0 引 言
闭坑矿井竖井井筒的开发再利用旨在利用矿井竖井井筒建设地下多功能设施达到科学利用，并实现其服役的全生命周期(采前的科学设计、采中的安全服役，采后的安全治理、生态保护和科学利用)[1-3]。闭坑矿井竖井井筒的精准开发利用的多功能设施的建设：一方面充分利用闭坑矿井结构空间特性，并减少资源浪费、变废为宝，利于环境保护；第二方面，闭坑矿井井筒的精准开发利用可为采矿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[1];第三方面，井筒作为向地球深部要空间、资源开采的咽喉通道，其设计、建设及服役期的安全皆需在理论、建井与提升技术方法有所重大突破，而闭坑矿井井筒恰好可作为基础试验基地。
目前，煤炭作为主体能源地位相当长一段时期不会发生根本改变，仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展重任。但是，随着我国经济的发展及煤炭资源的可续发展，我国将对效率低、成本高、煤质差、灾害频发、经营不善、对水资源和环境破坏严重等不符合科学产能的矿井实施有序退出，并鼓励煤炭企业转型发展。因此，随着煤炭去产能政策的实施，未来几年我国将出现大量的关闭/废弃矿井。针对这一问题，袁亮等[2]提出了我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考，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；黄炳香等[3]研究了矿井闭坑的理论与技术框架，应积极探索闭坑矿井长期安全和环境监测、评价、修复治理技术；谢和平等[4]系统提出了关停矿井转型升级战略构想与关键技术，指出关停矿井的资源化利用和转型升级，不仅是一个经济问题，更是一个科学问题。钱鸣高等[5]从人与自然相处的三大学问“获取—使用—回归”出发,再次明确了科学采矿的内涵与框架。武强等[6]全面研究了闭坑矿井的正负生态环境效应与对策，提出了有针对性的开发挖掘和预控治理对策。目前，对于煤矿的井筒，按深度和支护后井筒直径进行划分，小于5.0 m的为小直径井筒，5.0～10.0 m为大直径井筒，大于10.0 m的称为超大直径井筒。定义深度小于600 m为浅矿井，深度600～1 000 m为深矿井，深度1 000～1 500 m为超深矿井，现阶段煤矿井筒一次建井深度达到1 342 m；按井筒所处的位置，从地面开始直接向下的竖井称为井筒；按井筒作用主要有提升井和通风井[7]。对于井工开采而言，很多矿山在可采资源开采结束后，采空区已经塌陷，大部分的采区巷道也已被破坏，而竖井井筒作为长期服役的混凝土砌筑工程结构，其寿命远比巷道系统长。针对闭坑矿井竖井井筒进行精准开发利用，符合矿井闭坑转型升级的可持续发展的国家战略[8]。
笔者阐述了针对闭坑矿井竖井井筒精准开发利用的科学性、可能性以及可行性，从竖井蓄能电站、深井提升变革基础研究试验场、大科学试验探索以及再生能源蓄积构想及其他科学探索等方面，对闭坑矿井竖井井筒精准开发再利用进行了思考。研究结果给出了闭坑矿井竖井井筒开发再利用的思考和科学探索方向，符合国家针对科学闭坑、去产能资源综合利用以及生态坏境美化的全生命周期的政策，对促进闭坑矿井的转型升级、经济的持续科学发展具有重要意义。
1 井筒蓄能电站的探索构想
我国许多地下矿山所在地区也是风能和太阳能等能源丰富地区，这些可再生能源高度依赖于自然条件，如阳光的光照时间和风的强度变化，具有随机性、间歇性和波动性的特点，导致发电不均匀，无法保障发电的稳定性和连续性，这样的电力直接上网，必然会引起电网电能品质及可靠性问题，给并网后电力系统实时平衡、保持电网安全稳定运行带来巨大挑战，甚至造成严重的弃电现象[9]。目前，主要依靠循环燃煤发电厂汽轮机和水利发电调节电网的实时平衡和安全稳定运行。
抽水蓄能电站是电力系统中最可靠、最经济、技术最成熟的储能装置且其原理简单。目前，我国正在大规模建设地表抽水蓄能电站，主要依靠高山、水库等自然条件，采用在高山上建设上水库，在山下建设或利用原有的水库，在山体内建设产生势能的压力管道，建设用于发电、抽水的地下厂房以及地下输变电系统，在用电的低峰时间抽水，用电高峰期间发电，达到调峰填谷的作用。但是，传统地表蓄能电站的建立需要占用大量的地表土地资源，且受地形、地貌和水资源分布的影响；另一方面，建立数百万方甚至千万方的蓄水库也将影响自然和生态环境[10-11]。
利用闭坑矿井竖井井筒及井筒之间的联络巷道，将地面风能和太阳能等可再生清洁能源产生的能量储存在地下蓄能电站中，闭坑矿井井筒形成的特殊地下空间为发展地下蓄能电站创造了得天独厚的条件。以煤矿为例，主要以竖井方式开拓，竖井根据功能作用可分为主井、副井和风井。根据矿井生产能力不同，井筒直径变化很大，一般副井直径最大，风井次之，直径最小的为主井，这些井筒在矿井生产期间起到不同的作用。闭坑的煤矿作为特殊的地下空间，多数煤矿在开采过程中的采空区顶板塌落，将采空区的空间覆盖，其他采区巷道也会受到不同程度的破坏难以利用，唯有井筒和井底车场具有最长的服务年限，通过闭坑后的改造，可以建设一种新形式的竖井蓄能电站。
1.1 竖井重力式抽水蓄能电站探索构想
竖井式抽水蓄能电站又称为重力式竖井蓄能电站，由井筒、重力活塞、可逆发电动机组、水组成(图1和图2)。
图1 重力竖井式抽水蓄能电站发电模式
Fig.1 Power generation model of gravity vertical pumped storage power station
图2 重力竖井式抽水蓄能电站蓄能模式
Fig.2 Energy storage model of gravity vertical pumped storage power station
实现竖井式抽水蓄能电站构想的步骤包括：①对井筒及联络巷改造，根据井筒条件选取2条综合评价较好的井筒，一条井筒作为重力活塞储能竖井，使重力活塞和井筒之间形成良好滑动及密封效果，满足工程需求，另一条作为回水竖井；②重力活塞材料选取密度较高的合金材料，其尺寸大小主要根据调蓄能力的设计、蓄能竖井的参数以及重力活塞的移动速度等因素综合决定，同时在重锤内设置单向阀，重锤下降时单向阀关闭状态，并满足压力需求，重锤被提升时，单向阀开启，减小重锤提升阻力；③用干净的水一次性将该系统的储能竖井、回水竖井以及联络通道注满；④储能竖井内重力活塞蓄能器按设计速度下沉，水通过联络通道进入回水竖井，进而至地面，并通过发电机组发电产生电力，最后并注入储能竖井，完成发电过程；⑤利用地面风能和太阳能产生的电力来驱动涡轮泵抽水以及将蓄能竖井中的重力活塞提起的同时，将蓄能竖井内重力活塞以上的水抽回回水竖井，起到蓄能的作用，这样形成完整的重力竖井式蓄能电站系统。
1.2 压缩空气式蓄能电站探索构想
井下空间压缩空气式蓄能电站，由井筒、压缩空气储气包、发电机组组成。竖井式压缩空气蓄能电站模式如图3、图4所示。
图3 井下空间压缩空气式蓄能电站储能模式
Fig.3 Energy storage model of compressed air power station in underground mine space
图4 井下空间压缩空气式蓄能电站发电模式
Fig.4 Power generation model of compressed air storage power station in underground mine space
实现压缩空气式蓄能电站构想的步骤包括：①研发特殊的压缩空气储气包，其形状能够随着空间的变化而变化，不影响其储存高压空气的能力，不发生泄露；②通过闭坑后井下可利用空间的改造，使井筒、井底车场以及部分采区巷道作为压缩空气储气空间；③利用地面风能和太阳能产生的电力以及用电低峰时的电力，通过高压压缩机将空气压缩成高压气体，储存在依附于井下空间的储气包内，形成能量的蓄积；④需要用电或电力传输时，利用井下空间储气包内的压缩空气释放给发电机组进行发电，这样形成完整的废弃矿山井下空间压缩空气式蓄能电站系统。
2 深井提升变革基础研究试验探索构想
随着国家工业化的发展，浅层或浅部矿物资源不断减少，开采深度由几百米发展到上千米。现如今影响矿山深部开采的3大影响因素为：高应力、高地温、高井深。其中高井深导致的主要问题是提升设备大型化，甚至当开采到一定深度时传统提升设备将无法正常工作，由此也引出了大型提升设备安装、维护困难，经济成本高等问题[13]。
长期以来，我国煤炭资源开发方式主要以井工矿井为主，大量的煤炭需要从地下提升至地面。目前，主要的提升方式包括：立井煤炭提升，大型煤矿采用立井提升机加箕斗，小型煤矿采用提升机加矿车；斜井煤炭提升，倾角小于13°的斜井多采用带式输送机运输，倾角13°～25°的斜井采用提升机加箕斗或矿车，倾角小于6°的斜井采用无轨胶轮运输方式[14]。除带式输送机运输之外，其余为非连续运输，在深井状态传统的提升方式将会出现致命问题。进入2 000 m的深部开采后，从施工难度和工程造价上，斜井建井难以满足要求，只能建设立井井筒。以现状而论，任何一种立井提升系统都需要钢丝绳作为媒介，随着开采深度的增加，钢丝绳需要设计得越来越粗，使得钢丝绳自重不断增加、提升机越来越大型化，在达到一定深度时，有绳提升装置将会受到很大的限制甚至无法使用。这成为限制传统提升方式提升深度的一个重要因素。因此，随着矿山开采深度越来越深，迫切需要新的安全高效的提升设备，为发展深部无人采矿技术，实现千米以深矿产资源规模化开采提供理论与技术支撑。
2.1 流体提升技术试验构想
国际采矿人士已把地下矿山水力提升作为21世纪采矿新技术提出。德国普鲁萨格金属公司从1984年起就进行水力运输与提升矿石的开发研究工作。瑞典吕勒欧大学教授A·塞格尔伦在1987年第12届世界采矿大会上提出了水力提升设想，即矿石在井下进行破碎和磨矿，然后用井下水与矿粉混合，搅拌成一定浓度的矿浆，用泵经竖井管道将矿浆送到地面选矿厂[11]，取代传统的机械提升和坑内排水系统即把矿山2套系统合并成1套水力提升系统。
水力提升的主要优点是:不需要开凿新的竖井就可增加提升能力，而传统的机械提升方法要增加提升能力，不仅投资大而且时间长；提升矿石的费用低廉；水力提升系统更加清洁、高效，并且能循环利用。
利用矿井闭坑研发水力提升技术试验系统，如图5所示。井筒水力提升技术试验系统将为地球深部资源开采矿物的提升提供有效的运输方式。水力提升主要由箕斗、气压仓和控制牵引钢丝绳3个主要部分组成。箕斗主要用于提升矿物，气压仓主要在提升过程中提供浮力，而控制钢丝绳用于控制箕斗升降位置的准确性和精确性。
图5 水力提升技术试验系统示意
Fig.5 Schematic diagram of hydraulic lifting technology test system
在初步建好的井筒内充满液体，在箕斗升降工作过程中，通过自重及浮力在注满水的井筒内提升矿物，液体密度及箕斗质量、装满矿物时箕斗质量等都需要科学计算，以满足箕斗按合理匀速的状态运行。在箕斗下降时，气压仓内充满液体，起到配重作用(或者在箕斗内安装单向阀，可以水通过，靠箕斗自重下沉)，通过钢丝绳的牵引到达指定下降位置；在箕斗装满矿物上升时，将气压仓内的液体排除，此时气压仓给装满矿物的箕斗提供一定的浮力，同时钢丝绳也可以起到一定的助力和导向作用。水力提升原理类似核潜艇在深海浮沉原理。
2.2 磁悬浮提升技术试验构想
近年来，磁悬浮技术发展迅速，实现磁悬浮竖直提升具备可能性和可行性。磁悬浮罐笼采用无绳提升技术，提升量不受矿井深度的限制，与传统有绳提升装置相比较，更加适合深井提升。同时，在磁悬浮罐笼正常工作过程中摩擦损耗少，能量利用率高，对设备磨损轻微，相较普通罐笼，理论上，磁悬浮罐笼维修费用更低，使用寿命更长。
磁悬浮罐笼的组成结构，主要由罐笼、直流电机、导向系统、永磁体、电阻式传感器以及控制器组成[15]。在罐笼8个角分别安装有永磁铁，上部4个永磁体磁极相同，下部4个永磁体磁极相同。在井筒四周安装导向系统，导向系统由电磁导轨与辅助导轨2个部分组成，电磁导轨上按照一定间距轴对称排列一定数量的线圈定子，为罐笼提供动力。辅助导轨由传统的T 型导轨、滚动导靴以及导轨架组成，辅助导轨在磁悬浮罐笼正常工作时处于停滞状态，即滚动导靴不与导轨接触，仅在电流不稳定以致罐笼左右摇摆时，滚动导靴与导轨接触起辅助导向作用，以及遇到突发性动力丧失时起到紧急制动作用，用来保证罐笼及其相关设备的安全。直流电动机与控制器、电磁导轨串联，传感器安装在罐笼上。
2.3 流态化提升技术试验构想
煤炭流体垂直输送是一种全新的煤炭提升理念，研究固体矿物流态垂直连续输送技术，以双井筒基础压风为动力，以U型平衡流态循环、泵送输料的超深煤炭资源流态垂直输送为运行模式，解决超深煤炭资源的立井连续高效提升。
煤炭流体输送的U型管结构模型如图6所示，该系统通过在出料口压风管压风推动U型管循环运行。
图6 煤炭流体输送的U型管结构模型示意
Fig.6 Schematic diagram of U tubular structure model for coal fluid transportation
其提升技术的关键为：设计U型管循环系统、进风系统、泵送进料系统等主要功能模块，分析煤液混合物的提升速度与压风管出口位置、风量之间的关系；研究流态垂直煤炭输送的液态介质要求，分析不同液态介质中煤炭稳定输送的影响因素，研发适合于高效煤炭垂直输送的液态介质，并分析流态介质垂直输送的效率；在煤液混合物提升过程中，分析在重力作用下不同粒度煤炭颗粒的运动状态及影响因素，确定煤液混合物运送速度的合理范围；设计并研制煤炭流态垂直输送系统的相关设备和工艺，通过现场工业性试验，构建超深煤炭资源流态垂直输送的运行模式，满足超深煤炭资源高效智能连续输送的要求。
3 大科学试验探索构想
3.1 微重力试验构想探索
微重力代表一种受力环境，它是指在这种环境中的有效重力水平极低,为地球表面处重力的百万分之一。微重力是一种宝贵的资源，借此，人类可以进行地面上难以进行的科学试验，进行新材料和药物的生产、生命科学和生物技术的探索以及宇航员飞行训练等。微重力科学是研究微重力环境中的科学规律，地面上被重力掩盖掉的许多现象可能被揭示出来，并可能会在生物技术、材料制备、能源环境等领域有着广阔的前景。因此，世界各国都在紧张建设和筹划微重力科学试验，主要有3种试验方式：落塔方式，即在建好的高塔里面利用自由落体失重；中性浮力水槽，即在进入水体一定深度后，达到失重状态，且成本低，但只能模拟力的总体效应；抛物线飞机俯冲，飞机飞到最高点后附冲，也会达到失重状态，但成本较高。
利用竖井井筒有效高度，改造后作为微重力科学实验室，其原理与落塔实验室建设类似，但是将实验室由地面以上转至地下，试验落体运行距离增加，能够提高更长时间的有效试验段，不仅节省建设费用，而且更安全，具有更好的重复性。
3.2 风洞科学试验构想探索
利用主、副井或者风井建立风洞体育运动训练场，风洞训练场初步设计结构如图7所示。
图7 风洞训练场初步设计结构
Fig.7 Preliminary design structure of wind tunnel training flied
副井可以作为入风口，主井作为出风口，在主井内布置流体机械，进行风洞试验，通过地面的通风机调节井筒风速，达到所需要风速范围，取得相关试验数据，为流体机械设计提供理论基础。井筒式风洞还可用于人员训练，在具有防护的出风井内，进行跳伞、极限运动以及翼装飞行等运动的训练。甚至，有的个别矿井位于较空阔的区域，经过全方位综合评价，具备可行性的井筒，改造后可以作为航天返回舱地面定位接收设施。
3.3 弹射火箭试验探索构想
矿井竖井井筒具备隐蔽性、防空性和稳定性等特点的良好地下环境，可以作为特殊功能研究的科学研究实验室。针对大井深井筒的结构特点，以及围岩条件较好的闭坑矿井的竖井井筒经过改造后可以建成地下弹射火箭实验室。
目前，火箭发射主要在地面进行，也有利用飞机高空发射的先例。地面条件发射火箭，采用多级推进逐渐抛弃部分箭体方法，以液体或固体燃料做动力。其中燃料占有火箭的很大部分，同时火箭发动机也排出大量有害气体或温室气体，因此，研究利用闭坑矿井井筒这一长大“枪管”，进行火箭发射在节能环保方面都具有明显优势。利用闭坑矿井井筒建成气体或者电磁弹射系统，可以在发射第一阶段去掉火箭笨重的一级助推，大幅减小火箭质量，直接用气体弹射或者电磁弹射对火箭进行长距离加速，把二级、三级带燃料的卫星组合体发射升空，大幅度降低发射成本，提高发射效率，减少发射造成的环境污染。
4 再生能源蓄积探索构想
相较于地面以上大气环境的昼夜温差和季节温差，地下空间围岩体是具有大规模跨时域、跨季节性长期储存能力的天然蓄能体，为地下蓄能应用提供了有效途径和媒介，为太阳能等可再生能源和自然冷源的跨时域再利用开辟发展空间[16]。
可以利用闭坑矿井改建成再生能源积蓄地下储存库，达到蓄冷和蓄热。该蓄能模式系统由矿井构筑物、太阳能集热器、地下换热器、蓄热水箱、热泵和循环水泵等重要部分组成。蓄热模式如下：利用水或其他蓄能介质，将太阳能转化成热量，逐步蓄积在矿井的蓄能介质中，利用岩体的良好隔热性能，减少能量的损耗，当能量蓄积到一定程度，蓄能介质达到一定温度，利用地源热泵实现热交换发电，或者到冬季需要热源进行供暖，完成热量的跨季节性地下存储[17]，实现再生能源的循环利用。以太阳能作为蓄能热源的热力系统如图8所示。蓄冷模式如下：在严寒季节，以水为介质将地面冷量通过交换蓄存于地下井筒内，等到高温季节通过地下换热器循环从井筒中取冷，实现建筑物空间降温。
5 闭坑竖井井筒再利用安全评价系统
矿山闭坑竖井井筒再利用的首要任务就是对已经服役于整个采矿过程的竖井井筒进行安全评价，其次就是对竖井井筒再利用服役过程中进行实时有效的监测系统。
图8 以太阳能作为蓄能热源的热力系统原理
Fig.8 Principle of solar energy as a thermal system for energy storage
闭坑矿井竖井井筒再利用安全评价体系如图9所示。对矿山闭坑竖井井筒再利用的安全评价体系不能采用单一的数学方法或者经验方法，必须综合考虑多种影响因素，形成统一的安全评价体系。同时，针对闭坑竖井井筒再利用必须进行安全性、环境、水源、风和太阳能源等综合性评价标准；在长期蓄水和循环抽放水(循环加、卸载)条件下，围岩的流-固耦合行为以及井筒储水库的长期稳定性、安全性和密闭性进行研究。
图9 闭坑矿井竖井井筒再利用安全评价体系
Fig.9 Safety evaluation system of reuse vertical shafts in closed mines
6 结 语
在分析闭坑矿井特点基础上，提出以科学方式精准开发利用竖井井筒。作为矿井的咽喉工程，竖井结构特点及支护方式，决定竖井较采区巷道和采空区更稳定，更适合进行进一步开发。提出了利用闭坑竖井井筒建设竖井井筒蓄能电站、建设深井提升变革基础研究试验场、建设大科学实验室以及建设再生能源蓄积库的构想，并给出了闭坑竖井井筒再利用安全评价的主控影响因素。对于闭坑矿井竖井井筒的科学利用的思考及探索给出了再利用的探索方向，符合国家针对科学闭坑、去产能资源综合利用以及生态坏境美化的全生命周期的政策，对实现矿井竖井开发利用、新能源高效储能及环境保护三者的协同发展和提高闭坑矿井资源精准开发利用的国家战略，具有重要的经济和战略意义。
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