山西關閉煤礦資源二次利用關鍵地質問題及地質保障探討

劉漢斌，楊玉靜，程芳琴

( 1.山西大學 資源與環境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省煤炭地質局，山西 太原 030006；3.山西大學 土木工程系，山西 太原 030006)

煤礦經關閉或退出后，仍然賦存大量可利用資源，如煤炭、煤層氣、礦井水、地下地上空間資源等[1]。2018年9月，習近平總書記在視察撫順露天煤礦時指出要做好關閉礦區資源整合利用這篇大文章[2]。然而，面對山西眾多的關閉煤礦，真正做好關閉煤礦資源整合，開發好、利用好山西廢棄礦井面臨著許多關鍵地質問題與挑戰[3，4]。主要表現為：大多數關閉煤礦地質資料不全、地質條件復雜；殘余煤炭資源大多為薄煤層且存在強帶壓或者“三下”煤層；多數井工煤礦關閉后通風不暢，瓦斯濃度高；礦井水由于自然流場恢復水位較高等問題。山西是中國的煤炭大省，國家的能源基地。全省年煤炭產量常年占據全國煤炭產量的25%左右。新中國成立70年來，山西累計生產煤炭192億t，占全國煤炭總產量的1/4以上。近年來，隨著煤炭、鋼鐵行業去產能政策的實施，山西2016年以來累計關閉、退出煤礦88座，關閉煤礦數量和退出產能全國第一。針對山西關閉煤礦資源的分析利用，以往的研究較少。陳郭靜[5]分析了山西國有煤炭企業對礦井水的利用現狀，提出山西應大力重視礦井水的利用，以實現全省經濟、環境和社會效益的統一。李振拴等[6]分析了山西兼并重組以來部分關閉煤礦礦井水對地表水的污染和破壞，認為山西應加大和提高對礦坑排水的處理及利用。孟召平等[7]在對煤炭開采覆巖變形破壞規律研究的基礎上，通過建立模型，評價了晉煤集團晉圣煤礦采空區煤層氣資源。以往的研究未從全省的角度對山西關閉煤礦資源的二次利用現狀和存在問題的進行分析研究。本文以山西省近年來關閉煤礦利用現狀為對象，分析探討了山西關閉煤礦資源二次利用的所面臨的關鍵地質問題及地質保障措施。

1 資源利用現狀

根據袁亮[1]等的研究，我國關閉煤礦資源化利用主要包括，能源化利用、資源化利用以及功能化利用三類。山西以往對關閉煤礦資源二次利用主要集中在抽采采空區煤層氣等能源化利用方面，資源化利用較少，功能化利用主要集中在建立礦山地質公園、建設光伏發電站等。

1.1 能源化利用

山西省關閉煤礦資源能源化二次利用的主要是關閉礦井抽采煤層氣。較為成功的案例有，山西晉煤集團在關閉礦井施工地面瓦斯抽采井，平均日產氣量可達到2000m3/口，煤層氣濃度約90%[8]。藍焰集團關閉煤礦采空區地面煤層氣抽采示范項目煤層氣井單井日均產量1155m3，截至2016年底累計抽采利用約1700萬m3煤層氣[9]。

1.2 資源化利用

山西目前關閉煤礦水資源化利用較少，主要集中晉城、大同、長治等地。如晉城南溝煤礦的礦井廢棄水在農業灌溉、市政建設和城市綠化上大量利用[5]。同煤集團青磁窯礦井水處理后可達到居民引用水標準，塔山礦區充分利用采空區積水進行景觀灌溉與道路灑水。長治等地將采煤沉陷區積水改造成景觀湖等。

1.3 功能化利用

山西省對關閉礦井功能化利用目前主要用來建設生態公園與觀光景區以及地下水庫。如太原西山萬畝生態園以及依托關閉的白家莊礦建設的太原西山國家礦山公園。晉煤集團長平礦在煤礦工業舊址上開發了以展示工業遺跡景觀為主的工業景區。同煤集團利用采煤沉陷區建設光伏電站。山西關閉煤礦地下空間資源利用較為成熟的案例有主要是同煤集團的晉華宮礦山地質公園和長平礦地質公園。晉城將生產礦井水引流到廢棄煤礦，將廢棄礦井用作地下儲水庫，解決了1萬多畝旱作農田的灌溉問題，產生了巨大的經濟和社會效益，晉城地區廢棄煤礦功能化利用情況[5]見表1。

表1 晉城地區廢棄煤礦功能化利用表

2 關鍵地質問題

近年來，山西在關閉煤礦采空區煤層氣抽采和關閉煤礦地下和地上空間資源利用方面取得了巨大進步，但同時也面臨著對全省關閉煤礦資源賦存條件和賦存特征不清、開發利用單一、利用率不高等問題。此外，全省關閉煤礦礦井水的處理和利用方面仍然重視不夠，部分關閉煤礦已對區域地表水造成了污染[6]。

2.1 資源賦存特征不清

圖1 山西省2005—2018年關閉煤礦數量

山西省2005—2018年關閉煤礦數量情況如圖1所示。由圖1可知，山西2005年來累計關閉煤礦3829座[10]，2016年以來關閉88座，退出煤炭產能6920萬t。其中除小部分為資源枯竭型關閉外，大部分礦井，尤其近年來關閉的大型礦井絕大多數都為政策性關閉、退出煤礦或者產能置換煤礦，其中蘊藏著資源量可觀的煤炭資源。即使資源枯竭型礦井，也存在著薄煤層、邊角煤和保安煤柱等暫不能開采的煤層。當礦井廢棄或關閉后，這些煤炭就殘留于井下，產生大量的煤層氣資源[7]。然由于歷史的原因，許多小煤礦地質資料缺失或由于產權更迭，地質資料遺失。囿于歷史的局限和認識不足，以往大多數關閉煤礦并未經過嚴格的閉坑地質報告階段及閉坑驗收，導致地下剩余煤炭資源賦存位置不清，剩余煤炭資源量無法準確計算。此外，大部分關閉煤礦的地質構造、水文、瓦斯、開采技術條件無法核實，給資源的二次利用帶來了很大困難。關閉煤礦煤層氣資源方面，截至2013年底，山西省共有4700余處廢棄礦井，采空區面積約5000km2，但由于采空區煤層氣資源狀況不清，關閉煤礦煤層氣鉆井成功率僅50%，且產量衰減快、不穩定，導致目前廢棄煤礦采空區煤層氣勘探開發有著很大的盲目性[7]。

2.2 礦井水質水量未知

表2 山西部分關閉煤礦礦井水水質情況

2.3 地下空間穩定性不明

我國煤礦單個礦井地下空間平均60萬m3[3]，2005年來山西合計關閉煤礦3829座，具體見表2。因采煤造成的采空區面積近5000km2，地下和地上空間資源巨大。充分利用關閉煤礦地下空間對于緩解全省用地緊張和貫徹落實國土資源“三深一土”戰略具有重要意義。但由于地下空間的穩定性無法查明，導致山西關閉煤礦無法建設更為高級的地下儲油、儲氣、儲水庫等，體現更大實用價值，實現地質效益、社會效益和經濟效益的統一。

3 地質保障研究

隨著資源的開發以及去產能政策的進一步實施，以及煤礦的新一輪兼并重組，未來山西將出現更多的關閉煤礦。除加強關閉煤礦資源利用政策制度研究外[16]，如何在技術上解決好關閉資源二次利用遇到的關鍵地質問題，做好關閉煤礦地質資源二次利用的地質保障，是山西關閉煤礦資源二次開發利用的關鍵。

3.1 全面收集資料，加強基礎研究

全面系統收集全省關閉煤礦地質資料，摸清關閉煤礦資源賦存特征，建立關閉煤礦地質特征數據庫，對關閉煤礦的煤層、煤質、瓦斯、水文、構造、井田開拓方式、采掘方式、殘留煤炭資源賦存情況、煤柱分布情況以及采掘圖進行分析整理并歸納入庫。在資料收集的基礎上，加強關閉煤礦煤層氣的生成[7]、運移規律研究[17]、排采規律[18]，以及礦井水自然流場的恢復規律與水質[19]、水量演化規律研究[20]。進行關閉煤礦“上三帶”“下三帶”的穩定性規律的研究與監測，為關閉煤礦空間的利用提供基礎數據。進行煤系共伴生礦產的綜合利用研究，研究探索關閉煤礦中煤系共伴生“三稀”元素、頂底板高嶺土、煤下鋁[21]、煤下鐵的資源賦存情況。

3.2 因地制宜，精準利用

根據煤礦的關閉原因和不同的資源賦存特征和類型以及所在區域位置，設計不同的開發利用方案，因地制宜，一礦一策，精準利用。如針對高瓦斯廢棄礦井加強煤層氣抽采，保有資源量較大煤礦可考慮采用充填開采；針對礦井積水較大的關閉煤礦可建立水源涵養基地或建立生態景觀[22，23]；城市附近、交通方便的廢棄礦井可考慮建立地下貯藏庫、購物廣場、休閑中心等[24]。條件適宜的煤層埋藏較深的關閉煤礦可用來封存CO2[25]。而埋藏較淺的關閉煤礦可考慮進行煤下鋁和煤下鐵的開發利用[26，27]。殘留高硫煤和低階煤較多的關閉煤礦，可探討進行煤炭地下氣化[28-30]。

3.3 礦坑排水，充分利用

充分重視關閉煤礦積水、排水的綜合利用，加大對關閉礦坑排水的處理，充分利用已有礦坑排水，進行農業灌溉或用作綠化生態、景觀用水。對不能直接利用的礦井水進行人工沉淀或凈化，對于一些強酸性的礦井水進行濃縮與提煉，提取其中有用物質[31]。對已處理的礦坑排水進行適當的地表回灌，提高地下水的交換與儲存[6]。對北部嚴重缺水地區，探索建立關閉煤礦地下水庫及城市應急水源[22]。

3.4 地下空間，梯級利用

加強對關閉煤礦地下空間的穩定性評價，充分開發利用關閉煤礦地下空間，按照關閉煤礦的地質地理條件梯級開發利用。如針對穩定性好的地下礦井，可建立地下儲油、儲氣庫[32]。針對密封性良好的地下礦井，改造后可建立地下抽水蓄能發電站、壓縮空氣式蓄能電站等[33，34]。城市附近的關閉煤礦巷道可建立地下儲藏庫、地下溫室、地下酒窖等。高校或科研院所附近的關閉煤礦可發展為地下超靜實驗室、地下現場教學基地、地下圖書館閱覽室等。部分無法高級利用的關閉煤礦可利用粉煤灰基膠結充填[35]、矸石粉煤灰固體充填[36]，解決地面堆放占地面積大、環境污染大的問題。而針對目前暫時不能工業開發利用的高鋁粉煤灰、煤矸石等可暫時存儲于關閉煤礦中，待將來技術進步后進一步開發利用。

4 結 論

山西是我國的重要煤產地，關閉煤礦數量眾多，其中蘊藏著豐富可供開發利用的煤炭、煤層氣、礦井水以及地下、地上空間資源。近年來，山西在關閉煤礦資源二次利用上進行了一些有益的嘗試，但總體上面臨著巨大的技術挑戰，許多關鍵地質問題仍未解決，面臨著關閉煤礦資源賦存特征不清、基礎研究薄弱、礦井積水污染嚴重、地下空間穩定性不明等一系列問題。本文通過對關閉煤礦資源利用現狀的分析，總結出了山西關閉煤礦二次利用面臨的主要地質問題，并提出了以下地質保障措施：

1)全面收集資料，加強關閉煤礦基礎研究。全面系統收集全省關閉煤礦地質資料，摸清關閉煤礦資源賦存特征，加強關閉煤礦煤層氣、礦井水、煤系共伴生礦產、煤下鋁、煤下鐵以及礦井穩定性規律的研究與監測，為關閉煤礦空間的利用提供基礎數據。

2)因地制宜，一礦一策，精準利用關閉煤礦資源。在充分掌握煤礦基礎數據的基礎上，根據煤礦資源賦存特征和類型以及所在區域位置，在充分考慮關閉煤礦的資源特性和地質條件的基礎上，因地制宜地設計不同的開發利用方案。

3)充分重視關閉煤礦積水、排水的綜合利用，加大對關閉礦坑排水的處理與二次利用。重視中南部酸性礦井水的開發利用。對北部嚴重缺水地區，探索建立關閉煤礦地下水庫及城市應急水源。

4)加強對關閉煤礦地下空間的穩定性評價，按照關閉煤礦的地質地理條件，探索關閉煤礦地下空間的梯級利用。按照地下空間的穩定性、安全性、密閉性及距離城市的遠近，探索關閉煤礦建設地下儲油儲氣庫、地下蓄能電站、地下儲藏庫、實驗室、物資中轉基地等。