山西省煤礦采空地下空間評(píng)估與再利用研究

孫瑩潔，劉 廷，刁玉杰，胡智凱

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300304；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

煤炭是我國(guó)的主導(dǎo)能源，長(zhǎng)期以來(lái)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。但隨著我國(guó)煤炭資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，很多煤礦面臨關(guān)閉和廢棄，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦井將達(dá)1.5萬(wàn)處（袁亮等，2018）。同時(shí)據(jù)估算，截至2030年煤礦采空地下空間將達(dá)到241.11億m3（謝和平等，2018）。如果關(guān)閉/廢棄煤礦直接棄用，將造成重大的資源浪費(fèi)，還可能誘發(fā)后續(xù)的安全和環(huán)境問(wèn)題。山西省煤炭資源豐富，煤炭開(kāi)采歷史悠久，煤炭產(chǎn)量一直居全國(guó)前列，且90%以上的煤礦為地下開(kāi)采，煤炭開(kāi)采形成了大量的采空地下空間。

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，山西作為能源資源型地區(qū)和碳排放大省，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)意義重大，而實(shí)現(xiàn)煤與新能源的協(xié)同發(fā)展將是山西省煤炭產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)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(chǔ)能或地下封存二氧化碳等有效結(jié)合，既可以解決我國(guó)未來(lái)風(fēng)電光伏等清潔能源缺乏穩(wěn)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(fèi)，從而為山西省煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展及山西省實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供有力支撐（王雙明等，2023）。

關(guān)于山西省煤礦采空地下空間利用現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)模式，以往相關(guān)研究多以定性為主（劉漢斌等，2021；劉欽節(jié)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(shí)對(duì)地下空間利用模式多集中于某個(gè)單礦的特定模式。本文在前人研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述山西省開(kāi)采及廢棄煤礦井巷和工作面開(kāi)采形成的采空區(qū)地下空間，探索提出山西省煤礦地下空間未來(lái)較有潛力的四種利用模式及優(yōu)先發(fā)展區(qū)，以期為山西省等煤炭資源集中開(kāi)采區(qū)煤礦地下空間的開(kāi)發(fā)利用提供借鑒。

1 山西省煤炭資源及煤礦分布簡(jiǎn)介

山西省煤炭資源具有儲(chǔ)量大、分布廣、品種全、煤質(zhì)優(yōu)、煤層多、煤層厚、埋藏淺、易開(kāi)采等特點(diǎn)（霍超，2020）。全省含煤面積6.2萬(wàn)km2，占全省面積的40%。全省賦存煤炭資源并已經(jīng)開(kāi)采的有91個(gè)縣（市、區(qū)），占全省縣（市、區(qū)）的76.47%。截至2022年2月底，山西省共有生產(chǎn)煤礦653處，當(dāng)年生產(chǎn)原煤13.07億噸，分別占全國(guó)煤礦數(shù)量及產(chǎn)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(huì)太原以北地區(qū)，主要由大同、平朔、軒崗和河保偏等礦區(qū)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(xiāng)寧、霍東等礦區(qū)組成。晉東煤炭基地位于山西省陽(yáng)泉、長(zhǎng)治、晉城和晉中等市縣境內(nèi)，主要由陽(yáng)泉、長(zhǎng)治和晉城等礦區(qū)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(guó)成立以來(lái)，山西省煤炭工業(yè)得到大力發(fā)展和振興，原煤年產(chǎn)量58年保持全國(guó)第一。但隨著礦區(qū)煤炭資源的枯竭和山西省煤炭去產(chǎn)能政策的深入推進(jìn)，山西省關(guān)閉煤礦數(shù)量逐年增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅“十五”～“十三五”期間（2000～2020年），山西省已合計(jì)關(guān)閉退出煤礦8066座，合計(jì)退出產(chǎn)能大于5億噸/年（張農(nóng)等，2019；劉漢斌等，2021）。

成為我國(guó)第一個(gè)全省域能源革命綜合改革試點(diǎn)之后，山西省積極推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展以風(fēng)電、光伏發(fā)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(dá)峰碳中和背景下，山西省如何推動(dòng)煤炭清潔高效利用，同時(shí)保障國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)綠色低碳甚至零碳排放成為下一步的重點(diǎn)研究方向。

2 山西省煤礦采空地下空間可利用判識(shí)與估算

2.1 煤礦采空地下空間可利用判識(shí)

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(shí)現(xiàn)二次利用，必須有一套可以判識(shí)的指標(biāo)。謝和平等（2018）針對(duì)煤礦地下空間可利用性提出了交通便利性、圍巖穩(wěn)定性等6項(xiàng)判識(shí)指標(biāo)。袁亮等（2018）提出可以綜合考慮地質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立改建油氣儲(chǔ)庫(kù)、放射性廢物處置庫(kù)、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(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)多層次模型。

本次依據(jù)前人研究成果，經(jīng)綜合分析后提出定性與定量相結(jié)合的煤礦采空地下空間可利用的4項(xiàng)判識(shí)指標(biāo)：即系統(tǒng)安全性、空間穩(wěn)定性、空間資源量和開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性。具體指標(biāo)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 煤礦采空地下空間可利用判識(shí)指標(biāo)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(chē)場(chǎng)、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(lèi)型巷道地下空間可根據(jù)式（1）計(jì)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(zhǎng)度；i為巷道條數(shù)。

由于山西省煤礦眾多，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)每個(gè)煤礦的井巷空間難以實(shí)現(xiàn)，故此采用文獻(xiàn)（謝和平等，2018）中使用的煤礦規(guī)模與井巷可利用地下空間量的比例系數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)煤礦規(guī)模與利用系數(shù)）進(jìn)行估算，見(jiàn)表2。

表2 山西省煤礦規(guī)模與其井巷可利用地下空間量的比例系數(shù)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(chǎn)煤礦井巷可利用地下空間

根據(jù)山西省能源局公布的2022年2月底山西省煤礦生產(chǎn)能力情況相關(guān)數(shù)據(jù)，匯總出2022年山西省生產(chǎn)煤礦現(xiàn)狀（表3）。根據(jù)煤礦規(guī)模與利用系數(shù)估算得出山西省現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦井巷可利用地下空間量總計(jì)約15378.3萬(wàn)m3，即1.54億m3。

表3 截至2022年2月底山西省生產(chǎn)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(guān)閉煤礦井巷可利用地下空間

從新中國(guó)成立到20世紀(jì)90年代，山西省煤炭工業(yè)經(jīng)歷了從緩慢發(fā)展到快速發(fā)展的階段。20世紀(jì)90年代末期，全國(guó)煤炭行業(yè)進(jìn)入低谷，山西省開(kāi)始對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整頓，1998年山西省取締私開(kāi)煤礦1453個(gè)，壓減產(chǎn)能2679萬(wàn)噸；1999年關(guān)閉不合理煤礦1565個(gè)，壓減產(chǎn)能4399萬(wàn)噸。

進(jìn)入21世紀(jì)后，山西省實(shí)施煤礦資源整合，“十五”期間（2000～2005年），山西省退出煤礦4187處，產(chǎn)能1億噸每年以上（現(xiàn)按1億噸/年計(jì)算）。“十一五”期間（2006～2010年），山西省要求強(qiáng)制淘汰主要產(chǎn)煤縣年產(chǎn)9萬(wàn)噸以下的煤礦，山西省退出煤礦3603座，按最低線9萬(wàn)噸/年計(jì)算，即退出產(chǎn)能32427萬(wàn)噸/年。“十二五”期間（2011～2015年），山西省要求淘汰年產(chǎn)30萬(wàn)噸以下的煤礦，山西省退出煤礦138座（張農(nóng)等，2019），按最低線30萬(wàn)噸/年計(jì)算，即退出產(chǎn)能4140萬(wàn)噸/年?！笆濉逼陂g（2016～2020年），山西省關(guān)閉煤礦138座，合計(jì)退出產(chǎn)能為10889萬(wàn)噸/年（劉漢斌等，2021）。

本次詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了“十五”至“十三五”期間（2000～2020年）山西省關(guān)閉/退出煤礦的數(shù)量、規(guī)模及產(chǎn)能，得出在此期間山西省共退出煤礦8066座，退出產(chǎn)能約57456萬(wàn)噸/年。根據(jù)煤礦規(guī)模與利用系數(shù)估算得出“十五”至“十三五”期間，山西省關(guān)閉/退出煤礦的井巷可利用地下空間量10516.19萬(wàn)m3（表4），約為目前生產(chǎn)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(guān)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(qū)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(kāi)始垮落、開(kāi)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(qū)可利用空間主要存在于垮落帶和裂隙帶內(nèi)（張毅和秦容軍，2022）。假設(shè)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(qū)地下空間體積V3，按空間守恒定律則存在如式（2）所示的關(guān)系（謝和平等，2018；李全生和張村，2021）：

煤炭采出體積V根據(jù)每年煤炭產(chǎn)量除以平均密度計(jì)算；地表沉陷體積V1可根據(jù)地表下沉系數(shù)η計(jì)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(shù)K計(jì)算，V2=V3K，K一般取0.1。故煤礦工作面采空區(qū)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(qū)地下空間

建國(guó)以來(lái)山西省煤炭生產(chǎn)大體經(jīng)歷了全面恢復(fù)、緩慢發(fā)展時(shí)期（1949～1977年）、高速發(fā)展時(shí)期（1978～1997年）、調(diào)整結(jié)構(gòu)時(shí)期（1998～2008年）和兼并重組時(shí)期（2009年至今）四個(gè)階段。1949年，山西省煤炭產(chǎn)量267萬(wàn)噸，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的8.2%；到2021年，山西省煤炭產(chǎn)量達(dá)到11.93億噸，接近1949年的447倍，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的28.9%。1949～2021年山西省煤炭產(chǎn)量及增長(zhǎng)速度見(jiàn)圖2。

圖2 1949～2021年山西省煤炭產(chǎn)量及增長(zhǎng)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(chǎn)量合計(jì)為225.24億噸，其中露天煤礦產(chǎn)出比例約占8%，故井工煤礦采出煤炭產(chǎn)量為207.22億噸。按照山西省煤炭平均密度1.45 t/m3，計(jì)算采出煤炭體積為142.91億m3。山西省地表下沉系數(shù)按0.7取值，得出山西省1949～2021年井工煤礦工作面開(kāi)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(qū)地下空間

2022年山西省煤炭產(chǎn)量為13.07億噸，其中露天煤礦產(chǎn)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(jì)算采出煤炭體積為8.32億m3。山西省地表下沉系數(shù)按0.7取值，得出山西省2022年井工煤礦工作面開(kāi)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(chǎn)資源總體規(guī)劃（2021-2025年）》，到2025年山西省煤炭產(chǎn)能穩(wěn)定在15.6億噸/年以內(nèi)、煤炭產(chǎn)量保持在14億噸/年，按2023～2030年山西省地下煤炭開(kāi)采量每年13億噸預(yù)計(jì)（露天開(kāi)采量按1億噸/年核算），則8年合計(jì)采煤104億噸，按照煤炭密度平均為1.45 t/m3，計(jì)算地下開(kāi)采采出煤炭體積為71.72億m3，預(yù)計(jì)到2030年山西省還要形成采空區(qū)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(jié)合將是亟需考慮的問(wèn)題。早在20世紀(jì)中期，國(guó)外就開(kāi)始探索煤礦地下空間開(kāi)發(fā)利用，發(fā)展了多種再利用途徑。典型案例主要集中在德國(guó)、芬蘭、荷蘭、美國(guó)、日本等國(guó)家（劉峰和李樹(shù)志，2017；劉志強(qiáng)和宋朝陽(yáng)，2019；董霽紅等，2022），如德國(guó)魯爾礦山工業(yè)旅游景區(qū)及由ProsPer·H 煤礦開(kāi)發(fā)的半地下抽水蓄能發(fā)電站、荷蘭海爾倫市的廢棄礦井地?zé)岚l(fā)電站、美國(guó)科羅拉多廢棄煤礦儲(chǔ)氣等。其中德國(guó)ProsPer·H 煤礦是世界上第一個(gè)將廢棄煤礦改建而形成的蓄水電站，可儲(chǔ)水100萬(wàn)m3。目前全世界利用廢棄煤礦改建的地下儲(chǔ)氣庫(kù)有三座，其中兩座位于比利時(shí)（Peronnes和Anderlus廢棄煤礦儲(chǔ)氣庫(kù)），庫(kù)容分別為1.8×108m3和1.2×108m3；另一座在美國(guó)（Leyden廢棄煤礦儲(chǔ)氣庫(kù)），庫(kù)容為0.73×108m3。日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目即利用廢棄煤礦坑作為儲(chǔ)氣洞穴，最大壓力為8 MPa。目前國(guó)外對(duì)廢棄煤礦封存二氧化碳尚處于研究階段。

國(guó)內(nèi)對(duì)廢棄煤礦等地下空間利用也進(jìn)行了較多的研究（謝和平等，2015；郝憲杰等，2021；韓運(yùn)等，2021；葛偉亞等，2021），不過(guò)由于經(jīng)濟(jì)性和政策等方面的原因，國(guó)內(nèi)廢棄礦井資源開(kāi)發(fā)利用率較低，主要以旅游開(kāi)發(fā)為主，資源則以煤層氣抽采為主，其余利用模式如儲(chǔ)氣庫(kù)、儲(chǔ)油庫(kù)、抽水蓄能電站等較少。不過(guò)隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出及風(fēng)光電能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，山西省煤炭地下空間的利用將更加多樣化。總體來(lái)說(shuō)，隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山西省煤礦采空地下空間利用模式可歸納為以下四類(lèi)。

3.1 地下旅游或地下倉(cāng)儲(chǔ)

利用廢棄礦井地下空間開(kāi)發(fā)地下旅游或地下倉(cāng)儲(chǔ)功能相對(duì)較成熟，目前國(guó)內(nèi)外均有成功案例（董霽紅等，2021；劉欽節(jié)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(qǐng)成為國(guó)家礦山公園，建成了大同煤炭博物館、井下探秘區(qū)（圖3）等七大景區(qū)，其中井下探秘區(qū)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(chǎn)業(yè)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。2007年山西省晉城鳳凰山煤礦在3號(hào)煤層內(nèi)建成了一個(gè)多功能井下實(shí)訓(xùn)基地，全面反映了煤礦生產(chǎn)的全過(guò)程，為高等院校和煤礦企業(yè)安全培訓(xùn)提供了絕佳場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)了煤礦地下空間的二次轉(zhuǎn)型，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。山西省煤礦尤其是廢棄煤礦數(shù)量眾多，同時(shí)山西省為旅游大省，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和旅游條件將廢棄礦山開(kāi)發(fā)為礦山公園和地下旅游景區(qū)。

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

國(guó)內(nèi)外利用廢棄礦洞儲(chǔ)存物資的開(kāi)發(fā)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(guò)利用較多的為石灰?guī)r礦，利用煤礦的相對(duì)較少。但隨著煤炭地下空間利用技術(shù)的發(fā)展，以及煤炭地下空間所具有的恒溫恒濕環(huán)境這一有利條件，煤礦作為儲(chǔ)庫(kù)來(lái)儲(chǔ)存蔬菜和糧食等物品將具備現(xiàn)實(shí)條件。

山西省北部地區(qū)的大同礦區(qū)和中部地區(qū)的太原東西山等礦區(qū)交通位置條件較好，同時(shí)煤層埋藏較淺，工程地質(zhì)條件相對(duì)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(yōu)先在該區(qū)進(jìn)行煤礦地下空間地下旅游或地下倉(cāng)儲(chǔ)功能開(kāi)發(fā)。

3.2 地下抽水蓄能

利用廢棄煤礦進(jìn)行地下抽水蓄能電站的建設(shè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了有益探索。Madlener and Specht（2020）等學(xué)者論述了德國(guó)將廢棄煤礦改造成地下抽水蓄能電站的構(gòu)想及經(jīng)濟(jì)可行性。德國(guó)魯爾ProsPer·H煤礦改造的蓄能電站，平時(shí)用過(guò)剩的風(fēng)能和太陽(yáng)能將下層水抽入改造過(guò)的廢棄煤礦的上層，高峰時(shí)將上層的水放到下層去發(fā)電，作調(diào)峰使用（圖4）。國(guó)內(nèi)謝和平、袁亮等論述了煤礦地下抽水蓄能電站的概念和關(guān)鍵技術(shù)，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(quán)縣與華能集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂煤礦采空區(qū)抽水蓄能項(xiàng)目三方框架協(xié)議，旨在全力打造“風(fēng)光水火儲(chǔ)”多能互補(bǔ)一體化能源基地，這也標(biāo)志著山西省利用廢棄煤礦進(jìn)行抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入了新的篇章，同時(shí)為山西省其他地區(qū)廢棄煤礦的轉(zhuǎn)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(qū)太行山西側(cè)的陽(yáng)泉礦區(qū)、長(zhǎng)治礦區(qū)和晉城礦區(qū)及山西省西部地區(qū)呂梁山區(qū)的河保偏礦區(qū)、離柳礦區(qū)和鄉(xiāng)寧礦區(qū)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(duì)較深，地表與地下高差較大，且山區(qū)風(fēng)能資源豐富，具備了建設(shè)地下抽水蓄能的必要條件。故建議優(yōu)先在太行山和呂梁山區(qū)選擇綜合條件相對(duì)較好的礦區(qū)開(kāi)展煤礦地下空間抽水蓄能示范工程。

3.3 地下壓縮空氣儲(chǔ)能

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用廢棄煤礦進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的可行性和儲(chǔ)能庫(kù)穩(wěn)定性方面進(jìn)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(chǔ)能的 可 行 性；Zimmels et al.（2002）、Kim et al.（2012，2016）等利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了開(kāi)挖擾動(dòng)作用下地下儲(chǔ)氣庫(kù)的受力和變形情況，探討了內(nèi)部壓力作用下儲(chǔ)氣庫(kù)的氣密性和穩(wěn)定性。日本于2001年投入運(yùn)行的上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，利用的也是廢棄煤礦坑（地下400 m以下）作為儲(chǔ)氣洞穴。

隨著風(fēng)光等清潔綠色能源的大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能尤其是利用煤礦地下空間儲(chǔ)能開(kāi)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(chǔ)能的可行性和面臨的多場(chǎng)耦合、空氣泄漏、溫度壓力變化等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。同煤集團(tuán)云岡礦于2019 年開(kāi)工建設(shè)的云岡礦北大巷廢棄巷道壓縮空氣儲(chǔ)能電站，是我國(guó)首個(gè)利用廢煤礦巷道改造的壓縮空氣儲(chǔ)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(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富，其中風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為5300×104kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為460×104kW，風(fēng)能資源較好區(qū)域主要分布在晉西北地區(qū)、管涔山、呂梁山脈西側(cè)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(diǎn)是由南向北逐漸增加，總輻射最高區(qū)位于北部的左云、右玉、五寨等縣區(qū)（王宏英和王文亮，2009）。目前山西省正大力開(kāi)發(fā)風(fēng)能及太陽(yáng)能等新能源，故此宜選擇風(fēng)能和太陽(yáng)能豐富的晉西北、呂梁山北部的大同、平朔及軒崗等礦區(qū)開(kāi)展煤炭地下空間壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程。

3.4 地下封存CO2

隨著“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的提出，二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展。CO2地質(zhì)封存作為CCUS技術(shù)的核心組成部分，決定了CO2地質(zhì)封存的潛力和前景。山西省因煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的采空區(qū)和頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙為煤礦地質(zhì)封存CO2提供了大量地下儲(chǔ)存空間，同時(shí)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(diǎn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者如王雙明等（2022）論述了煤層擾動(dòng)空間進(jìn)行CO2地下封存的技術(shù)途徑和必備條件（圖6）；黃定國(guó)等（2014）、姚強(qiáng)嶺等（2023）等探討了煤礦廢棄礦井采空區(qū)封存CO2的機(jī)理、可行性和開(kāi)發(fā)前景。山西省屬于碳排放大省，如能進(jìn)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(shí)現(xiàn)煤炭資源產(chǎn)業(yè)鏈的零碳或負(fù)碳開(kāi)發(fā)，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(wěn)定，煤層厚度較大，埋深適中。沁水盆地南部于2003年已開(kāi)展了二氧化碳驅(qū)替煤層氣（CO2- ECBM）先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，注入效果良好（葉建平等，2007）。同時(shí)沁水盆地亦為咸水層CO2地質(zhì)封存適宜區(qū)。故此宜選擇沁水盆地南部的晉城礦區(qū)、長(zhǎng)治礦區(qū)等適宜煤礦開(kāi)展采空地下空間封存CO2或?qū)⑵渑c咸水層封存CO2有效結(jié)合來(lái)進(jìn)行封存試點(diǎn)研究。

4 結(jié)論及建議

（1）在全面分析山西省煤炭資源及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，基于比例系數(shù)法和采動(dòng)空間守恒測(cè)算了山西省目前生產(chǎn)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(guān)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(kāi)采形成的采空地下空間約38.98億m3，2022～2030年山西省預(yù)計(jì)還要形成采空區(qū)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(jié)合我國(guó)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)施和山西省能源低碳發(fā)展需求，充分考慮傳統(tǒng)能源和新能源優(yōu)化組合基礎(chǔ)上，提出了山西省煤礦采空地下空間四種利用模式，即相對(duì)傳統(tǒng)的地下旅游和地下倉(cāng)儲(chǔ)模式、未來(lái)具備較大發(fā)展?jié)摿Φ牡叵鲁樗钅苣Ｊ健⒌叵聣嚎s空氣儲(chǔ)能模式及地下封存CO2模式。同時(shí)根據(jù)山西省各礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件，明確了開(kāi)展煤礦采空地下空間不同利用模式的優(yōu)先示范區(qū)域。

（3）山西省應(yīng)在詳細(xì)調(diào)研全省煤礦采空地下空間基礎(chǔ)上，開(kāi)展不同利用模式下煤礦地下空間的評(píng)價(jià)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究，將地下空間與風(fēng)光水火儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，超前布局攻關(guān)儲(chǔ)能等關(guān)鍵技術(shù)，探索建立地下儲(chǔ)能儲(chǔ)碳示范區(qū)，力爭(zhēng)成為全國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的排頭兵。

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