资源开发与市场Resource Development&Market 2014 30(4) doi:10.3969/j.issn.1005—8141.2014.04.012 ・资源与环境・ 国内外废弃矿井资源化开发模式述评 常春勤,邹友峰 (河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作454000) 摘要:通过收集整理国内外大量废弃矿井开发利用的实践案例及相关理论研究成果,把废弃矿井的开发利用模式划分为7种 基本类型,并对各类模式的国内外实践现状和理论研究进行了总结分析。结合矿井地下空间在平面和深度方向上延伸范围较大的 特点,分析了埋藏深度和区位对废弃矿井地下空间开发模式的限制。 关键词:废弃矿井;资源开发;开发模式 中图分类号:F407.1 文献标志码:A 文章编号:1005—8141(2014)4—00425—05 Review on Resource Development Mode of Abandoned Underground Space of Mine CHANG Chun—qin,ZOU You—feng (School of Surveying&Land Information Engineering,Henan Polytechic University,Jiaozuo 454000,China) Abstract:This paper collected and summed up a lot of practice cases and theoretical research results about resource development of the aban— doned mine.And took this as the basis,the development modes of abandoned underground space of mine were divided into seven types,current prac- tice and theoretical research at home and abroad were analyzed and summarized according to every type.Combined with the characteristics of the greater extended on both plane and depth direction of abandoned underground space of mine,this paper proposed and analyzed that the depth and lo— cation were the main limiting factors tO the development mode of abandoned underground space of mine. Key words:abandoned mine,resource development,development mode 随着中国对地下空间开发需求的快速增长,废弃 矿井地下空间的资源化开发已开始引起资源环境领域 的广泛关注。开发模式的选择是废弃矿井地下空间开 发利用的前提和基础。由于受深度、区位等条件的限 制,城市和区域地下空间的开发模式不能完全适用于 废弃矿井地下空间开发。 国外废弃矿井地下空间开发已有较长的历史,有 问题。 1 国内外废弃矿井地下空间开发实践模式分类 从收集的大量国内外废弃矿井地下空间开发实践 案例来看,对废弃矿井开发利用较多的主要是采矿业 发达或地下空间开发技术相对先进的国家,如波兰、德 国、澳大利亚、美国、13本等。这些国家从开发技术、实 践经验等方面开拓了废弃矿井资源化利用模式。目 前,国内外对废弃矿井地下空间的开发利用模式主要 可分为以下几种类型。 1.1旅游和科普教育型开发模式 大量的实践案例,包含了多种不同的开发模式。中国 对废弃矿井地下空间的开发模式也进行了很多的理论 探讨。然而,目前废弃矿井地下空间资源化利用的相 关理论研究尚较缺乏,每年大量废弃的矿井地下空间 开发利用率仍很低。尤其是近年来,随着经济的快速 发展和城市化水平的不断提高,中国地下空间开发已 进人一个较快的发展时期,积极、科学、有序地开发利 用地下空间,已成为节约土地资源,建设紧凑型城市、 提高城市运行效率、增强城市防灾减灾能力的有效途 径之一。废弃矿井地下空间开发的适宜模式及其主要 限制因素已成为未来废弃矿井资源化开发面临的关键 收稿日期:2014—02—27;修订日期:2014—03—14 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(编号:U1261206);中 旅游和科普教育型开发模式主要是利用矿井工业 遗迹进行研究,以及其观赏与科普教育价值。矿井报 废后保留了一部分矿井的井筒、巷道和通风运输设备 等,用以展示不同历史发展时期矿业生产的技术、过程 及真实场景。目前该模式是全世界废弃矿井开发应用 最为广泛的一种模式。据不完全统计,芬兰、波兰、德 国、美国、英国、俄罗斯、前南斯拉夫、瑞典、罗马尼亚、 澳大利亚等国家都有具体的开发实例。 中国把废弃矿井的生态重建、旅游、教育等多重目 标相结合,建设成综合性的矿山公园、科普教育与教学 实践基地。截至2013年,中国已建成开放或获批在建 的国家矿山公园共有70多个,其中包括河北唐山开滦 煤矿国家矿山公园、太原西山国家矿山公园、焦作缝山 国煤炭工业协会科技指导性计划项目(编号:MJkJ2013—305)。 第一作者简介:常春勤(1976一),女,河南省南阳人,副教授,在读 博士研究生,主要从事资源与区域发展领域的教学与科研工作。 通讯作者简介:邹友峰(1964一),男,湖北省天门人,教授,博士生 导师,研究方向为矿山开采沉陷与三下采煤。 国家矿山公园等。此外,山西晋城凤凰山煤矿和河南 ・425・ ・资源与环境・ 资源开发与市场Resource Development&Market 2014 30(4) 平顶山工程技术学校利用废弃矿井巷道和生产设备建 有的是在浅层地表重建模拟的井下空间,如山西太原 的国家矿山博物馆。世界各国废弃矿井旅游和科普教 育型开发模式实践案例[ 一 见表1。 设的教学实践基地已投入使用。 该模式对废弃矿井地下空间的开发利用主要以小 规模的局部保留和改造利用为主。为节省维护费用, 表1 世界各国废弃矿井旅游和科普教育型开发模式实践案例 1.2地下储库型开发模式 地下储库是地下空间开发的一种重要模式,具有 节约占地、降低环境污染等优点。近几十年来,尤其是 从1973年第一次世界石油危机以后,瑞典、芬兰、挪威 等地质条件较好的北欧国家以及美国、日本、法国和西 欧、中欧一些能源进口的国家,建造了大量的地下石 比利时SA燃气供应公司1975年和1982年分别在An— derlues和Peronnes先后建成了两座废弃煤矿天然气地 下储存库并投入使用。两座储气库的库存水平分别为 120—1100m3和600—1100m3,理论容积分别为4 X 10 m3和500 X 10 m3,授权储气量分别为200 X 10 m3和 500 X 10 m3,最大允许储存压力分别为15MP和20MP, 油、天然气等战略物资储备库 6 J,也有一些国家在地下 空间建设食品库、车库、地下储热库和深层核废料库。 在地质条件适宜的条件下,利用废弃矿井的地下 空间建设地下储库,可节省大量的前期建设投资。瑞 典的研究结果证实,利用废弃矿井建设地下油库,造价 仅为人工岩洞油库的l/4—2/3。世界各国有很多利 用废弃矿井进行地下储库型开发的实践案例。 废弃矿井用于战略物资储备:盐岩经过注水开采 后形成的地下空间在满足密封性和厚度等要求的情况 下,最适宜用作石油和天然气地下储库。美国、法国、 德国、前苏联等国,大规模利用废弃的盐岩矿井贮存石 供给能力分别为12 X 10。m3。建库期间,SA公司解决 了矿井密封等许多关键技术难题。1965年,德国在布 伦瑞克利用废弃采矿空间建成了天然气储气库。 中国矿业大学(北京)的高延法等针对废弃煤矿建 设地下储气库开展了研究,在废弃矿井遴选、储气压力 确定、井筒封闭、储气能力计算等关键技术方面取得了 一定的研究成果,提出了废弃矿井地下储气库建设对 地层渗透率和孔隙度、漏气通道密封、极限压力控制等 关键技术指标的要求。1998年,中国选择金坛、定远 两处废弃盐矿开始开展深部盐穴建设地下储气库的理 论研究_8 J,历时5年完成了在以上两地建设盐穴地下 油、液化气或压缩空气。20世纪70年代末到80年代 末,美国能源部在德克萨斯和路易斯安娜两个州的地 下盐岩矿井建立了五大战略石油储备基地,总储存能 力为10 X 109bbl(1.37 X 109t)_7 J。法国也利用矿井废 弃巷道作为轻油等战略物资的地下储库。 液化天然气的储存需要零下165 oC的低温环境, 地下建造液化天然气库有利于维持低温条件。1963 年,美国利用科罗拉多州一废弃煤矿建成了世界首座 废弃矿井地下储气库(Denver附近的Leyden煤矿)。 ・储气库的可行性评价,并取得了一批关键技术的研究 成果。2005年,中国第一个盐穴地下储气库金坛储气 库开始投入建设,其设计容气量为17 X 10 m3,预计整 个建设周期会持续到2020年。 废弃矿井用于普通物资储存:国内外废弃矿井储 库开发案例还包含粮食、冷冻食品、保鲜食品以及重要 军用物资储存。美国密苏里州堪萨斯城(Kansas City) 把石灰石开采后遗留的废矿坑改造成食品和粮食地下 储库 9j,储库面积达数十万平方米,库内温度全年稳定 426・ 资源开发与市场Resource Development&Market 2014 30(4) 在14℃,对储存粮食和食品十分有利,再加上Kansas City处于美国中部,具有理想的物资储运区位条件,该 储库仅冷冻食品的贮存能力占美国总储量的1/10,是 废弃矿坑地下储库型开发模式的典型实例。日本沥木 县宇都宫市利用一采石废坑建成了地下鲜桔储存仓 库,库存容量3500万m3,温度和湿度年变化率都很小 (温度3一l0℃、湿度80%一90%)。前苏联利用废弃 的矿井巷道改造成地下酒厂(位于摩尔达维亚,世界著 名),还利用废弃的石灰石矿改造了一个1.5万t存量 的肉类冷库(位于伏尔加河中游地区)。二战期间,德 国利用默克斯的矿井地下空间作为黄金、外汇和艺术 品等重要财物的储存场所。 1.3废弃物处置场地型开发模式 把废弃矿井地下空间开发成放射性、危险性废弃 物固体的储存和处置场地,国内外已积累了很多实践 经验和相关技术的研究成果。目前该模式的主要利用 方式是将废物处置与采矿充填开采工艺相结合,利用 开采后的工作面空间充填工业废物。德国的鲁尔煤矿 曾长期利用工作面空间充填发电厂的粉煤灰、采矿矸 石以及焚烧后的生活垃圾并取得了成功的经验;1965 年德国的伦瑞克将采掘岩盐的废巷道用作深层处理放 射性废物的实验设施。据西德联邦环境部证实,自 1972年以来民主德国就在紧靠两个德国边境的赫尔 姆施泰特附近的一个废弃盐矿“巴滕斯勒本”贮存低、 中放射性核废物,其饮用水受污染的可能性极小。我 国的抚顺矿区用冶炼后的油母页岩矿渣充填采空区, 平顶山、兖州等矿区利用粉煤灰充填采空区和离层带 均取得了很好的效果并积累了成功的经验。赫英臣等 设想并设计出废气矿井用于充填城市垃圾和危险性工 业废弃物的技术方案。该方案提出:利用改造后的矿 井生产系统,把经过预处理的大宗型废物和工业危险 性废物堆砌到废弃的井巷工程体内,并采用一定的防 渗透措施,防止有害成分扩散,不但可节约大量的地面 空间,解决地面废弃物堆放场地紧缺的问题,而且可为 煤矿开发第二产业,取得了很好的经济效益和生态效 益_l卜 j。此外,德国和芬兰则正在研究利用废弃铁 矿坑改建为核废料库的可能性。 1.4伴生资源开发型利用模式 荷兰海尔伦市地方政府利用废弃矿井的地热资源 建设一座新型地热发电站,已于2008年10月建成并 投入运行。该发电站利用废弃矿井的地下通道建设地 热蒸汽发电系统,并就近建成了社区供热和热循环系 统。据估算,该废弃矿井利用系统可减少55%的碳排 放,并大大降低了当地的热能价格和环境污染。 1.5特殊实验或疗养场所型开发模式 ・资源与环境・ 该模式主要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,能满足疗养、居住体验、实验 等特殊的环境要求。医学研究证实,盐矿地下空间独 特的空气质量条件对某些呼吸系统疾病和易感染疾病 有很高的疗效。20世纪中期,波兰以盐雕博物馆著称 的波兰维利奇卡盐矿利用210m深处废弃的岩盐矿井 坑道,建成了一座过敏性疾病研究所,供呼吸道疾病患 者疗养治病。乌克兰1965年在喀尔巴什州位于地面 以下206--282m的岩盐矿井内外开办了一所医院和一 个国家疗养院,用于治疗哮喘病人,统计治愈率达 84%。美国密苏里州堪萨斯市利用废弃的石灰石矿采 空区建立了一座30万平方英尺的商业、工业中心,利 用开采石灰岩等形成的地下硐室作为事务所和石油储 备实验基地。2009年6月,美国在南达科他州布莱克 山一处废弃金矿开工修建地表下约1500m极深地实验 室,用于提供粒子物理前沿领域的暗物质直接探测实 验、中微子和质子衰变实验等重大研究课题所需要的 深地低辐射环境。 2废弃矿井地下空间开发利用模式的理论研究 2.1利用废弃矿井建设压缩空气蓄能发电站 2004年,申朗(中国)研究出一种利用废弃矿井建 设压缩空气蓄能发电站的技术方法,并成功申报了“利 用废弃矿井的压缩空气蓄能发电站”的发明专利。该 发电系统是由废弃矿井封闭后形成的硐室、空气压缩 机、发电机、汽轮机、压缩空气输送管道、压缩空气控制 阀门、变电换流站和厂房共同组成。其基本原理是将 废弃矿井的井口进行耐压封闭后形成的硐室作为压缩 空气储存硐室,在电网用电低谷时段,从电网上利用社 会用电量的富余电能,驱动空气压缩机向硐室内充气 进行蓄能;在社会用电高峰时段,将压缩空气从硐室释 放出来用于驱动汽轮机带动发电机发电向用户供电。 该发电系统既能实现对电网的峰谷调节,又能将废弃 矿井转化为用于发电的有用资源,预期可节约大量的 蓄能电站建设用地和部分建设成本,创造出非常可观 的经济与社会效益。 2.2利用废弃矿井建设水力蓄能发电站 2000年,付贵祥等学者提出利用废弃矿井设施建 设水力蓄能发电的设想。即利用废弃煤矿井从地面到 井下的巨大垂直落差,实施水力蓄能,并根据国家有关 峰谷用电政策,建立水力蓄能发电站。2010年10月, 上海奇谋能源技术开发有限公司成功申报了一种利用 废弃矿井储贮电能的发明技术专利。该储存系统由废 弃矿井、水轮机、抽水泵和蓄水池组成,其基本原理是 利用废弃矿井的井底部与蓄水池的高度落差,当深夜 ・427・ ・资源与环境・ 火力发电厂的电力富余时,利用富余电力将废弃矿井 低水位的井水通过抽水泵抽到地面的水库蓄积起来, 在白天用电高峰期再将水库的水通过管道放回到废弃 矿井的底部,推动废弃矿井底部的水轮机发电,达到削 峰填谷的目的。该项技术主要利用废弃矿井的地下空 间及其巨大落差,可大大减小蓄能水电站的前期建设 投资。 3地下空间开发利用模式的主要制约因素分析 国内外废弃矿井地下空间开发利用实践和理论研 究表明,城市地下空间的开发模式并不完全适用于废 弃矿井地下空间开发。从废弃矿井地下空间与城市地 下空间的环境条件对比来看,区位条件和埋深是废弃 矿井开发模式的主要制约因素。 3.1 区位条件对开发模式的制约 受区位条件制约的地下空间开发模式主要包括地 下商业街及大型地下商业综合体、地下轨道交通、地下 管线综合廊道及地下供水系统、排水系统等线状市政 环保工程。地下商业街及大型地下商业综合体开发对 人流密度有较高的要求,因此选址一般在大城市繁华 的商业中心地带。地下轨道交通、地下管线综合廊道 等市政环保工程一般要求位于中心城区道路之下、与 道路中心线平行并与道路系统合理衔接。矿井地下空 间延伸的范围从几公里到几十公里,可分为濒临城市 中心区和位于城市建成区边缘或建成区之外等不同的 区位类型,一般难以满足以上开发模式所要求的区位 条件。 从现有的地下空间开发实践来看,旅游和科普教 育型开发模式,疗养、居住、酒店、实验室等特殊人居场 所型开发模式受区位限制较小,濒临城市中心区和位 于城市建成区边缘或之外的废弃矿井均可满足其区位 要求;地下储库型、废弃物处置场地型、伴生资源开发 型开发模式,一般要远离城区,与城市保持一定的安全 防护距离,适于城市建成区之外的废弃矿井地下空间 开发。 3.2地下空间埋深对开发模式的制约 受技术经济条件的限制,目前世界各国地下空间 开发以地下30—50m的范围为主。由于不同开发模式 对地下空间环境条件的要求不同,因此有不同的适宜 开发深度。根据中国科学研究院的相关研究成果,不 同模式的地下空间开发深度控制见表2。 随着深度的增加,地下空间的安全和环境维护成 本也相应增加。矿井空间在深度方向上延伸的范围从 地下几十米到1000m甚至更深,因此深度也是废弃矿 井开发模式的主要限制条件。从现有的开发实践来 ・428 ・ 资源开发与市场Resource Development&Market 2014 30(4) 看,在满足安全性和经济性要求的情况下,深度对地下 空间开发模式的限制是相对的。国内外深层地下空间 开发实践案例见表3。 表2不同地下空间开发模式的控制深度 表3 国内外深层地下空间开发实践案例[ 4结论与讨论 通过对国内外废弃矿井开发实践案例和相关理论 研究成果的综合分析,把废弃矿井开发利用模式划分 为5种实践模式和2种理论模式共7种基本类型,并 对各类模式的国内外实践现状和理论研究成果进行了 全面解析,分析了废弃矿井地下空间开发的主要限制 条件。 本文主要结论如下:①国内外废弃矿井现有的开 发实践可分为旅游和科普教育型、地下储库型、废弃物 处置场地型、伴生资源开发型、特殊实验或疗养场所型 等5种基本模式。旅游和科普教育型、地下储库型开 发模式已具有较成熟的开发技术经验。废弃物处置场 地型开发模式目前各国主要以工作面空间充填开采为 主,而德国已实践了利用废弃矿井巷道充填城市生活 垃圾。特殊实验场所型开发模式在世界各国的应用方 兴未艾,具有较好的应用前景。②利用废弃矿井建设 压缩空气蓄能发电站和水力蓄能发电站在理论上是可 行的,预期可节约大量的前期基础建设投资。中国已 资源开发与市场Resource Development&Market 2014 30(4) ・资源与环境・ 针对这两种开发模式开展了相关研究,并在系统设计 323—328. 方面取得了专利成果,目前这两种开发模式尚需进行 [5]Malone A W.The Use of Underground Space in Hongkong[J].Tunnelling and 关键技术研究和实践推广。③区位条件是废弃矿井地 Underground Space Technologhy,1996,11(1):57—64. 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