再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策

在经济发展新常态和供给侧改革背景下,关闭/废弃矿井数量逐年增多,仍遗留大量可开发利用资源,开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前,相关研究工作仍相对滞后,难以系统解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现状分析,结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地下空间储能储物等重大需求,亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固-液-气及应力-位移-渗流-温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等4个关键科学问题,攻克关闭/废弃矿井能源资源协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与利用、地下储库(储水、储油、储气等)库容探测与防渗等4项关键核心技术。基于矿井全生命周期绿色利用科学理念,以白家庄煤矿为例,提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源"能源化、资源化、功能化"协同利用综合性解决方案,创新了"政产学研用金"协同机制为基础的关闭/废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。     

我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,〖JP2〗无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。     

国内外废弃矿井资源化利用现状与关键技术研究

废弃矿井的处置是能源环境领域面临的一大关键问题,严重影响着全球资源开发与环境保护协调发展。为了更好地利用矿井废弃后遗留的大量资源,介绍了国内外废弃矿井现状以及废弃矿井资源化利用现状与特点,简述了废弃矿井的潜在危害,阐述了废弃矿井综合利用的内涵与关键科学问题,探讨了废弃矿井地热能开发利用、地下水资源精准利用、建设地下储气库等关键技术,指明了废弃矿井地热能资源勘察评估、地下水库煤柱坝体稳定性以及储水能力计算、地下储气库选址的技术难点,提出了废弃矿井资源化利用思路。研究表明,废弃矿井资源化综合利用在废弃矿井转型与可持续发展等方面具有广阔应用前景,可促进我国资源枯竭型城市转型发展。     

浙江废弃矿井现状调查及影响分析

浙江省废弃矿井占据了大量的土地资源,未经治理的废弃矿井区域普遍存在地面建筑物破旧,地下采空区安全隐患,地下、地表水体及土壤污染,环境景观恶劣等现象,局部存在引发地质灾害的危险。通过对全省范围内的废弃矿井展开系统全面调查,查明各类废弃矿井2 806处,主要集中于浙西低山丘陵区的衢州市1 442个、浙南西部山地丘陵区的丽水市509个、浙中丘陵盆地的金华市445个,占全省废弃矿井总数的85.39%,并对各类废弃矿井进行影响分析,归纳总结废弃矿井影响现状,为开展系统、全面、有针对性的治理工作提供依据。     

废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究

废弃矿井地下空间利用是煤炭行业重点支持的方向。将地下空间利用、汛期蓄洪和冬季供热相结合,提出了基于地面引水蓄洪、井下蓄水储能和热泵取热技术的废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式,阐述了该模式的概念、关键技术和科学问题;分析了我国废弃矿井分布及其与降水量分布之间的关系,论证了废弃矿井地下空间的蓄洪储能潜力。研究发现,安徽、河南、山东等13个省份的废弃矿井地下空间近6 000万m³,可储存约6个西湖的水量,适宜开展废弃矿井地下蓄洪储能和取热的工程示范。其中,仅淮南矿区5个废弃矿井的地下空间资源高达30万m³,储能量达94 500 GJ,可满足21万m²的建筑供暖需求。以旗山矿为例,设计了地面引水沟渠布置、井下储水空间布置以及矿井水提取和利用等方案,初步测算旗山矿蓄洪储能方案的供热功率可达6 835 kW,可为13.67万m²的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5 330 t,经济效益达350.75万元,初步论证了废弃矿井地下空间蓄洪储能的可行性。废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式既可有效利用废弃矿井地下空间,...     

废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

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...     

关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考

随着中国能源结构的调整,煤炭开采从原来的分散式开采向精细化、集中化和精准化发展,矿井数量大幅度减少,大量资源枯竭及落后产能矿井面临关闭或废弃。这一转变将使中国现阶段及未来很长一段时间都将面临与德国相似的"后采矿"时代。从中国能源结构发展的大趋势以及煤炭资源开发的宏观战略来看,已经关闭和即将关闭的大量矿井或者矿区重新恢复开采的可能性不大。矿井的关闭或废弃不仅会带来水、大气等环境污染问题,还会带来企业职工难以安置、固定资产难以处理等社会经济问题。因此,本文针对矿区关闭或废弃后出现的问题,借鉴德国应对后采矿的处理方案、后采矿工业区资源可持续发展战略,对比中国对关闭矿区的处理案例,提出了应把矿区关闭后资源的利用纳入整个矿山开发的顶层设计中的理念,以及煤炭地下空间、矿井水等资源综合利用的思路。国内外虽提出了形式多样的废弃矿井利用方案,但总体利用率不高,仍需继续深入探究关闭矿区资源利用基础理论和手段方法,以及应对关闭矿区后发展需要的教育与技术人才培养措施。     

“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题特邀主编致读者

<正>我国“缺气、少油、富煤”,煤炭作为主体能源的地位在相当长一段时间内无法改变,仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展的重任。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。预计到2030年,我国关闭/废弃矿井将达到1.5万处。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。     

晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

废弃矿井煤层气资源丰富,抽采废弃矿井煤层气,已成为煤矿区煤层气的重要资源之一.基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际,系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展,分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题,提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容.研究...     

浙江废弃矿井治理关键技术研究

废弃矿井对自然生态环境造成地面塌陷和滑坡泥石流等地质灾害,发生行人和牲畜误入坠落,引发地表水和地下水水质污染,石煤自燃引发山林火灾和大气污染,占据大量土地资源和导致较大视觉环境污染等。为保障浙江废弃矿井规范治理,分别开展了废弃矿井有关石煤自然治理、水污染治理、废渣场治理和植被恢复等关键技术的研究。     

浙江省废弃矿井治理与生态修复规划研究

废弃矿井对自然生态环境造成的不良影响表现在地面塌陷和滑坡泥石流等地质灾害,占据大量土地资源,导致较严重的视觉环境污染.为此,调查浙江省2806个废弃矿井,划分为重点治理区、一般治理区和其他治理区3类,进行分类治理.截至目前,全省完成2806个废弃矿井治理,累计治理面积为5953 km2,形成了废弃矿井治理的矿山公园模式...     

废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究

石油和天然气等战略资源的储备问题一直是国家能源安全的重点。随着“双碳”共识的进一步深化,大量退出煤矿产生。为更好地推进废弃矿井改建地下能源储库,在总结归纳已有工程实例和分类基础上,介绍了国内外利用矿井作为能源地下储库的相关案例;通过对比分析国内废弃矿井地下空间的不同规模,综述了改建地下能源储库的基本标准;根据我国矿井开采方式和岩性特征,总结了不同岩性围岩改建地下能源储库的支护方案,有助于促进废弃矿井空间资源的再利用。     

废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索"

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...     

煤炭地下气化——回收报废矿井中煤炭资源的有效途径

介绍了在世界煤炭地下气化技术的发展状况及我国利用该技术回收报废矿井中废弃煤炭资源的工业性试验,阐明了煤炭地下气化技术是回收废弃矿井中煤炭资源的有效途径,认为利用煤炭地下气化技术回收井工采遗弃的煤炭资源技术是可行的,经济上是合理的。     

地质灾害治理及环境修复成果概述

浙江省废弃矿井分布全省各地,各类废弃矿区存在严重的安全和环境隐患,并缺乏对废弃矿井的有效监管,成为影响经济社会健康发展的地质灾害隐患,也成为社会关注的热点民生问题。多年来,围绕着如何实现矿产资源开发与生态环境保护协调发展,浙江省为此做了大量有益的探索,并取得了显著的业绩,使全省的矿山地质环境管理一直走在全国的前列。浙江省地质灾害治理及环境修复有力地促进了浙江生态文明的建设。     

四川省废弃矿井现状及其治理对策

四川省矿产资源丰富,长期的矿产资源开采,形成了数量众多的废弃矿井,有些存在着严重的安令和环境隐患.在对四川省废弃矿井现状进行调查的基础上,分析和总结了废弃矿井的特征、存在的安全和环境问题,最后对废弃矿井的防治提出了一些建议和对策.     

山西省废弃矿井采空区煤层气地面抽采实践

历史上部分中小煤矿受回采工艺、技术等限制,采空区遗留有大量煤炭,所释放煤层气(瓦斯),对安全生产造成影响;部分煤层气通过上覆地表裂隙散放至大气中,造成环境污染。针对上述安全、环境及社会问题,以山西省废弃矿井采空区煤层气治理为工程背景,提出了废弃矿井采空区煤层气地面钻采技术及配套工艺体系。即使用惰性气体如氮气等作为地面钻井循环介质,安全揭露采空区顶板裂隙带及垮落带,根据煤层气浓度通过增压机组等设备进行负压抽采,实现分级抽采利用废弃矿井采空区煤层气的目的。应用实践表明,采空区地面井平均产能达2000m^3/d,部分高产井产能甚至达到6000m^3/d,抽采年限达6年以上。     

废弃露采矿山存在的地质环境问题及治理措施

常州市武进区内的废弃露采矿山宕口造成山体破损面积412.03 hm2,存在毁坏土地资源、植被破坏和水土流失、地质灾害隐患多、破坏地貌景观影响旅游资源开发等地质环境问题。通过削石降坡、削坡反压、整坡与清坡等措施,消除了废弃露采矿山的地质灾害隐患;采用挂网喷播对岩质坡面进行复绿,改善了生态环境;对宕口废弃地进行地形整理、土地复垦、排水工程建设等治理措施,恢复了土地使用功能。     

煤炭地下气化

煤炭地下气化是将埋藏在地下的煤炭直接变为煤气,通过管道把煤气供给工厂、电厂等各类用户,使矿井的地下作业改为地面作业,实现无人开采。自1912年,英国化学家威廉·拉姆斯在都贺姆煤田首先进行了实验,并用煤气发电后,煤炭地下气化得到了迅速的发展,世界各国对煤炭地下气化均相当重视,投入了大量的物力和人力来发展和完善这一新型采煤技术。     

我国关闭煤矿潜在资源分析及二次利用前景

供给侧结构性改革的提出加速了我国煤矿落后产能的退出，但同时关闭煤矿的合理再利用提上日程。为探讨关闭煤矿潜在的可利用资源及其利用前景，基于关闭煤矿彻底废弃的负面效应分析，对其潜在资源类型进行了划分，并对各种资源的利用前景进行了分析，最后指出其在二次利用中亟待解决的问题。研究表明：我国关闭煤矿潜在资源主要包括剩余煤炭、矿井水、煤层气、地下空间以及生态开发与工业旅游资源；厘清剩余煤炭资源赋存特征、提高关闭煤矿信息化程度、构建关闭煤矿剩余资源评价体系以及建立健全关闭煤矿综合开发利用政策对关闭煤矿资源二次利用具有重要意义。