我国能源资源赋存的基本特点是贫油、少气、相对富煤，煤炭在我国一次能源的生产和消费结构中的比重分别占76%和66%[1]。煤炭作为主体能源地位相当长一段时期内无法改变，仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展重任[2]。随着我国经济社会的发展和煤炭资源的持续开发，部分矿井已到达其生命周期，也有部分落后产能矿井不符合安全生产的要求，或开采成本高、亏损严重，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/废弃矿井[3]。据统计，“十二五”期间淘汰落后煤矿7 100处，淘汰落后产能5.5亿t/a，其中关闭煤矿产能3.2亿t/a[4]。中国工程院重点咨询项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”研究结果表明，预计到2020年，我国关闭/废弃矿井数量将达到12 000处，到2030年数量将到达15 000处[5]。
矿井关闭或废弃后，仍赋存着多种巨量的可利用资源。据调查，目前的关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t，非常规天然气近5 000亿m3，并且还具有丰富的矿井水资源、地热资源、空间资源和旅游资源等[6-9]。由于我国煤炭企业的关闭/废弃矿井再利用意识淡薄，多数矿井直接关闭或废弃，而未开展关闭/废弃矿井资源的再开发利用。这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[10-14]。
因此，开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究，不仅能够减少资源浪费、变废为宝，提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率，而且可为关闭/废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持续发展的战略路径，推动资源枯竭型城市转型发展。本文在深入分析国内外废弃矿井资源开发利用现状的基础上，指出我国关闭/废弃矿井资源利用必须走智能精准开发之路，在此基础上提出了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的科学问题，系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源的开发利用方向和研究内容。研究结果对于提高我国煤矿安全水平、促进能源结构调整、保障国家能源安全和经济持续健康发展具有重大意义。
1 关闭/废弃矿井资源开发利用现状
1.1 国外开发利用现状
欧美诸国现代采矿工业发达，更是造就了巨量的关闭/废弃矿井。仅以加拿大安大略省为例，约有6 000座报废矿井和近7 000座采空采石场和露天矿井[15]。1963年，美国利用Denver附近Leyden废弃煤矿(距地表240～260 m)建成世界首座废弃煤炭矿井地下储气库，形成1.4亿m3储气能力。1975年，比利时在Anderlues建成废弃煤炭矿井地下储气库，形成1.8亿m3的储气能力[16]。在美国南达科他州一处废弃金矿，由于其开采深度达到1 500 m，其地下空间被斯坦福大学用来进行极深地实验，用于提供粒子物理前沿领域的暗物质直接探测实验等重大研究课题所需要的深地低辐射环境[17]。美国铁山公司利用废弃矿井地下空间建立了第1个地下文件存储中心，其安全级别仅次于白宫和国防部的秘密资料库。1906年，德国通过在Asse盐矿开挖竖井，1908年开采盐矿，1964年盐矿被收购;1967—1978年，处置低中放射性废物，共处置12.5万个低中放射性废物桶;2005年，开始关闭工作，是利用地下空间资源处置废弃物的典型案例[18-19]，如图1所示。乌克兰在喀尔巴什州位于地面以下206～282 m的岩盐矿井内外开办了一所医院，用于治疗哮喘病人，统计治愈率达84%[16]，如图2所示。美国科罗多州的大理石矿井，出产纹理细腻、色彩华丽的名贵大理石材，开采枯竭后，遗址洞穴被人以“大理石之旅”为招牌开发旅游，如图3所示。
图1 德国Asse盐矿存放低中放废物
Fig.1 Asse salt mine in Germany for deposition of low and medium level waste
图2 乌克兰岩盐矿井医院
Fig.2 Halite mine hospital in Ukraine
图3 “大理石之旅”为主题的废弃矿井旅游开发
Fig.3 “Marble Tour” as the theme of tourism development in abandoned mine
1.2 国内开发利用现状
随着我国经济发展进入新常态，煤炭等行业的大规模产能退出，加速诸多矿井的关闭退出。但是目前，我国关闭/废弃矿井资源开发利用整体处于试验阶段，比较成熟的是利用废弃盐矿矿井建设地下储气库。在金坛地区成功改造3口废弃盐岩溶腔，形成近5 000万m3的工作气量，而在云应、淮安、平顶山等盐矿废弃溶腔改造储气库工作正在开展[20]，如图4所示。安徽含山石膏矿计划利用废弃矿山采空区改建储油库，建成后预计可形成500万m3的储油量[21]。此外，截至2013年，中国已建成开放或获批在建的国家矿山公园共有70多个，其中包括河北唐山开滦煤矿国家矿山公园、太原西山国家矿山公园、焦作缝山国家矿山公园等[17]，如图5所示。
图4 金坛盐穴储气库
Fig.4 Salt cavern gas storage in Jintan
图5 已建成开放或获批在建的国家矿山公园
Fig.5 National Mining Park that has been completed or under construction
开发利用好关闭/废弃矿井资源是世界性难题。综上可以看出美国、德国、英国等发达国家开展了大量探索研究，但仍未形成可推广的成熟模式。我国对关闭/废弃矿井资源开发利用的研究起步较晚，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，且存在煤矿地质条件复杂、阶段性关闭/废弃矿井数量大等特殊条件，因此我国关闭/废弃矿井资源利用必须走智能精准开发之路，运用现代化信息技术，以多物理场耦合、智能感知、精准控制等理论和技术为指导，实现我国关闭/废弃矿井资源的精准开发与利用。
2 关闭/废弃矿井资源精准开发面临的科学问题
关闭/废弃矿井资源智能精准开发利用涉及多学科交叉协作、内容纷繁复杂，实施过程中需要解决诸多科学问题。
(1)地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制
我国矿井开采历史悠久，由于开采方法及开采装备等的历史性限制，关闭/废弃矿井内存在大量的遗弃煤炭资源。研究地下煤炭气化高效转化的耦合机制，分析地下气化的影响因素及适用条件的评价方法，构建成熟的地下气化开发利用技术体系，并从资源利用效率、经济、环保等方面探讨关闭/废弃矿井煤炭地下气化开发利用的潜力、价值、综合利用途径和商业模式。
(2)基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理
我国关闭/废弃矿井采场和巷道空间错综复杂，储物环境保障是进行地下空间储物的难点，基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障，实现地下空间透彻感知、深度互联和智能应用是未来研究重点。开展关闭/废弃矿井空间资源利用主要涉及地下可利用空间地质构造的高清透视、地下空间围岩渗透性时效特征和长期稳定性、关闭/废弃矿井既有地下空间的优化改造、关闭/废弃矿井资源开发利用的法规标准以及相关政策支持等方面的研究。
(3)基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式
我国关闭/废弃矿井水文地质条件极其复杂，在煤矿关闭后地下水动力场和化学场剧变，易造成串层污染，威胁区域含水层，甚至污染供水水源地。分析关闭/废弃矿井地下水系统和环境特征，基于应力场-裂隙场-渗流场的耦合演化规律对矿井水进行智能精准开发。
我国矿井非常规能源(以煤层瓦斯为例)抽采现阶段主要集中在开采前预抽采和开采中卸压抽采，真正利用关闭/废弃矿井进行煤层瓦斯抽采的实例较少。进一步分析我国关闭/废弃矿井非常规能源赋存分布与迁移规律、采动解吸-扩散-渗流特征，获得煤岩体裂隙场动态演化规律，并耦合气体渗流场研究非常规能源富集规律，提出关闭/废弃矿井非常规能源的智能精准开发技术体系。
(4)构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式
可再生能源是能源供应体系的重要组成部分。发展可再生能源已成为我国推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径。结合关闭/废弃矿井可再生能源特点，推进关闭/废弃矿井新能源微电网技术体系和管理体制，开展关闭/废弃矿井综合性储能技术应用示范，形成以可再生能源为主、分布式电源多元互补的关闭/废弃矿井新能源微电网技术体系势在必行。
(5)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
我国关闭/废弃矿井工业旅游开发长期处于零星分散、小规模、低水平的状况，对于关闭/废弃矿井的生态开发尚缺乏顶层设计，与之相关的技术经济评价与可供选择的生态开发模式尚处于探索研究阶段。面对上述问题，基于关闭/废弃矿井旅游资源价值和开发条件等，首先进行改良和重建退化的生态系统，修复和改善矿山废弃地生态经济系统，因地制宜构建不同尺度关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。对我国关闭/废弃矿井工业旅游资源进行功能重构，提出我国关闭/废弃矿井工业旅游开发的战略与对策措施。
3 我国关闭/废弃矿井资源精准开发的主要研究方向和内容
3.1 调研关闭/废弃矿井可利用空间资源
由政府主管部门牵头、相关部门协助，成立国家关闭/废弃矿井资源利用部际协调组，对关闭/废弃矿井资源分布、数量等基本信息进行系统调研，获取关闭/废弃矿井资源的详细数据，为国家决策提供支撑。
与此同时，由行业主管部门对关闭/废弃矿井的矿山环境潜在问题、矿山环境评价、环境修复治理、地下空间与矿井水开发利用等进行调查，为关闭/废弃矿井资源开发提供科学依据。
3.2 关闭/废弃矿井残余煤炭气化开发利用
自从煤炭气化的设想提出以后，英国、美国等国家先后进行了煤炭地下气化试验研究及开发工作[22]。我国也于20世纪50年代开始进行地下煤炭气化研究与试验，并取得了一定成就。如今，依托于关闭/废弃矿井的巨大空间资源进行煤炭地下气化的研究工作，变产煤为产气，必将给我国煤炭资源开发战略增添新的活力。
(1)对我国关闭/废弃矿井适用于煤炭地下气化的资源进行全面评估，从国家层面对资源进行整合，建设煤炭地下气化产业示范区。
(2)成立国家级煤炭地下气化实验中心和工程研究中心，产、学、研相结合，进行产业化关键技术的研发与攻关，形成具有我国自主知识产权的关闭/废弃矿井地下气化技术体系。
(3)成立国家级关闭/废弃矿井地下煤气化行动小组，统筹国内地下煤气化技术的实施，制定发展策略和发展规划，制定中长期关闭/废弃矿井煤炭地下气化关键技术开发及产业化计划。
3.3 关闭/废弃矿井非常规天然气(AMM)开发利用
关闭/废弃矿井煤层气抽采包括地面钻井、井下密闭及预留专门管道抽采。我国在煤矿关闭或废弃时，基本未采取任何措施预留抽采管道。克服当前难题，基于多场耦合理论实现非常规能源的智能精准开发，变产煤为产气。
(1)中国AMM赋存特征复杂，研究筛选煤炭开发五大区(晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区)内的关闭/废弃矿井，分析评价不同区域AMM资源二次成藏机理与分布特点，科学评估我国AMM资源量。
(2)系统调研煤炭采掘与瓦斯抽采历史、煤层特征、资源条件等，建立AMM资源量评价模型。结合AMM赋存参数特征，构建AMM产气量预测模型及其经济性评价指标体系，定量评估AMM的极限开采量和经济价值。
(3)重点发展AMM开发利用的基础理论与关键技术，探索适合国内AMM开发利用可行性技术方案，建立国内AMM开发利用示范基地，形成AMM开发利用顶层设计与战略规划指导体系，建立健全AMM开发利用政策支撑体系。
3.4 关闭/废弃矿井水资源智能精准开发
以五大区为研究对象，分析关闭/废弃煤矿区域地下水系统和地下水环境特征，基于多场耦合智能精准开发关闭/废弃矿井水，变产煤为产水。
(1)构建关闭/废弃矿井含水层污染缓解体系。在五大区还有一定抽水条件的关闭/废弃矿井，仍然坚持抽水和封堵较大导水通道相结合，使含水层水位保持较低水平，减少矿井水的形成。
(2)建立无抽水能力矿井群污水处理中心。矿井水水位上升会造成地下水系统污染，为此根据五大区地下水和煤系地层特点，将矿井水导入标高较低的采空区(可以是关闭/废弃矿井群的最低且比较大的采空区)，实现污水处理后分质利用。
(3)深化采空区地下水库开发。在“导-储-用”为核心的煤矿地下水保护利用理念上[23]，未来需按照不同的地质条件，进一步研究采空区空间规模储水，在采空区水库设计思路方面取得新突破。
3.5 关闭/废弃矿井油气储存与放射性废物处置
当前，我国油气储库规模和能力严重不足，地下储库作为能源系统重要的基础设施，具备现实需求。同时，随着核电机组的大规模建设，未来数十年运行将产生近百万立方米放射性固体废物。而目前我国还没有专门处置核电厂放射性固体废物的处置库，很多核电厂的暂存库只能超期暂存废物。根据我国关于放射性废物处置的法律法规、标准规范，关闭/废弃矿井可以用于处置放射性固体废物。未来，可围绕未来核电厂所在区域，就近选择关闭/废弃矿井进行评估，建设放射性废物处置库。
(1)从国家层面统一规划油气存储、放射性废物处置设施布局，出台关闭/废弃矿井地下空间利用政策和指导意见，形成关闭/废弃矿井改建油气储库、放射性废物处置库国家战略与利用规划方案。
(2)根据关闭/废弃矿井的不同类型及特点，综合考虑地质、管道、安全、经济、环境等因素下建立关闭/废弃矿井改建油气储库、放射性废物处置库选址原则与评价优选方法。
(3)同步开展关闭/废弃矿井改建油气储库、放射性废物处置库的建设条件、改造技术研究，针对不同类型关闭/废弃矿井进行油气地下储库、放射性固体废物库的工程改造技术、密封技术、经济性和安全性评价方面开展专门的技术攻关。
3.6 关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发电
地下抽水蓄能发电在美国、德国等已经成为一种比较成熟的技术，其中大部分地下抽水蓄能电站均是依托关闭或废弃矿井建立的。我国若要实现关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发电，需要全面研究关闭/废弃矿井开发利用过程中矿井水资源化的政策、经济、能源、环境问题，开展利用关闭/废弃矿井建设地下水库、矿井水循环利用和抽水蓄能发电等技术研究。
(1)结合未来关闭/废弃矿井分布、数量及容积等参数，充分利用关闭/废弃矿井中巨大的地下空间，实现储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标，实现变产煤为产电。
(2)建立地下水库建设与抽水蓄能发电的技术路线图，提出亟需攻克的关键技术领域和研发平台，构建煤矿地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化技术体系。
3.7 关闭/废弃矿井可再生能源开发利用
关闭/废弃矿井可再生资源的开发利用，需建立在摸清沉陷区土地地质条件和封存状态、可再生能源资源禀赋、周边电力需求及输送条件等的基础上，利用信息化及大数据分析等技术手段建立关闭/废弃矿井可再生能源开发利用与微电网输能模式。
(1)综合评估沉陷区土地利用条件，结合可再生能源资源需求等情况，遵循安全、科学、环保、经济的原则，统筹规划、系统确定“重点开发”、“潜在开发”和“不开发”等几种类型。
(2)加强基于不同类型沉陷区光伏、地热能、风电等适用技术创新、系统优化的基础研究，建立关闭/废弃矿井可再生能源利用的技术创新平台。
(3)采用大数据分析等技术手段建立可再生能源为主、分布式电源多元互补的关闭/废弃矿井新能源微电网技术体系。
3.8 关闭/废弃矿井生态修复与接续产业培育
目前，我国在关闭/废弃矿井生态开发方面主要集中于废弃土地的复垦和生态修复，而对于接续产业的培育重视不足。未来应在借鉴国外成功经验的基础上，综合考虑矿区环境特点、经济水平、人力资源构成等要素、培育新产业、优化产业结构，促进区域经济可持续发展。
(1)综合考虑不同关闭/废弃矿区所处地理位置、可开发利用资源类型、气候环境特点、地区经济发展水平等因素，设计分类别、分层次的关闭/废弃矿区生态开发技术路线，以及各节点任务及支撑技术。
(2)因地制宜，合理利用关闭/废弃矿山资源，培育和发展集高新技术产业、制造业、教育、医疗、旅游服务业等产业为一体的产业集群，实现关闭/废弃矿区产业结构升级，有效带动就业，逐步成为区域新的经济增长点。
3.9 关闭/废弃矿井工业旅游开发
利用关闭/废弃矿井开展工业旅游是解决关闭/废弃矿井现实问题的重要举措，加强关闭/废弃矿井工业旅游战略研究对于资源枯竭型城市转型、扩大就业渠道及采矿工业遗产保护都具有十分重要的现实意义。
(1)全面评估我国关闭/废弃矿井地下空间旅游资源的本底特征、地理空间分布规律和矿井空间形态特征，构建适合不同地域、不同类型、不同尺度的关闭/废弃矿井旅游资源开发格局。
(2)综合我国各区域工业化水平与全国旅游资源开发总体布局，按照梯度发展规律进行关闭/废弃矿井工业旅游开发，优先发展东部、东北部，逐步发展中部和西部，重点开发经济转型迫切、代表特定时代生产力进步和社会发展的关闭/废弃矿区。
(3)通过“关闭/废弃矿井+旅游”模式创新，形成新型旅游产品，促进关闭/废弃矿区与城镇化、农业现代化、新型工业化、现代服务业信息化融合发展，尽可能保持工业遗产的原真性的前提下打造具有观光、休闲和游憩功能的旅游吸引物。
3.10 废弃露天矿坑智能精准开发利用
废弃露天矿坑同样赋存大量可利用空间资源，开展资源枯竭露天矿空间资源开发利用战略研究，对提高我国资源枯竭露天矿安全水平，提高废弃矿井资源开发利用效率意义重大。
(1)开展资源枯竭深大露天矿空间资源开发利用规划研究。在对深大露天矿空间资源调研分析和获得基本数据的基础上，对可利用空间资源进行分类，制定资源枯竭深大露天矿空间资源开发利用规划方案与发展路线图。
(2)以典型露天矿坑为研究对象，分析其空间资源条件、土地资源利用和生态环境现状以及地质灾害现状等，总结相关产业面临的问题与挑战。
(3)研究区域发展与露天矿坑的相互耦合关系，分析资源枯竭矿区转型发展政策环境，提出资源枯竭露天矿资源开发利用工程科技难题和开发利用方案，如图6所示的“深坑酒店”。
图6 废弃露天矿坑开发利用前后对比
Fig.6 Comparisons of abandoned open mines before and after utilization
3.11 利用关闭/废弃矿井建设国家级科研平台
利用关闭/废弃矿井地下空间资源建设国家级科研平台，开展科学研究、数据存储等，在一些发达国家已形成非常健全的法律法规。而我国在此领域起步较晚，需要借鉴国外先进经验，形成具有中国特色的技术方法。
(1)通过设立关闭/废弃矿井地下空间资源利用国家重点研发计划课题，强化关闭/废弃矿井建设的基础研究，鼓励高校、科研院所与企业联合攻关，实现产、学、研、用结合，推动关闭/废弃矿井空间利用研究。
(2)根据国外成功经验，地下空间资源可以作为科学研究的重要场所和载体，利用关闭/废弃千米深井地下空间资源建设1∶1地质条件国家实验室，开展极深地实验研究，为国防科工、国家安全提供有力保障。
3.12 关闭/废弃矿井资源开发利用政策研究
出台支持关闭/废弃矿井资源开发利用的政策和管理办法，简化审批程序，在核准指标配置和备案手续政策上对关闭/废弃矿井开发利用项目倾斜。开展关闭/废弃矿井地下空间资源开发利用产业财政补贴、减免税、专项基金等多种扶持政策的研究。
4 展 望
随着我国煤炭去产能政策的有力实施，一批资源枯竭及落后产能矿井和露天矿坑将被关闭。矿井关闭或废弃后，仍赋存着煤、气、水、地热、空间等多种可利用资源。为进一步加强关闭/废弃矿井资源开发利用力度，需将关闭/废弃矿井纳入区域经济和社会发展中统筹部署、科学规划，把握关闭/废弃矿井开发利用的挑战和机遇，实现煤炭精准开发—科学闭坑与灾害治理—关闭/废弃资源综合利用—生态环境恢复美化的全生命周期的可持续发展，变产煤为产电、变产煤为产气、变产煤为产水、变产CO2为产O2，根据我国区域分布特征和复杂多样性的关闭/废弃矿井状况创新几种发展模式，建立示范工程，在全国推广应用，实现我国关闭/废弃矿井资源的智能精准开发与利用，推动我国能源经济安全绿色可持续发展。
应高度重视关闭/废弃矿井资源开发利用，加大关闭/废弃矿井资源开发利用科学问题的研究力度，力争2020年关闭/废弃矿井开发利用率达到20%以上，全面启动关闭/废弃矿井资源开发利用;2030年关闭/废弃矿井开发利用率达到30%以上，开发利用技术达到国际先进水平;2050年关闭/废弃矿井开发利用率达到50%以上，开发利用技术达到国际领先水平，助推中国能源科技强国梦。
致谢：本文是对中国工程院重大咨询项目 “我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究(2017-ZD-03)”现有研究成果的初步总结，向所有参研人员在项目研究过程中的辛勤付出表示感谢！
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