基于地下废弃采空区空间利用的海绵城市与地热开发协同建设的概念设计

齐文跃，张帆，韩永基

（燕山大学建筑工程与力学学院， 河北 秦皇岛　066004）

摘要：我国煤炭资源长期开发形成了巨大的地下采空空间，直接废弃不仅造成巨大的空间资源浪费，还会持续引发安全、环境及社会问题等一系列“后遗症”。为解决遗留采空空间难以开发利用的问题，以节能降碳绿色发展为导向，以提升城市洪涝灾害应对能力为目标，结合煤矿条带开采和充填开采的优势，提出一种集矿山开采、废物充填、海绵城市建设与地热开发于一体的理念。利用充填开采构筑稳定的废弃采空储水空间，控制采动裂隙非充分垮落形成导水通道，并将地表沉陷区复垦成“海绵体”，实现径流雨水的收集、滞蓄、储蓄、净化。基于存蓄水源的冷属性和深部开采的热属性，利用采空区存蓄水进行地热开发，在实现工作面降温的同时，为地表建筑供热制冷。本设计不仅能够提高采空空间的利用效率，还可缓减城市内涝压力，推进水资源高效利用，为贯彻落实“双碳”战略提供新思路。

关键词：废弃矿井；地下采空空间；固废充填；海绵城市；地热开发

中图分类号： TD82　　　　　文献标志码：A　　　　　　　　　　　

0.引言

煤炭是我国基础资源和能源，根据2021年BP发布的《世界能源统计》数据，我国煤炭储量占世界的13.33%，产量长期维持在30亿t以上，2021年达41.3亿t，占一次能源消费比重远超60%，煤炭作为主体能源地位在长期内不可动摇[1]。然而，煤炭开采过程中不可避免地形成大量的地下采空区，并且造成含水层破坏、土地塌陷、水土流失等生态环境损伤的问题[2]。据统计，全球废弃矿井超100万座，预计到2030年，我国废弃矿井达1.5万处，废弃地下空间预测约90亿m3[3]，仅山西省采空区面积就达 5000平方公里以上，其中包含4700余口废弃矿井[4]。废弃地下采空空间资源利用是否得当关系到周围环境的绿色和谐及产业的可持续。因此，如何科学妥当处置废弃采空区？让“弃儿”变“宠儿”，是未来绿色矿山发展的主流方向。

海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，在短时间强降雨产生大量地表径流时进行吸水、蓄水、渗水，在城市面临缺水时净水利用，或者将蓄存的水进行功能开发利用[5–7]。在全球变暖的大背景下,中国城镇化快速发展带来的“热岛效应”和“雨岛效应”日益凸显，城市洪涝灾害问题日趋严重[8,9]。以7·20郑州特大暴雨为例，三天降雨量达617.1mm，造成河南省150个县(市、区)1478.6万人受灾，因灾死亡失踪398人，直接经济损失1200.6亿元[10]。因此，为解决城市洪涝问题，改善城市水环境，海绵城市建设亟需进一步加强。

目前废弃矿井空间资源开发利用已经被广泛关注。顾大钊等[11]以煤矿地下水库相关技术为基础，利用地面与井下之间、井下各开采水平采空区之间的高度差，构建并初步设计了一种抽水蓄能调峰系统；袁亮等[12]以白家庄煤矿为例，提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源“能源化、资源化、功能化”协同利用综合性解决方案；浦海等[13]提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型，充分利用废弃矿井地热，水及空间资源，进行清洁能源的生产；任辉等[14]提出将关闭/废弃矿井资源综合开发利用与国家和区域经济、社会发展统筹部署的思考与建议。但关于如何将废弃采空区利用与海绵城市建设统筹考虑还研究较少。

因此，本文以地下废弃采空空间科学利用为出发点，以节能降碳绿色发展为导向，以提升城市洪涝灾害应对能力为目标，提出一种集矿山开采、废物充填、海绵城市建设与地热开发于一体的设计方案，不仅能够提高采空空间的利用效率，还可缓减城市内涝压力，推进水资源高效利用。

1.设计方案研究

1.1总体方案设计

本设计以建设海绵城市为出发点，利用膏体充填开采技术构筑稳定的地下废弃采空区储水空间，利用采动裂隙形成导水通道，利用地表沉陷区复垦成海绵体，管理城市对径流雨水的调蓄能力；基于存蓄水源的冷属性和深部开采的热属性，对采空区存蓄水进行地热开发利用，既能对工作面进行降温，同时为地表建筑供热制冷，实现水资源的循环利用。

图1 整体设计方案

1.2煤炭地下充填开采方案设计

充填开采技术是实现煤矿绿色开采及减少地面沉陷的重要技术手[15,16]。利用条带法与充填法交叉布置工作面进行回采，开采时隔空进行充填开采，采用沿空留巷作为回风巷道和充填物料、煤炭运输巷道，实施采煤、充填循环作业，利用开采后浇筑的充填体支撑上覆岩层，并形成挡水墙体，在条带开采区形成稳定的采空空间。膏体充填材料由矿山固体废弃物制备，制备工艺及配合比由试验确定。

图2 膏体充填开采技术方案

图3 条带法与充填法交叉布置

1.3海绵城市建设方案设计

将充填开采构建的稳定采空空间作为海绵城市蓄水体；并在充填体挡水墙一侧，铺设透水墙、药剂及过滤层，实现对存蓄水体的净化。根据采动覆岩垮落规律，采用合理的条带综采工作面宽度和膏体充填采煤工作面宽度以及充填体的密实度，控制采空覆岩整体处于非充分垮落状态，在保持稳定的永久采空空穴的同时，形成导水裂隙通道，使地表水易渗透至工作面，从而利用采动发育裂隙构建成海绵城市渗水通道；在地表局部沉陷区进行土地复垦，依次回填30cm厚的矸石层作为透水层，20cm厚种植土层作为植物生长层，并在地表设置溢流口及雨水收集口，形成海绵城市的“海绵体”。当发生强降水时，雨水在沉陷区的这些“海绵体”进行收集、滞蓄，并通过采动发育裂隙快速下渗，在采空区稳定空间内完成储蓄和净化。

图4 采空空间蓄水-净水方案

图5 沉陷区“海绵体”复垦方案

1.4地热开发系统方案设计

地热开采地面系统包括在发电工作平台分别连接存储冷、热流体的集流装置，集流装置出口分别连接送流管路、回流管路，在煤炭开采充填过程中铺设管道，以采空区存蓄水为冷源进行深井开采工作面降温，从发电工作平台提供动力泵送采空区废弃空间内存储的冷流体，注入到送流管路中，在压力作用下通过送流管路输送至深部开采工作面内与其连接的采热管中，冷流体在工作面内吸热、蓄热，转换为热流体，经过回流管路，输送至地面热流体的集流装置，连接至发电工作平台进行利用，完成闭路循环，再通过泵站排出为地表建筑进行冬季供暖。或者以采空区存蓄水为冷源进行地表建筑降温，从发电工作平台提供动力直接泵送采空区废弃空间内存储的冷流体至地表，在地表建筑完成降温循环后，回流至采空区，为夏季供冷降温。最后，既能利用采空区存蓄水来改善深部开采工作面环境，又能利用地热能来改善地面生活环境，达到“冬暖夏凉”，进一步加强了地热资源的合理化利用。

图6 地热开发方案设计

图7 冬季供热蓄冷

图8 夏季供冷蓄热

2.废弃采空空间建设海绵城市问题与思考

利用废弃采空空间建设海绵城市仍处于概念设计阶段，为了进一步推进概念向工程应用的转化，涉及多学科交叉协作、内容纷繁复杂，提出以下思考：

（1）多场耦合条件下胶结充填体与覆岩稳定性分析

（2）长期渗流作用下裂隙通道的张开、闭合与渗水能力控制

（3）暴雨径流下海绵体堵塞功能失效与地面深钻孔设计

（4）水循环过程中地热资源的流失与地热开发能耗匹配

3.结论与建议

本文将地下废弃采空区的利用与地面海绵城市建设相结合，提出了基于地下废弃采空区空间利用的海绵城市与地热开发协同建设的概念，解决煤炭开采过程中降低周边环境影响、提升城市内涝应对能力的方法。

（1）利用膏体充填开采技术构建地下稳定采空区空间，有效控制了岩层移动，减小了地表沉陷，实现固体废弃物的处置。

（2）利用废弃采空空间进行海绵城市建设，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，实现雨水在城市中自由迁移。

（3）利用存蓄水体进行地热开发，不仅改善了开采工作环境，还可建设“冬暖夏凉”幸福能源城市，为废弃采空区的合理开发和矿山的可持续发展提供了有效技术途径。

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