本發(fā)明涉及一種基于廢棄礦井的地下城市建設方法，屬于地下空間開發(fā)利用領域。

背景技術：

煤礦、冶金礦山、有色金屬礦山、化工礦山以及非金屬礦床在開發(fā)過程中，形成了大量井下采空區(qū)，僅煤礦每年就形成數(shù)億立方米的空間，對廢棄礦井如何合理利用，已經(jīng)迫在眉睫；謝和平院士提出煤炭淘汰落后產(chǎn)能、化解產(chǎn)能過程中，不少礦井被關閉，衰竭煤礦在廢棄或關閉后面臨多種資源、環(huán)境以及社會問題。礦區(qū)往往擁有大量的地面、地下自然資源，技術資源和人才資源，按照傳統(tǒng)模式退出后，地面大型工業(yè)廣場和井下大量設備設施被閑置下來，造成土地資源浪費，人員無法安置。因此，隨著關閉和廢棄煤礦的大幅度增加，我國迫切需要解決衰竭關團煤礦的轉(zhuǎn)型出路問題。

目前我國煤礦大部分采用井工開采，而且廢棄礦井越來越多，如果充分利用礦區(qū)的地下空間，建設地下宜居城市，既可以避免煤礦采空區(qū)充填所造成的資源浪費和不充填時所造成的地表沉陷問題，也可以緩解資源型城市城市發(fā)展面臨的交通擁擠，人口增加、土地利用緊缺問題。同時通過深入研究地下城市開發(fā)所需各種技術，拓展資源型城市礦區(qū)地下空間利用率，建立地下生態(tài)圈平衡系統(tǒng)及戰(zhàn)略資源儲備庫，將地下與地面協(xié)同一體化發(fā)展。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于廢棄礦井的地下城市建設方法，利用廢棄礦井已有的結構和功能，開發(fā)窯洞式地下房地產(chǎn)，從而達到提高土地資源利用率、保護環(huán)境、緩解地面交通壓力等目的，實現(xiàn)資源利用最優(yōu)化，形成生態(tài)、高效的商業(yè)、交通、生活、人防為一體的地下緊湊型城市發(fā)展。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種基于廢棄礦井的地下城市建設方法，包括以下步驟：

s1：為了預防廢棄礦井可能會面臨的瓦斯煤塵爆炸、礦井突水等災害，結合廢棄礦井的原有水文地質(zhì)資料，對廢棄礦井所在的工業(yè)廣場保護煤柱邊界布置地面探測線，勘探工業(yè)廣場保護煤柱的破壞情況，從而確定廢棄礦井采空區(qū)、巷道、完整實體煤的位置，并確定廢棄礦井的礦井水和瓦斯的賦存情況，為保護煤柱的回采做準備；同時盡量選擇地面城市附近的廢棄礦井、平酮或者淺井開拓的廢棄礦井、交通相對便利的廢棄礦井來建設地下城市；

s2：采用墩柱充填法對工業(yè)廣場保護煤柱進行回收，并通過設置寬度為20-30m隔離煤柱與已采區(qū)域的四周隔開，形成一個規(guī)則的地下空間，具體包括：在對工業(yè)廣場保護煤柱進行回采時，隨著工作面的推進，墩柱充填也隨之進行，在工作面后方采空區(qū)等距離間隔布置墩柱模塊，在墩柱模塊內(nèi)加入鋼筋網(wǎng)、鋼板以提高墩柱強度，并灌注混泥土漿體材料，待灌注漿體凝固后形成具有一定形狀的多個獨立的墩柱，作為整個地下城市房屋建筑的梁、柱、墻等主要承重體，并通過地面鉆孔向充填區(qū)域上部覆巖離層區(qū)注混凝土漿液，從而使地下空間更為穩(wěn)定，也減少了地表沉陷；墩柱與墩柱間的距離形成地下城市的建筑空間，可進行住宅建設和商業(yè)布局；

s3：在廢棄礦井的兩條主巷道兩側開挖新的硐室，并對那些利用價值不高、有危險的巷道及硐室進行充填封堵，外表面做防滲透和隔離措施；然后對主巷道及周邊硐室(包括原有硐室和新掘硐室)進行平整美觀、錨噴和墩柱充填加固支護處理，并裝飾建設成為集商業(yè)、餐飲和文娛設施為一體的地下商業(yè)街；在主巷道的兩端，分別對工業(yè)廣場保護煤柱兩翼的回風井保護煤柱采用墩柱充填進行回收，并在兩翼回風井保護煤柱四周采用寬度為20-30m隔離煤柱與已采區(qū)域隔開，形成一個規(guī)則的地下空間；自此形成了地下空間的優(yōu)化資源配置，以工業(yè)廣場保護煤柱形成的地下城市為核心，兩翼回風井保護煤柱形成的地下城市為高端雙城，兩條主巷道及周邊硐室為協(xié)同發(fā)展的雙軸及地下城市區(qū)域聯(lián)動，并構建戰(zhàn)略性功能區(qū)，以備戰(zhàn)時所需，從而形成“一核、雙城、雙軸、多區(qū)域”的地下城市建設布局和主體框架；

s4：為整個地下城市配備電力系統(tǒng)、通風與排煙系統(tǒng)、生活垃圾處理回收系統(tǒng)、生活用水和排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，實現(xiàn)地下城市水電氣暖的自供自足，從而讓整個地下城市處于自生成、自調(diào)節(jié)、自循環(huán)狀態(tài)；將所有系統(tǒng)的工程管線集于一體，布置在廢棄礦井下面，形成地下城市管道綜合走廊，并設置檢修位置。

進一步的，所述步驟s1中，利用電磁成像系統(tǒng)勘探工業(yè)廣場保護煤柱的寬度、高度、分布區(qū)域及破壞情況，并利用物探法和化學勘探法確定廢棄礦井的礦井水和瓦斯的賦存情況。

進一步的，所述步驟s2中，地下緊湊型城市的建筑空間為墩柱充填開采形成的墩柱間排距，根據(jù)墩柱間上方頂板所受的最大拉應力小于其抗拉強度，求出墩柱間排距及墩柱長度為5m最為合適；充填墩柱上方的頂板區(qū)域采用錨噴加固支護及平整美觀處理。

進一步的，所述步驟s3中，主巷道兩側采用光面爆破開挖新的硐室，爆破后成形規(guī)整，不產(chǎn)生爆破裂縫，能形成規(guī)則的建筑空間；兩個主巷道用間隔聯(lián)絡巷連接，對新掘的較大的硐室，采用混泥土制成的墩柱和錨網(wǎng)共同支撐頂板，作為地下房屋建筑的梁、柱、墻等主要承重體；新掘硐室和原有硐室的頂板采用噴射混泥土加固支護以及平整美觀處理，在掘進時預留管路和電纜的安裝位置。

進一步的，所述步驟s4的電力系統(tǒng)中，利用廢棄礦井原有的供電系統(tǒng)，由地面高壓變電所經(jīng)變壓器降壓后，通過供電線路輸送到井下中央變電所，再經(jīng)住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)變電所為整個地下城市供電，并配有備用供電電路；對瓦斯?jié)舛容^高的廢棄礦井，對瓦斯進行抽放開采，就近建立瓦斯發(fā)電站，并入地下緊湊型城市供電網(wǎng)絡；電力系統(tǒng)所用輸送電纜均布置在地下城市管線綜合走廊。

進一步的，所述步驟s4的通風與排煙系統(tǒng)中，在廢棄礦井原有的通風系統(tǒng)基礎上，選用新的通風設備，并配有備用通風系統(tǒng)，根據(jù)地下城市的人流量來調(diào)節(jié)進風量，由主井進風，將地下城市劃分為多個小區(qū)，每個小區(qū)域獨立設置通風和排煙系統(tǒng)，回風和排煙設計為一套共用系統(tǒng)，有效的減少了管道尺寸較大而占用空間的問題，副井用抽出式通風機實現(xiàn)回風和排煙。

進一步的，所述步驟s4的生活垃圾處理回收系統(tǒng)中，首先對地下城市生活垃圾進行分選，把不可降解和不可再利用的垃圾通過封閉式管道輸送到采空區(qū)挖掘的垃圾回填站直接掩埋，填埋場地進行防滲處理，防止地下水造成污染；將可回收再利用的垃圾運輸?shù)降孛婕庸ぬ幚?，將餐飲類垃圾運輸?shù)讲煽諈^(qū)所建設的沼氣生產(chǎn)回收站，利用地熱提高沼氣發(fā)酵池的發(fā)酵速度，將地下城市產(chǎn)生的高濃度有機廢水和糞便加入混合，提高沼氣發(fā)酵性，產(chǎn)生的沼氣可用于地下城市，也可通過地面鉆孔運輸，服務于地面城市，實現(xiàn)了地下城市垃圾無公害，綠色化處理。

進一步的，所述步驟s4的生活用水和排水系統(tǒng)中，利用采掘過程中伴隨涌出的地下水及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水在井下建立地下水庫，經(jīng)多級凈化處理后為地下城市提供部分生活用水；通過延伸現(xiàn)有井筒抽取地下熱水，利用轉(zhuǎn)換站將熱量傳遞到地下城市，可用于溫泉、生活熱水或者地下城市供暖；利用廢棄礦井原有的井底水倉和主排水泵硐室將地下城市生活廢水輸送到地面，用于農(nóng)作物灌溉或者直接輸送到采空區(qū)側沼氣生產(chǎn)回收站加以利用。

進一步的，所述步驟s4的空調(diào)系統(tǒng)中，在現(xiàn)有井筒的基礎上向地下巖層延伸鉆孔和埋管作為換熱孔，利用地下深部地熱資源，制成地源熱泵一種新型空調(diào)系統(tǒng)，可以為整個地下城市夏天制冷、冬天供暖；通訊系統(tǒng)中，多種通信方式并存，并采用電纜，光纜多種連接方式，基于以太網(wǎng)絡組網(wǎng)，采用開放的wifi協(xié)議使各種通訊設備(包括井上和井下)連接，實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸和地下城市通訊全覆蓋；交通系統(tǒng)中，在地下城市的四個方位各掘一個新的井筒，用于交通出行，每個井筒配備有智能化電梯兩部，分為人梯和貨梯，貨梯尺寸稍大一些，井筒底部周圍設有通向整個地下城市各個區(qū)域的公共交通車輛的停車場；消防系統(tǒng)中，地下城市建筑內(nèi)均安裝有智能化的消防噴淋系統(tǒng)和煙霧感應探頭裝置，并用防火隔板裝飾地下硐室，間隔距離配備消防設備。

有益效果：本發(fā)明提供的一種基于廢棄礦井的地下城市建設方法，相對于現(xiàn)有技術，具有以下優(yōu)點：1、利用廢棄礦井的特性對地下城市建設和進行房地產(chǎn)開發(fā)，達到了提高土地資源利用率、保護環(huán)境、緩解地面交通壓力等目的；2、利用廢棄礦井本身特點和其產(chǎn)生的二次資源，地熱能源實現(xiàn)地下城市水電氣暖的自供自足，從而讓整個地下城市處于自然循環(huán)狀態(tài)，實現(xiàn)了資源型城市節(jié)能環(huán)保發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展；3、將地下城市與地面城市協(xié)同發(fā)展，平時和戰(zhàn)時相結合，不僅具有戰(zhàn)略意義，而且促進報廢礦井員工工作分流，減少下崗人員，實現(xiàn)了礦井資源利用的最優(yōu)化，也是資源型城市在廢棄礦井利用方面的一種高端轉(zhuǎn)型。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中基于廢棄礦井的地下城市規(guī)劃圖；

圖2為本發(fā)明中基于廢棄礦井的地下城市的井底車場空間布置圖；

圖3為本發(fā)明中基于廢棄礦井的地下城市的交通網(wǎng)絡圖；

圖中包括：1、主立井，2、副立井，3、地下城市交通中轉(zhuǎn)站，4、地下城市生活用水處理站，5、中央變電所，6、中央水泵站，7、主巷道，8、聯(lián)絡巷，9、電梯出口，10、地下出口停車場，11、新掘硐室，12、充填墩柱，13、地下水庫，14、沼氣生產(chǎn)回收站，15、地熱轉(zhuǎn)換站，16、工業(yè)廣場保護煤柱，17、兩翼回風井保護煤柱。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種基于廢棄礦井的地下城市建設方法，包括以下步驟：

s1：結合廢棄礦井的原有水文地質(zhì)資料，對廢棄礦井所在的工業(yè)廣場保護煤柱16邊界布置地面探測線，利用電磁成像系統(tǒng)勘探查明工業(yè)廣場保護煤柱16的寬度、高度、分布區(qū)域及破壞情況，從而確定廢棄礦井采空區(qū)、巷道、完整實體煤的位置，并利用物探法和化學勘探法確定廢棄礦井的礦井水和瓦斯的賦存情況，從而為保護煤柱的回采做準備；

s2：采用墩柱充填法對工業(yè)廣場保護煤柱16進行回收，并通過設置寬度為20-30m隔離煤柱與已采區(qū)域的四周隔開，形成一個規(guī)則的地下空間，具體包括：在對工業(yè)廣場保護煤柱16進行回采時，隨著工作面的推進，墩柱充填也隨之進行，在工作面后方采空區(qū)等距離間隔布置墩柱模塊，在墩柱模塊內(nèi)加入鋼筋網(wǎng)、鋼板以提高墩柱強度，并灌注混泥土漿體材料(由砂、水泥、各種礦物摻合料、膠結物料和水進行配料，制作成充填料漿，10小時后其抗拉強度不低于0.6mpa)，待灌注漿體凝固后形成具有一定形狀的多個獨立的墩柱，并通過地面鉆孔向充填區(qū)域上部覆巖離層區(qū)注混凝土漿液，以保證空間穩(wěn)定性；地下緊湊型城市的建筑空間為墩柱充填開采形成的墩柱間排距，根據(jù)墩柱間上方頂板所受的最大拉應力小于其抗拉強度，求出墩柱間排距及墩柱長度為5m最為合適；充填墩柱12上方的頂板區(qū)域采用錨噴加固支護及平整美觀處理；

s3：在廢棄礦井的兩條主巷道7兩側采用光面爆破開挖新的硐室(硐室高度5米左右，面積10—50平方米不等，硐室之間距離不超過1.5米)，兩個主巷道7用間隔聯(lián)絡巷8連接，并對那些利用價值不高、有危險的巷道及硐室進行充填封堵，外表面做防滲透和隔離措施；新掘硐室11和原有硐室的內(nèi)部采用混泥土制成的墩柱和錨網(wǎng)進行聯(lián)合支護，并對頂板噴射混泥土，防止?jié)B水、掉塊，然后對硐室裝飾裝潢，配備各項系統(tǒng)；對主巷道7頂面噴射混泥土加固，在其上側布置管線綜合走廊，中間用防火材料制成的天花板隔開，下側為人行通道、商業(yè)主街，兩側利用井下適宜的溫度和濕度，種植不需要陽光類的植物以實現(xiàn)地下城市的綠化；在主巷道7的兩端，分別對工業(yè)廣場保護煤柱16的兩翼回風井保護煤柱17采用墩柱充填進行回收，并在兩翼回風井保護煤柱17四周采用寬度為20-30m隔離煤柱與已采區(qū)域隔開，形成一個規(guī)則的地下空間；自此形成了地下空間的優(yōu)化資源配置，以工業(yè)廣場保護煤柱16形成的地下城市為核心，兩翼回風井保護煤柱17形成的地下城市為高端雙城，兩條主要大巷及周邊硐室為協(xié)同發(fā)展的雙軸及地下城市區(qū)域聯(lián)動，并構建戰(zhàn)略性功能區(qū)，以備戰(zhàn)時所需，從而形成“一核、雙城、雙軸、多區(qū)域”的地下城市建設布局和主體框架；

s4：為整個地下城市配備電力系統(tǒng)、通風與排煙系統(tǒng)、生活垃圾處理回收系統(tǒng)、生活用水和排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，實現(xiàn)地下城市水電氣暖的自供自足，從而讓整個地下城市處于自生成、自調(diào)節(jié)、自循環(huán)狀態(tài)；將所有系統(tǒng)的工程管線集于一體，布置在廢棄礦井主要巷道頂部(要保證巷道凈高不低于2m，在主要巷道頂部u型鋼下面安裝管道支架、多管吊架)，形成地下城市管道綜合走廊，并設置檢修位置。

其中，所述電力系統(tǒng)，利用廢棄礦井原有的供電系統(tǒng)，由地面高壓變電所經(jīng)變壓器降壓后，通過供電線路輸送到井下中央變電所5二次降壓為220v，最后經(jīng)住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)變電所為整個地下城市供電，主要巷道、兩側硐室及充填回采后形成的住宅區(qū)配備照明設施，并安裝應急照明燈系統(tǒng)，并配有備用供電電路；對瓦斯?jié)舛容^高的廢棄礦井，對瓦斯進行抽放開采，就近建立瓦斯發(fā)電站，并入地下緊湊型城市供電網(wǎng)絡；電力系統(tǒng)所用輸送電纜均布置在地下城市管線綜合走廊；

所述通風與排煙系統(tǒng)，在廢棄礦井原有的通風系統(tǒng)基礎上，選用新的通風設備，并配有備用通風系統(tǒng)，根據(jù)地下城市的人流量來調(diào)節(jié)進風量，由主立井1通入新風，將充填回采后形成的住宅區(qū)劃分為多個獨立設置通風與排煙系統(tǒng)的小區(qū)，在主巷道7兩側硐室開挖和安裝風道及設置抽風排煙管道，最后將各分支的回風和排煙管道匯于一處，經(jīng)副立井2抽出式通風機回風與排煙。

所述生活垃圾處理回收系統(tǒng)，首先對地下城市生活垃圾進行分選，把不可降解和不可再利用的垃圾通過封閉式膠帶傳送機輸送到采空區(qū)挖掘的垃圾回填站直接掩埋，填埋場地進行防滲處理，防止地下水造成污染；將可回收再利用的垃圾運輸?shù)降孛婕庸ぬ幚?，將餐飲類垃圾運輸?shù)讲煽諈^(qū)所建設的沼氣生產(chǎn)回收站14，利用地熱提高沼氣發(fā)酵池的發(fā)酵速度，將地下城市產(chǎn)生的高濃度有機廢水和糞便加入混合，提高沼氣發(fā)酵性，產(chǎn)生的沼氣可用于地下城市，也可通過地面鉆孔運輸，服務于地面城市，實現(xiàn)了地下城市垃圾無公害，綠色化處理。

所述生活用水和排水系統(tǒng)，利用采掘過程中伴隨涌出的地下水及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水在井下建立地下水庫13，經(jīng)多級凈化處理后為地下城市提供部分生活用水；通過延伸現(xiàn)有井筒抽取地下熱水，利用地熱轉(zhuǎn)換站15將熱量傳遞到地下城市，可用于溫泉、生活熱水或者地下城市供暖；利用廢棄礦井原有的井底水倉建設為廢棄礦井地下城市生活用水處理站4，并通過中央水泵站6將地下城市生活廢水輸送到地面，用于農(nóng)作物灌溉或者直接輸送到采空區(qū)側沼氣生產(chǎn)回收站14加以利用。

所述空調(diào)系統(tǒng)中，在現(xiàn)有井筒的基礎上向地下巖層延伸鉆孔和埋管作為換熱孔，利用地下深部地熱資源，制成地源熱泵一種新型空調(diào)系統(tǒng)，可以為整個地下城市夏天制冷、冬天供暖；通訊系統(tǒng)中，多種通信方式并存，并采用電纜，光纜多種連接方式，基于以太網(wǎng)絡組網(wǎng)，采用開放的wifi協(xié)議使各種通訊(包括井上和井下)設備連接，實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)傳輸和地下城市通訊全覆蓋；交通系統(tǒng)中，在地下城市的四個方位各掘一個新的井筒，作為電梯出口9，用于交通出行，每個井筒配備有智能化電梯兩部，分為人梯和貨梯，貨梯尺寸稍大一些，井筒底部周圍設有通向整個地下城市各個區(qū)域的公共交通車輛的地下出口停車場10，并利用廢棄礦井中央位置的井底車場建設為地下城市交通中轉(zhuǎn)站3；消防系統(tǒng)中，地下城市建筑內(nèi)和主街道大巷頂部區(qū)域均安裝有智能化的消防噴淋系統(tǒng)和煙霧感應探頭裝置，并采用防火材料和吸收噪音的建筑材料裝飾地下硐室，間隔距離配備消防設備。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。