一种基于废弃矿井的地下城市建设方法与流程

本发明涉及一种基于废弃矿井的地下城市建设方法，属于地下空间开发利用领域。

背景技术：

煤矿、冶金矿山、有色金属矿山、化工矿山以及非金属矿床在开发过程中，形成了大量井下采空区，仅煤矿每年就形成数亿立方米的空间，对废弃矿井如何合理利用，已经迫在眉睫；谢和平院士提出煤炭淘汰落后产能、化解产能过程中，不少矿井被关闭，衰竭煤矿在废弃或关闭后面临多种资源、环境以及社会问题。矿区往往拥有大量的地面、地下自然资源，技术资源和人才资源，按照传统模式退出后，地面大型工业广场和井下大量设备设施被闲置下来，造成土地资源浪费，人员无法安置。因此，随着关闭和废弃煤矿的大幅度增加，我国迫切需要解决衰竭关团煤矿的转型出路问题。

目前我国煤矿大部分采用井工开采，而且废弃矿井越来越多，如果充分利用矿区的地下空间，建设地下宜居城市，既可以避免煤矿采空区充填所造成的资源浪费和不充填时所造成的地表沉陷问题，也可以缓解资源型城市城市发展面临的交通拥挤，人口增加、土地利用紧缺问题。同时通过深入研究地下城市开发所需各种技术，拓展资源型城市矿区地下空间利用率，建立地下生态圈平衡系统及战略资源储备库，将地下与地面协同一体化发展。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于废弃矿井的地下城市建设方法，利用废弃矿井已有的结构和功能，开发窑洞式地下房地产，从而达到提高土地资源利用率、保护环境、缓解地面交通压力等目的，实现资源利用最优化，形成生态、高效的商业、交通、生活、人防为一体的地下紧凑型城市发展。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于废弃矿井的地下城市建设方法，包括以下步骤：

s1：为了预防废弃矿井可能会面临的瓦斯煤尘爆炸、矿井突水等灾害，结合废弃矿井的原有水文地质资料，对废弃矿井所在的工业广场保护煤柱边界布置地面探测线，勘探工业广场保护煤柱的破坏情况，从而确定废弃矿井采空区、巷道、完整实体煤的位置，并确定废弃矿井的矿井水和瓦斯的赋存情况，为保护煤柱的回采做准备；同时尽量选择地面城市附近的废弃矿井、平酮或者浅井开拓的废弃矿井、交通相对便利的废弃矿井来建设地下城市；

s2：采用墩柱充填法对工业广场保护煤柱进行回收，并通过设置宽度为20-30m隔离煤柱与已采区域的四周隔开，形成一个规则的地下空间，具体包括：在对工业广场保护煤柱进行回采时，随着工作面的推进，墩柱充填也随之进行，在工作面后方采空区等距离间隔布置墩柱模块，在墩柱模块内加入钢筋网、钢板以提高墩柱强度，并灌注混泥土浆体材料，待灌注浆体凝固后形成具有一定形状的多个独立的墩柱，作为整个地下城市房屋建筑的梁、柱、墙等主要承重体，并通过地面钻孔向充填区域上部覆岩离层区注混凝土浆液，从而使地下空间更为稳定，也减少了地表沉陷；墩柱与墩柱间的距离形成地下城市的建筑空间，可进行住宅建设和商业布局；

s3：在废弃矿井的两条主巷道两侧开挖新的硐室，并对那些利用价值不高、有危险的巷道及硐室进行充填封堵，外表面做防渗透和隔离措施；然后对主巷道及周边硐室(包括原有硐室和新掘硐室)进行平整美观、锚喷和墩柱充填加固支护处理，并装饰建设成为集商业、餐饮和文娱设施为一体的地下商业街；在主巷道的两端，分别对工业广场保护煤柱两翼的回风井保护煤柱采用墩柱充填进行回收，并在两翼回风井保护煤柱四周采用宽度为20-30m隔离煤柱与已采区域隔开，形成一个规则的地下空间；自此形成了地下空间的优化资源配置，以工业广场保护煤柱形成的地下城市为核心，两翼回风井保护煤柱形成的地下城市为高端双城，两条主巷道及周边硐室为协同发展的双轴及地下城市区域联动，并构建战略性功能区，以备战时所需，从而形成“一核、双城、双轴、多区域”的地下城市建设布局和主体框架；

s4：为整个地下城市配备电力系统、通风与排烟系统、生活垃圾处理回收系统、生活用水和排水系统、空调系统、通讯系统、交通系统、消防系统，实现地下城市水电气暖的自供自足，从而让整个地下城市处于自生成、自调节、自循环状态；将所有系统的工程管线集于一体，布置在废弃矿井下面，形成地下城市管道综合走廊，并设置检修位置。

进一步的，所述步骤s1中，利用电磁成像系统勘探工业广场保护煤柱的宽度、高度、分布区域及破坏情况，并利用物探法和化学勘探法确定废弃矿井的矿井水和瓦斯的赋存情况。

进一步的，所述步骤s2中，地下紧凑型城市的建筑空间为墩柱充填开采形成的墩柱间排距，根据墩柱间上方顶板所受的最大拉应力小于其抗拉强度，求出墩柱间排距及墩柱长度为5m最为合适；充填墩柱上方的顶板区域采用锚喷加固支护及平整美观处理。

进一步的，所述步骤s3中，主巷道两侧采用光面爆破开挖新的硐室，爆破后成形规整，不产生爆破裂缝，能形成规则的建筑空间；两个主巷道用间隔联络巷连接，对新掘的较大的硐室，采用混泥土制成的墩柱和锚网共同支撑顶板，作为地下房屋建筑的梁、柱、墙等主要承重体；新掘硐室和原有硐室的顶板采用喷射混泥土加固支护以及平整美观处理，在掘进时预留管路和电缆的安装位置。

进一步的，所述步骤s4的电力系统中，利用废弃矿井原有的供电系统，由地面高压变电所经变压器降压后，通过供电线路输送到井下中央变电所，再经住宅区和商业区变电所为整个地下城市供电，并配有备用供电电路；对瓦斯浓度较高的废弃矿井，对瓦斯进行抽放开采，就近建立瓦斯发电站，并入地下紧凑型城市供电网络；电力系统所用输送电缆均布置在地下城市管线综合走廊。

进一步的，所述步骤s4的通风与排烟系统中，在废弃矿井原有的通风系统基础上，选用新的通风设备，并配有备用通风系统，根据地下城市的人流量来调节进风量，由主井进风，将地下城市划分为多个小区，每个小区域独立设置通风和排烟系统，回风和排烟设计为一套共用系统，有效的减少了管道尺寸较大而占用空间的问题，副井用抽出式通风机实现回风和排烟。

进一步的，所述步骤s4的生活垃圾处理回收系统中，首先对地下城市生活垃圾进行分选，把不可降解和不可再利用的垃圾通过封闭式管道输送到采空区挖掘的垃圾回填站直接掩埋，填埋场地进行防渗处理，防止地下水造成污染；将可回收再利用的垃圾运输到地面加工处理，将餐饮类垃圾运输到采空区所建设的沼气生产回收站，利用地热提高沼气发酵池的发酵速度，将地下城市产生的高浓度有机废水和粪便加入混合，提高沼气发酵性，产生的沼气可用于地下城市，也可通过地面钻孔运输，服务于地面城市，实现了地下城市垃圾无公害，绿色化处理。

进一步的，所述步骤s4的生活用水和排水系统中，利用采掘过程中伴随涌出的地下水及生产过程中产生的废水在井下建立地下水库，经多级净化处理后为地下城市提供部分生活用水；通过延伸现有井筒抽取地下热水，利用转换站将热量传递到地下城市，可用于温泉、生活热水或者地下城市供暖；利用废弃矿井原有的井底水仓和主排水泵硐室将地下城市生活废水输送到地面，用于农作物灌溉或者直接输送到采空区侧沼气生产回收站加以利用。

进一步的，所述步骤s4的空调系统中，在现有井筒的基础上向地下岩层延伸钻孔和埋管作为换热孔，利用地下深部地热资源，制成地源热泵一种新型空调系统，可以为整个地下城市夏天制冷、冬天供暖；通讯系统中，多种通信方式并存，并采用电缆，光缆多种连接方式，基于以太网络组网，采用开放的wifi协议使各种通讯设备(包括井上和井下)连接，实现了无线数据传输和地下城市通讯全覆盖；交通系统中，在地下城市的四个方位各掘一个新的井筒，用于交通出行，每个井筒配备有智能化电梯两部，分为人梯和货梯，货梯尺寸稍大一些，井筒底部周围设有通向整个地下城市各个区域的公共交通车辆的停车场；消防系统中，地下城市建筑内均安装有智能化的消防喷淋系统和烟雾感应探头装置，并用防火隔板装饰地下硐室，间隔距离配备消防设备。

有益效果：本发明提供的一种基于废弃矿井的地下城市建设方法，相对于现有技术，具有以下优点：1、利用废弃矿井的特性对地下城市建设和进行房地产开发，达到了提高土地资源利用率、保护环境、缓解地面交通压力等目的；2、利用废弃矿井本身特点和其产生的二次资源，地热能源实现地下城市水电气暖的自供自足，从而让整个地下城市处于自然循环状态，实现了资源型城市节能环保发展，可持续发展；3、将地下城市与地面城市协同发展，平时和战时相结合，不仅具有战略意义，而且促进报废矿井员工工作分流，减少下岗人员，实现了矿井资源利用的最优化，也是资源型城市在废弃矿井利用方面的一种高端转型。

附图说明

图1为本发明中基于废弃矿井的地下城市规划图；

图2为本发明中基于废弃矿井的地下城市的井底车场空间布置图；

图3为本发明中基于废弃矿井的地下城市的交通网络图；

图中包括：1、主立井，2、副立井，3、地下城市交通中转站，4、地下城市生活用水处理站，5、中央变电所，6、中央水泵站，7、主巷道，8、联络巷，9、电梯出口，10、地下出口停车场，11、新掘硐室，12、充填墩柱，13、地下水库，14、沼气生产回收站，15、地热转换站，16、工业广场保护煤柱，17、两翼回风井保护煤柱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于废弃矿井的地下城市建设方法，包括以下步骤：

s1：结合废弃矿井的原有水文地质资料，对废弃矿井所在的工业广场保护煤柱16边界布置地面探测线，利用电磁成像系统勘探查明工业广场保护煤柱16的宽度、高度、分布区域及破坏情况，从而确定废弃矿井采空区、巷道、完整实体煤的位置，并利用物探法和化学勘探法确定废弃矿井的矿井水和瓦斯的赋存情况，从而为保护煤柱的回采做准备；

s2：采用墩柱充填法对工业广场保护煤柱16进行回收，并通过设置宽度为20-30m隔离煤柱与已采区域的四周隔开，形成一个规则的地下空间，具体包括：在对工业广场保护煤柱16进行回采时，随着工作面的推进，墩柱充填也随之进行，在工作面后方采空区等距离间隔布置墩柱模块，在墩柱模块内加入钢筋网、钢板以提高墩柱强度，并灌注混泥土浆体材料(由砂、水泥、各种矿物掺合料、胶结物料和水进行配料，制作成充填料浆，10小时后其抗拉强度不低于0.6mpa)，待灌注浆体凝固后形成具有一定形状的多个独立的墩柱，并通过地面钻孔向充填区域上部覆岩离层区注混凝土浆液，以保证空间稳定性；地下紧凑型城市的建筑空间为墩柱充填开采形成的墩柱间排距，根据墩柱间上方顶板所受的最大拉应力小于其抗拉强度，求出墩柱间排距及墩柱长度为5m最为合适；充填墩柱12上方的顶板区域采用锚喷加固支护及平整美观处理；

s3：在废弃矿井的两条主巷道7两侧采用光面爆破开挖新的硐室(硐室高度5米左右，面积10—50平方米不等，硐室之间距离不超过1.5米)，两个主巷道7用间隔联络巷8连接，并对那些利用价值不高、有危险的巷道及硐室进行充填封堵，外表面做防渗透和隔离措施；新掘硐室11和原有硐室的内部采用混泥土制成的墩柱和锚网进行联合支护，并对顶板喷射混泥土，防止渗水、掉块，然后对硐室装饰装潢，配备各项系统；对主巷道7顶面喷射混泥土加固，在其上侧布置管线综合走廊，中间用防火材料制成的天花板隔开，下侧为人行通道、商业主街，两侧利用井下适宜的温度和湿度，种植不需要阳光类的植物以实现地下城市的绿化；在主巷道7的两端，分别对工业广场保护煤柱16的两翼回风井保护煤柱17采用墩柱充填进行回收，并在两翼回风井保护煤柱17四周采用宽度为20-30m隔离煤柱与已采区域隔开，形成一个规则的地下空间；自此形成了地下空间的优化资源配置，以工业广场保护煤柱16形成的地下城市为核心，两翼回风井保护煤柱17形成的地下城市为高端双城，两条主要大巷及周边硐室为协同发展的双轴及地下城市区域联动，并构建战略性功能区，以备战时所需，从而形成“一核、双城、双轴、多区域”的地下城市建设布局和主体框架；

s4：为整个地下城市配备电力系统、通风与排烟系统、生活垃圾处理回收系统、生活用水和排水系统、空调系统、通讯系统、交通系统、消防系统，实现地下城市水电气暖的自供自足，从而让整个地下城市处于自生成、自调节、自循环状态；将所有系统的工程管线集于一体，布置在废弃矿井主要巷道顶部(要保证巷道净高不低于2m，在主要巷道顶部u型钢下面安装管道支架、多管吊架)，形成地下城市管道综合走廊，并设置检修位置。

其中，所述电力系统，利用废弃矿井原有的供电系统，由地面高压变电所经变压器降压后，通过供电线路输送到井下中央变电所5二次降压为220v，最后经住宅区和商业区变电所为整个地下城市供电，主要巷道、两侧硐室及充填回采后形成的住宅区配备照明设施，并安装应急照明灯系统，并配有备用供电电路；对瓦斯浓度较高的废弃矿井，对瓦斯进行抽放开采，就近建立瓦斯发电站，并入地下紧凑型城市供电网络；电力系统所用输送电缆均布置在地下城市管线综合走廊；

所述通风与排烟系统，在废弃矿井原有的通风系统基础上，选用新的通风设备，并配有备用通风系统，根据地下城市的人流量来调节进风量，由主立井1通入新风，将充填回采后形成的住宅区划分为多个独立设置通风与排烟系统的小区，在主巷道7两侧硐室开挖和安装风道及设置抽风排烟管道，最后将各分支的回风和排烟管道汇于一处，经副立井2抽出式通风机回风与排烟。

所述生活垃圾处理回收系统，首先对地下城市生活垃圾进行分选，把不可降解和不可再利用的垃圾通过封闭式胶带传送机输送到采空区挖掘的垃圾回填站直接掩埋，填埋场地进行防渗处理，防止地下水造成污染；将可回收再利用的垃圾运输到地面加工处理，将餐饮类垃圾运输到采空区所建设的沼气生产回收站14，利用地热提高沼气发酵池的发酵速度，将地下城市产生的高浓度有机废水和粪便加入混合，提高沼气发酵性，产生的沼气可用于地下城市，也可通过地面钻孔运输，服务于地面城市，实现了地下城市垃圾无公害，绿色化处理。

所述生活用水和排水系统，利用采掘过程中伴随涌出的地下水及生产过程中产生的废水在井下建立地下水库13，经多级净化处理后为地下城市提供部分生活用水；通过延伸现有井筒抽取地下热水，利用地热转换站15将热量传递到地下城市，可用于温泉、生活热水或者地下城市供暖；利用废弃矿井原有的井底水仓建设为废弃矿井地下城市生活用水处理站4，并通过中央水泵站6将地下城市生活废水输送到地面，用于农作物灌溉或者直接输送到采空区侧沼气生产回收站14加以利用。

所述空调系统中，在现有井筒的基础上向地下岩层延伸钻孔和埋管作为换热孔，利用地下深部地热资源，制成地源热泵一种新型空调系统，可以为整个地下城市夏天制冷、冬天供暖；通讯系统中，多种通信方式并存，并采用电缆，光缆多种连接方式，基于以太网络组网，采用开放的wifi协议使各种通讯(包括井上和井下)设备连接，实现了无线数据传输和地下城市通讯全覆盖；交通系统中，在地下城市的四个方位各掘一个新的井筒，作为电梯出口9，用于交通出行，每个井筒配备有智能化电梯两部，分为人梯和货梯，货梯尺寸稍大一些，井筒底部周围设有通向整个地下城市各个区域的公共交通车辆的地下出口停车场10，并利用废弃矿井中央位置的井底车场建设为地下城市交通中转站3；消防系统中，地下城市建筑内和主街道大巷顶部区域均安装有智能化的消防喷淋系统和烟雾感应探头装置，并采用防火材料和吸收噪音的建筑材料装饰地下硐室，间隔距离配备消防设备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。