煤矿地下空间容量估算及开发利用研究谢和平

书书书第43卷第6期煤炭学报Vol．43No．62018年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJune2018谢和平，高明忠，刘见中，等．煤矿地下空间容量估算及开发利用研究［J］．煤炭学报，2018，43(6):1487－1503．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2018．0547XIEHeping，GAOMingzhong，LIUJianzhong，etal．Researchonexploitationandvolumeestimationofundergroundspaceincoalmines［J］．JournalofChinaCoalSociety，2018，43(6):1484－1503．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2018．0547煤矿地下空间容量估算及开发利用研究谢和平1，2，高明忠2，刘见中3，周宏伟4，张瑞新5，陈佩佩6，刘志强6，张安林7(1．深圳大学深地科学与绿色能源研究院，广东深圳518060;2．四川大学，四川成都610065;3．煤炭科学研究总院，北京100013;4．中国矿业大学(北京)，北京100083;5．华北科技学院，河北廊坊065201;6．天地科技股份有限公司，北京100013;7．北京华宇工程有限公司，北京100120)摘要:以煤矿地下空间科学利用为主线，以提升煤矿地下空间综合利用为目标，系统调研分析了我国煤矿地下空间容量，首次绘制了全国生产煤矿井下可利用空间分布图、距地级市50km内煤矿可有效利用的地下空间分布图、全国煤矿有序退出井巷可利用地下空间分布图，并由此建立了煤矿地下空间的判识和估算方法，对煤矿采空区可利用地下空间进行了估算。进行了不同开发利用功能的围岩适建性研究，提出了煤矿地下空间开发利用的六大设计原则和四大设计理念，系统提出了煤矿地下空间利用的方向、技术及构想。结合京西煤矿地下空间可利用容量、关停顺序和内外部建设条件提出了合理的开发利用规划目标，作为典型案例设计了京西煤矿地下空间开发利用的构想。关键词:煤矿地下空间;容量估算;围岩适建性;开发利用中图分类号:P618.11文献标志码:A文章编号:0253－9993(2018)06－1487－17收稿日期:2018－01－09修回日期:2018－03－11责任编辑:毕永华基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600701);中国科学院学部咨询评议资助项目(B－DX－2017－02);中国工程院咨询研究资助项目(2016－XZ－036)作者简介:谢和平(1956—)，男，湖南双峰人，中国工程院院士。E－mail:[e-mail]andvolumeestimationofundergroundspaceincoalminesXIEHeping1，2，GAOMingzhong2，LIUJianzhong3，ZHOUHongwei4，ZHANGRuixin5，CHENPeipei6，LIUZhiqiang6，ZHANGAnlin7(1．InstituteofDeepEarthScienceandGreenEnergy，ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China;2．SichuanUniversity，Chengdu610065，China;3．ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China;4．ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China;5．NorthChinaInstituteofScience＆Technology，Langfang065201，China;6．TiandiScience＆TechnologyCo．，Ltd．，Beijing100013，China;7．BeijingHuayuEngineer-ingCo．，Ltd．，Beijing100120，China)Abstract:Focusedonscientificutilizationofundergroundspaceincoalmines，thecapacityofundergroundspaceinChinaisanalysedsystematicallyforpromotionofundergroundspaceutilization．Thedistributiondiagramsofavailableundergroundspaceinproducingcoalmines，availableundergroundspaceincoalmineswithin50kmfarfromprefec-ture-levelcitiesandavailableundergroundspaceoftunnelsinclosingcoalminesareproducedforthefirsttime．Basedonamethodproposedforidentificationandestimationofundergroundspace，volumeofavailableundergroundspaceincoalminesisestimatedinthepaper．Aconditionofsurroundrocksisevaluatedforvariousfunctionsofdevelopmentandutilizationofundergroundspace．Thensixdesignprinciplesandfourdesignconceptsareproposedfordevelopmentandutilizationofundergroundspaceinthepaper．Neworientations，technologiesandconceptualizationfordevelopmentandutilizationofundergroundspacearealsosuggestedinasystematicviewpoint．Inaddition，onthebasisofvolumeof煤炭学报2018年第43卷undergroundspace，closingsequenceofcoalminesandconstructionconditionsinWesternBeijing，theideaofdevelop-mentandutilizationofundergroundspaceofcoalminesinWesternBeijingisproposedasatypicalcaseinthepaper．Keywords:undergroundspaceofcoalmines;volumeestimation;conditionofsurroundingrocks;developmentanduti-lization人类社会发展，极大地消耗了地球资源，加之地面环境承载力极其有限，因此向地下要空间、向地下要资源成为人们寻求良好生存环境、探索人类可持续发展的有效途径。在生态环境需求日益提高、生态文明建设深入人心的今天，利用煤矿地下空间具有重要的现实意义及深远影响。地下空间开发利用得到越来越多的重视，被公认为是构建城市可持续发展和支撑国家核心战略的重要组成部分［1］。我国进入了社会经济发展的新时代，传统产业转型升级去产能、去库存导致大量矿井关闭，这些矿井在过去数十年的开采中，形成了大体量的地下空间，直接简单封井将直接造成数万亿地面地下固定资产的废弃和浪费，间接地会造成宝贵的地质和矿业遗址的损坏。同时，地下水位上升会直接造成地下水系污染，威胁水源地安全。这些地下空间若不加以治理或利用，将成为重大的潜在地质隐患，而将其合理利用则可转化为重要的地下空间资源，同时能有效减少或消除地灾隐患［2］。目前我国有资源型城市90多座，这些城市应主动将矿区的地面土地资源纳入城市整体功能规划，可将矿区作为近期、远期的新城区进行规划、建设，将矿区打造成高新开发区、科技创新中心等，形成新的高端产业经济带。既充分利用了矿区地面土地，又带动了矿区的高端转型升级。利用矿山得天独厚的地下空间优势，在矿区地下打造新型地下房地产业，特别是地下经济适用房、地下图书馆、地下博物馆、地下会议展览中心、地下音乐厅、地下养老院等，以及深地地热转换与空气循环系统、地下清洁能源抽水储能及水电系统、地下水库、立体地下空间的交通网络和通讯网络系统等，形成地下新型经济业态。这样既可以避免煤矿采空区被充填造成的极大地下空间浪费，也可以缓解地面城市发展面临的人口增加、土地紧缺、住房紧张等突出问题［2］。特别是首都北京寸土寸金，京西矿区紧邻首都中心城区，具有得天独厚的地理位置和交通优势，不仅煤矿开采可追溯到辽代，承载了800年北京工业文明发展史，而且矿区位于燕山运动地质构造遗产核心区域、北京生态涵养区，京西矿区地下空间的开发利用无论是对北京的历史还是现今都具有重要的意义。本文对煤矿地下空间可利用潜力进行判识，估算当前及未来可利用煤矿地下空间容量，深入分析煤矿地下空间围岩适建性与功能分类，提出安全和谐、资源开发与空间利用协同规划的设计理念，并以京西关停矿井为例介绍了地下空间可利用容量、开发利用途径，结合矿井关停顺序和建设条件提出合理的开发利用规划目标。1煤矿地下空间开发利用趋势分析1.1煤矿地下空间开发利用现状早在20世纪中期，国外就开始探索煤矿地下空间的开发利用，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、美国等国家。例如德国鲁尔矿区对具备一定价值的废弃工业场地和设施进行工业遗产保护和再利用，将某些符合条件的废弃煤矿巷道建成抽水蓄能电站;芬兰原位再现煤矿开采过程，演示采矿工具使用方法，开发出矿井乐园和博物馆;荷兰建成利用关停矿井地热资源的新型地热发电站，将热水输往附近民宅、商店、图书馆和大型办公楼［2］。目前，原中央直属的94个煤炭企业，有2/3的矿井已进入衰退期，部分煤炭企业开展了多种方式的矿井转型，取得了良好的效果。2004年国土资源部正式命名了国家矿山公园，并启动国家矿山公园的申报与建设工作。2006－01－28，国务院发布《国务院关于加强地质工作的决定》(国发［2006］4号)，强调做好矿山地质工作，进一步促进国家矿山公园的建设。在此基础上，许多关停矿井采用建立国家矿山公园的形式进行转型利用，至今已经建立了88座矿山公园，例如四川嘉阳煤矿国家矿山公园、山西大同晋华宫矿地下探秘景区［2］、唐山开滦国家地质公园等［3］，但总体上我国煤矿地下空间的开发利用才刚刚起步。1.2煤矿地下空间开发利用方式及功能分析(1)促进资源枯竭型城市的转型发展。资源枯竭型城市是指矿产资源开发进入后期、晚期或末期阶段，其累计采出储量已达到可采储量的70%以上的城市。煤矿地下空间的综合利用是促进资源枯竭城市转型发展的有效途径。首先，煤矿地下空间利用其自身的优势，可建成地下科学实验室、地下医学与康复中心、地下博物馆、地下景观、地下游泳池、地下工厂、地下酒店等，还可用于填埋工业垃圾、生活垃圾、矿上尾废等，甚至开发地下特色旅游等，在不丧失原8841第6期谢和平等:煤矿地下空间容量估算及开发利用研究有城市功能的情况下，促进资源枯竭型城市的特色发展。其次，综合利用煤矿地下空间在地质灾害防护能力方面的优势，建立完善的地下地质灾害防灾体系，同时利用煤矿地下空间储水、调水，提高城市泄洪排涝和雨水调蓄能力，保障城市安全，提高城市抗灾抗毁能力以及防御现代战争和核战争的能力，实现资源枯竭型城市的安全发展。再次，还可综合利用煤矿地下空间将地表空间转化为生态用地，恢复湿地、森林，有效增加地表绿化面积，净化空气、降低噪音、保护水资源、改善城市面貌，净化城市生态环境，实现资源枯竭型城市向宜居城市的根本转变［4］。(2)提高战略能源和战略物质储