废弃矿井地下空间旅游资源开发利用模式研究

随着煤炭产业去产能政策的深入推进,大量矿井面临关闭或废弃,但其仍赋存大量可利用资源,如何开发利用,已成为煤炭工业转型发展的一大难题。在分析国内废弃矿井工业旅游开发现状与地下空间旅游开发问题的基础上,借鉴学习国外废弃矿井旅游开发模式经验,并总结分析废弃矿井地下空间旅游资源的特征。探索废弃矿井地下空间旅游资源开发利用模式,提出基于视觉、触觉和听觉以及知识性、观赏性、参与性、娱乐性和趣味性的“三觉五性”设计方法。并针对目前废弃矿井地下空间资源开发利用中存在的问题,给出相应的对策,即:高度重视废弃矿井旅游资源开发,改善传统单一旅游模式,加强体验式旅游设计,对地下空间进行现代化功能型改造。对实现地下空间资源利用最大化,服务于国家发展建设、社会民生保障及经济发展提供一定参考。      

关闭矿井资源开发利用状况研究

经过长时间的高强度开采,我国已有大量的矿井因资源枯竭而关闭。据不完全统计,2014—2018年我国关闭煤矿井7 516个、非煤矿井27 877个。矿井关闭后,仍有大量的地下空间、土地、矿井水、地热等资源可供开发利用。目前,我国在关闭/废弃矿井开发利用方面存在着指导性政策尚未出台、地质评价技术体系尚未形成、关键技术尚无实质性突破、开发利用模式单一、资料管理混乱、矿业权再次出让困难、社会资本投资热度不高等诸多问题,造成我国关闭/废弃矿井综合开发利用难以形成产业。从关闭矿井资源开发利用关键技术攻关、示范工程建设、评价体系建立、数字化平台建设、政策法规出台等角度提出了一系列合理化建议。     

我国关闭/废弃矿井资源综合利用形势分析与对策研究

长期的矿产资源开采形成了数量众多的关闭/废弃矿井(山),包括煤矿、金属和非金属矿等。矿井关闭废弃后仍赋存着方方面面的可利用资源,除了伴生的各种矿产资源外,还拥有巨大的地下空间资源(采空区和巷道),特别是部分井下仍然有多种废弃物(设备、材料等)和空间设施可再利用。通过总结一些关闭/废弃矿井资源综合利用状况,研究其功能定位和综合利用战略,并提出将关闭/废弃矿井资源综合开发利用与国家和区域经济、社会发展统筹部署的思考与建议。     

利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查...     

山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策

随着我国煤炭去产能政策的有力实施,一批资源枯竭及产能落后矿井将陆续关停废弃。废弃矿井仍赋存着大量的煤层气资源,其开发利用是实现煤炭产业清洁安全高效低碳发展、促进煤矿安全生产、优化能源结构、实现温室气体减排等方面的重要举措。基于山西省煤基重点科技攻关(煤层气产业链)项目相关研究,系统阐述了废弃矿井煤层气开发面临着资源量评价不准、钻进体系不健全、井上下联合缺失等关键问题。针对这些问题提出以下几点对策:废弃矿井精准地质探测是采空区地面钻井轨迹设计的重要依据,尤其是炮采等落后采煤工艺的废弃矿井,地球物理勘探精度应达到米级才能有效降低钻遇煤柱风险;优选废弃矿井煤层气地面“L”型钻井思路,即选采空区周边一定距离的保安煤柱作为L型井位,并配套特殊钻进工艺;煤矿企业应将废弃矿井资源开发利用纳入煤矿全生命周期规划,尤其是矿井废弃前应确保煤层气抽采通道畅通,以实现煤层气井“一井多用”的新型井上下联合开采模式,提高废弃矿井煤层气开发效率;采用防回火、各种传感器等装置,并对关键参数设置自动报警停机界限值,从而使废弃矿井煤层气地面开采工艺安全、高效;对不同浓度废弃矿井煤层气,需要采取相应的梯级利用模式,从而提高整体开发利用价值。以山西省废弃矿井为示范区,研究认识对推动全国煤矿区废弃矿井煤层气开发利用具有重要的指导和示范意义。      

关闭煤矿的资源开发利用与地质保障

在关闭煤矿中除煤炭剩余外,还赋存丰富的煤层气、矿井水、地下空间、地热等资源,具有巨大的二次开发潜力。依据全国煤层气、矿井水、地热等资源赋存现状,梳理部分重点关闭煤矿资源的绿色开发与清洁高效利用发展趋势;通过系统介绍集钻探、物探、遥感、计算机等勘查技术于一体的综合勘探体系,总结了其在关闭煤矿资源有效开发利用的地质保障作用,并从资源、环境、技术体系及数据库等七个方面提出关闭煤矿资源开发利用地质保障工作建议。     

黄河流域九省区废弃矿井抽水蓄能利用潜力评估

针对我国关闭矿井资源利用率低、蓄电储能需求日益增长的问题,废弃矿井抽水蓄能技术是实现资源二次开发利用,提升电网调峰能力的有效手段。基于废弃矿井抽水蓄能电站工作原理与发展现状,提出在黄河流域九省区利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的半地下式、全地下式2种模式。通过综合考虑空间、地质、水文、社会、经济与资源等影响因素,提出废弃矿井抽水蓄能电站选址评价指标体系,并进行黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析。基于2016—2020年黄河流域九省区的废弃煤矿资料,利用废弃矿井抽水蓄能电站静态效益与动态效益计算方法,定量评估黄河流域九省区废弃煤矿抽水蓄能电站建设的开发潜力。结果表明:(1) 黄河流域九省区能源资源丰富,现阶段满足电力供应需求,但火电仍是电力供应主体且水电发展进入瓶颈阶段;(2) 影响废弃矿井抽水蓄能电站选址的重要因素为巷道空间体积、上下水库水位差、巷道围岩稳定性、巷道围岩渗透率与地下水循环特征;(3) 由黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析可知,其发电效率可达到75.7%,可媲美常规抽水蓄能电站;(4) 2016—2020年黄河流域九省区废弃煤矿累计有效可利用井巷空间为4.7×107 m3,依据132座废弃矿井基本情况,从统计学角度估算出废弃矿井抽水蓄能电站可利用井巷空间为1.34×107 m3,利用其建设抽水蓄能电站年发电量可达3.78×109 kW·h,可满足2021年黄河流域九省区28.4%的弃风、弃光电量的消纳需求,每年直接经济效益约达21.2亿元。综上表明,黄河流域九省区废弃矿井抽水蓄能利用具有可观的发展前景。      

废弃煤矿资源及赋存特征探讨

在绿色发展理念、生态文明建设和资源集约节约利用背景下,废弃煤矿及其资源研究、利用探索日渐显示其重要意义。在总结相关学者研究的基础上,探讨厘清废弃煤矿、废弃煤矿资源概念;明确狭义废弃煤矿资源有煤炭、地下空间、煤层气、水、地热五种,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;废弃煤矿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。     

关闭矿井地上/下资源定量评估与转型路径探讨

随着我国关闭矿井数量逐年增加,对关闭矿井资源进行高效准确评估,实现关闭矿井转型升级,对煤炭行业发展乃至社会稳定具有重要战略意义。以陕西朱家河中型矿井为例,分析了关闭矿井地上/下资源特征及类型,提出了采用现场实测、探地雷达以及低空数据估算关闭矿井地上/下资源方法。研究表明:朱家河矿井井筒、大巷、井底车场及硐室可利用空间约为1.18×10~5 m~3,井下残留煤柱资源量达5 600万t,工业广场办公区、生产区、生活区以及辅助生产区空间容积达8.3×10~8 m~3;通过与现场实测结果对比分析,验证了探地雷达以及低空数据在关闭矿井空间资源评估方面应用的可行性;预估了2030年全国关闭矿井的空间容积。探讨了朱家河关闭矿井地上/下资源转型发展新路径,如构建井下储气站、井下水库和污水处理厂,开发矿区新农业,建立地下空间疗养院以及井下残留煤炭资源流态化开采等,形成的矿井转型发展技术体系可为关闭矿山资源评估及转型发展提供借鉴。     

中国煤炭甲烷管控与减排潜力

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层...     

新时期我国煤矿地下空间综合利用现状及展望

我国煤炭资源的长期大规模开采,产生了大量的地下空间,直接一关了之不仅造成地下空间资源浪费,还可能产生一系列安全、环境及经济问题,因此,如何科学、高效地解决煤矿地下空间的综合开发利用问题,对煤炭产业乃至国民经济的发展具有重要现实意义。笔者等以主要产煤省份为代表,结合调研收集的最新生产煤矿和关闭煤矿数据,深入分析了“十三五”期间生产煤矿地下空间和关闭煤矿地下空间总体情况,系统总结了国内外煤矿地下空间在储物、储能等方面的功能化利用现状,指出了当前我国煤矿地下空间利用存在资源数据信息匮乏、整体开发利用率低、相关技术研究工作仍相对滞后、可供推广借鉴的成熟示范工程较少等问题,提出了新时期煤矿地下空间基础数据库建设、利用体系构建、关键技术攻关、示范工程推广4个方面作为重点发展方向。     

河北省主要矿区关闭煤矿资源再利用模式探讨

关闭煤矿资源评价与利用,具有资源、环境双重效益,可为煤矿企业提供一条转型发展路径。在河北省主要矿区关闭煤矿资源调查工作的基础上,通过对国内外关闭煤矿资源再利用典型案例的总结,重点归纳了河北省关闭煤矿农林用地、建设用地、塌陷水域综合利用、矿山公园模式、关闭煤矿资源综合利用、矸石山利用、井下空间利用等7类19种资源再利用推荐模式,分析了推荐模式选择因素,划分了资源类型。依据矿山地质环境影响程度、问题类型及矿山区位差异,按照推荐模式选择原则,提出适合不同关闭煤矿山资源利用模式。综合考虑关闭煤矿背景条件和资源开发利用条件,对河北省主要矿区118个关闭煤矿提出了资源再利用途径。在相关研究基础上,针对河北省主要矿区关闭煤矿资源再利用存在的支撑条件不足、安全评价、支撑政策和管理办法欠缺、资源调查评价与利用技术指南欠缺等现实问题,提出了资源利用典型项目建设、及时掌握关闭煤矿综合信息、构建关闭煤矿资源调查与评价技术指南、开展相关治理工程做好资源利用统筹工作、加强科技投入和关键技术研发、树立矿井全生命周期理念并重视矿业资产的后周期管理及完善闭坑管理等建议,以期选择生态敏感性较弱、资源丰富、区位条件优越、符合当地经济社会发展需求、便于协调开发利用的关闭煤矿作为重点研究对象,开展资源综合利用工业性试验和示范工程,系统构建关闭煤矿资源评价体系,实现关闭煤矿资源利用与生态保护协同发展。      

山西省煤矿采空地下空间评估与再利用研究

山西省煤炭资源丰富,年煤炭产量占全国产量的近1/4,煤炭资源开采形成大量的采空地下空间。随着碳中和目标的提出和山西风电、光伏发电的大力发展,如何合理利用煤矿采空地下空间,尤其是将地下空间与新能源结合将成为煤炭产业低碳发展的关键。本次研究运用比例系数法和采空地下空间守恒定律,测算出2022年山西省开采煤矿井巷可利用空间为1.54亿m3,“十五”到“十三五”期间关闭/退出煤矿的井巷可利用空间为1.05亿m3,估算1949至2021年山西省煤矿因工作面开采形成的采空地下空间约38.98亿m3,预测到2030年山西省煤矿工作面开采还可形成采空地下空间约19.56亿m3。根据山西省能源低碳发展需求提出了山西省煤矿采空地下空间未来可利用的四种模式：煤矿地下旅游或地下仓储、煤矿地下抽水蓄能、煤矿地下压缩空气储能和煤矿地下封存二氧化碳等。     

废弃煤矿瓦斯资源估算与评价方法构建及应用

基于我国废弃煤矿瓦斯资源勘探开发现状,为合理评估我国废弃煤矿瓦斯资源,提出"资源估算+初步评价"的思路,建立废弃煤矿瓦斯资源估算和评价方法,该方法具有所需参数少和实用性强等优点;依据废弃煤矿瓦斯涌出特点及废弃时间,划分废弃煤矿类型,将其分为稳定型和非稳定型两大类,非稳定型进一步划分为初期、中期和后期3个阶段;根据废弃煤...     

Simulation of groundwater level recovery in abandoned mines,Fengfeng coalfield,China

Abandoned mines are of high potential risk as they could be a large underground storage of pollutants(heavy metals and organic wastes, etc.). Various physical, chemical and biological reactions would take place when groundwater flows into underground spaces, which makes abandoned mine a huge potential hazard to groundwater environment. The recovery of groundwater level is one of the key elements controlling the reactions and causing such hazards. This paper simulated groundwater level recovery processes in the abandoned mines, Fengfeng coalfield by using the computer program FEFLOW. The paper integrated the pipe flow model, "three zones" model and groundwater inrush(discharge) model in the simulation of groundwater in the complex laneway-aquifer system. Groundwater flow in the laneway systems was considered pipe flow and described in Bernoulli equation. The water-bearing medium(coal seam roof) overlying the laneway systems was divided into "three zones" composed of the caving zone, fissure zone and bending zone based on the disruption degrees of previous mining. Groundwater in the Ordovician limestone aquifer(bottom of coal seam) flowing into laneway systems was considered a major inrush/recharge source, and its flow rate was calculated by an inrush(discharge) model which was newly developed in this study and incorporated into FEFLOW. The results showed that it would take approximately 95 days for groundwater in abandoned mines to recover to regional groundwater level elevation, and the total amount of water filling up would be about 1.41195×10~7 m~3, which is consistent with the actual data. The study could be of theoretical and practical significance to mitigate abandoned mines' hazards and improve mine groundwater utilization.     

废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价模型构建及应用

在碳达峰碳中和的政策背景下,开发废弃煤矿瓦斯资源可产生较高的资源、经济与环境三重效益。通过调研及文献查阅,从技术可行性和经济合理性2个角度建立废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价指标体系,将博弈论组合赋权方法与模糊综合评价法结合,构建了博弈论?模糊综合评价模型,以晋城矿区废弃矿井古书院矿为例进行瓦斯抽采可行性评价。结果表明:一级指标中瓦斯资源条件及瓦斯保存条件的权重较高,分别为0.439 1和0.383 6,说明煤矿瓦斯赋存量和煤矿密闭性是影响废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性的决定因素;二级指标中,地面钻孔甲烷浓度和矿井涌水量权重较高,分别为0.091、0.087,说明废弃煤矿采空区瓦斯富集区的甲烷纯度及煤矿水害严重程度是影响废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性的关键因素;建立的评价模型修正了单一赋权评价法导致的权重失真问题,兼容了主客观定权重方法的优点;验证了博弈论?模糊综合评价模型应用于废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价的合理性。