翟晋忠

(山西省煤炭地质148勘查院，太原 030053)

0 引言

据统计，2000—2015 年 全 国 累 计 废 弃 煤 矿 井 1.8万余处，“十三五”期间关闭矿井数量还在大量增加。以山西为例，2015年前废弃(关闭)煤矿约7 000座，2015年后已废弃(关闭)和拟废弃(关闭)煤矿137座[1]。废弃(关闭)煤矿不仅存在矿山地质灾害、地质环境问题隐患，威胁周边生产煤矿安全，还在于废弃煤矿中留存有大量煤炭、煤层气、矿井水、地下空间、地热资源。研究废弃煤矿及其资源[2]，探讨废弃煤矿资源的概念、类别、赋存特征、形成条件，是正确认识、合理开发利用废弃煤矿资源的基础。

1 废弃煤矿研究及废弃煤矿定义

2000年以前，我国关于废弃煤矿或废弃关闭矿井，多在引用国外废弃煤矿、关闭煤矿(矿井)资料，论述废弃煤矿引发的地面塌陷、地下水污染时提及。2000年开始，在涉及废弃煤矿地下水污染、废弃矿山引发的环境地质灾害[3]、废弃煤矿积水过程分析[4]、废弃煤矿煤层气(瓦斯)[5-8]、储层描述[9]和估算煤层气资源量[10]时提及废弃煤矿(矿井)。之后，研究废弃煤矿资源者日益增多：研究废弃煤矿地下空间利用(谢和平等)，废弃煤矿资源战略研究、精准开采[11]，废弃煤矿资源地质工作重点方向、综合开发利用及地质保障[12-14]，废弃煤矿煤层气聚集机理、资源量估算、评价、抽采[15-19]，废弃煤矿地下水及其污染[20-25]等方面均涉及废弃(或关闭)煤矿(或矿井)、废弃煤矿资源概念，但较少有明确论述概念、定义者。仅袁亮[11]“随着我国经济社会的发展和煤炭资源的持续开发，部分矿井已到达其生命周期，也有部分落后产能矿井不符合安全生产要求，或开采成本高亏损严重，面临关闭或废弃”[26]“当前经济技术条件下停止开采的煤矿统称关闭煤矿”[1]“达到生命周期、产能过剩、安全环保等原因而关闭的煤矿”等，明确提出论述和定义。而张农更将废弃煤矿概念分为狭义“指已废弃的煤矿或由于某种矿产资源枯竭并受到其开采生产活动所破坏的、未经治理而无法使用的场地或土地。”和广义“指某种矿产资源的生产煤矿/矿区，由于该种矿产资源已枯竭及即将枯竭的(开采时间不足5年或可采矿产资源储量不足5%的在采煤矿)或失去开采价值的，或不满足生态环境保护开采条件的，或国家和地方关停政策等原因在现阶段一定时期内或永久时期内关闭退出的，并且开采活动造成了生态环境破坏的区域。”

从以上论述可以看出，废弃煤矿概念或定义，必须要包括：状态—废弃(关闭);原因—资源枯竭、经济技术、安全、环保、政策;空间范围3个方面的要素，才能构成完整的废弃煤矿概念。

综合各方面论述，废弃煤矿可定义为：由于煤炭资源枯竭或开采经济技术不合理、安全生产无保证、环保不达标、去产能政策等原因而停止开采、放弃开采并依一定程序关闭的煤矿，其空间范围包括煤矿矿界内地面及地下采动影响区域。

2 废弃煤矿资源及类别

废弃煤矿概念明确后，亦须明确废弃煤矿资源及类别。

综合袁亮院士、谢和平院士、任辉、吴国强、贺小龙、张农、谢友泉、韩保山、孙文浩等人的论述，废弃煤矿所赋存汇聚的资源有：煤炭及其伴生资源、煤层气资源、矿井水资源、地下空间资源、地热资源，以及工业旅游资源、土地资源、可再生能源资源(风能、光能)、地面建筑物、构筑物等。

废弃煤矿资源可分为三类：第一类为赋存汇聚矿井地下的资源，有煤炭及其伴生资源、煤层气资源、矿井水资源、地下空间资源、地热资源，其中除地下空间资源外，均为矿产资源；第二类为依附废弃煤矿地表或土地而存在的资源，有土地资源、可再生能源资源(风能、光能)、地面建筑物、构筑物；第三类为工业旅游资源，是依据包括地面建筑物、构筑物，地下空间资源及其文化工业价值开发创造的新型资源。

从广义角度而言，废弃煤矿资源应包括赋存汇聚于废弃煤矿地下的资源、依附地表或土地而存在的资源和综合地下地表开发的工业旅游资源。从狭义角度而言，废弃煤矿资源仅为地下资源。

就狭义而言，废弃煤矿资源为1存在、汇聚于废弃煤矿地下范围，由采矿活动形成、残留、汇聚的，有开发利用潜力，能够以一定的技术方法进行开发利用的矿产资源和地下空间资源。具体分为煤炭、煤层气、矿井水、地热、地下空间等五种资源。而这五种资源又可划分为两类，一类是由废弃煤矿残留形成，包括煤炭资源、地下空间资源，在煤矿中心必然存在的；一类是在满足一定条件下存在或汇聚于废弃煤矿的地下空间中，包括煤层气资源、矿井水资源、地热资源，其不能够在所有废弃煤矿中必然存在。

3 废弃煤矿资源赋存特征和形成条件

3.1 废弃煤矿煤炭资源

废弃煤矿煤炭资源为原始赋存的煤炭资源在煤矿生产期间，因技术、安全、环保、经济等原因未能开采利用，留存于废弃煤矿中的煤炭资源。

废弃煤矿煤炭资源赋存特征既受煤层原始赋存条件控制(煤层埋深、厚度、地质构造及其演化、水文地质条件)，也受煤矿的开采方式方法、开采强度及回采率的控制，在废弃煤矿井下成层状以残留状存在。

废弃煤矿煤炭资源存在于所有废弃煤矿中。废弃煤矿煤炭资源由潜在型转化为可计量的现实型资源时(在明确开发利用技术方法后)，其数量较易于估算，估算结果较可靠。但目前而言，国内外尚未有有效技术方法予以开发利用的实例。

3.2 废弃煤矿地下空间资源

废弃煤矿地下空间资源为煤矿采矿活动形成，具有潜在利用价值，可供不同类型需求的煤矿井地下空间系统。

废弃煤矿地下空间资源可分为两类：第一类为较规范完整的地下空间系统，如井筒、井底车场、中央变电所、泵房、水仓、永久性大巷、各类硐室等；第二类为由采区巷道、工作面、采空区等形成的不规范的垮落带、裂隙带构成的裂隙地下空间系统。

一般情况下，第一类地下空间资源(规范完整的地下空间)开发利用价值大、范围广、较容易。第二类地下空间资源，开发利用价值较小、范围较窄、难度大，主要可用于储存气体、液体。

废弃煤矿地下空间资源赋存特征，受控于煤层原始赋存条件、煤矿开拓方式、采区及工作面的部署和联通方式、煤矿开采方式及回采率。

废弃煤矿地下空间资源存在于所有废弃煤矿中。废弃煤矿地下空间资源由潜在型转化为现实型资源，主要在于为一定条件下的废弃煤矿地下空间落实利用途径、目的；明确利用目的的地下空间资源数量较易于估算，估算结果较可靠。国内外已有比较多的废弃煤矿地下空间资源开发利用的实例。

谢和平等[27](2018)分析了我国煤矿地下空间容量，绘制地下空间分布图，建立煤矿地下空间的判识和估算方法，提出了废弃煤矿地下空间开发利用的六大设计原则和四大设计理念，同时，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；武志德等[28](2019)分析了我国煤矿开采形成的地下空间特点，对废弃矿井建设地下储气库提出了新的建议。此外，国内废弃煤矿关闭后多建设成综合性矿山公园、科普教育与教学实践基地、地下水库及抽水蓄能发电、压缩空气储能等，其中晋华宫矿国家矿山公园、河北开滦煤矿国家地质公园、四川乐山嘉阳国家矿山公园、太原西山国家矿山地质公园等是我国关闭煤矿资源开发利用的典型代表[27]。

3.3 废弃煤矿煤层气资源

废弃煤矿煤层气资源为汇聚赋存于废弃煤矿采矿活动形成的地下空间、残留煤炭及采矿活动影响范围煤层和围岩中的煤层甲烷资源。

废弃煤矿煤层气资源通常以游离态存在于废弃煤矿的规则和不规则孔裂隙空间中，以吸附态存在于矿井残留煤炭及围岩有机质中，以水溶态存在于废弃煤矿井水中，并以前两者为主，水溶态赋存量极少。

有潜在利用价值的废弃煤矿煤层气资源的形成，必须具备以下几个条件：①煤层原始甲烷含量值高，应不小于地面开采煤层气的下限值，通常为高瓦斯矿井。②煤层埋藏深度足够大，保证煤层原始甲烷含量值足够高和采矿形成的“上三带”(垮落带、导水裂隙带)不导通地表。③导水裂隙带之上有足够厚的泥岩、砂质泥岩封闭盖层。④构造简单，利于甲烷保存。⑤水文地质条件简单，地下水积聚缓慢或无积聚。

废弃煤矿煤层气资源在达到一定单位含量标准和规模时，能够通过井筒预埋管、地面钻井以自然排放、人工抽放方式加以利用，美国、英国、德国等已经有多年实践，我国也有相关研究和探索。如：

孟召平等(2016)[18]对山西晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源进行了评价，评价结果认为废弃煤矿采空区煤层气资源丰富，井田面积6.5km2，二叠系山西组3号煤层煤层气总资源量为5.871 7×108m3。于志军[29](2017)以乌兰煤矿为依托，分析了呼鲁斯太矿区乌兰煤矿地质特征及目前瓦斯抽采现状，开展废弃矿井外瓦斯地面抽采及资源化利用研究。李振(2018)[19]以山西省晋煤集团沁水煤田废弃老空区为研究对象，科学界定废弃矿井老空区煤层气储气空间概念、分析了老空区煤层气来源、综合不同类型老空区煤层气储气空间等，确定最佳钻井位置的最佳井位，在晋煤集团老空区煤层气抽采中应用，取得了良好的抽采效果。

3.4 废弃煤矿水资源

废弃煤矿水资源为通过地表渗漏、地下含水层径流汇聚于废弃煤矿地下空间，与煤岩体存在一定物质交换，在达到一定规模、水质条件下，能够加以利用的水资源。

废弃煤矿水资源存在于矿井开采形成的规则空间、不规则孔裂隙中以及由采矿空间导通串层的低于矿井水位的含水层中。

有潜在利用价值的废弃煤矿水资源的形成，必须具备的条件有：①废弃煤矿位于区域侵蚀基准面之下；②开采煤层之上有至少一层一定富水性的含水层或地表水体存在；③废弃煤矿处于地下水系统径流汇水条件较好的位置(如径流带或汇集、排泄区)；④采矿活动形成的导水裂隙带或煤矿存在的构造，能够导通煤层顶底板围岩中存在的含水层或地表水渗漏带。

废弃煤矿水资源在达到一定规模和水质要求时，能够直接和间接加以利用，国内外已经有多年实践，近年来我国相关研究和探索实践正在加深加强。如：

顾大钊(2015)[30]为保障煤矿安全，解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题，提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念，研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系，并在神东矿区成功建设了示范工程，累计建成32座煤矿地下水库，为矿区提供了95%以上用水，且实现了长期低成本安全稳定运行；峰峰集团将关闭矿井水作为生态水网、生活用水；淄博矿业集团已成功利用关闭煤矿矿井水为附近电厂供水；徐州市新河煤矿成功利用该井富锶矿井水生产矿泉水，证实关闭煤矿矿井水利用广泛可行。

3.5 废弃煤矿地热资源

废弃煤矿地热资源为赋存于废弃煤矿气、水载体中，在具备一定温度、规模和持续性时，具有潜在利用价值的地热能资源。

废弃煤矿地热资源以矿井地下空间中的气、水为载体，并能通过直接抽取或换热方式加以利用。

有潜在利用价值的废弃煤矿地热资源的形成，必须具备的条件有：①煤矿处于大地热流值、地温梯度高异常区或深大断裂导热带；②开采煤层埋藏深度足够大；③废弃煤矿地下空间积聚有较大规模，有一定稳定性的气、水体；④围岩封闭条件好，有利于保持地温。

废弃煤矿地热资源在达到一定条件和规模时，能够通过一定技术方法加以利用，目前国内外相关研究和探索开展较少。

4 结论

1)废弃煤矿为由于煤炭资源枯竭或开采经济技术不合理、安全生产无保证、环保不达标、去产能政策等原因而停止开采、放弃开采并依一定程序关闭的煤矿。

2)广义的废弃煤矿资源应包括赋存汇聚于废弃煤矿地下的资源、依附地表或土地而存在的资源和综合地下地表开发的工业旅游资源。狭义的废弃煤矿资源有煤炭、煤层气、水、地热、地下空间五种资源。其中除地下空间资源外均为矿产资源，煤炭、地下空间资源必然存在于所有废弃煤矿中，煤层气、水、地热资源的赋存汇聚必须满足各自的特定条件。

3)废弃煤矿煤炭、地下空间、煤层气、水、地热资源既受煤层原始赋存条件控制(煤层埋深、厚度及其变化、地质构造及其演化、水文地质、瓦斯地质及含量、地温值)，也受煤矿的开采方式方法、开采强度及回采率的控制。