山西省煤礦采空地下空間評估與再利用研究

孫瑩潔，劉 廷，刁玉杰，胡智凱

（1.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，天津 300304；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350）

0 引言

煤炭是我國的主導能源，長期以來為我國經濟發展和社會進步做出了重要貢獻。但隨著我國煤炭資源的持續開發，很多煤礦面臨關閉和廢棄，預計到2030年，我國關閉/廢棄礦井將達1.5萬處（袁亮等，2018）。同時據估算，截至2030年煤礦采空地下空間將達到241.11億m3（謝和平等，2018）。如果關閉/廢棄煤礦直接棄用，將造成重大的資源浪費，還可能誘發后續的安全和環境問題。山西省煤炭資源豐富，煤炭開采歷史悠久，煤炭產量一直居全國前列，且90%以上的煤礦為地下開采，煤炭開采形成了大量的采空地下空間。

隨著“雙碳”目標的提出，山西作為能源資源型地區和碳排放大省，實現碳達峰碳中和目標意義重大，而實現煤與新能源的協同發展將是山西省煤炭產業綠色低碳轉型的重要途徑。山西省煤礦采空地下空間，尤其是廢棄煤礦地下空間巨大，如將其與抽水蓄能、壓縮空氣儲能或地下封存二氧化碳等有效結合，既可以解決我國未來風電光伏等清潔能源缺乏穩定性等難題，又可合理利用煤礦采空地下空間，避免地下空間資源的浪費，從而為山西省煤炭企業轉型發展及山西省實現碳中和目標提供有力支撐（王雙明等，2023）。

關于山西省煤礦采空地下空間利用現狀及開發模式，以往相關研究多以定性為主（劉漢斌等，2021；劉欽節等，2021；袁亮和楊科，2021），未能定量描述山西省煤炭采空地下空間可利用資源量，同時對地下空間利用模式多集中于某個單礦的特定模式。本文在前人研究基礎上，系統論述山西省開采及廢棄煤礦井巷和工作面開采形成的采空區地下空間，探索提出山西省煤礦地下空間未來較有潛力的四種利用模式及優先發展區，以期為山西省等煤炭資源集中開采區煤礦地下空間的開發利用提供借鑒。

1 山西省煤炭資源及煤礦分布簡介

山西省煤炭資源具有儲量大、分布廣、品種全、煤質優、煤層多、煤層厚、埋藏淺、易開采等特點（霍超，2020）。全省含煤面積6.2萬km2，占全省面積的40%。全省賦存煤炭資源并已經開采的有91個縣（市、區），占全省縣（市、區）的76.47%。截至2022年2月底，山西省共有生產煤礦653處，當年生產原煤13.07億噸，分別占全國煤礦數量及產量的14%和29%。

山西省煤礦主要集中于晉北、晉中和晉東煤炭基地。其中晉北基地位于山西省會太原以北地區，主要由大同、平朔、軒崗和河保偏等礦區組成。晉中基地地處山西省中部及中西部，主要由太原西山、東山、汾西、離柳、鄉寧、霍東等礦區組成。晉東煤炭基地位于山西省陽泉、長治、晉城和晉中等市縣境內，主要由陽泉、長治和晉城等礦區組成（圖1）。

圖1 山西省煤礦分布圖Fig.1 Map showing distribution of coal mines in Shanxi Province

新中國成立以來，山西省煤炭工業得到大力發展和振興，原煤年產量58年保持全國第一。但隨著礦區煤炭資源的枯竭和山西省煤炭去產能政策的深入推進，山西省關閉煤礦數量逐年增多。據統計，僅“十五”～“十三五”期間（2000～2020年），山西省已合計關閉退出煤礦8066座，合計退出產能大于5億噸/年（張農等，2019；劉漢斌等，2021）。

成為我國第一個全省域能源革命綜合改革試點之后，山西省積極推動能源轉型，大力發展以風電、光伏發電為代表的清潔能源，逐步降低煤炭在一次能源中的占比。如今在碳達峰碳中和背景下，山西省如何推動煤炭清潔高效利用，同時保障國家能源安全，實現綠色低碳甚至零碳排放成為下一步的重點研究方向。

2 山西省煤礦采空地下空間可利用判識與估算

2.1 煤礦采空地下空間可利用判識

煤礦采空地下空間包括井巷等地下空間和工作面采空形成的地下空間。煤礦采空地下空間要實現二次利用，必須有一套可以判識的指標。謝和平等（2018）針對煤礦地下空間可利用性提出了交通便利性、圍巖穩定性等6項判識指標。袁亮等（2018）提出可以綜合考慮地質、安全、經濟、環境等因素進行評價，建立改建油氣儲庫、放射性廢物處置庫、新型旅游模式基地等。史簫笛等（2020）提出了閉坑煤礦井下空間資源開發利用評價指標多層次模型。

本次依據前人研究成果，經綜合分析后提出定性與定量相結合的煤礦采空地下空間可利用的4項判識指標：即系統安全性、空間穩定性、空間資源量和開發經濟性。具體指標說明見表1。

表1 煤礦采空地下空間可利用判識指標Table 1 Available identification indices of coal mine underground space

2.2 井巷等可利用地下空間估算

井巷等地下空間主要包括井筒、井底車場、大巷、主要硐室等。巷道斷面形狀主要包括半圓拱形、圓形拱形和梯形。井下不同類型巷道地下空間可根據式（1）計算（謝和平等，2018；雷明星等，2021）。

式（1）中：V為巷道地下空間；S為巷道凈斷面積；L為巷道長度；i為巷道條數。

由于山西省煤礦眾多，單獨統計每個煤礦的井巷空間難以實現，故此采用文獻（謝和平等，2018）中使用的煤礦規模與井巷可利用地下空間量的比例系數（簡稱煤礦規模與利用系數）進行估算，見表2。

表2 山西省煤礦規模與其井巷可利用地下空間量的比例系數Table 2 Ratio coefficients between coal mine scale and the amount of underground available space of mine roadway in Shanxi Province

2.2.1 生產煤礦井巷可利用地下空間

根據山西省能源局公布的2022年2月底山西省煤礦生產能力情況相關數據，匯總出2022年山西省生產煤礦現狀（表3）。根據煤礦規模與利用系數估算得出山西省現有生產煤礦井巷可利用地下空間量總計約15378.3萬m3，即1.54億m3。

表3 截至2022年2月底山西省生產煤礦井巷可利用地下空間Table 3 Available underground space of Shanxi coal mines in production till February 2022

2.2.2 關閉煤礦井巷可利用地下空間

從新中國成立到20世紀90年代，山西省煤炭工業經歷了從緩慢發展到快速發展的階段。20世紀90年代末期，全國煤炭行業進入低谷，山西省開始對煤炭產業進行整頓，1998年山西省取締私開煤礦1453個，壓減產能2679萬噸；1999年關閉不合理煤礦1565個，壓減產能4399萬噸。

進入21世紀后，山西省實施煤礦資源整合，“十五”期間（2000～2005年），山西省退出煤礦4187處，產能1億噸每年以上（現按1億噸/年計算）?！笆晃濉逼陂g（2006～2010年），山西省要求強制淘汰主要產煤縣年產9萬噸以下的煤礦，山西省退出煤礦3603座，按最低線9萬噸/年計算，即退出產能32427萬噸/年?！笆濉逼陂g（2011～2015年），山西省要求淘汰年產30萬噸以下的煤礦，山西省退出煤礦138座（張農等，2019），按最低線30萬噸/年計算，即退出產能4140萬噸/年?！笆濉逼陂g（2016～2020年），山西省關閉煤礦138座，合計退出產能為10889萬噸/年（劉漢斌等，2021）。

本次詳細統計了“十五”至“十三五”期間（2000～2020年）山西省關閉/退出煤礦的數量、規模及產能，得出在此期間山西省共退出煤礦8066座，退出產能約57456萬噸/年。根據煤礦規模與利用系數估算得出“十五”至“十三五”期間，山西省關閉/退出煤礦的井巷可利用地下空間量10516.19萬m3（表4），約為目前生產煤礦井巷可利用空間量的2/3。

表4 “十五”～ “十三五”期間山西省關閉/退出煤礦井巷地下空間Table 4 Underground space of closed coal mine roadway in Shanxi Province during the 10th to 13th Five-Year Plan

2.3 煤礦采空區地下空間

井工煤礦98%以上都采用垮落法管理頂板，煤層采出后，頂板巖體開始垮落、開裂，按破壞程度由下而上一般劃分為三帶：垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，其中煤礦采空區可利用空間主要存在于垮落帶和裂隙帶內（張毅和秦容軍，2022）。假設煤炭采出體積為V，地表沉陷體積V1，巖石卸壓膨脹體積V2及工作面采空區地下空間體積V3，按空間守恒定律則存在如式（2）所示的關系（謝和平等，2018；李全生和張村，2021）：

煤炭采出體積V根據每年煤炭產量除以平均密度計算；地表沉陷體積V1可根據地表下沉系數η計算，V1=Vη；巖石卸壓膨脹體積（未破壞）V2可按照地下空間總量與巖石膨脹系數K計算，V2=V3K，K一般取0.1。故煤礦工作面采空區地下空間體積V3=VV1-V2=V-Vη-V3K，即V3=V（1-η）/（1+K）。

2.3.1 1949~2021年山西省煤礦采空區地下空間

建國以來山西省煤炭生產大體經歷了全面恢復、緩慢發展時期（1949～1977年）、高速發展時期（1978～1997年）、調整結構時期（1998～2008年）和兼并重組時期（2009年至今）四個階段。1949年，山西省煤炭產量267萬噸，占全國煤炭產量的8.2%；到2021年，山西省煤炭產量達到11.93億噸，接近1949年的447倍，占全國煤炭產量的28.9%。1949～2021年山西省煤炭產量及增長速度見圖2。

圖2 1949～2021年山西省煤炭產量及增長速度Fig.2 Coal production and growth rate in Shanxi Province from 1949 to 2021

1949～2021年山西省煤炭產量合計為225.24億噸，其中露天煤礦產出比例約占8%，故井工煤礦采出煤炭產量為207.22億噸。按照山西省煤炭平均密度1.45 t/m3，計算采出煤炭體積為142.91億m3。山西省地表下沉系數按0.7取值，得出山西省1949～2021年井工煤礦工作面開采形成的地下空間為142.91×（1-0.7）/（1+0.1）=38.98億m3。

2.3.2 2022年及以后山西省煤礦采空區地下空間

2022年山西省煤炭產量為13.07億噸，其中露天煤礦產出量約1億噸，故井工煤礦采出量約12.07億噸。按照山西省煤炭平均密度1.45 t/m3，計算采出煤炭體積為8.32億m3。山西省地表下沉系數按0.7取值，得出山西省2022年井工煤礦工作面開采形成的地下空間為8.32×（1-0.7）/（1+0.1）=2.27（億m3）。

參考《山西省礦產資源總體規劃（2021-2025年）》，到2025年山西省煤炭產能穩定在15.6億噸/年以內、煤炭產量保持在14億噸/年，按2023～2030年山西省地下煤炭開采量每年13億噸預計（露天開采量按1億噸/年核算），則8年合計采煤104億噸，按照煤炭密度平均為1.45 t/m3，計算地下開采采出煤炭體積為71.72億m3，預計到2030年山西省還要形成采空區地下空間約71.72×（1-0.7）/（1+0.1）=19.56（億m3）。

3 山西省煤礦采空地下空間再利用方向探索

山西省煤礦采空地下空間資源量巨大，如何有效利用尤其是與新能源的結合將是亟需考慮的問題。早在20世紀中期，國外就開始探索煤礦地下空間開發利用，發展了多種再利用途徑。典型案例主要集中在德國、芬蘭、荷蘭、美國、日本等國家（劉峰和李樹志，2017；劉志強和宋朝陽，2019；董霽紅等，2022），如德國魯爾礦山工業旅游景區及由ProsPer·H 煤礦開發的半地下抽水蓄能發電站、荷蘭海爾倫市的廢棄礦井地熱發電站、美國科羅拉多廢棄煤礦儲氣等。其中德國ProsPer·H 煤礦是世界上第一個將廢棄煤礦改建而形成的蓄水電站，可儲水100萬m3。目前全世界利用廢棄煤礦改建的地下儲氣庫有三座，其中兩座位于比利時（Peronnes和Anderlus廢棄煤礦儲氣庫），庫容分別為1.8×108m3和1.2×108m3；另一座在美國（Leyden廢棄煤礦儲氣庫），庫容為0.73×108m3。日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目即利用廢棄煤礦坑作為儲氣洞穴，最大壓力為8 MPa。目前國外對廢棄煤礦封存二氧化碳尚處于研究階段。

國內對廢棄煤礦等地下空間利用也進行了較多的研究（謝和平等，2015；郝憲杰等，2021；韓運等，2021；葛偉亞等，2021），不過由于經濟性和政策等方面的原因，國內廢棄礦井資源開發利用率較低，主要以旅游開發為主，資源則以煤層氣抽采為主，其余利用模式如儲氣庫、儲油庫、抽水蓄能電站等較少。不過隨著碳達峰碳中和目標的提出及風光電能的大規模開發利用，山西省煤炭地下空間的利用將更加多樣化?？傮w來說，隨著技術經濟的發展，山西省煤礦采空地下空間利用模式可歸納為以下四類。

3.1 地下旅游或地下倉儲

利用廢棄礦井地下空間開發地下旅游或地下倉儲功能相對較成熟，目前國內外均有成功案例（董霽紅等，2021；劉欽節等，2021）。山西省煤礦采空地下空間用作旅游科普的典型案例有山西省大同晉華宮礦煤礦和晉城鳳凰山煤礦等。2005年晉華宮煤礦申請成為國家礦山公園，建成了大同煤炭博物館、井下探秘區（圖3）等七大景區，其中井下探秘區距地面約150 m，為一廢棄礦井改造，其充分利用了原有礦井的井下巷道等空間，將煤礦采空地下空間利用與產業進行了有機結合。2007年山西省晉城鳳凰山煤礦在3號煤層內建成了一個多功能井下實訓基地，全面反映了煤礦生產的全過程，為高等院校和煤礦企業安全培訓提供了絕佳場所，實現了煤礦地下空間的二次轉型，取得了良好的社會和經濟效益。山西省煤礦尤其是廢棄煤礦數量眾多，同時山西省為旅游大省，可根據當地經濟和旅游條件將廢棄礦山開發為礦山公園和地下旅游景區。

圖3 大同晉華宮礦煤礦巷道地下旅游區Fig.3 Underground tourism area in the Jinhuagong mine of Datong City

國內外利用廢棄礦洞儲存物資的開發案例包括蔬菜、水果、糧油食品以及重要的軍用物資（姜玉松，2003；吉莉等，2022），不過利用較多的為石灰巖礦，利用煤礦的相對較少。但隨著煤炭地下空間利用技術的發展，以及煤炭地下空間所具有的恒溫恒濕環境這一有利條件，煤礦作為儲庫來儲存蔬菜和糧食等物品將具備現實條件。

山西省北部地區的大同礦區和中部地區的太原東西山等礦區交通位置條件較好，同時煤層埋藏較淺，工程地質條件相對較好且太原和大同周邊旅游資源豐富，人流量和物流量較大，建議優先在該區進行煤礦地下空間地下旅游或地下倉儲功能開發。

3.2 地下抽水蓄能

利用廢棄煤礦進行地下抽水蓄能電站的建設，國內外學者進行了有益探索。Madlener and Specht（2020）等學者論述了德國將廢棄煤礦改造成地下抽水蓄能電站的構想及經濟可行性。德國魯爾ProsPer·H煤礦改造的蓄能電站，平時用過剩的風能和太陽能將下層水抽入改造過的廢棄煤礦的上層，高峰時將上層的水放到下層去發電，作調峰使用（圖4）。國內謝和平、袁亮等論述了煤礦地下抽水蓄能電站的概念和關鍵技術，指出了在華北平原資源型城市利用礦井空間建造抽水蓄能電站的可行性（袁亮和楊科，2021）。2022年8月26日山西省晉中市左權縣與華能集團、清華大學簽訂煤礦采空區抽水蓄能項目三方框架協議，旨在全力打造“風光水火儲”多能互補一體化能源基地，這也標志著山西省利用廢棄煤礦進行抽水蓄能電站建設進入了新的篇章，同時為山西省其他地區廢棄煤礦的轉型提供范例。

圖4 廢棄煤礦地下抽水蓄能示意圖Fig.4 Schematic diagram of underground pumped energy storage in abandoned coal mines

山西省東部地區太行山西側的陽泉礦區、長治礦區和晉城礦區及山西省西部地區呂梁山區的河保偏礦區、離柳礦區和鄉寧礦區等位于漳河、沁河和黃河周邊，地表水資源較豐富，煤層埋深相對較深，地表與地下高差較大，且山區風能資源豐富，具備了建設地下抽水蓄能的必要條件。故建議優先在太行山和呂梁山區選擇綜合條件相對較好的礦區開展煤礦地下空間抽水蓄能示范工程。

3.3 地下壓縮空氣儲能

國內外學者對利用廢棄煤礦進行壓縮空氣儲能的可行性和儲能庫穩定性方面進行了大量研究，如Schmidt et al.（2020）等以西班牙北部煤礦地下450 m深處的巷道為案例論述了地下壓縮空氣儲能的 可 行 性；Zimmels et al.（2002）、Kim et al.（2012，2016）等利用數值模擬技術研究了開挖擾動作用下地下儲氣庫的受力和變形情況，探討了內部壓力作用下儲氣庫的氣密性和穩定性。日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目，利用的也是廢棄煤礦坑（地下400 m以下）作為儲氣洞穴。

隨著風光等清潔綠色能源的大規模應用，國內對壓縮空氣儲能尤其是利用煤礦地下空間儲能開展了大量研究（謝和平等，2017；王帥等，2020；杜俊生等；2023），包括煤礦地下壓縮空氣儲能的可行性和面臨的多場耦合、空氣泄漏、溫度壓力變化等關鍵科學問題。同煤集團云岡礦于2019 年開工建設的云岡礦北大巷廢棄巷道壓縮空氣儲能電站，是我國首個利用廢煤礦巷道改造的壓縮空氣儲能電站（圖5）。

圖5 廢棄煤礦地下壓縮空氣蓄能示意圖Fig.5 Schematic diagram of underground compressed air energy storage in abandoned coal mines

山西省風能和太陽能資源豐富，其中風能資源總儲量為5300×104kW，技術可開發量為460×104kW，風能資源較好區域主要分布在晉西北地區、管涔山、呂梁山脈西側和中條山附近（劉振宇等，2012）。山西省年總輻射量介于5020～6130 MJ/m2，其分布特點是由南向北逐漸增加，總輻射最高區位于北部的左云、右玉、五寨等縣區（王宏英和王文亮，2009）。目前山西省正大力開發風能及太陽能等新能源，故此宜選擇風能和太陽能豐富的晉西北、呂梁山北部的大同、平朔及軒崗等礦區開展煤炭地下空間壓縮空氣儲能示范工程。

3.4 地下封存CO2

隨著“碳達峰碳中和”目標的提出，二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實現碳中和的兜底技術，目前在國內得到了快速發展。CO2地質封存作為CCUS技術的核心組成部分，決定了CO2地質封存的潛力和前景。山西省因煤炭開采產生的采空區和頂底板采動裂隙為煤礦地質封存CO2提供了大量地下儲存空間，同時煤層上方厚度較大的泥巖、砂泥巖等致密的煤系沉積巖為CO2封存提供了良好的蓋層條件。利用煤礦地下空間封存CO2也成為碳封存研究的熱點。

國內學者如王雙明等（2022）論述了煤層擾動空間進行CO2地下封存的技術途徑和必備條件（圖6）；黃定國等（2014）、姚強嶺等（2023）等探討了煤礦廢棄礦井采空區封存CO2的機理、可行性和開發前景。山西省屬于碳排放大省，如能進行煤礦采空地下空間CO2封存，既利用了煤炭地下空間資源，又能減少二氧化碳排放，實現煤炭資源產業鏈的零碳或負碳開發，從而為山西省碳中和提供重要支撐。

圖6 廢棄煤礦地下封存CO2示意圖Fig.6 Schematic diagram of underground storage of CO2 in abandoned coal mines

山西省沁水盆地是全省最大的含煤盆地，其煤炭資源豐富，含煤巖系分布較為穩定，煤層厚度較大，埋深適中。沁水盆地南部于2003年已開展了二氧化碳驅替煤層氣（CO2- ECBM）先導性實驗，注入效果良好（葉建平等，2007）。同時沁水盆地亦為咸水層CO2地質封存適宜區。故此宜選擇沁水盆地南部的晉城礦區、長治礦區等適宜煤礦開展采空地下空間封存CO2或將其與咸水層封存CO2有效結合來進行封存試點研究。

4 結論及建議

（1）在全面分析山西省煤炭資源及開發現狀基礎上，基于比例系數法和采動空間守恒測算了山西省目前生產煤礦井巷可利用地下空間為1.54億m3，“十五”至“十三五”期間關閉/廢棄煤礦井巷可利用地下空間為1.05億m3。1949～2021年山西省井工煤礦工作面開采形成的采空地下空間約38.98億m3，2022～2030年山西省預計還要形成采空區地下空間約21.83億m3。山西省煤礦采空地下空間尤其是工作面采空形成的地下空間利用潛力巨大。

（2）結合我國碳達峰碳中和目標實施和山西省能源低碳發展需求，充分考慮傳統能源和新能源優化組合基礎上，提出了山西省煤礦采空地下空間四種利用模式，即相對傳統的地下旅游和地下倉儲模式、未來具備較大發展潛力的地下抽水蓄能模式、地下壓縮空氣儲能模式及地下封存CO2模式。同時根據山西省各礦區的地質環境條件，明確了開展煤礦采空地下空間不同利用模式的優先示范區域。

（3）山西省應在詳細調研全省煤礦采空地下空間基礎上，開展不同利用模式下煤礦地下空間的評價體系及分級標準研究，將地下空間與風光水火儲產業緊密結合，超前布局攻關儲能等關鍵技術，探索建立地下儲能儲碳示范區，力爭成為全國能源轉型發展的排頭兵。

［附中文參考文獻］

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