《煤炭学报》专题报道丨“关闭/废弃矿井资源开发利用研究”

随着我国能源供给侧结构性改革的深入以及能源产业淘汰落后产能工作的持续推进，加之华东、东北地区部分能源资源逐步枯竭，部分矿井已到达其生命周期，也有部分矿井不符合安全生产要求，或开采成本过高而亏损严重，正面临关闭或废弃，导致废弃矿井数量逐步增加。直接关闭或废弃此类矿井不仅会造成资源的巨大浪费和国有资产流失，还有可能诱发后续的安全、环境等问题。据调查，目前我国已关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t、非常规天然气近5000亿m3、地下空间资源约为72亿m3，并且还具有丰富的矿井水资源、地热资源、旅游资源等，这使得关闭或废弃矿井资源的综合开发利用成为我国面临的新课题、新难题。为便于大家了解“关闭/废弃矿井资源开发利用研究”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间，整理了该领域近几年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 煤炭学报
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废弃矿区游憩化利用研究评述与框架体系构建

作者(Author)：汪秋菊, 彭苏萍

摘要：加强废弃矿区游憩化利用研究，对推动区域可持续发展和实现旅游高质量发展具有重要意义。为实现废弃矿区游憩化利用研究的规范化与系统化，采用文献综述法和归纳分析法系统梳理国内外废弃矿区游憩化利用研究内容、研究方法等相关成果；针对目前研究缺乏“人地关系”视角和忽视游憩化利用的动态性等问题，阐释废弃矿区游憩化利用“人地”关系内涵，揭示废弃矿区游憩化利用动态演进规律，构建了基于人地关系理论的研究框架与方法体系。研究认为，废弃矿区游憩化利用实质是以“人”的需求为起点，通过游憩功能重构，来协调废弃矿区再利用中涉及的“人”与自然环境中“地”关系，实现人地关系的优化。废弃矿区游憩化利用是一个动态演进过程，可划分为三个发展阶段：矛盾阶段、调和阶段和协调阶段。在“人”需求推动下，废弃矿区通过资源化、资本化、产业化和区域化，逐步演化成为“人地”关系和谐的新型休闲游憩功空间。废弃矿区游憩化利用未来研究应遵循“人”—“地”—“人地关系”的研究框架，研究“人”的动机目标、价值取向、利益诉求；剖析“地”的休闲游憩资源的构成及废弃矿区转换成为休闲游憩空间的条件；探讨“人地关系”和谐下废弃矿区游憩化利用模式、作用机制及其影响效应，提出废弃矿区游憩化利用的政策保障体系。

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2022年第06期

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新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

作者(Author)：孙文洁, 任顺利, 武强, 董东林, 甘先炎

摘要：随着我国经济发展进入新常态且供给侧改革不断推进，大量煤矿因资源消耗殆尽、产能过剩进入关闭行列，为有效应对矿山闭坑后因矿井水大量排出和废弃产生资源浪费、环境污染、资源化利用效率低等一系列问题，本文系统分析了我国关闭矿井时空发展性质和特征。阐述了我国矿井水污染特征、污染模式及晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区“五大区”矿井水分布性质，针对废弃矿井水引发的地质灾害、造成地表水和地下水污染、土壤重金属积聚和影响植被生长等负面效应，在矿井闭坑前、废弃采空区和串层污染等方面提出了具有针对性的预控治理措施。结合我国废弃矿井水的实际水文地球化学特征，提出了一套关于洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水的处理方法及工艺体系。根据煤矿矿井水资源化利用现状，提出了建立地下污水处理中心和抽水蓄能发电站因地制宜的资源化利用途径，同时结合当地经济发展、水资源紧缺状况和生态文明建设等因素，制定了处理后废弃矿井水供井下生产和井上生活、农业、工业和生态等方面资源化综合利用体系。最后，展望了废弃矿井水资源化利用的绿色开发战略和未来发展方向，将积极推动废弃矿井水资源化综合利用，有效缓解我国部分地区水资源紧张的局面，实现煤炭行业的绿色健康发展和矿区生态文明建设，满足经济效益、社会效益和环境效益多方共赢。

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2022年第06期

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废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

作者(Author)：郭平业, 王蒙, 孙晓明, 何满潮

摘要：随着我国“碳达峰，碳中和”目标的提出，煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降，关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费，还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题，需要因地制宜的提出符合我国废弃矿井现状的剩余资源开发利用模式。基于此，系统梳理了国内外废弃矿井开发再利用现状，着重讨论了废弃矿井地下空间储能的利用模式，针对性的提出了废弃矿井反季节循环储能工艺系统，该系统充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源，通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备，为周边用户和整个系统提供电能，以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间，以矿井水为储能介质，通过太阳能集热和地热能资源为周边用户供热/制冷，在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下，实现反季节循环储能。阐述了废弃矿井地下反季节循环储能亟需突破的3个关键技术：多尺度空间热储评估方法、废弃矿井反季节循环储能井上井下整体优化设计方法以及反季节循环储能多源耦合的运行模式。最后，以京西王平村废弃矿井为例研究了该系统的节能减排效益，结果表明：与传统化石燃料相比，应用反季节循环储能系统供热制冷，每年可减排二氧化碳约2781.1t。若加入太阳能、风能集热发电系统，节能减排效果将更加明显。应高度重视废弃矿井资源开发利用，加大废弃矿井资源开发利用科学问题的研究力度。相关部门和矿山企业应积极稳步推进废弃矿井绿色低碳开发利用，提高可再生清洁能源利用比例，实施碳排放总量和强度“双控”，为国家“双碳”目标的实现提供助力。

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2022年第06期

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关闭矿山空间资源特征解析与转型路径

作者(Author)：董霁红, 吉莉, 高华东, 刘峰, 王蕾, 黄艳利

摘要：随着我国社会经济发展和煤炭资源的持续开发，部分矿井已到达其生命周期终点。预计到 2030 年，我国关闭矿井将达到 15 000 处，矿井直接关闭不仅会造成资源巨大浪费和国有资产流失，还可能诱发生态环境问题。针对关闭矿山引起资源浪费及环境与社会问题，如何科学开发利用关闭矿山资源，促进资源枯竭型矿区转型，已成为当今世界能源环境领域的重要议题。主要研究: 1. 分析国内外关闭矿山学术关注与相关研究热点，总结了关闭矿山领域主要有待研究解决的问题，探究关闭矿山研究理论体系及主要评价方法。 2. 采用卫星-机载-地面数据识别关闭矿山资源特征并划分了矿井地上 / 下资源类型，地上资源包括地表水资源、土地资源、工业广场和生活区建筑等，地下资源包括地下水资源、残留煤炭资源、地下空间资源和井下设备等。3. 运用井上 / 下空间资源评价模型，计算得到朱家河煤矿工业广场建筑空间体积为1.04×105 m3，井下空间包括井筒、巷道、硐室体积共 1.18×105 m3 ，总残留煤炭资源量近5 600万 t。 4 比较已有国内外关闭矿山转型利用方式，基于约束因子、转型适宜等级、资源条件等给出了关闭矿山转型路径技术体系。地上转型分为 4 个模式:矿业旅游开发利用模式、自然生态修复模式、融合地下空间利用模式、修复与开发综合利用模式。地下转型分为3个模式:地下资源再利用模式、经济利用开发模式、低碳生态发展模式。并根据资源转型路径确定步骤，制定了渭河流域 15 对关闭矿井最适转型路径。

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关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展

作者(Author)：浦海, 许军策, 卞正富, Holger Schüttrumpf

摘要：探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。低焓地热资源(小于85 ℃)是一种零碳清洁能源，可加快居民热能需求的脱碳进程。然而，低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题，限制了其大规模的开发与利用。而关闭/废弃煤炭矿井，由于具有丰富的水、热及空间资源，可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命，降低对环境与经济的负面影响。为了实现这一举措，有必要对废弃矿井开采地热能相关的技术、经济、环境和政策等因素进行全面的梳理。因此，进行了广泛的文献综述，从废弃矿井地热能开采原理的角度，概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果，特别是对矿井水体积、连通性和温度特征及其影响因素进行了详细的分析。在此基础上，讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。此外，为了直观地说明废弃矿井地热能的利用潜力，考虑围岩动态补热机制，以徐州矿区关闭张集矿为分析案例，估算了其可利用的地热资源。结果表明：张集矿静态储能约为278 000 MWh，围岩动态补热量（0.5年）约为4 731.4 MWh，系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/kWh，与化石能源相比碳排放量减少约13 000 t。尽管考虑了动态补热，废弃矿井地热能补给速率仍相对较慢，因此未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源，结合风能或太阳能将废弃矿井作为产-储热能的关键结构，以提高系统的稳定性。这项工作可为关闭/废弃矿井地热能方面的研究与利用提供有意义的参考。

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2022年第06期

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废弃矿井抽水蓄能句法视角下拓扑模型构建及空间优化

作者(Author)：朱超斌, 周跃进, 卞正富, 陈宁, 夏晨阳, 白海波

摘要：废弃矿井抽水蓄能电站技术不仅是废弃矿井转型升级的重要途径，也是可再生能源规模储能的有效手段。废弃矿井巷道是抽水蓄能电站地下水库理想载体，但其复杂的空间拓扑结构制约了水体的流动性，因此需研究巷道地下空间结构优化方法，为抽水蓄能电站地下水库建设提供技术支撑。以我国淮南某矿东区为研究对象，阐述了空间句法视角下废弃矿井地下空间结构分析方法，建立小尺度多元凸空间的地下空间拓扑模型。借鉴空间句法中各形态分析变量，基于局部与整体层次特征研究巷道和硐室结构之间的内在逻辑性和拓扑关系，分析了废弃矿井地下空间在抽水蓄能电站地下水库建设中存在的问题，并对地下空间结构进行优化。研究表明：基于局部空间特征的地下空间单元可利用性与连接值、控制值、选择度、局部整合度成正比，与平均深度值成反比；基于整体空间特征的地下空间结构全局整合度、可理解度和空间智能度较低，反映在抽水蓄能电站地下水库建设中存在空间导向性差、空间利用率低和蓄能能力弱等问题。因此通过选取局部整合度与全局整合度均高于其平均值的空间单元重新构建新的地下空间拓扑模型，优化后地下空间单元数量减少73%，空间可理解度从很差（0.21744）提升到一般（0.47971），空间智能度从较高（0.798482）提升到极高（0.939746），提高了废弃矿井抽水蓄能地下空间结构的通达性与蓄能能力，为废弃矿井抽水蓄能电站建设中地下空间规划与利用提供优化策略。

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煤炭学报

2022年第06期

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矿山环境正效应开发利用理论模式与工程应用

作者(Author)：武强, 刘宏磊, 敖嫩, 曾一凡, 温挨树, 赵頔, 袁胜超, 韩贵雷

摘要：矿山环境正效应开发利用是延伸我国矿业全产业链的战略要求.随着能源结构的优化调整.煤炭在我国一次能源消费占比逐渐降低.面临关闭或已关闭的矿山数量越来越多.为了应对多元化.低碳化.清洁化的能源发展趋势.运用地质学.生态学及系统论等基础理论.从系统科学的角度提出资源化开发利用矿山环境正效应的理念.剖析了矿山环境正效应的内涵.建立了矿山环境正效应开发利用研究的理论框架.根据矿山环境正效应的不同属性.提出了4类正效应开发利用目标.即资源正效应.能源正效应.科普文娱正效应.生态服务正效应,在此基础上.按照[对象-目标-技术-模式"的系统化思维.秉承[目标导向"思路.分析了实现目标的具体途径.梳理了正效应模式在工程应用中所需的常见技术方法.构建了矿山环境正效应开发利用理论模式.以[生态立体农牧业"模式为例.通过内蒙古西部典型生产矿山的正效应开发利用模式实践研究.分析了矿山中赋存的正效应资源与模式技术的可行性.经案例工程实践验证了正效应开发利用理论模式的适宜性.最后.探讨了矿山环境正效应开发利用中面临的挑战和机遇.在能源格局演变和碳中和背景下.分析了矿山环境正效应开发利用与我国资源安全保障战略.资源型城市转型.矿山环境市场化之间的关系和意义.针对如何科学.高效地修复治理和开发利用矿山环境正.负效应并实现矿山的转型升级.提出在矿山环境研究3.0阶段重视推进矿山环境开发式修复治理.以流域为单元开展系统化修复治理.推动矿山环境正效应开发利用示范与工程落地以及数字化.智能化研究.实现我国矿山环境修复治理与开发利用的[双赢"目标.

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煤炭学报

2022年第04期

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废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索

作者(Author)：卞正富, 周跃进, 曾春林, 黄赳, 浦海, AXEL Preusse, 张保生, HABIL Christoph Bruecker, 白海波, 孟庆彬, 陈宁

摘要：废弃矿井抽水蓄能地下水库的构建既可有效利用废弃煤矿地下空间，又可实现风能、光能等可再生能源的大规模利用，还可防止废弃矿井地质灾害的发生。全面阐述了废弃矿井抽水蓄能地下水库的概念与构建技术，根据地下水库所处的工程与应力环境，指出了构建废弃矿井抽水蓄能地下水库至少有2个科学问题需要解决:一是水文地质、水化学特征与地下水循环过程对选址的影响;二是围岩体-支护结构的稳定性和密闭性对建设和运行的影响，并全面综述了废弃矿井抽水蓄能地下水库技术框架及研究现状。针对上述问题，结合废弃矿井抽水蓄能地下水库建设的矿井地下空间利用途径、岩体稳定性及地下水库库容、巷道围岩长期变形及支护的时效性与水循环对水源及水质的保障等方面的研究现状，分别从地下水库库容、地下水循环、围岩稳定性与水质因素等4个方面进行研究，揭示了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素，即准确计算地下水库特征库容，掌握地下空间有效库容的变化规律;良好的水循环既可保证地下水库合理的库容，又能保证水动力过程不影响工程的安全;明确矿井水文地质特征及水库密闭性、地下空间围岩稳定性及应对措施，保证地下水库合理库容及工程安全;实时全空间矿井水品监测、水污染预测与防治，保障地下水水质安全及抽水蓄能设备安全使用的需要。最后以江苏权台煤矿为例，指出在原有矿井基础上改建为矿井抽水蓄能电站需要采取的措施，论证了废弃矿井地下空间作为抽水蓄能的地下水库利用的可行性，为废弃矿井地下水库构建基础问题进行了有益的探索。

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煤炭学报

2021年第10期

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