【矿山图书11】《特殊地下空间的开发利用》

发布时间:2018-06-14

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• 一、内容简介

•       21世纪是开发利用地下空间的世纪，向地下要空间已经成为全球可持续发展的普遍共识。本书依托中国工程院和中国科学院咨询研究项目，由谢和平院士领衔的行业协会、科研机构、大学、企业等核心研究团队，对我国地下空间，特别是我国特殊地下空间的开发利用进行了5年的研究探索，形成了我国特殊地下空间综合利用的原创成果。
  　　本书的特殊地下空间特指资源和矿物开采后形成的地下空间，尤指煤矿、金属矿等固体矿物开采后形成的地下空间，以及水溶法开采盐岩后形成的地下空间。全书以特殊地下空间开发利用为主线，以提升特殊地下空间综合利用为目标，首次提出了特殊地下空间综合利用的功能定位。在广泛调研我国特殊地下空间容量的基础上，形成了特殊地下空间判识与估算方法，首次绘制了全国生产煤矿井下可利用地下空间分布图、距地级市50km以内煤矿井巷可有效利用的地下空间分布图、全国煤矿有序退出井巷可利用地下空间分布图；系统提出了特殊地下空间综合利用的六大基本原则及特殊地下空间开发利用的四大设计理念，创新提出了特殊地下空间开发利用的方向、方式及科学利用的战略构想；首次提出了特殊地下空间多元协同开发理念，阐述了特殊地下空间综合利用关键技术。并结合京西关停矿井实践情况，给出了京西关停矿井特殊地下空间开发利用的典型案例构想。

• 二、前言

•         本书的特殊地下空间特指因采矿而人为开拓的地下空间，既不同于 地下溶洞、地下河流等自然形成的地下空间，也不同于人工开掘的城市 功能型地下空间，而是指资源和矿物开采后形成的地下空间，尤指煤矿、 金属矿等固体矿开采后形成的地下空间，以及水溶法开采盐岩后形成的 地下空间。具体而言，主要包括关停和废弃矿井的巷道、井底车场、硐 室、采空区及盐腔等。 人类社会发展，极大地消耗了地球资源，加之地面环境承载力极其 有限，因此“向地下要空间、要资源”成为人们寻求良好生存环境、探 索人类可持续发展的有效途径。在生态环境需求日益提高、生态文明建 设深入人心的今天，利用特殊地下空间具有重要的现实意义及深远影响。 特殊地下空间无疑是重要资源。1991 年，在日本东京举办的第四届 国际地下空间大会(Associated Research Centers for the Urban Underground Space，ACUUS)上提出的《东京宣言》认为：19 世纪是桥的世纪，20 世 纪是高层建筑的世纪，21 世纪是开发利用地下空间的世纪。国际学者 预测 21 世纪末将有 1/3 人工作生活在地下空间。地下空间开发利用得 到越来越多的重视，被公认为是构建城市可持续发展和支撑国家核心战 略的重要组成部分。 我国已进入社会经济发展的新时代、新常态，传统产业转型升级去 产能、去库存导致大量矿井关闭，如直接简单封井会直接造成数万亿元 地面地下固定资产的废弃和浪费，会间接地造成宝贵的地质和矿业遗址 的损坏。同时，地下水位上升会直接造成地下水系污染，威胁水源地安 全。我国因能源和资源开采后留下的特殊地下空间体量巨大，初步研究 统计现有可利用矿井地下空间约 100 万 km 长(可绕赤道 25 圈)，体积 达 156 亿 m3 之巨。预计到 2030 年，可利用矿井地下空间约 172 万 km ·ii· 特殊地下空间的开发利用 长(可绕赤道 43 圈)，体积达 258.6 亿 m3 。破解目前矿区传统式、低水 平、不可持续的关停并转升级难题，做到特殊地下空间的科学规划、整 体设计和有序利用，需要创新引领、高端起步，因此，我们提出了资源 型城市矿区土地资源全新开发理念，即矿区地面空间主动规划打造绿水 青山和集高新科技产业区、“双创”科技城等于一体的高端产业经济带； 矿区地下空间打造地下实验室、地下工厂、地下仓库、地下电站、地下 种植、地下停车场、地下清洁能源储能及水电系统等新型经济业态。 目前我国有资源型城市九十多座，这些城市应主动将矿区的地面土 地资源纳入城市整体功能规划，主动将矿区作为近期、远期的新城区进 行规划、建设，将矿区打造成高新开发区、科技创新中心、“双创”科 技城等，形成新的高端产业经济带。这样，既充分利用了矿区地面土地 (事实上节约了“良田”)，又带动了矿区的高端转型升级。利用矿区得 天独厚的地下空间优势，在矿区地下打造新型地下房地产业，特别是地 下经济适用房、地下图书馆、地下博物馆、地下会议展览中心、地下音 乐厅、地下养老院等，以及深地地热转换与空气循环系统、地下清洁能 源(矿井)抽水储能及水电系统、地下水库、立体地下空间的交通网络和 通信网络系统等，形成地下新型经济业态。这样，既可以避免煤矿采空 区被充填造成极大的地下空间浪费，又可以缓解地面城市发展面临的人 口增加、土地紧缺、住房紧张等突出问题。 特别是首都北京，土地资源寸土寸金，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，不仅煤矿开采可追溯到辽代，承 载了 800 年北京工业文明发展史，而且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无论是对北京的历史还是 现今都具有重要的意义。因此，我们提出利用京西矿区关停煤矿宝贵的 空间资源建立应急管理、安全监管监察、地下生态圈、国家地质公园、 矿业遗址主题公园及深地科学研究等高新技术研发和教育培训基地，结 合京西文化、旅游和生态建设，统筹规划、分步实施、持续建设，形成 高科技和高端人才创新示范区，形成深地科技创新研发基地，并为疏解 前 言 ·iii· 北京城市人口和交通拥堵及市民休闲度假提供新途径。 2012 年 7 月我们发表的《煤炭开采新理念——科学开采与科学产 能》一文中提出煤炭的科学开采，对部分煤矿实施关停并转，以淘汰落 后产能；2015 年提出地下空间探索构想，特别是特殊地下空间的开发 利用研究；2016 年 4 月在中国煤炭工业协会“煤炭转型升级的思考与 煤炭革命战略”报告中进一步提出了矿井转型的措施及对策，为国内关 停矿井的转型明确了思路；在 2017 年 2 月召开的煤矿废弃矿井转型升 级与地下空间综合利用专家咨询会上，系统阐述了地下空间的利用现状 与趋势，未来地下城市的规划与建设研究，以及京西废弃矿井地下空间 综合利用的构想；在 2017 年 4 月于成都召开的“京西关停矿井空间开 发利用总体方案”专家论证会上，为国内其他矿井的转型提供了示范案 例；2017 年 7 月发表了题为《关停矿井转型升级战略构想与关键技术》 的科技论文，系统阐述了关停矿井资源化转型升级所涉及的关键技术， 有望为未来关停矿井的资源化利用、立体式开发和全面转型升级提供解 决思路。经过将近 5 年的系统研究，形成了我国特殊地下空间综合利用 的原创成果。为了更好地推进关停矿井的转型升级，推动我国特殊地下 空间综合利用，进一步推动建立我国特殊地下空间综合利用标准，乃至 实现经济转型、引领产业革命，形成我国经济发展新的增长点，全面提 升特殊地下空间综合利用的经济、社会、生态综合效益，课题组决定将 这些成果以专著的形式进行呈现。 本书以特殊地下空间综合科学利用为主线，以提升特殊地下空间综 合利用率为目标，首次提出了特殊地下空间综合利用的功能定位。在广 泛调研我国特殊地下空间容量的基础上，提出了特殊地下空间的判识和 估算方法，创新提出了特殊地下空间开发利用的战略构想，尤其是特殊 地下空间用于前沿科学探索的战略构想。系统提出了特殊地下空间综合 利用的六大基本原则及特殊地下空间开发利用的四大设计理念，首次提 出了特殊地下空间多元协调开发理念，阐述了特殊地下空间综合利用的 关键技术。并结合京西关停矿井的实践情况，给出了京西关停矿井特殊 ·iv· 特殊地下空间的开发利用 地下空间开发利用的典型案例构想。 本书共 8 章，第 1 章从煤矿、金属非金属矿、盐矿盐腔三个方面分 别总结了资源开采后特殊地下空间综合利用现状，并阐述了特殊地下空 间的功能定位和综合利用发展趋势；第 2 章对不同地下资源开采后形成 的特殊地下空间特征和可利用判识进行了分析，并估算了我国煤矿、金 属非金属矿和盐矿特殊地下空间容量；第 3 章提出了特殊地下空间开发 利用构想，从人与特殊地下空间围岩相互作用的视角，分析了围岩对地 下空间综合利用适建性的影响规律，论述了工业博物馆、地下疗养院、 战略能源与资源储备、地下水库蓄能发电等开发利用方向的围岩适建 性；第 4 章介绍了以工业遗产保护和经济、文化、环境等方面共同协调 发展为目标的特殊地下空间利用的六大原则，以及安全、和谐、资源开 发与特殊地下空间利用协同规划等四大设计理念；第 5 章围绕地下空间 开发建设、安全保障、系统运行三个方面论述了特殊地下空间开发利用 关键技术；第 6 章提出了特殊地下空间综合利用前沿科学构想，主要从 人体行为心理健康、深地科学实验、地下医学与地下农业研究、地下生 态城市建设等方面，论述了特殊地下空间构建前沿科学基地的科学探索 构想；第 7 章论述了如何将地面资源与地下空间进行一体化联动、渗透 与融合，实现对特殊地下空间立体多元协同开发利用；第 8 章给出了一 个典型案例，以京西关停矿井为例介绍了特殊地下空间基本情况、内外 部优势条件，并结合矿井关停顺序和建设条件提出了合理的开发利用规 划目标。 本书各章编写人员具体如下，前言：谢和平、高明忠、周宏伟、刘 见中；第 1 章：谢和平、周宏伟、任世华、杨小聪、黄丹、李银平、刘 伟；第 2 章：陈佩佩、杨小聪、周宏伟、姜明、崔锋、范志忠；第 3 章： 谢和平、高明忠、邓建辉、刘志强、张茹、赵玉栋、刘吉峰、薛东杰、 郑璐、赵家巍、李存宝；第 4 章：张安林、刘志强、刘见中、王勇威； 第 5 章：刘见中、李玉瑾、刘志强、赵玉栋、范志忠；第 6 章：刘志强、 鞠杨、朱建波、徐恒、宋朝阳、赵云、高峰、邓建辉、高明忠、张泽天； 前 言 ·v· 第 7 章：刘见中、赵路正；第 8 章：张瑞新、阚兴、周建裕、韩小乾、 马汉鹏、丁立明、崔永国、赵玉栋、李学彬、翟盛锐。全书由谢和平、 杨小聪、周宏伟、鞠杨、张安林、刘志强、朱建波、崔永国、李学彬、 陈佩佩、高明忠、赵路正统稿，谢和平审定。 本项目在研究过程中得到了中国科学院学部咨询评议项目“城市地 下空间的开发利用”(编号：B-DX-2017-02)、中国工程院重点咨询研究 项目“煤炭绿色开发利用与煤基多元协同清洁能源技术革命”(编号： 2016-XZ-036)的资助；本书的出版得到了中国工程院、中国科学院、国 家能源局、应急管理部、教育部科学技术委员会地学与资源环境学部、 北京市人民政府、中国煤炭科工集团有限公司、深圳大学、四川大学、 中国矿业大学(北京)、中国矿业大学、华北科技学院、北京矿冶科技集 团有限公司、重庆大学、中国国际能源集团有限公司等单位的大力支持； 在资料收集和现场考察过程中，得到了中国煤炭工业协会、中国煤炭学 会、中国煤炭地质总局、北京京煤集团有限责任公司、北京昊华能源股 份有限公司等单位的支持；王成善院士、钱鸣高院士、谢克昌院士、洪 伯潜院士、周世宁院士、宋振骐院士、王国法院士、武强院士、康红普 院士、凌文院士、顾大钊院士、董树文教授、赵坚教授等专家在本书研 究过程中给予了无私的指导，在此一并表示衷心的感谢。 

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•  谢和平

• 2018 年 1 月
  

• 三、作者简介

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•        谢和平,1956年1月出生，湖南双峰人，能源与力学专家,2001年当选为中国工程院院上。深圳大学特聘教授，深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长，四川大学原校长、教授、博士生导师。国务院学位委员会委员，中国科学技术协会常委。国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人。

•            谢和平院士长期致力于采矿工程、矿山工程力学、绿色能源开发利用及深地科学领域的基础研究与工程实践，特别是在破断煤岩体力学研究方面具有突出成果。在我国最早建立矿山裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了矿山裂隙岩体损伤力学研究新领域1985年起，创造性地将分形方法引入对裂隙岩体的非连续变形、强度和断裂破坏研究，并与损伤力学结合，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域。近年来，在深地科学探索领域，包括深地固体资源流态化开采、中低温地热发电、地下空间开发利用、海水能源化及深地医学等领域提出了创新性理念与构想，并在绿色能源、低碳技术与CO2矿化及综合利用技术领域进行了深入探索，取得了重要进展。

•        谢和平院士两次作为首席科学家主持国家重点基础研究发展计划(973计划)项目，担任国家自然科学基金委员会创新研究群体首席科学家。荣获首届中国青年科学家奖(技术科}学)、何梁何利科学与技术进步奖(技术科}学奖)。作为第一获奖人获国家自然科学奖二等奖、三等奖国家科学技术进步奖二等奖、三等奖。被英国诺丁汉大学、德国克劳斯塔尔工业大学、香港理工大学授予“荣誉博士”学位，获牛津大学授予的“牛津大学圣艾德蒙 Fellow”学术称号。

• 四、内容目录

前言
第1章 特殊地下空间开发利用现状分析 1
1.1 国外特殊地下空间开发利用现状分析 1
1.1.1 煤矿地下空间开发利用现状 1
1.1.2 金属非金属矿地下空间开发利用现状 3
1.1.3 盐矿地下空间开发利用现状 7
1.2 我国特殊地下空间开发利用现状分析 9
1.2.1 煤矿地下空间开发利用现状 9
1.2.2 金属非金属矿地下空间开发利用现状 15
1.2.3 盐矿地下空间开发利用现状 18
1.3 特殊地下空间开发利用趋势分析 19
1.3.1 利用规模分析 19
1.3.2 利用方式及功能定位分析 19
参考文献 21
第2章 特殊地下空间可利用判识分析与估算 23
2.1 特殊地下空间可利用判识分析 23
2.1.1 特殊地下空间类型及特征 23
2.1.2 特殊地下空间可利用判识分析 36
2.2 煤矿可利用地下空间估算 40
2.2.1 煤矿井巷可利用地下空间估算 40
2.2.2 煤矿采空区可利用地下空间估算 67
2.3 其他矿山可利用地下空间估算 76
2.3.1 金属非金属矿可利用地下空间估算 76
2.3.2 盐矿可利用地下空间估算 79
参考文献 81
第3章 特殊地下空间开发利用构想 82
3.1 特殊地下空间岩石特性分析与开发利用 82
3.2 特殊地下高新技术研发示范基地、实训基地 89
3.3 特殊地下空间工业博物馆 91
3.4 特殊地下空间地下疗养院 94
3.5 特殊地下空间战略能源与资源储备 97
3.6 地下矿井水库抽水蓄能发电系统 103
3.6.1 地下矿井水库抽水蓄能发电系统的建设意义 103
3.6.2 抽水蓄能发电技术发展现状 106
3.6.3 地下及废弃矿井抽水蓄能发电现状 110
3.6.4 竖井式蓄能电站 113
3.6.5 建设地下矿井水库抽水蓄能发电系统的关键问题 116
3.7 地下数据分析与控制中心 118
3.8 特殊地下空间生活与工业废料的安全封存 124
3.8.1 特殊地下空间废料的安全封存方法 125
3.8.2 特殊地下空间废料的安全封存技术 127
3.9 井下智能停车库系统 130
参考文献 133
第4章 特殊地下空间利用原则与设计理念 136
4.1 特殊地下空间开发利用的基本原则 136
4.1.1 地面资源与地下空间协同开发利用原则 137
4.1.2 工业遗产保护与空间创新利用和开发协调发展原则 137
4.1.3 特殊地下空间同步构建自循环生态圈原则 137
4.1.4 特殊地下空间系统化立体开发原则 138
4.1.5 特殊地下空间服务于国家战略安全原则 138
4.1.6 特殊地下空间可持续发展原则 138
4.2 特殊地下空间开发利用的设计理念 139
4.2.1 特殊地下空间开发利用本质安全的设计理念 139
4.2.2 以人为本的和谐、文明的设计理念 140
4.2.3 特殊地下空间开发利用的弹性化的设计理念 140
4.2.4 资源开发与特殊地下空间利用协同的设计理念 141
第5章 特殊地下空间开发利用关键技术 143
5.1 特殊地下空间建设关键技术 143
5.1.1 特殊地下空间内外部环境安全性检测关键技术 143
5.1.2 特殊地下空间多途径再利用建设关键技术 144
5.1.3 地下空间综合环境要素控制技术 148
5.2 特殊地下空间利用运行管理技术 148
5.2.1 建立特殊地下空间基础地质大数据 148
5.2.2 供电管理技术 149
5.2.3 通风管理技术 150
5.2.4 运输管理技术 150
5.2.5 排水管理技术 150
5.2.6 通信管理技术 150
5.2.7 环境保护管理技术 150
5.3 特殊地下空间利用安全保障关键技术 151
5.3.1 特殊地下空间灾害事故分类 151
5.3.2 特殊地下空间灾变及稳定性动态监测预警平台 152
5.3.3 特殊地下空间安全屋建设 154
5.3.4 特殊地下空间抗震 156
5.3.5 特殊地下空间安全风险评估及应急预警管理机制 160
参考文献 162
第6章 特殊地下空间前沿科学探索构想 164
6.1 地下资源利用探索构想 164
6.1.1 矿产资源再利用探索构想 164
6.1.2 水资源再利用探索构想 166
6.1.3 可再生能源储存探索构想 167
6.1.4 地热资源利用探索构想 167
6.2 太空科学模拟探索构想 168
6.2.1 星体环境模拟探索构想 168
6.2.2 宇航员心理试验探索构想 169
6.2.3 太空自生存环境构建探索构想 169
6.3 大科学实验系统探索构想 171
6.3.1 微重力科学实验探索构想 171
6.3.2 现代提升科学试验探索构想 172
6.3.3 弹射火箭发射试验探索构想 176
6.3.4 深地物质科学研究探索构想 176
6.3.5 现代化地下数据储存探索构想 177
6.3.6 现代破岩技术实验探索构想 178
6.3.7 风洞科学试验探索构想 179
6.3.8 现代生物科学实验探索构想 179
6.3.9 深地空间科学观测探索构想 180
6.4 特殊地下空间医学科学探索构想 181
6.4.1 地下医学科学实验探索构想 181
6.4.2 地下医学的研究方向 182
6.5 特殊地下空间心理学科学探索构想 184
6.5.1 光环境与行为心理健康科学探索构想 184
6.5.2 声环境与行为心理健康科学探索构想 184
6.5.3 热环境与行为心理健康科学探索构想 185
6.5.4 空气环境与行为心理健康科学探索构想 186
6.5.5 心理环境与行为心理健康科学探索构想 186
6.5.6 其他科学探索构想 187
6.6 特殊地下空间农业发展探索构想 187
6.6.1 特殊地下空间农业利用现状 187
6.6.2 地下农业生产要素评价 188
6.6.3 地下种植、养殖关键技术探索构想 189
6.6.4 地下智慧农业生产系统探索构想 190
6.6.5 地下农业生态系统共性科学问题探究 190
6.7 特殊地下空间生态城市探索构想 191
6.7.1 地下生态城市示范区 192
6.7.2 地下生态景观 193
6.7.3 地下井筒式停车库 194
6.7.4 矿井抽水蓄能发电设施 195
6.7.5 地下医学和地下疗养院 196
6.7.6 地下农业种植区 197
参考文献 198
第7章 特殊地下空间立体多元协同开发利用构想 200
7.1 地面地下一体化空间开发利用构想 200
7.1.1 地面地下一体化科学开发思路 200
7.1.2 地下空间利用与地面建筑一体化构想 202
7.1.3 地下智能停车场（库）与地面空间一体化构想 202
7.1.4 地下空间利用和绿地生态一体化构想 202
7.1.5 地下空间利用与交通一体化构想 202
7.1.6 地下空间利用与商业街区一体化构想 203
7.2 资源型城市转型发展空间综合利用构想 203
7.2.1 空间功能利用构想 203
7.2.2 资源利用构想 204
7.3 矿区特色小镇发展建设构想 205
参考文献 208
第8章 京西关停矿井开发利用规划案例 209
8.1 京西矿区关停矿井地面地下空间基本情况 209
8.1.1 京西矿区关停矿井现状和可利用空间 211
8.1.2 京西矿区关停矿井开发利用内外部优势条件 216
8.2 京西矿区关停矿井开发利用规划 224
8.2.1 京西矿区关停矿井开发利用总体目标 224
8.2.2 京西矿区关停矿井开发利用基本原则与技术路线 226
8.2.3 京西矿区关停矿井开发利用工程 229
8.3 《国家灾害预控与应急处置技术研发实训基地（Ⅰ期）建设方案》 242
8.3.1 研发实训基地（Ⅰ期）功能定位 242
8.3.2 研发实训基地（Ⅰ期）建设内容与布局 243
8.3.3 典型灾害预控与应急处置技术科研平台建设 245
8.3.4 应急管理与安全监管干部实训系统建设 265
8.3.5 应急管理与安全监管实习实践体系建设 270
8.3.6 工程进展 276
参考文献 279

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