储气、储水、储油、储物资、处置核废料，废弃矿井地下空间开发潜力巨大

随着煤炭工程技术发展和中国能源组成结构的不断调整，加之煤炭供给关系的不断变化、煤矿自身服务年限的期满，关闭/废弃矿井不断产生。

这一方面带来了生态污染等很多生态问题，而另一方面关闭/废弃矿井仍赋存大量可利用资源，尤其是矿井地下空间及矿井地上空间等功能化可利用空间资源，开发利用空间巨大。

本文梳理了不同类型储物下的研究现状，研究了矿井遴选、密封性能、储物空间大小、储物时间等，提出了相应的地下空间储物评价指标和改造技术，形成了适合中国国情、自然地质条件的关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障理论与技术。

中国关闭/废弃矿井空间资源研究较薄弱且技术不成熟，亟需开展废弃矿井地下空间资源利用研究。

关闭/废弃矿井可利用资源的功能化资源中，关闭/废弃矿井地下空间资源是最为稳定且易开发的资源，开发成本低、回报高、易实现。

当前尚未有专门针对关闭/废弃矿井地下储“物”空间的全面研究，不同类型储物下的矿井遴选、密封性能、储物空间大小、储物时间等方面尚需展开深入研究，以形成适合中国国情、自然地质条件的关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障理论与技术。

不同类型储物稳定性研究现状

储气

中国液化天然气进口量将继续低速稳态增长，其对外依存度依然较高，亟需开辟新的建库领域，加快地下储气库能力建设。

目前全球共有3座煤矿地下储气库，分别位于比利时和美国（美国的储气库还在运行），均是为了满足天然气调峰需求而建设。

利用关闭/废弃矿井作为地下储气库，所注入的气必须能在地下空间保存至少20年，因此在废弃矿井选址时需要注意：渗透性较低的基岩可以作为较好矿井地下储气库封闭天然气盖层；矿井围岩应弹性模量较高、完整性较好；地下空间体积应满足要求；密封界面处的气渗应单独分析；位置选择时应尽量靠近天然气主管道或用气负荷中心。

利用关闭/废弃矿井作为地下储气库仍然有许多难题需要解决，包括：关闭/废弃矿井已形成的渗气途径密闭问题；原有开采方法所形成的采空区的稳定性问题；对于关闭/废弃矿井型地下储气库，采场顶板中存在大量方向各异的采动裂隙且应力状态不相同。

建议调研关闭/废弃矿井，通过废弃矿井信息库，为关闭/废弃矿井地下空间资源利用提供数据支持；深入研究不同类型废弃矿井空间地质条件、空间改造方式、密封性能、经济性和安全性；保障储气环境的稳定性，在解决了环境稳定性问题的基础上合理开发不同类型的废弃矿井，开辟新的建库邻域。

储水

中国工程院院士钱鸣高针对煤炭开采对地下水资源的影响提出煤矿绿色开采理念和煤矿保水开采技术。

开发关闭/废弃矿井的地下空间资源储水蓄能技术，对解决中国水资源匮乏问题有很大帮助。

虽然目前已经建成了多个地下储水库，但大多数建在正在生产的矿井中，为了保障地下水库空间环境的稳定，使其能够长期稳定的运行，需要解决许多关键性问题：进行水源预测，了解地下水的运移规律以及水量预测是建设地下储水库的前提；还需建立配套的监测和预警措施，以保障地下储水库的安全运行。

由于废弃/关闭矿井的水文地质条件更为复杂，库存空间更难确定，如何充分利用废弃/关闭矿井地下空间也是接下来要考虑的问题。

储油

中国国家石油储备主要采取地面罐和地下洞库2种形式。

大型储油罐是石油行业中用途最为广泛的储油方式，建设容易、储油量大、易管理，但其安全性是需要深入研究的课题。

地下储油库安全性、环保性和经济性都要更好，但选址前需要重点考虑区域围岩稳定性、顶板稳定性及地下水条件；此外，地下洞库与地下水密切相关，对渗透性更加严格，但目前针对关闭/废弃矿井的地下水动力学场的数值模拟分析的方法还较少。

因此，亟需对已有的储油方法进行改造或开发出新的储油方法。

废弃煤矿地下空间储油安全性高、运行成本低、火灾风险低、气温恒定，已有许多国家就废弃矿井储存石油展开相关实践。

处置低中放性核废料

由于经济、清洁等优点，核能越来越受到人们的重视，但妥善处理核废料也是必须要解决的问题。

若能将关闭/废弃矿井经过改性、筛选从而作为中低放废物的处置场所，不仅可以解决中低放废物的去向，还可以实现关闭/废弃矿井的再次利用。

德国、捷克已经率先开展了该方面的研究，中国起步较晚，目前仅有辽宁兴城某废弃铀矿2000年开始处置废物，2003年处置完毕。

利用关闭/废弃矿井处理中低放废物涉及体系较多，选址、监测、安全环境都应进行深入考虑，应构建试验和理论模型，综合多方面因素，经过详细论证，形成采用关闭/废弃矿井处置核废料的安全型、环境友好型储存方法。

储存物资

废弃矿井具有稳定的热环境，恒定的温度和湿度易赶走啮齿动物和昆虫，十分适合食物的储存，同时可以有效抵抗地面载荷，实现通风和低渗透的有效控制，已有国家利用废弃矿井储存农作物、新鲜食品及重要军事物资等。

地下空间也可以作为储存农作物种子的地点，废弃矿井地下空间稳定热环境，恒定温度和湿度的特点，保证了农作物种子的生理活性，是非常好的储存地点。

此外，废弃矿井地下空间具有安全和不易被发现的特点，因此可以用作重要物资和文件的储存场所。

把废弃矿井地下空间作为储物库，具有大大减少国家开支，方便管理；保证物资、装备、设施长期有效；保证在遇到突发状况时及时提供额外的物资设备；环境稳定性高，物资受环境因素影响小等优点，是未来物资储备的发展趋势。

关闭/废弃矿井围岩渗透性

时效特征和改造方法

由于地下岩体随时间发展导致围岩中微小裂缝形成、延伸或贯通，一方面为岩体渗流提供了路径，导致岩体渗透特性增加，另一方面也对岩体强度力学特性造成了显著影响。

因此，在进行地下空间稳定性改造时，也应充分考虑渗透性和强度变形特性的时效特征效应。

关闭/废弃矿井空间的不同利用方式应满足不同的地质环境、煤层、水文等要求。

针对评价指标为好的关闭/废弃矿井地下储物空间，可以用来储存要求最高的中低放性核废料。

可以在矿井关闭前即做相应处理，例如采用煤柱支撑法处理采空区，以储存更多的中低放性核废料。

此外应考虑围岩密封性问题，通过浇筑混凝土或在巷道周围砌混凝土的方式来封堵天然裂隙或缺口，达到加强密封的作用。

同时应保证废弃矿井地质条件至少在万年以上与人类环境安全隔离，可长久安全运行。

针对评价指标为较好的关闭/废弃矿井地下储物空间，可以用来储气、储油、储水等要求相对较低的物资。

应采取纳米改性混凝土材料等新型材料进行密封处理，保证地下空间渗透性和稳定性达标，通过调整地下空间运行压力，保证其稳定性与密封性，减少天然地下水损失，以形成真正密闭的“储存容器”。

针对评价指标为一般的关闭/废弃矿井地下储物空间，可以用来储种子、文件、食品、粮食、水果等要求较低的物资。

对较大空间的矿井应采取分段开挖方式，在开挖同时对矿井内岩层进行支、护等措施；对存在断层的地下空间，应加强锚杆支护；优化开挖顺序，采取软件进行仿真模拟计算，对不同方案的围岩变形规律进行比较，找出最合理的方案，保证其长期稳定性。

还需考虑顶板移动变形、围岩变形稳定性、防水密封等方面，对密闭墙位置、断面尺寸、墙体厚度等进行设计，保证地下储物资的空间安全性。

针对评价指标为较差的废弃矿井地下储物空间，经过详细论证和大量改造后，可以用来储种子、文件、食品、粮食、水果等要求较低的物资。

还可以填充混凝土墙，使其稳定程度、渗透度达到要求标准，同时应控制地下水位，防止对矿井侵蚀导致储物空间寿命缩减，以达到长期处理储存物资的条件。

结论

随着中国煤炭工业的不断发展，关闭/废弃矿井数量也在不断增加，但关闭/废弃矿井仍有大量资源可供开发利用，存在巨大的开发潜力。

参考发达国家的先进经验，加大示范项目建设力度，推动中国矿井地下空间多样化发展，关闭/废弃矿井地下空间利用方式多样化的新局面。

同时应完善矿山关闭法律法规，在矿井关闭前即进行适当考虑和改造；开展关闭/废弃矿井资源普查及灾害预测预报；出台关闭/废弃矿井转型优惠鼓励政策；加大自主技术研发；展开示范项目建设。

以此来推动废弃矿井规模化应用，加大矿产资源开采后的环境整治、资源开发、空间利用，引入新型产业结构，形成关闭/废弃矿井环境友好型资源再利用的新局面。

本文作者：郝宪杰，陈泽宇，张通，王振宇，任波，武志德，陈凯，詹镕城，黄睿来

作者简介：郝宪杰，中国矿业大学（北京）共伴生能源精准开采北京市重点实验室、中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，副教授，研究方向为地下工程稳定性。

论文全文发表于《科技导报》2021年第13期，原标题为《中国关闭/废弃矿井地下空间储物环境稳定性保障：现状、评价及改造》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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