关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考

王家臣Jürgen Kretschmann李杨

1.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083;2.放顶煤开采煤炭行业工程研究中心,北京 100083;3.波鸿工程应用技术大学,德国波鸿 44787

采矿业为人类提供必要的生产和生活资料,人们的衣、食、住、行、用、医都离不开矿产资源。 矿产资源为人们提供了70% 的农业生产资料、80% 的工业原料和90% 的能源[1]。 中国是世界上矿产资源总量丰富、矿种齐全、配套程度较高的少数几个国家之一,也是开发利用矿产资源历史最为悠久的矿业生产大国和矿产品消费大国,尤其是煤炭资源的生产量和消费量均接近了世界的50% 。近20年来,尽管世界一直在努力发展可再生能源,希望能够取代煤炭等化石能源,但是可再生等新能源在能源消费总量的占比至今依然很低,世界煤炭生产和消费总量仍然呈现上升趋势,然而煤炭的开采方式却发生了巨大变化,如开采技术变革、装备大型化、矿井规模大、生产地域集中、资源枯竭或者条件复杂矿区逐步退出等。 煤炭生产已经从量大面广的分散开采走向了更加集中的区域性开采。

中国矿井数量从2000年的30 000 余处大幅度减少到2019年末的5 300 处(含露天矿),千万吨级以上煤矿达44 处,最大井工矿生产能力达3 300 万t/a。美国的煤矿数量从1994年的2 354 座(露天矿1 211座、地下矿1 143 座)减少到2017年的671 座(露天矿434 座、地下矿237 座),但是单个井工矿井产量增加了230%,煤炭生产更加集中、高效。

矿井数量的大幅度减少,必然遗留很多关闭(废弃)的矿井(或矿场)。 澳大利亚已记录有50 000 处废弃矿场[2],美国有22 000 多处废弃矿场[3],加拿大约有10 000 处废弃矿场[4]。 德国在2018年12月21日关闭了最后1 处井工矿(伯特鲁普市哈尼尔煤矿),目前只有几处露天煤矿在生产。 中国关闭的矿井至少有20 000 余处,北京市等将全面退出煤矿开采。 关闭(废弃)的矿井和矿区不仅遗留下大量的环境与社会问题,同时也遗留下大量的宝贵资源。 如何处理这些问题和利用这些资源是当代社会必须解决的课题。

1 关闭矿区面临的问题

关闭矿区包括由于资源枯竭或者开采条件变得复杂在现阶段不能保障安全、经济开采而不得不关闭的矿区,也包括由于当地环境、经济和社会发展的原因,暂时不再开采而主动关闭的矿区。 绝大部分矿区在关闭之前都是当地经济最为繁荣的地区,煤矿生产也是当地的经济支柱产业,解决了大量人员就业。 矿区在数十年甚至百余年的开采历史中,聚集了大量人口,形成了矿城和独特的地域文化。 一旦矿区关闭,必将面临诸多新的问题,比如经济萧条、工人失业、矿区人口外流、矿井水污染、采矿设施报废、地面荒芜等。 德国自2019年开始不再进行煤炭资源开采,关闭的矿区随之进入了“后采矿”时代(Post-mining),但这是一个非常漫长的时期,其影响也是巨大的。 据统计,德国北莱茵—威斯特法伦州(NRW)有50% 的城市受到关闭矿井的影响[5]。

因此,制定和实施关闭矿井(区)的可持续发展计划是一项系统工程,需要采用科学方法来确定关闭矿井面临的风险和机遇,建立一套风险监测系统和管理机构,并且与区域社会的发展规划密切结合,以便为关闭矿区的未来创造最佳的发展条件和环境。 目前,关闭矿区面临的主要问题可归结为以下5 个方面。

1.1 环境污染

1.1.1 水污染

水污染是废弃矿井带来的环境污染中最严重的一种[6]。 受采矿活动的影响,原有的地下岩层裂隙更为发育,裂隙间相互贯通,导致整个地下水流通体系错综复杂。 而在矿井废弃关闭后,原有的地下排水系统也随之停止,水位回升,导致采空区内污水与其他水层相互渗透融合,从而使得该地域的整个地下水系统受到污染影响。 同时,已污染的地下水无法得到有效的疏排而逐渐溢出地表,经地表漫流进而对地表水域造成严重的水污染。 此外,废弃的矸石山等会渗流出含有有毒物质的水流,形成地表沼泽或污染附近的农田土壤。

1.1.2 大气污染

矿山开采活动会产生许多的粉尘、废气等污染物。 由于多数废弃矿山没有采取有效的防治措施,导致原有岩层结构受到严重破坏,地表会出现较大范围的塌陷或开裂,地下采空区的有毒气体顺着这些开采活动形成的岩层裂隙溢出地表,污染大气[7]。 露天开采的矿体或地表堆积的矿体受自然风化的影响也会造成严重的空气污染。 另外,对于关闭矿井,开采遗留的主井、副井、探井、钻孔等,由于矿井关闭封堵,井口简易闸门、井口帽易遭受不法分子盗窃和破坏,导致被封堵的油、气、水渗出或流出井口,造成环境污染[8]。

1.1.3 地面沉降

随着矿产开采活动的停止,覆岩形成新的平衡结构,但该结构较为脆弱,受地下水位升高的影响,岩层浸泡在水中强度会降低,此时的平衡结构易破坏,造成地层的二次塌陷[9]。 由于矿产开采活动不可避免地对地质结构产生破坏,若矿山关闭后缺少有效的关闭退出措施,遇到地震、泥石流等影响范围较大的地质灾害时,采空区上部的岩层结构难以承受上覆岩层的压力,可能引起更大范围的地质变化,从而波及周边地面,造成大范围的地表沉降或水土流失。 早期采用房柱法开采的矿区,原有煤柱经过多年的风化、浸泡也会逐渐破坏失稳,在某一煤柱破坏后,可能导致其他煤柱应力条件变化,引起煤柱的连锁破坏,最后引起地面塌陷,这一问题在美国和中国等矿区均有发生。

1.2 矿业文化保留与传承问题

1.2.1 原有固定资产难以处理

矿山开采企业属于资金密集型的企业,这决定了矿区企业固定资产体量巨大[10]。 但由于采矿行业的特殊性,其最初的固定投入一般较大,且其固定资产基本是为特定地质条件而设计的,难以更换地点进行再次使用或转卖,导致这些设备的可变现率和可回收率极低。 矿区关闭后,不仅会面临巨大的资产损失,资产设施也将闲置、报废造成巨大的资源浪费。 因此,企业的固定资产的保留与处理是阻碍采矿企业转型发展的主要问题之一。

1.2.2 原有历史文化难以保留

中国是世界上最早开发和利用煤炭资源的国家。 煤炭是中国能源的主要来源之一,也是中国经济的重要支柱。 中国的经济发展至今,得益于一代又一代采矿人的不畏艰难、锐意进取的坚强意志以及他们克服困难、挑战自我的拼搏精神和吃苦耐劳、脚踏实地的奉献精神[11]。 而如今随着一些矿区煤炭资源的枯竭,煤炭企业有序退出,地区原有的矿业文化也正在逐步消失。 因此,在新时期中国能源革命下,如何继续保留和发扬矿业文化,是关闭矿区地方政府要考虑的一大难题。

1.3 矿区转型困难

煤炭开采是与地质环境进行物质和能量交换与转移的动态运动。 由于矿山地质构造复杂多样,地质环境长期受采动影响严重,以及中国对于煤矿关闭后的资源开发利用研究起步较晚,基础理论研究薄弱,关键技术还不成熟[12],加之相关的煤炭企业一般以国企为主,经营领域相对单一,使得企业的转型方向不明确,进而增大了企业的转型风险。虽然废弃矿井利用形式多样,但是综合利用率不高。 废弃矿井关闭后重新利用,岩层裂隙增多,地质构造更加发育,地质条件更加复杂,无有效精确探测勘探系统描述覆岩裂隙分布规律,存在诸多安全隐患,综合管理难度增加,且地下环境相对复杂,影响地下巷硐、采空区稳定性的扰动因素较多,地下水运移规律不清,综合治理难度大。

1.4 关闭矿区职工安置难度大

采矿行业是劳动密集型产业,其特点是具有大量的劳动力。 就去产能矿区而言,保守估计有大约130 万的煤炭员工需要重新就业[13]。 采矿行业职工多数技能单一,年龄偏大,文化程度偏低,因此一旦矿区关闭,员工培训转岗较为困难,择业空间和再就业机会较少,就业适应能力普遍偏低,就业渠道也相对有限。 此外,由于行业的特殊性,在淘汰职工指标方面也很难确定。 如果一刀切将所有关闭矿区的职工都进行转业,会流失很大一部分采矿行业的核心人才[14],从而导致采矿行业出现人才断层现象。 职工如何培训再就业、如何分级分流安置等问题,都使矿区关闭后职工的安置面临着巨大的困难。

1.5 关闭矿区开发利用与发展方面专业人才稀缺

中国对关闭矿区后的资源利用研究起步较晚,在后采矿教育与技术方面的人才储备较少[15]。 如今中国煤炭发展进入新常态,煤炭行业从过去粗放式的开采模式向精细化转变,绿色开采不断发展,但对于关闭矿区资源利用研究仍处于起步阶段,对于关闭矿区的生态开发尚缺乏顶层设计。 同时在智能化发展的浪潮中,煤炭行业不断变化的发展观念、发展阶段、开采模式和目标都对人才队伍的储备和人才素质的培养提出了新的要求。 煤炭行业的转型发展,更是对发展新时代煤炭人才提出了更高的要求。

2 德国的关闭矿区处理方案

德国曾经是世界煤炭生产大国,自20 世纪60年代后煤炭进入衰退期,大量矿井关闭、煤炭产量下降、矿工人数减少,自此开始重视矿区的整治。德国从宏观上将采矿分为勘探阶段、生产阶段和后采矿阶段[16]。 后采矿阶段是对采矿遗留的土地、矿井、工业设施、建构筑物和环境等进行风险评估、整治与再利用时期,这个阶段会延续很长时间,对矿区居民的生产、经济和生活影响最为深远。 采矿生产阶段结束后,遗留下了大量治理难题与灾害风险,如环境破坏、采矿废弃物占用大量土地、地表沉陷、矿井水上升、采矿设施与建筑物破坏等,这些都是后采矿阶段必须面对的挑战与风险,但同时也必须看到其中蕴藏的发展机遇。 德国面对后采矿阶段的整治战略是:

(1) 尽量减少矿井关闭过程引起的负面影响;

(2) 最大化地实现矿井关闭的潜在收益;

(3) 最大限度地减少矿井关闭的风险;

(4) 最大限度地抓住所有能带来持久收益的机会。

2.1 成立后采矿研究院

为了应对后采矿阶段的风险和进行矿区管理,德国波鸿工程应用技术大学招收“岩土工程与后采矿”专业工程硕士,成立了后采矿研究院。

硕士专业“岩土工程与后采矿”是针对在职学生业余时间学习的培养方案。 培养方案的前六个学期,主要面向本科为岩土工程及应用地质、矿物资源工程及测量学专业的学生,同时也接受其他相关专业的学生。 本培养方案学习期满毕业时授予工程学硕士学位。 毕业生也可以继续攻读博士学位。

后采矿研究院是处理煤矿开采结束后出现复杂问题的中心机构,其作用是汇集现有知识,确定新的研究领域并进行研究,具体包括开展研究、知识管理与传播、教学、信息和公关工作、具体研究项目。

因此,无论是培养岩土工程与后采矿硕士以及开展后采矿研究,都需要交叉学科的知识和人才共同参与。

2.2 地质生态学与矿井水处理

矿井水是隔水层和裂缝渗透到地下的雨水,这些裂缝会溶解矿物(如盐类),并在迁移过程中可能形成矿物质水。 进行地下煤炭开采时,水泵会不断地将矿井水抽储到地表,以防止淹井,影响生产。由于气候变化不断加剧,矿井水的有效利用与回收在关闭矿区资源利用中是至关重要的一部分。 目前,温带矿井水的利用主要集中在提供地热能源方面。 将矿井水的热能转化为电能在全球具有一定的技术潜力。 因此,德国后采矿研究院通过开发矿区废水的净化分离等新技术,进而有效地利用矿井水资源[5]。

2.3 地质监测技术

德国后采矿研究院通过结合遥感技术、经典传感器技术、机器人技术、建模和/或模拟来开发监控系统,并将每个过程进行集成,为有效的监控系统奠定坚实的数据分析基础[17]。 此外,研究院使用了由欧盟和欧洲航天局(ESA)哥白尼计划的开放性访问数据。 该计划为地球观测和地球信息服务提供了最新的高性能设备,为后采矿地质监测提供了高分辨率的遥感环境数据。 哥白尼计划还特别利用了哥白尼哨兵新技术,专门设计了7 个卫星任务,从地球外层空间进行地球监测。

通过对地下水管理、地表移动、土地利用以及覆盖范围等相关数据的监测,可实现太空监测数据、卫星支持的地面传感器与地面专业技术信息的数据关联。 图1 展示了一个基于卫星的不同湿地形成阶段监测的实例,为2012年10月由美国航空协会鹰型机载红外传感器拍摄的鲁尔河地区北部希思·基希勒·海德荒地湿地。

图1 鲁尔河地区北部希思·基希勒·海德荒地湿地Fig.1 Wetland of Heath Kirschler Hyde Wasteland in the northern Ruhr Region

2.4 工业区的保护

自19 世纪以来,德国出现了一批受煤炭工业影响的城市,这些城市如今已经成为一个超过500万居民的大都市圈。 在德国的鲁尔地区,煤炭工业发展对社会和建筑业产生了很大的影响。 虽然这些矿井已经关闭,但在鲁尔地区仍然可以看到“煤炭时代”的痕迹,如埃森的煤矿(图2)和焦化厂,被联合国教科文组织列入了世界遗产名录。

图2 德国埃森Zollverein 煤矿XII 竖井井架工业遗产Fig.2 Industrial heritage of shaft headframe XII of Zollverein Coal Mine in Essen,Germany

近30年的努力,在整个鲁尔地区创造了一种新的工业文化。 2010年,埃森市和鲁尔地区共同宣布成为欧洲文化之都,是迈向后采矿时代的重要里程碑。 居民对所在地区的认同和越来越多的外国游客[18]所产生的热情表明,工业文化尤其是矿业文化已成为当地的品牌。 作为一个文化亮点,每年的“ExtraSchicht——工业文化之夜”吸引了超过20 万游客[19]。 以鲁尔的煤炭和钢铁为出发点,文化之都诞生了一个能够通过艺术和文化推动欧洲的新大都市[18]。 2017年,鲁尔地区最大的城市埃森获得了欧盟颁发的欧洲绿色首都奖。

2.5 矿区可持续转型发展

可持续转型发展,一方面要积极适应矿区的发展,同时放眼未来,其中必将遵循相应的管理原则(目标、战略和实施措施),即“为实现城市和农村地区的可持续发展而进行的所有相关/可能/合适的哲学、愿景、想法、目标、概念、项目、计划、措施和行动的总和或组合”,也可以被认为是一种针对已定义的区域定制的“基于位置的策略”。

后采矿可持续性在社会维度的一个基本要素是:避免原矿区失业率的大幅上升。 但是,德国鲁尔区并没有达到长期避免失业增加的目的(图3)。特别是对低技能的人来说,附近没有足够的替代就业机会。 到目前为止,鲁尔地区的失业率平均接近10%[20-21]。

图3 鲁尔地区总体失业率与矿业劳动力的比较Fig.3 Comparison of overall unemployment rate and mining labor force in Ruhr district

近50年里,德国鲁尔地区做出了许多努力,包括成立了24 所大学和11 个研究机构,但是鲁尔地区在1970—2017年间仍然减少了6 万居民[21]。在这期间,对于将“煤田”环境转变为后工业服务部门和创意区具有重要意义。 为了给矿工在转型区域创造新的就业机会,德国能源工业在过去几年里进入了向可再生能源转变的发展模式,主要包括矿区光伏电站、利用矿山矸石堆和地下矿井结构的抽水蓄能发电厂、地热能生产等。

3 中国关闭矿区治理与资源利用成功案例

3.1 开滦关闭矿区生态治理

自1878年开平矿务局成立以来,唐山开滦矿区已经开采140 余年。 由于开采活动以及1976年唐山大地震等因素影响,共造成地表沉陷面积200 km2,且塌陷区仍将以每年1.3 km2的速度增加,共计形成塌陷坑53 个,其中紧邻唐山市中心的南湖塌陷区面积已经达到29 km2,最近处距离唐山市中心仅1 km,长时间的煤炭开采活动使得原有的生态系统遭到破坏。

3.1.1 南湖塌陷区生态修复

1996年以来,为治理南湖塌陷区,改善城市生态环境,在塌陷区实施了大面积绿化、水体还清、道路建设等基础工程,经过9年治理改造,形成了塌陷区南湖生态公园雏形[22]。 2007年,国内外多家规划设计单位提出了南湖城市中央生态公园建设方案,2008年3月正式开工建设,历时14 个月建设完成南湖生态城,绿地面积16 km2,水域面积11.5 km2,具体占地面积划分见表1。 南湖生态城的建设完成,标志着南湖塌陷区作为废弃矿区生态环境严重退化的历史结束,同时也打破了一直以来认为采煤塌陷区不能开发和建设的误区,成为中国后采矿的典型成功案例。

表1 南湖城市中央生态公园用地划分Tab.1 Land division of Nanhu City Central Ecological Park hm2

3.1.2 开滦国家矿山公园

采煤塌陷区治理除形成了南湖公园外,还形成了开滦国家矿山公园[23]。 它位于唐山市中心区域,紧邻有着136年开采历史、被誉为“中国第一佳矿”的开滦唐山矿业公司,是一座集工业遗迹保护、煤炭文化、近代工业文明展示于一体的近代工业主题的国家级矿山公园。

开滦国家矿山公园建于2005年8月,总规划占地面积近70 万m2,分两大园区。 一是中国北方近代工业博览园,二是老唐山风情小镇,两大景区由矿用自备铁路连接,形成一个完整的旅游园区。园区内建有博物馆和三个分展馆,内容涵盖煤炭的生成与由来、古代采煤史拾萃、开滦煤田地质构造及赋存、煤炭开采流程及煤炭开采史、电的使用、电学知识与电力发展史、蒸汽机车史和中国铁路运输史、井下探秘游、采煤塌陷知识等。

经过后采矿的建设发展,开滦矿区已经打造成为一个集现代化煤矿工业生产、工业旅游观光于一体的大型工业园区,集中体现了现代矿山工业的生态、环保、节能的理念,成为中国现代化矿山工业园区和后采矿循环经济的国家级示范基地。

3.2 徐州采煤塌陷区治理与利用

贾汪区是徐州市煤炭开采的发源地,自1882年至今已有百年开采历史。 由于煤炭资源长期高强度、大规模地开采,造成采煤塌陷区多达1 160 hm2,土地资源和生态环境遭到破坏。

2010年,徐州市开始实施潘安湖采煤塌陷区生态修复与空间综合整治工程,打造潘安湖湿地公园[24]。 首创了“基本农田整理、采煤塌陷地复垦、生态环境修复、湿地景观开发”四位一体治理模式,科学划定农业区、生态区与建设用地区,对采煤塌陷地区进行了全面综合规划。 将百年煤城变成了拥有7 000 亩开阔水面和4 000 亩湿地景观的生态公园,完成了从“一城煤灰半城土”到“一城青山半城湖” 的转变,成为采煤塌陷区治理的示范工程。

2014年,潘安湖湿地公园被评为国家4A 级旅游景区。 其中,一期修复工程形成了以湿地景观游览观光为主的湿地生态公园;二期修复工程则更加突出休闲娱乐功能,将以二期南湖公园为核心,在煤矿塌陷地形成的大面积水域基础上,打造集游览观光、生态宜居、旅游度假、乡村民俗体验等为一体的最美乡村湿地景观。

3.3 京西矿区地面及地下空间利用

京西矿区紧邻首都中心城区,具有得天独厚的地理位置和交通优势。 其煤矿开采可追溯到辽代,承载了800年北京工业文明发展史。 矿区位于燕山运动地质构造遗产核心区、北京生态涵养区,其地下空间的开发利用,不仅可以有效缓解城市土地供应压力、解决交通拥堵、保障城市可持续发展,而且可以有效应对城市、战备设施抗击军事打击,防范自然灾害影响。

为实现京西煤矿的顺利转型,谢和平团队根据地下空间不同的巷道和场所特点,结合京西煤矿的分布特点,为京西矿区不同矿井提供了转型计划(表2)。另外,以木城涧矿和千军台矿为基地,通过生物技术、模拟阳光等技术,完善地下污水、垃圾处理系统,确保生态植被生长,开发空气循环系统和地热转换与空气循环系统,积极构建地下生态系统[25]。

表2 京西煤矿转型计划Tab.2 Transformation plan of Jingxi coal mine

4 我国关闭矿区的几点思考

4.1 可持续性与后采矿

联合国1987年发表的《布伦特兰报告》将可持续发展一词定义为既满足当代人需要,又不损害后代满足其自身需要的能力的发展。 此外,可持续发展有3 个基本目标:①让尽可能多的人分享财富(社会可持续性);②持久的、积极的经济发展(经济可持续性);③保护自然(环境可持续性)[26]。这种实现可持续性的三维方法也可以转化为后采矿的相关活动:①限制排放和地表下沉,减少环境损害(环境维度);②开采损害和后采矿投入两者的管理成本尽可能低(经济维度);③满足矿区居民生活的愿景,确保生活质量和后采矿福利(社会维度)。 仅仅实现这些目标并不难,但最重要的是,后采矿的措施要从一开始就要执行,这意味着当计划开发矿山以及在整个矿山全生命周期内,就要考虑所有采矿和后采矿活动对土地、水、气候、植物、动物和人的影响。

4.2 关闭矿区的利用及发展空间巨大

煤炭作为中国能源的主体地位在相当长一段时间内是无法改变的,仍将担负中国国家能源安全、经济持续健康发展的重任。 随着中国经济社会的不断发展,煤炭资源持续开发,相当一部分矿井已达到生命周期,也有一部分矿井由于安全问题突出、开采成本高、亏损严重等面临关闭或废弃。 尤其是近年来实施的煤炭去产能政策,促使一批资源枯竭及落后产能矿井和露天矿坑加快关闭,形成大量的关闭或废弃矿井。

对中国行政区共有31 个省(区、市)(不含香港、澳门、台湾)的煤炭赋存储量进行统计,截至2016年底,关停煤矿可利用地下空间量总计7 525 万m3。 至此,全国距离地级市50 km 以内的煤矿数量共计2 466 个,规模共计163 632 万t/a,产生可有效利用的地下空间量约1.9 亿m3[25]。 根据对煤矿开采地下空间利用的适宜性的评价,井工开采工作面2013年以前已有、近期形成的采空区地下空间(2014—2018年)以及2030年新增预计地下空间如图4 所示。

图4 煤矿开采地下空间可利用量Fig.4 Available quantity of underground space in coal mining

可见,中国单是煤矿开采后形成的地下空间可利用量巨大,若再算上废弃矿区的残余瓦斯、煤矸石、矿井水等资源,中国关闭矿区不仅能实现可持续转型发展,还能继续保障国家能源安全。

4.3 关闭矿区资源利用构想

(1) 构建废弃矿井储能系统。 可再生新能源普遍具有不稳定、调峰能力受限等缺点,而废弃矿井则为此类新能源提供了天然的储能空间。结合关闭矿区的资源特点,选择合适的电站类型(抽水储能、重力储能、空气压缩蓄能等),合理利用废弃矿井的地下空间资源,形成“废弃矿井+新能源”储能模式,推动传统矿业向新能源电站发展,使“1+1>2”成为现实。

(2) 建立废弃矿井地下水库。 地下水库的储水空间主要是由采矿活动后形成的垮落带和裂隙带组成,矿井水主要赋存于岩石空隙中,具有投资少、蒸发量小、污水处理费用低等优点。 根据废弃矿区矿井水资源赋存特征及地质条件,可将废弃矿井采空区改建成地下蓄水水库,使地下污水转化为清洁水、施工用水等,实现矿井水的循环利用。

(3) 基于生态修护开发废弃矿井工业旅游。大规模的矿产开采活动破坏了原始的地形地貌,矿区森林植被赖以生存的土壤层遭到毁坏,针对上述问题,基于废弃矿区开发条件和旅游商业价值,进行技术经济评价,最大程度地保留工业遗产和工业文化的相关设施(如井架、建筑物、厂房、焦化厂和高炉等),充分利用废弃矿井资源,通过改良或重建退化的生态系统,因地制宜地设计可供选择的工业旅游模式,改善矿山废弃地生态、经济系统。

谢和平在《煤炭革命的战略与方向》中,根据关闭矿区资源的埋深分布,系统地阐述了关停矿井资源化转型升级所涉及的关键技术(图5)[25]。 该构想根据不同开发模式对地下空间环境条件的要求,设定了适宜开发的深度,强调随着深度的增加,地下空间的安全和环境维护成本将急剧增加,指明深地灾害限制了煤炭地下空间的开发。

图5 关闭矿区资源利用埋深分布Fig.5 Distribution of buried depth of resource utilization in closed mining area

4.4 关闭矿区转型发展教育与技术人才储备

关闭矿区后的转型发展需要强大的驱动力以及高水平的科技能力[16]。 这个强烈的驱动力需要思维的改变:关闭矿区后的转型发展不应只是避免开采活动带来的灾害,而应是以规划开采和充分利用关闭矿区剩余资源,实现可持续发展为基础的发展过程。 为实现思维的转变,我们需要与德国等已进入后采矿时代的国家交流学习,在高校设立相关专业学科,建立一个由公司、大学、政府机构、采矿有关部门和研究中心组成的系统网络,以促进知识和技术的传播,形成一套完善的人才培养机制。

中国矿业大学(北京)在硕士研究生的招生中,除了设置传统采矿工程学术研究生专业外,也增设了资源与环境专业硕士专业,着重对该类研究生在矿井全生命周期内对矿井规划、建设、使用以及再利用等方面的培养,也更加注重在后采矿以及资源可持续发展等相关方面的人才储备,同时开设相关课程与实训实践,进一步完善“后采矿”技术人才的培养机制。

5 结 语

废弃矿井的直接关闭造成了资源的巨大浪费。对于关闭煤炭矿区资源的综合利用,无论是在矿井水处理、地质监测、工业区文化的保护和发展方面,还是废弃矿区的可持续转型发展方面,国外都开展了大量的研究工作,提供了大量可供参考和借鉴的技术方法和理论基础。 实施关闭矿井(区)的可持续发展计划是一项系统工程,需要采用科学方法来确定关闭矿井面临的后续环境污染、固定资产难以处理、转型困难、企业职工难以安置等问题。 因此,合理开展关闭矿区资源的开发利用,不仅能够减少资源的浪费、变废为宝,提高资源的开发利用效率,还能为关闭矿山企业提供转型和可持续发展的战略路径,推动资源枯竭型城市转型发展。

中国是一个煤炭大国,巅峰时期中国的煤矿数多达80 000 多处,随着煤炭资源的枯竭和国家去产能的政策要求,目前中国的生产矿井数量已减少至3 000 处左右,众多的矿区关闭提供了大量的地下空间和可用资源,且在中国高质量发展的要求下,煤炭行业必将经历一场变革。 在这个工业文明向生态文明转变的新时代,煤矿矿区关闭带来一系列挑战的同时也必将带来新的发展机遇。