2022年2月底，山西省共有生产煤矿653处，当年生产原煤13.07亿吨，分别占全国煤矿数量及产量的14%和29%。

山西省煤矿主要集中于晋北、晋中和晋东煤炭基地。其中晋北基地位于山西省会太原以北地区，主要由大同、平朔、轩岗和河保偏等矿区组成。晋中基地地处山西省中部及中西部，主要由太原西山、东山、汾西、离柳、乡宁、霍东等矿区组成。晋东煤炭基地位于山西省阳泉、长治、晋城和晋中等市县境内，主要由阳泉、长治和晋城等矿区组成（图1）。

图1 山西省煤矿分布图Fig.1 Map showing distribution of coal mines in Shanxi Province

新中国成立以来，山西省煤炭工业得到大力发展和振兴，原煤年产量58年保持全国第一。但随着矿区煤炭资源的枯竭和山西省煤炭去产能政策的深入推进，山西省关闭煤矿数量逐年增多。据统计，仅“十五”～“十三五”期间（2000～2020年），山西省已合计关闭退出煤矿8066座，合计退出产能大于5亿吨/年（张农等，2019；刘汉斌等，2021）。

成为我国第一个全省域能源革命综合改革试点之后，山西省积极推动能源转型，大力发展以风电、光伏发电为代表的清洁能源，逐步降低煤炭在一次能源中的占比。如今在碳达峰碳中和背景下，山西省如何推动煤炭清洁高效利用，同时保障国家能源安全，实现绿色低碳甚至零碳排放成为下一步的重点研究方向。

2 山西省煤矿采空地下空间可利用判识与估算

2.1 煤矿采空地下空间可利用判识

煤矿采空地下空间包括井巷等地下空间和工作面采空形成的地下空间。煤矿采空地下空间要实现二次利用，必须有一套可以判识的指标。谢和平等（2018）针对煤矿地下空间可利用性提出了交通便利性、围岩稳定性等6项判识指标。袁亮等（2018）提出可以综合考虑地质、安全、经济、环境等因素进行评价，建立改建油气储库、放射性废物处置库、新型旅游模式基地等。史箫笛等（2020）提出了闭坑煤矿井下空间资源开发利用评价指标多层次模型。

本次依据前人研究成果，经综合分析后提出定性与定量相结合的煤矿采空地下空间可利用的4项判识指标：即系统安全性、空间稳定性、空间资源量和开发经济性。具体指标说明见表1。

表1 煤矿采空地下空间可利用判识指标Table 1 Available identification indices of coal mine underground space

2.2 井巷等可利用地下空间估算

井巷等地下空间主要包括井筒、井底车场、大巷、主要硐室等。巷道断面形状主要包括半圆拱形、圆形拱形和梯形。井下不同类型巷道地下空间可根据式（1）计算（谢和平等，2018；雷明星等，2021）。

式（1）中：V为巷道地下空间；S为巷道净断面积；L为巷道长度；i为巷道条数。

由于山西省煤矿众多，单独统计每个煤矿的井巷空间难以实现，故此采用文献（谢和平等，2018）中使用的煤矿规模与井巷可利用地下空间量的比例系数（简称煤矿规模与利用系数）进行估算，见表2。

表2 山西省煤矿规模与其井巷可利用地下空间量的比例系数Table 2 Ratio coefficients between coal mine scale and the amount of underground available space of mine roadway in Shanxi Province

2.2.1 生产煤矿井巷可利用地下空间

根据山西省能源局公布的2022年2月底山西省煤矿生产能力情况相关数据，汇总出2022年山西省生产煤矿现状（表3）。根据煤矿规模与利用系数估算得出山西省现有生产煤矿井巷可利用地下空间量总计约15378.3万m3，即1.54亿m3。

表3 截至2022年2月底山西省生产煤矿井巷可利用地下空间Table 3 Available underground space of Shanxi coal mines in production till February 2022

2.2.2 关闭煤矿井巷可利用地下空间

从新中国成立到20世纪90年代，山西省煤炭工业经历了从缓慢发展到快速发展的阶段。20世纪90年代末期，全国煤炭行业进入低谷，山西省开始对煤炭产业进行整顿，1998年山西省取缔私开煤矿1453个，压减产能2679万吨；1999年关闭不合理煤矿1565个，压减产能4399万吨。

进入21世纪后，山西省实施煤矿资源整合，“十五”期间（2000～2005年），山西省退出煤矿4187处，产能1亿吨每年以上（现按1亿吨/年计算）。“十一五”期间（2006～2010年），山西省要求强制淘汰主要产煤县年产9万吨以下的煤矿，山西省退出煤矿3603座，按最低线9万吨/年计算，即退出产能32427万吨/年。“十二五”期间（2011～2015年），山西省要求淘汰年产30万吨以下的煤矿，山西省退出煤矿138座（张农等，2019），按最低线30万吨/年计算，即退出产能4140万吨/年。“十三五”期间（2016～2020年），山西省关闭煤矿138座，合计退出产能为10889万吨/年（刘汉斌等，2021）。

本次详细统计了“十五”至“十三五”期间（2000～2020年）山西省关闭/退出煤矿的数量、规模及产能，得出在此期间山西省共退出煤矿8066座，退出产能约57456万吨/年。根据煤矿规模与利用系数估算得出“十五”至“十三五”期间，山西省关闭/退出煤矿的井巷可利用地下空间量10516.19万m3（表4），约为目前生产煤矿井巷可利用空间量的2/3。

表4 “十五”～ “十三五”期间山西省关闭/退出煤矿井巷地下空间Table 4 Underground space of closed coal mine roadway in Shanxi Province during the 10th to 13th Five-Year Plan

2.3 煤矿采空区地下空间

井工煤矿98%以上都采用垮落法管理顶板，煤层采出后，顶板岩体开始垮落、开裂，按破坏程度由下而上一般划分为三带：垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，其中煤矿采空区可利用空间主要存在于垮落带和裂隙带内（张毅和秦容军，2022）。假设煤炭采出体积为V，地表沉陷体积V1，岩石卸压膨胀体积V2及工作面采空区地下空间体积V3，按空间守恒定律则存在如式（2）所示的关系（谢和平等，2018；李全生和张村，2021）：

煤炭采出体积V根据每年煤炭产量除以平均密度计算；地表沉陷体积V1可根据地表下沉系数η计算，V1=Vη；岩石卸压膨胀体积（未破坏）V2可按照地下空间总量与岩石膨胀系数K计算，V2=V3K，K一般取0.1。故煤矿工作面采空区地下空间体积V3=VV1-V2=V-Vη-V3K，即V3=V（1-η）/（1+K）。

2.3.1 1949~2021年山西省煤矿采空区地下空间

建国以来山西省煤炭生产大体经历了全面恢复、缓慢发展时期（1949～1977年）、高速发展时期（1978～1997年）、调整结构时期（1998～2008年）和兼并重组时期（2009年至今）四个阶段。1949年，山西省煤炭产量267万吨，占全国煤炭产量的8.2%；到2021年，山西省煤炭产量达到11.93亿吨，接近1949年的447倍，占全国煤炭产量的28.9%。1949～2021年山西省煤炭产量及增长速度见图2。

图2 1949～2021年山西省煤炭产量及增长速度Fig.2 Coal production and growth rate in Shanxi Province from 1949 to 2021

1949～2021年山西省煤炭产量合计为225.24亿吨，其中露天煤矿产出比例约占8%，故井工煤矿采出煤炭产量为207.22亿吨。按照山西省煤炭平均密度1.45 t/m3，计算采出煤炭体积为142.91亿m3。山西省地表下沉系数按0.7取值，得出山西省1949～2021年井工煤矿工作面开采形成的地下空间为142.91×（1-0.7）/（1+0.1）=38.98亿m3。

2.3.2 2022年及以后山西省煤矿采空区地下空间

2022年山西省煤炭产量为13.07亿吨，其中露天煤矿产出量约1亿吨，故井工煤矿采出量约12.07亿吨。按照山西省煤炭平均密度1.45 t/m3，计算采出煤炭体积为8.32亿m3。山西省地表下沉系数按0.7取值，得出山西省2022年井工煤矿工作面开采形成的地下空间为8.32×（1-0.7）/（1+0.1）=2.27（亿m3）。

参考《山西省矿产资源总体规划（2021-2025年）》，到2025年山西省煤炭产能稳定在15.6亿吨/年以内、煤炭产量保持在14亿吨/年，按2023～2030年山西省地下煤炭开采量每年13亿吨预计（露天开采量按1亿吨/年核算），则8年合计采煤104亿吨，按照煤炭密度平均为1.45 t/m3，计算地下开采采出煤炭体积为71.72亿m3，预计到2030年山西省还要形成采空区地下空间约71.72×（1-0.7）/（1+0.1）=19.56（亿m3）。

3 山西省煤矿采空地下空间再利用方向探索

山西省煤矿采空地下空间资源量巨大，如何有效利用尤其是与新能源的结合将是亟需考虑的问题。早在20世纪中期，国外就开始探索煤矿地下空间开发利用，发展了多种再利用途径。典型案例主要集中在德国、芬兰、荷兰、美国、日本等国家（刘峰和李树志，2017；刘志强和宋朝阳，2019；董霁红等，2022），如德国鲁尔矿山工业旅游景区及由ProsPer·H 煤矿开发的半地下抽水蓄能发电站、荷兰海尔伦市的废弃矿井地热发电站、美国科罗拉多废弃煤矿储气等。其中德国ProsPer·H 煤矿是世界上第一个将废弃煤矿改建而形成的蓄水电站，可储水100万m3。目前全世界利用废弃煤矿改建的地下储气库有三座，其中两座位于比利时（Peronnes和Anderlus废弃煤矿储气库），库容分别为1.8×108m3和1.2×108m3；另一座在美国（Leyden废弃煤矿储气库），库容为0.73×108m3。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目即利用废弃煤矿坑作为储气洞穴，最大压力为8 MPa。目前国外对废弃煤矿封存二氧化碳尚处于研究阶段。

国内对废弃煤矿等地下空间利用也进行了较多的研究（谢和平等，2015；郝宪杰等，2021；韩运等，2021；葛伟亚等，2021），不过由于经济性和政策等方面的原因，国内废弃矿井资源开发利用率较低，主要以旅游开发为主，资源则以煤层气抽采为主，其余利用模式如储气库、储油库、抽水蓄能电站等较少。不过随着碳达峰碳中和目标的提出及风光电能的大规模开发利用，山西省煤炭地下空间的利用将更加多样化。总体来说，随着技术经济的发展，山西省煤矿采空地下空间利用模式可归纳为以下四类。

3.1 地下旅游或地下仓储

利用废弃矿井地下空间开发地下旅游或地下仓储功能相对较成熟，目前国内外均有成功案例（董霁红等，2021；刘钦节等，2021）。山西省煤矿采空地下空间用作旅游科普的典型案例有山西省大同晋华宫矿煤矿和晋城凤凰山煤矿等。2005年晋华宫煤矿申请成为国家矿山公园，建成了大同煤炭博物馆、井下探秘区（图3）等七大景区，其中井下探秘区距地面约150 m，为一废弃矿井改造，其充分利用了原有矿井的井下巷道等空间，将煤矿采空地下空间利用与产业进行了有机结合。2007年山西省晋城凤凰山煤矿在3号煤层内建成了一个多功能井下实训基地，全面反映了煤矿生产的全过程，为高等院校和煤矿企业安全培训提供了绝佳场所，实现了煤矿地下空间的二次转型，取得了良好的社会和经济效益。山西省煤矿尤其是废弃煤矿数量众多，同时山西省为旅游大省，可根据当地经济和旅游条件将废弃矿山开发为矿山公园和地下旅游景区。

图3 大同晋华宫矿煤矿巷道地下旅游区Fig.3 Underground tourism area in the Jinhuagong mine of Datong City

国内外利用废弃矿洞储存物资的开发案例包括蔬菜、水果、粮油食品以及重要的军用物资（姜玉松，2003；吉莉等，2022），不过利用较多的为石灰岩矿，利用煤矿的相对较少。但随着煤炭地下空间利用技术的发展，以及煤炭地下空间所具有的恒温恒湿环境这一有利条件，煤矿作为储库来储存蔬菜和粮食等物品将具备现实条件。

山西省北部地区的大同矿区和中部地区的太原东西山等矿区交通位置条件较好，同时煤层埋藏较浅，工程地质条件相对较好且太原和大同周边旅游资源丰富，人流量和物流量较大，建议优先在该区进行煤矿地下空间地下旅游或地下仓储功能开发。

3.2 地下抽水蓄能

利用废弃煤矿进行地下抽水蓄能电站的建设，国内外学者进行了有益探索。Madlener and Specht（2020）等学者论述了德国将废弃煤矿改造成地下抽水蓄能电站的构想及经济可行性。德国鲁尔ProsPer·H煤矿改造的蓄能电站，平时用过剩的风能和太阳能将下层水抽入改造过的废弃煤矿的上层，高峰时将上层的水放到下层去发电，作调峰使用（图4）。国内谢和平、袁亮等论述了煤矿地下抽水蓄能电站的概念和关键技术，指出了在华北平原资源型城市利用矿井空间建造抽水蓄能电站的可行性（袁亮和杨科，2021）。2022年8月26日山西省晋中市左权县与华能集团、清华大学签订煤矿采空区抽水蓄能项目三方框架协议，旨在全力打造“风光水火储”多能互补一体化能源基地，这也标志着山西省利用废弃煤矿进行抽水蓄能电站建设进入了新的篇章，同时为山西省其他地区废弃煤矿的转型提供范例。

图4 废弃煤矿地下抽水蓄能示意图Fig.4 Schematic diagram of underground pumped energy storage in abandoned coal mines

山西省东部地区太行山西侧的阳泉矿区、长治矿区和晋城矿区及山西省西部地区吕梁山区的河保偏矿区、离柳矿区和乡宁矿区等位于漳河、沁河和黄河周边，地表水资源较丰富，煤层埋深相对较深，地表与地下高差较大，且山区风能资源丰富，具备了建设地下抽水蓄能的必要条件。故建议优先在太行山和吕梁山区选择综合条件相对较好的矿区开展煤矿地下空间抽水蓄能示范工程。

3.3 地下压缩空气储能

国内外学者对利用废弃煤矿进行压缩空气储能的可行性和储能库稳定性方面进行了大量研究，如Schmidt et al.（2020）等以西班牙北部煤矿地下450 m深处的巷道为案例论述了地下压缩空气储能的 可 行 性；Zimmels et al.（2002）、Kim et al.（2012，2016）等利用数值模拟技术研究了开挖扰动作用下地下储气库的受力和变形情况，探讨了内部压力作用下储气库的气密性和稳定性。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目，利用的也是废弃煤矿坑（地下400 m以下）作为储气洞穴。

随着风光等清洁绿色能源的大规模应用，国内对压缩空气储能尤其是利用煤矿地下空间储能开展了大量研究（谢和平等，2017；王帅等，2020；杜俊生等；2023），包括煤矿地下压缩空气储能的可行性和面临的多场耦合、空气泄漏、温度压力变化等关键科学问题。同煤集团云冈矿于2019 年开工建设的云冈矿北大巷废弃巷道压缩空气储能电站，是我国首个利用废煤矿巷道改造的压缩空气储能电站（图5）。

图5 废弃煤矿地下压缩空气蓄能示意图Fig.5 Schematic diagram of underground compressed air energy storage in abandoned coal mines

山西省风能和太阳能资源丰富，其中风能资源总储量为5300×104kW，技术可开发量为460×104kW，风能资源较好区域主要分布在晋西北地区、管涔山、吕梁山脉西侧和中条山附近（刘振宇等，2012）。山西省年总辐射量介于5020～6130 MJ/m2，其分布特点是由南向北逐渐增加，总辐射最高区位于北部的左云、右玉、五寨等县区（王宏英和王文亮，2009）。目前山西省正大力开发风能及太阳能等新能源，故此宜选择风能和太阳能丰富的晋西北、吕梁山北部的大同、平朔及轩岗等矿区开展煤炭地下空间压缩空气储能示范工程。

3.4 地下封存CO2

随着“碳达峰碳中和”目标的提出，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）作为实现碳中和的兜底技术，目前在国内得到了快速发展。CO2地质封存作为CCUS技术的核心组成部分，决定了CO2地质封存的潜力和前景。山西省因煤炭开采产生的采空区和顶底板采动裂隙为煤矿地质封存CO2提供了大量地下储存空间，同时煤层上方厚度较大的泥岩、砂泥岩等致密的煤系沉积岩为CO2封存提供了良好的盖层条件。利用煤矿地下空间封存CO2也成为碳封存研究的热点。

国内学者如王双明等（2022）论述了煤层扰动空间进行CO2地下封存的技术途径和必备条件（图6）；黄定国等（2014）、姚强岭等（2023）等探讨了煤矿废弃矿井采空区封存CO2的机理、可行性和开发前景。山西省属于碳排放大省，如能进行煤矿采空地下空间CO2封存，既利用了煤炭地下空间资源，又能减少二氧化碳排放，实现煤炭资源产业链的零碳或负碳开发，从而为山西省碳中和提供重要支撑。

图6 废弃煤矿地下封存CO2示意图Fig.6 Schematic diagram of underground storage of CO2 in abandoned coal mines

山西省沁水盆地是全省最大的含煤盆地，其煤炭资源丰富，含煤岩系分布较为稳定，煤层厚度较大，埋深适中。沁水盆地南部于2003年已开展了二氧化碳驱替煤层气（CO2- ECBM）先导性实验，注入效果良好（叶建平等，2007）。同时沁水盆地亦为咸水层CO2地质封存适宜区。故此宜选择沁水盆地南部的晋城矿区、长治矿区等适宜煤矿开展采空地下空间封存CO2或将其与咸水层封存CO2有效结合来进行封存试点研究。

4 结论及建议

（1）在全面分析山西省煤炭资源及开发现状基础上，基于比例系数法和采动空间守恒测算了山西省目前生产煤矿井巷可利用地下空间为1.54亿m3，“十五”至“十三五”期间关闭/废弃煤矿井巷可利用地下空间为1.05亿m3。1949～2021年山西省井工煤矿工作面开采形成的采空地下空间约38.98亿m3，2022～2030年山西省预计还要形成采空区地下空间约21.83亿m3。山西省煤矿采空地下空间尤其是工作面采空形成的地下空间利用潜力巨大。

（2）结合我国碳达峰碳中和目标实施和山西省能源低碳发展需求，充分考虑传统能源和新能源优化组合基础上，提出了山西省煤矿采空地下空间四种利用模式，即相对传统的地下旅游和地下仓储模式、未来具备较大发展潜力的地下抽水蓄能模式、地下压缩空气储能模式及地下封存CO2模式。同时根据山西省各矿区的地质环境条件，明确了开展煤矿采空地下空间不同利用模式的优先示范区域。

（3）山西省应在详细调研全省煤矿采空地下空间基础上，开展不同利用模式下煤矿地下空间的评价体系及分级标准研究，将地下空间与风光水火储产业紧密结合，超前布局攻关储能等关键技术，探索建立地下储能储碳示范区，力争成为全国能源转型发展的排头兵。

［附中文参考文献］

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