世界人口增长、浅部资源逐渐枯竭、自然灾害频发、全球变暖、环境恶化、城市综合症等问题日益突出，给人类可持续发展带来前所未有的挑战(谢和平等，2017a)。19 世纪出现了100 万人口的大型城市，20世纪出现了1000 万人口的特大型城市，21 世纪则以发展中国家为主出现了巨型城市(朱作荣和束昱，1992)。现代城市正以超高层和“摊大饼”式发展，容易造成环境污染、资源短缺、交通拥堵、房价高昂等城市综合症，严重制约了城市化健康发展(谢和平等，2017a)。

 

我国矿产资源长期开发形成了巨大的可利用特殊地下空间，为发展地下生态城市创造了得天独厚的条件。其中，我国煤矿90%以上是井工开采。利用关停矿井得天独厚的特殊地下空间优势，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(谢和平等，2017b)。这样，既可以避免煤矿采空区被充填造成极大的特殊地下空间浪费，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。

 

因此，当前亟须针对关停矿井的资源化利用和转型升级的重大需求，探索科学利用矿区地下空间、地下水资源与生态资源、构建深地自循环生态系统的废弃矿井地下空间利用的科学理论与技术体系，建设全新的矿区地下生态宜居城市。通过矿区地面、地下一体化开发，可以将矿区建成地上高新经济、地下舒适居住和生活的新型城市功能区，实现矿区的高端转型升级之路。

 

1

地下生态城市示范区

 

基于深地空间独特的环境清洁、隔音隔震、天然抗灾、低本底无辐射、恒温恒湿等环境优势，突破深地大气循环、能源供应、生态重构等瓶颈，构建地下宜居城市、地下房地产、地下轨道交通系统、地下养老院、地下医院、地下学校、地下商业街、地下避难场所、地下污水垃圾处理系统，打造地下生态城市示范区(谢和平等，2017b)。

 

▲ 地下生态城市示范区

 

地下生态城市示范区构建的关键技术

 

 

 

 

 

 

①光纤阳光引入技术与人造太阳技术。采用“远程天窗”技术借助光纤将地面阳光导入地下、引入稳态磁约束聚变构建人造太阳，或利用瑞利散射原理、LED 等构建模拟阳光。

 

②生态空气动态自循环技术。构建地下空气成分智能调控循环系统，动态调整、智能平衡地下空气成分，达到最优动态平衡。

 

③悬挂式胶囊型交通立体网络构建技术。发展悬挂式单轨微动力交通承载技术，以胶囊型车厢为载体实现立体交通网络，达到节能环保省空间的目的。

 

④深地无线通信与智能物联技术。以无线无损传输技术为手段，以物联网技术为载体，发展地下城市功能的自动化、智能化和网络化，实现地下城市生活、教学、医疗、商业等智能物联全覆盖。

 

2

地下生态景观

 

基于地下生态学，发展模拟阳光、空气智能重生技术、洁净水自循环系统、地下生态植被等技术，构建地下生态圈，利用地下生态城市与地面存在的高落差构造地下生态瀑布等深地生态景观。对于一些具有特色的关停矿井，采取开设矿山主题公园、煤炭生产技术博物馆等设施，形成地下生态景观体验区(Callebaut，2009)。如日本“煤都”夕张在关停煤矿的基础上，建造了集展览、科学、娱乐等设施于一体的多元化产业(张金山，2006)。

 

▲ 地下生态景观体验区

 

地下生态景观需要解决的关键技术

 

 

 

 

 

 

①地下植被的人造阳光光合反应技术。

 

②地下人造阳光、空气、水、植被的生态融合技术。智能调节阳光照度、地下环境温湿度、植被覆盖率、空气循环流量与周期等，确保地下景观与生态的循环稳定。

 

③地下人造瀑布技术。运用深地能源调蓄技术，开发高落差、长效化、景观生态一体化的地下人造瀑布技术。

 

3

地下井筒式停车库

 

2016 年7 月，全国最深的井筒式停车库——杭州密渡桥路地下停车库正式开放，停车库地面只有一层楼高，占据空间只有150m²，有3个出入口，对应3 个停车井筒。每个井筒地下有19 层，深度达34m，能停38 辆车。3 个井筒共计114 个公共停车位，停车取车，只需1 分钟(詹程开，2015)。相对传统地下停车库，井筒式停车库大大节约了土地资源。通常矿区竖井深度少则百米，深则近千米，按平均500m 深计算，保守估计每个竖井式停车库可容纳1000 辆小型汽车。可充分利用地下矿区竖井优势，建造井筒式地下停车库(詹程开，2015)，解决地面和地下生态城市停车问题，在节约土地资源的同时，还可最大化利用地下空间。

 

地下井筒式停车库构建的关键技术

 

 

 

 

 

 

①地下井筒式停车库入库出库快速同步调运技术。通过智能优化计算，以动态最优路径处理连续、双向、多层、大流量的车辆入库出库。

 

②地下井筒式停车库停车空间优化技术。在满足经济、安全、实用等基本原则下实现储车量的最大化。

 

③地下井筒式停车库长期运营稳定技术。发展大体量空间支护理论与技术，实现井筒式停车库结构的安全与稳定。

 

4

矿井抽水蓄能发电设施

 

在关停矿井的转型升级、地下空间的综合利用中，能源的可持续供应是必不可少的，利用关停矿井建造落差型地下抽水蓄发电能设施(谢和平等，2017b)，使矿山地下水库、矿井水循环利用与抽水蓄能发电一体化，实现矿井储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标，有望形成地下能源自循环系统。同时，在我国太阳能和风能资源主要分布的西部地区和北部地区，利用矿井或关停矿井空间建造抽水蓄能发电设施可以实现太阳能和风能等不稳定能源的大规模储能和高效发电，既能为风能和太阳能的大力发展提供必备条件，又能利用已存在的特殊地下空间。

 

井下抽水蓄能发电站构建的关键技术

 

 

 

 

 

 

①矿井抽水蓄能选址标准及清洁能源蓄能评价技术。通过对邻近地区传统火电和可再生清洁能源现状与规划的研究，建立数据库和综合评价体系，发展矿井抽水蓄能选址标准及清洁能源蓄能评价技术。

 

②矿井抽水蓄能发电站运营安全稳定性技术。研究矿井抽水蓄能水库、输水管道空间构造与布置，开发适合地下小规模空间的发电机组与抽水设备一体化技术，确保采动、地震、抽放水作用下厂房的长期稳定。

 

③波动清洁能源(风能、太阳能、水能等)能量转化与按需调蓄控制技术。构建矿井抽水蓄能、波动清洁能源与传统发电的联合能源体系，建立波动清洁能源快速自动调控系统，实现分布式按需供电及高效率能源转换。

 

5

地下医学和地下疗养院

 

世界深地实验室涉足生物医学相关研究的仅有几个，这些实验室主要针对低本底辐射环境下细胞生长特点进行了系列研究。这些研究发现在深地低本底辐射环境中细胞有生长发育减缓及应对基因损伤因素能力下降的现象(谢和平等，2018)。同时大量研究表明，地下空间环境某些特性有利于改善甚至治愈某些疾病；尤其对哮喘、气管及支气管炎、鼻炎、咽炎等有较为肯定的疗效；甚至相应的疗法被命名为洞穴疗法(李爱民，2015；Goodier，2004)。当前我们已经悉知失重、高空等环境因素对人及生物的影响，而地下环境的低辐射、超重、岩石种类对人及生物影响的认识尚接近于空白；因此亟待构建深地医学探索区，系统研究深地环境对生命体的影响及其机制，进而为人类当前无法解决的医学难题在深地赋存环境下寻求新的解决方案。

 

▲ 四川大学筹建的岩层覆盖厚度达1470m 的细胞培养室

 

因此，可以利用关停矿井在不同的深度建立生物医学实验室及疗养场所。

 

构建的主要内容

 

 

 

 

 

 

①探讨深地低本底辐射、稳定地磁场、恒温、恒湿、岩石、气压变化、幽闭等特殊环境因素对人的生理及心理影响及其机制。

 

②利用深地特有的赋存环境探索人类当前难以攻克疾病的发病机制进而研究治疗方案。

 

③利用当前已经发现的诸如细胞生长减缓、基因损伤应答能力下降的现象探索肿瘤治疗、延年益寿及延长器官保存的颠覆性技术。

 

④论证地下灾害情况下，医学应急流程、方法及技术方案。

 

⑤系统深入研究洞穴疗法的机制、方法以及适应症，以惠及更多人群；同时为废弃矿井及洞穴再利用寻求新的思路和解决方案。

 

6

地下农业种植区

 

地下农业种植区是地下生态圈构建的主要部分，地下种植的农作物一方面吸收CO₂ 释放出O₂ 供生物呼吸，另一方面为人类提供了绿色健康食品。在地下建设地下农业种植区( Vähäaho，2014)，实现高产、优质和环保健康的农作物产品生产模式。光合作用需要的阳光可采用人工智能控制方式，根据不同植物所需的阳光波长，择优选择光谱，不受地面四季限制，确保地下农场的健康发展。

 

▲ 地下农业种植区

 

地下农业种植区建设的关键技术

 

 

 

 

 

 

①人造阳光波段环境下植物生长与干预技术。根据不同植物最适宜的阳光波长，探索其生长发育过程的深地演化机制，开发智能干预技术。

 

②地下湿地生态系统的构建技术。利用深部地质环境、热湿环境、微生物环境，以及人工阳光和空气循环技术，有效选择地下生态湿地的组成系统、消费系统及循环分解系统，建设地下湿地生态系统。

 

③地下土壤及岩石土质化的生物与地球化学智能转换技术。研究深地岩石层在先锋生物膜侵蚀下的成土机理和过程化学机制，实现深地岩石的土质化和微生物活化，使之适合深地农作物培育和生长。

 

 

NO.1

 

本文为《特殊地下空间的开发利用》（谢和平等著. —北京：科学出版社，2018.5）一书“第6 章 特殊地下空间前沿科学探索构想”。标题为编者所加。

 

ISBN 978-7-03-057312-4 

责任编辑：李雪

 

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。