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内容介绍
　　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。

目录
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

在线试读
第1章 特殊地下空间开发利用现状分析
　　世界上有数量庞大的关停、废弃矿井，包括煤矿、金属非金属矿、盐矿等，对这些废弃矿井的特殊地下空间加以综合利用，既能避免现有地下空间的浪费，又能节省构建地下空间的建设费用。本章将简要综述并特殊地下空间国内外开发利用现状，从煤矿、金属非金属矿、盐矿三个方面分别总结资源开采后特殊地下空间综合利用情况，并进一步阐述了特殊地下空间的功能定位和综合利用发展趋势。
　　1.1 国外特殊地下空间开发利用现状分析
　　1.1.1 煤矿地下空间开发利用现状
　　早在20世纪中期，国外就开始探索煤矿地下空间开发利用，发展了多种再利用途径，典型案例主要集中在德国、芬兰、荷兰、美国等国家（谢和平等，2017a）。
　　1. 工业旅游景区
　　德国鲁尔矿区曾是欧洲*大的工业区，为第二次世界大战后联邦德国的“经济奇迹”做出巨大贡献。20世纪中期，鲁尔区的经济持续衰退，大批煤钢企业相继破产，更面临严重的人口外迁和环境污染问题。为实现转型发展，鲁尔区对具备一定价值的废弃工业场地和设施采取的是工业遗产保护和再利用的策略，其目的在于保护和传承该地区繁荣时期的工业文化，同时以工业遗产带动旅游资源的开发，将工业遗产保护和再利用作为鲁尔区转型的一个方面。
　　鲁尔区系统地制定了自称“工业文化之路”的区域性旅游规划。例如，针对工业区典型的埃森煤矿，政府并没有拆除占地广阔的厂房和煤矿设备，而是买下全部的工矿设备，使煤矿工业区的结构完整地保留下来，将原来的煤铁工厂变身为煤矿博物馆、展览馆、工业设计园等（图1-1、图1-2），2001年埃森煤矿被联合国教育、科学及文化组织列为世界文化遗产之一。
　　图1-1 原锅炉房改造的博物馆外观
　　图1-2 煤矿炼焦厂改造的小餐厅内景
　　除鲁尔区外，德国下西里西亚上劳西茨县从邻近地区的河流里抽水注入废矿坑，把废矿区变成一个总面积约70km2的湖泊群，并开发形成以生态和工业文化为主题的旅游景点。芬兰奥陶克恩普市利用废弃矿井建立了地下矿井博物馆和地下儿童乐园，实地表演采矿作业，展示采矿器具。
　　2. 地热发电站
　　荷兰海尔伦市面对几处大型煤矿关闭后形成的若干塌陷区问题，提出了充分开发利用废弃矿井地热资源的构想，计划投资5处废弃矿井通道，深度为250～700m，用于建设新型地热发电站。当地政府与韦勒住房协会合作，历时两年建成了第*座地热发电站，并于2008年10月正式投入运行。
　　这座新型发电站利用废弃矿井通道从地下800m深处泵出热水，产生蒸汽，推动涡轮机转动使发电机产生电能。此外，发电站还用新建管道把热水输往附近300多处民宅、商店、图书馆和大型办公楼以调节室温，待水冷却后再输回矿井深处以循环加热（图1-3）。
　　图1-3 地热开发利用示意图
　　据研究人员估算，这座新型地热发电站与传统火力发电站相比，CO2排放量可以减少55%。研究人员正在加紧开发碳捕获及储存技术，希望能把该发电站排放的CO2加工成液态，并泵入其他废旧矿井封存，以实现CO2??零排放。随着这座新型发电站的落成，不仅当地居民可以享受到价格适中的能源供应，而且当地的环境污染也得到了显著改善。
　　3. 地下抽水蓄能发电站
　　国外在地下抽水蓄能发电站的研究上已经有一些项目处于计划阶段，其中德国鲁尔区对即将废弃的一处煤矿进行了建造半地下抽水蓄能发电站的可行性研究，研究中计划利用其中一个深度为971～1008m，储水量为450000～750000m3的巷道，建立一个功率为300MW的抽水蓄能发电站。
　　1.1.2 金属非金属矿地下空间开发利用现状
　　随着矿山资源的开发利用，金属非金属矿山形成了大量闲置的地下空间（采空区、硐室、巷道等）。如果维护保养不及时或一旦闭坑，受技术、安全、经济等因素的影响，这些地下空间再利用的效率和可能性极低，造成地下空间的浪费。将金属非金属矿山地下空间因地制宜地加以改造利用，是目前许多矿业大国进行地下空间开发利用和推进矿域经济可持续发展的重要途径。
　　随着社会经济的发展，矿山地下空间开发利用将社会效益、经济效益、环境效益高度统一，需求日益强烈。由于金属非金属矿山地下空间密闭程度高、屏蔽性好、环境稳定、岩体强度高、存在势差及具备良好的工程基础，多年来矿业发达国家对地下空间开发利用进行了长期有效的探索应用，如改造为博物馆、展览馆，进行旅游开发，储存液体燃料、武器、农副产品，堆存工业废料，建造研究中心、档案馆，培植养殖等。
　　1. 博物馆、地下旅游和文娱活动
　　结合金属非金属矿山自身资源开发的历史和特点，可以将金属非金属矿山地下空间打造成矿山博物馆和文教科普场景，也可以将其建设文娱或专用展览馆，进行旅游开发和文化教育。南非约翰内斯堡的黄金矿城，游客可搭乘缆车深入地下220m的矿坑，参观并亲身体会昔日黄金开采的经历，同时也可以观赏原始部落的舞蹈表演和铸金过程；英国诺福克地区著名的格兰姆斯格雷福斯燧石矿，集游览、考古与资源开发于一体为世人所知；英国康沃尔郡利用废旧黏土大矿坑建造了世界上*大的植物温室展览馆，种植来自世界各地不同气候条件下的数万种植物（郑敏和赵军伟，2003）。
　　2. 工业垃圾及生活垃圾填埋
　　将矿山自产或附近城市的废料、生活垃圾、工业废渣等埋藏到井下，既能处理采空区，保护采空区上部的地表环境，又能节省大量土地，在节约耕地、保护环境和控制采空区安全风险、高效利用地下空间等方面具有现实而重大的意义。部分井下废弃空间经过加固处理，防水、防火能力强，密闭、屏蔽程度较高，可作为核废料、化学废料的排放场地和废弃爆破器材的销毁场地。
　　（1）矿山尾废：世界范围内应用越来越广泛的充填采矿法，就是将堆存于地表的矿山尾废（尾矿、废石），加入适量固化材料或脱水浓缩后，输送到采空区填埋处理。
　　（2）生活垃圾：瑞典在20世纪60年代建设并实施采用压缩空气向地下空间吹运存储垃圾系统，与垃圾收集、处置系统配套，投资在3～4年可得到回报。
　　（3）工业废料：英国应用地下空间填埋有害的化学废料，如设有1000万m3地下空间处置电解锌废料；意大利在多罗米蒂山和皮埃蒙特区的两座老矿山的坑道储存工业废料（奥塞拉，1994）。
　　3. 物资储备
　　井下硐室密闭程度较高，且由于地热的原因，自然形成地下温室，可以作为战略物资、普通物资、其他物资的储备基地。
　　美国得克萨斯州开采了70年的卡尔盐矿，在废弃的坑道两侧建有1.5万个房间的地下仓库，用于收藏珍贵物品和文件资料；美国堪萨斯城的石灰石矿将房柱法采空区建设为2000多万立方米的储存室、厂房和办公室；美国纽约罗斯戴尔的石灰石矿，将房柱法采空区改造成6600万m3的档案馆；纽约的赫德森地下褐铁矿中有3200万m3空间也用作档案馆；美国纽卡斯尔某矿山地下空间被改造成车辆和游艇的停放间，同时在该矿中布置了30万m3空间用于储存档案和食物（奥塞拉，1994）；摩尔多瓦克利科瓦酒窖利用开采完成后的石灰石矿残留空区储存红酒和食物；瑞典哈尔斯巴卡萤石矿和法国奥恩河畔迈铁矿被用作油库（容积分别为100万m3和500万m3）；美国还将地下采空区与国家战略防御结合，在碳酸质岩石和盐岩体内建成了一个燃料总储量为1亿m3的战略储存库（梅尔尼科夫，1999）。
　　4. 地下水库、地下水力发电站
　　利用矿山采空区构建地下水库，可避免或减少建设地面水库对耕地的占用，同时在矿井中可进一步改造、建设供水系统或废水处理系统。通常地下开采会形成从地面到井下的巨大垂直落差，实施水力蓄能，可实现电厂调峰和水力发电的功能。
　　美国实施了“含水层储存恢复（ASR）工程计划”。纽约的大型供水系统完全布置在地下岩层中。瑞典、荷兰和德国的含水层储存恢复工程的供水量在总供水量中分别占比20%、15%和10%。同时，还利用地下空间开展雨水收集利用和污水回用，如芬兰赫尔辛基地下污水处理场设在地下深度为100m的岩洞中，可处理70万居民的生活污水和城市工业废水（毕忠伟等，2005）。
　　5. 地下实验室、办公室等生活、工业空间
　　将矿山地下空间建设为生活、工业空间具有重要的战略防御意义，人口密集的国家尤为值得借鉴。
　　日本成山地下水电站在发生2.9～7.4级地震时，地震对机器室的影响比对同类地区地表构筑物的影响减轻了一半；俄罗斯库尔斯克州古布金矿研究设计了利用采空区布置采矿辅助工厂车间（加工铁石英岩的地下选厂、蓄水电站、蓄气电站、水力储气室）；南非深井采矿中（垂深超过3000m），在井下建造良好的工人宿舍和生活区，大大减少了每天提升人员的耗能和影响；美国*深的南达科他州的霍姆斯特克金矿开采深度达2400m，美国国家科学家协会正在把该金矿改建成美国*大的粒子物理实验室（李俊平等，2002）；日本的原砂川矿把76

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