我國遺煤復采方式與礦壓控制研究進展

馮國瑞,李 劍,戚庭野,張玉江,杜獻杰,白錦文

(1.太原理工大學,礦業工程學院,太原 030024;2.礦山巖層控制及災害防控山西省重點實驗室,太原 030024;3.山西省煤基資源綠色高效開發工程中心,太原 030024;4.山西省綠色采礦工程技術研究中心,太原 030024;5.山西浙大新材料與化工研究院,太原 030024)

在我國各類消耗性資源中,煤炭具有經濟、實用等優點,其貯藏量遠遠大于石油和天然氣資源,是我國經濟快速發展的基礎和生產力持續穩定增長的保障[1]。由于我國“富煤、貧油、少氣”的能源特點,煤炭開采成為了我國一次性能源的主要生產方式。因此維護我國工業生產和社會發展的持續穩定增長，需要充分保障煤炭資源的可持續供應[2-3]，圖1為我國2015—2021年原煤產量及煤炭消費量。

圖1 2015—2021年我國原煤產量及煤炭消費量Fig.1 China’s raw coal production and coal consumption from 2015 to 2021

我國的煤炭資源預測儲量十分巨大,遠超我國能源消耗的需求,但是由于煤炭賦存地區自然地理條件的復雜,目前探明的煤炭資源儲量仍然較少,僅滿足我國當前的能源需求。同時受開采地質條件、礦山生態環境及當地區域經濟狀況等多重因素的影響,在探明的煤炭資源儲量中僅有部分可用于開采,如圖2所示。因此，國家對煤炭資源的可持續開采提出了更高的要求[4-5]。

圖2 我國可采煤炭資源占比示意圖Fig.2 Proportion of recoverable coal resources in China

我國煤炭資源的開發已有很長的歷史,在經過多年的高強度開發后,我國各個礦區賦存的易采煤炭資源已所剩不多。眾多煤礦均面臨著生產落后導致的資源儲量枯竭、開采成本提高、剩余煤炭資源難采和經營虧損嚴重等問題,老礦區相繼面臨關閉或廢棄的局面。此外，由于我國過去煤炭開采理論水平不高,開采技術較差,存在大量的濫采現象,導致煤炭資源被大量浪費,因此在長期開采過程中遺留了數量巨大的煤炭資源。這些遺留煤炭主要是：開采早期采用倉房式、刀柱式、巷柱式等落后的采煤方法而棄置的大量煤炭資源;為了保護地表建筑物、鐵路、水體留設的煤柱;遭遇斷層、陷落柱等地質構造時留設的保安煤柱;由于護巷需要而留設的大巷煤柱、區段煤柱;采用落后的采煤技術開采厚煤層棄置的頂、底部分煤炭資源;因井田邊界不規則開采后殘留的邊角煤等。據相關統計,我國目前遺煤儲量約400億t,僅山西省內因各種原因而殘留的煤炭資源就高達100億t[6],且遺煤大多為優質煤種。為了解決上述問題,有必要對遺留煤炭資源進行安全高效復采,減少煤炭資源浪費,提高資源回收率,節約企業開采成本,保持煤炭產業的可持續發展與煤炭供需平衡[7-8]。

1 遺煤的分類

我國目前賦存的遺煤主要有整層遺煤、塊段遺煤、分層遺煤和以上3種類型遺煤組合而成的復合遺煤等4種類型。這些遺煤按照賦存形式分類,其中塊段遺煤又可以分為邊角煤、保護煤柱、控頂減沉遺留煤柱和小煤窯破壞區遺煤；分層遺煤主要是厚煤層遺留煤[9]。針對不同賦存類型遺煤的相關理論和開采方式,國內外學者進行了系統而全面的研究。上述遺煤中由于整層遺煤儲量較大、回采方便,所以開采較為經濟,開采價值大。整層遺煤可以按其賦存條件分為單一殘采區上覆整層遺煤和復合殘采區中部整層遺煤兩大類。

1.1 單一殘采區上覆整層遺煤

單一殘采區上覆整層遺煤主要是由于各種原因在采礦區上方遺留的一些還未開采的煤層,這些煤層的儲量較大,開采的經濟效益較好。形成上層遺煤的原因多種多樣:其一是由于在礦井開采初期地質勘探時勘探不詳,完成開采后又在煤層上部發現了可采煤層;其二是礦井在設計時,就因為下行開采程序與采區布置和生產能力之間發生了矛盾,被迫放棄開采上部煤層;其三是開采前將上部煤層劃為不可采煤層,但在開采下部煤層的過程中發現可采卻來不及布置采煤工作面,只好丟棄上部煤層;其四是因為礦井生產任務及經濟效益的原因,在開采時需要先開采主要煤層,而主采煤層與上部次要煤層的開采錯距尚未拉開,只好放棄開采次要煤層的部分儲量,先采下部開采方便、煤質較好的主采煤層。隨著煤炭開采水平不斷發展和提高,針對由于上述4種原因遺留的煤炭資源,仍可采取合適的遺煤復采方式進行回收,提高煤炭資源采出率。特別是對一些可采儲量不足而即將關閉或廢棄的老礦區,可以利用原有礦井的部分井巷和開采設備對這些遺留煤炭資源進行回收,不僅能夠減少開采成本的投入,還能繼續延長礦區或礦井的壽命、提高企業經濟效益、解決勞動力流失問題、提高資源回收率[10]。因此,在某些條件下,對殘采區的上覆整層遺煤進行上行開采,對提高礦區經濟、減少能源浪費、解放呆滯煤層以及實現煤炭資源綠色開采都具有重大意義[11-14]。

1.2 復合殘采區中部整層遺煤

復合殘采區是在開采近/極近距離煤層群時,當開采完上(下)部煤層后,不開采中間煤層,而選擇下(上)行開采下(上)部煤層形成的上、下采空區。根據上、下部煤層的開采方法的不同,復合殘采區的類型也不同,主要分為4種形式(如圖3所示)[15]:“上垮落-下垮落”復合殘采區,“上垮落-下刀柱”復合殘采區,“上刀柱-下垮落”復合殘采區,“上刀柱-下刀柱”復合殘采區。

圖3 復合殘采區中部整層棄煤開采的四種類型示意圖Fig.3 Four types of full-seam abandoned coal mining in the middle of composite residual mining area

2 遺煤復采主要方式

遺煤的復采方式多種多樣,主要可分為殘采區上行開采、充填復采、短壁復采、露天復采、水力復采等,不同類型的遺煤對應的最佳復采方式也不同。對于最具開采價值的整層遺煤,其中關于單一殘采區遺煤復采方面的理論及技術應用經驗較豐富,國內外學者都進行了較多研究,而關于復合殘采區遺煤復采的相關研究目前較少,成型理論及實際工程應用較為缺乏。單一殘采區遺煤復采一般采用殘采區上行開采及充填復采。這兩種復采方法復采效果較好,使用較為廣泛,在全國不同礦區,如西山礦區、大同礦區、平頂山礦區、陽泉礦區、兗州礦區、開灤礦區、新汶礦區、淮南礦區等都已經進行了較多的應用。

2.1 殘采區上行開采

所謂上行開采,即開采煤層(群)時,先采下煤層(分層或煤組),后采上煤層(分層或煤組)。煤礦在煤層開采設計時會出于對經濟、安全、技術等因素的考慮,先采下部煤層,這就導致殘采區上層遺煤的形成。同時在開采下部煤層時,采用不同的開采方式如壁式垮落法、刀柱采煤法等，會導致采場圍巖發生不同的應力變化和分布,使上部煤層圍巖處于不同的應力狀態。因此，按照下部煤層開采期間的采煤工藝和礦壓控制特點,將下部煤層殘采區分為兩類:采用壁式垮落法開采下部煤層所形成的殘采區稱為壁式殘采區,采用刀柱采煤法開采下部煤層并在殘采區留設有大量支撐煤柱的殘采區稱為刀柱式殘采區。

2.2 充填復采

充填復采主要是通過使用充填材料對殘采區進行充填,控制上覆巖層移動變形,構建出能夠長期穩定開采的地下空間的開采方法。充填復采作為一種綠色的開采方法,能夠有效利用礦井固廢資源,具有減少廢料排放、增強采空區穩定性、抑制地表下沉和圍巖變形、提高煤柱回收率的作用,是實現采空區遺煤資源安全高效經濟開采的一種重要開采方式。

2.3 復合殘采區中部整層遺煤開采

復合殘采區中部整層遺煤的貯存不僅受其上部煤層開采擾動的影響,還受下部煤層開采造成的雙重采動的影響,同時上下煤層開采時采用不同開采方式造成的影響也不同。而且復合殘采區中部整層遺煤在開采時所產生的礦壓顯現特征、圍巖的應力變化和分布狀態等與傳統的殘采區開采不同,所采用的礦壓和巖層控制技術也不同,因此在開采復合殘采區中部整層遺煤時并不能直接照搬單一殘采區遺煤的相關理論及開采方式,具有特殊性。

2.4 短壁復采

短壁復采是指以短工作面采煤法對遺煤進行開采的方式。短壁復采主要針對塊段遺煤進行復采,包括特殊開采的遺留煤柱、邊角煤和小礦井小窯破壞區遺煤等。其中關于邊角煤和各種煤柱進行復采的實例很多,而小礦井由于采煤方法落后、開采無序,導致資源采出率低,遺留大量煤炭資源,形成小窯破壞區。由于小窯破壞區不能布置完整的綜采工作面,導致復采難度較大,因此可以采用短壁復采工藝對小窯破壞區遺煤進行復采。

2.5 露天復采

露天復采是指在露天礦場對遺煤進行開采的采煤方式。我國煤礦的露天開采工藝多樣化,開采規模大型化、機械化程度較高,具有工藝流程簡單、定員少、效率高、生產組織簡單、安全性好等優點,能夠解決井工生產難以克服的各種災害,有效回收煤炭資源,增加企業的經濟效益。目前，露天復采技術方案大都為井工開采改露天復采遺煤資源[16-17]。

2.6 水力復采

水力復采是通過使用高壓水流沖擊破碎煤體,進而開采遺煤的方法。水力復采可應用在遺煤儲量較少、貯存區域較為分散的礦井,這些礦井由于在采空區中夾雜著開采后的矸石、木料等殘留物,不適用于一般的旱采工藝。而采用水力復采具有工作人員少、安全性高、適應能力強、搬家倒面簡單等優點。多年來,被我國許多旱采礦井用于復采殘煤,提高了資源產出率和企業的經濟效益,如山東棗莊礦、福建邵武礦、通化彎溝礦和肥城楊莊礦等[18]。

3 遺煤復采巖層控制理論與技術研究進展

3.1 殘采區上行開采研究進展

20世紀70年代,世界上主要產煤國家都有計劃地開始了上行開采的相關研究及工程實踐,尤其是以前蘇聯、波蘭、中國等為代表的國家進行了相應的研究與發展,取得了一些值得肯定的成果,也曾創造過較為可觀的技術經濟效益,積累了一定的實踐經驗。殘采區上行開采主要可以分為垮落法上行開采和刀柱式上行開采。由于殘采區上行開采的開采條件復雜,國內學者格外重視實際開采過程中的巖層控制問題[19-20]。

關于壁式垮落法殘采區上行開采,馮國瑞等[10，21]以白家莊煤礦先用垮落法開采下部煤層,后開采近距離上覆煤層為研究背景,采用室內相似模擬實驗的方法,研究了垮落法殘采區上行開采過程中層間巖層的位移和結構變化情況,得出了層間巖層的應力變化規律以及控制層的結構機理與力學性質，如圖4所示。張俊文等[22]以白家莊煤礦為研究對象,研究了3種殘煤狀態下煤體的損傷力學特性,建立了相關的損傷力學方程。研究發現采用錯層位巷道布置采煤法可以有效提高頂煤的冒放性和采出率。婁鑫[23]研究了煤層反程序開采后遺煤復采技術,對受3個煤層開采影響的煤層進行上行開采,給出了一些相應的開采方案和技術指標設計,對后續三次上行開采后的遺煤復采技術研究有一定借鑒意義。

(a)模型全貌

(b)下部煤層開采后巖層移動變形圖4 殘采區上行開采相似模擬試驗[10]Fig.4 Similar simulation test of upward mining in residual mining area[10]

在刀柱式殘采區上行開采領域,我國學者也進行了較多的試驗和理論研究。馮國瑞等[24]在關鍵層理論的基礎上,考慮了刀柱式采空區覆巖的力學特性和上層遺煤開采時對圍巖造成的擾動影響,進而提出了關鍵層疊合破斷距理論,該理論是一種刀柱采空區上行開采可行性的判別方法,經過實際開采驗證后效果良好。馮國瑞[25]總結了前期的研究成果,從殘采區上行開采過程層間巖層和煤層的頂、底板移動變形規律出發,研究了殘采區上行開采層間巖層結構,揭示了層間結構的力學模型,得出了殘采區上行開采可行性判定理論及方法,進而提出了煤礦殘采區上行開采基礎理論,該理論經過現場實際開采的驗證,為殘采區上行開采提供了非常有價值的理論指導與技術支持。

3.2 充填復采研究進展

關于充填復采,馬占國等[26]以房柱式充填采礦方法為背景,從能量的角度通過數值計算的方法來研究充填開采過程中充填物和煤層頂板的力學結構模型。研究發現充填開采能夠減少煤柱內部應力過載的現象,降低采場最大下沉,提高能量密度值。吳吉南等[27]提出了人工頂板承載關鍵層理論,通過采用分層注漿充填方法,制造人工頂板來加固厚煤層小煤礦采空區,使綜放工作面能夠直接回采,進而減少采空區搬家倒面次數,提高開采效率。李春生[28]以瑞豐煤業四煤復采為研究對象,對“三下”壓煤復采的可行性進行了分析并建立了評價模型,提出了混合充填材料充填開采的工藝,即矸石散料加超高水材料的開采方法,并在實際開采過程中進行了驗證。賈凱軍等[29-30]對超高水充填材料及充填技術進行了研究,并在超高水充填材料性質的基礎上,對不同煤礦的應用效果進行了分析和評價。研究結果發現超高水材料能夠增加采空區充填率,增強采空區穩定性,有助于防治礦井火災。馮國瑞等[31]首先提出了結構充填的開采思想。與傳統的充填采煤技術不同,結構充填具有充填效果好、成本低、效率高等優點,能夠高效利用礦井固廢資源,減少地下空間資源的浪費;同時進一步提出了結構充填的設計原則,確定了關鍵技術,完善了井下一體化結構充填系統,提出了應用更廣泛的結構充填構想。杜獻杰[32]開展了無側限充填體和加筋充填柱的單軸壓縮試驗,建立了“充填條帶-直接頂”復合承載結構溫克爾彈性地基上的有限長梁力學模型和柱式結構充填“充填柱-直接頂”復合承載結構溫克爾彈性地基上的中厚板力學模型,并通過解析得到了直接頂變形方程。可見充填復采對礦井開采固廢資源和地下空間的利用較好,其研究方向逐步由全采全充轉向部分充填再向結構充填方向發展。

3.3 復合殘采區中部整層遺煤開采研究進展

關于復合殘采區中部整層遺煤的開采過程的相關理論與巖層控制技術,國內學者已經開展了大量的科研工作。張向陽等[33]將實驗與工程實踐相結合,研究了淮北礦區上下采空極近距離煤層開采過程中采場周圍巖體的應力分布規律,得到了煤層、頂底板及工作面巷道外側圍巖應力的變化規律,并由此提出了切實的礦壓控制措施以保障開采工作的安全可靠。劉明杰等[34]分析了采用“上刀柱-下刀柱”開采方式開采的煤層中部遺煤開采可行性,研究了在開采中部遺煤時可能造成的圍巖應力變化及開采擾動對頂底板的影響,提出了相應的頂底板巖層控制措施。白錦文等[15, 35]對復合刀柱式殘采區的遺留煤柱的應力分布及開采方式進行了理論研究,分析了復合殘采區遺留煤柱及覆巖的穩定性與開采的可能性,提出了切實的復合刀柱式殘采區遺留煤柱開采巖層控制理論。同時根據復合采區中串聯與并聯遺留群柱的失穩破壞特征,研究了復合殘采區遺留群柱的失穩致災機理,提出了復合殘采區的關鍵柱核心理論。張玉江[36]針對下垮落式復合殘采區的頂底板穩定性問題,將下垮落式復合殘采區的底板根據應力分布的不同分為了3個區域,并建立了相關的力學理論模型,得到了下垮落式復合殘采區圍巖的失穩機理,提出了以“底板巖層結構穩定性”為核心的遺煤開采可行性判定方法,以及安全開采的相關技術措施。郭峰[37]研究了“上刀柱-下垮落”式復合殘采區中部遺煤開采過程中圍巖的應力分布,位移變化及結構演化規律,同時分析了兩種不同開采順序開采此類遺煤的優缺點,提出了對復合殘采區中部遺煤開采過程中圍巖擾動影響最小的開采方法,為后續此類工程的開采提供借鑒。周小建[38]則是研究了“上垮落-下刀柱”式復合殘采區中部遺煤開采過程中的巖層控制相關理論。以白家莊煤礦7#煤層為背景,通過理論與實驗相結合的方法研究了復合殘采區中部遺煤開采所引起的圍巖應力分布特征及頂底板穩定性情況,并且推導出了遺留煤柱在雙重采動影響下所能承受載荷的計算方法,為后續進行此類開采的煤柱設計依據提供了理論基礎。李澤[39]研究了層間距對“上垮落-下刀柱”式復合殘采區中部遺煤的礦壓影響,分析了不同層間厚度下中部遺煤圍巖的應力場、位移場的變化情況,得到了復合采場層間距與煤層圍巖破壞情況的關系,將復采殘采區中部整層遺煤的頂底板結構總結為3種類型,進而提出了“上垮落-下刀柱”式復合殘采區中部遺煤開采可行性判定方法。馮國瑞等[40]選取非等寬復合柱采區中部遺煤的開采為研究對象,研究了遺留寬煤柱和窄煤柱的穩定性以及復合柱式開采采場形成的兩種連續梁結構等,系統分析了非等寬復合柱采區中部遺煤開采的可行性,如圖5所示。并以晉華宮煤礦中部遺煤開采為例提出了切實的礦壓安全防控技術,為后續的非等寬復合柱采區中部遺煤的安全高效開采提供了理論依據。由此可見，復合殘采區中部整層遺煤開采同樣側重研究巖層控制問題,研究的方向由靜載作用下的巖層結構穩定性向動靜組合作用下的巖層結構穩定性轉移。

圖5 非等寬復合柱采區中部遺煤復采相似模擬試驗圍巖的結構形式[40]Fig.5 Surrounding rock structure in similar simulation test of residual coal mining in the middle of mining area with unequal width composite columns

3.4 短壁復采研究進展

目前短壁復采工藝主要是使用連續采煤機短壁機械化開采技術對邊角煤和小窯破壞區遺煤進行開采,并且有大量的現場生產經驗。翁明月等[41]針對平朔安家嶺煤礦邊角煤采用連續采煤機短壁機械化開采技術進行了開采,發現短壁開采技術能夠提高礦井對于邊角煤和不規則塊段遺煤的回采率,增加經濟效益。郝萬東[42-43]從實際出發,研究了短壁復采在小窯采空區殘留煤柱的應用情況,并從多個方面介紹了連續采煤機短壁機械化開采技術,設計了配套的連采技術方案。苗彥平等[44]則是針對礦井殘留的不規則塊段遺煤進行了研究,介紹了連續采煤機短壁開采技術在開采不規則塊段遺煤過程中對頂板穩定性的改善作用。石曉光[45]基于陜煤張家峁礦不規則邊角塊段遺煤的賦存特點,提出了采用短壁復采的方式來解決回采過程中頂板巖層控制的問題,并且構建了相適應的循環風路系統。梁大海[46]同樣針對不規則塊段遺煤提出了連續采煤機短壁復采方案,并介紹了兩種復采設備的配套方案且在干河煤礦成功地進行了現場應用。馬進功等[47]則研究了短壁復采技術在資源整合兼并小礦井小窯破壞區遺煤開采中的應用,該技術較好地克服了小窯區遺煤由于分布散亂無序而帶來的開采難題,為后續小窯區復采技術的發展提供了經驗。楊杰[48]分析了短壁開采技術與裝備在煤柱回采領域的重要性,介紹了短臂機械化采煤成套主要設備。

3.5 其他復采方式研究進展

目前關于露天復采和水力復采技術的現有研究較少,且由于復采工作面較小,頂板穩定性較易控制,相關研究大都集中在復采方式的可行性分析上。其中關于露天復采的研究主要是礦井井工開采改露天復采的可行性分析。劉光金[16]針對大峰露天礦井工采空區中的大量遺留煤資源,提出了露天復采方案和技術措施,并進行了可行性分析。江文平[17]則是借鑒了箕溝煤礦井工開采改露天復采的成功技術經驗,對該礦區露天復采轉型進行了可行性分析,并提出了相應的技術發展方向。

關于水力復采技術,王慶川[49]分析了金星煤礦水力復采方案,研究了水力復采的工作面布置、工作面參數以及相應的頂板管理措施,確定了水力復采的應用價值。王鴻云[18]為解決襄垣地區開采3#煤層遺留煤資源較多的問題,提出了水力復采采空區遺煤的方法,并進一步研究了水利復采技術中巷道布置、掘進方法和安全措施等相關問題。

4 結論

1)遺煤的復采方式多種多樣,有殘采區上行開采、充填復采、水力復采、短壁復采、露天復采等多種形式,根據遺煤復采方式及特點，研究方向各有側重。

2)充填復采、露天復采、短壁復采和水力復采工作面范圍較小,頂板控制問題小,側重研究可行性和開采工藝。

3)殘采區上行開采和復合殘采區中部整層遺煤開采因開采條件復雜,側重研究巖層控制問題,研究熱點由靜載作用下的巖層結構穩定性向動靜組合作用下的巖層結構穩定性轉移。

4)考慮到充填材料的來源與地下空間利用,充填復采由全采全充向部分充填,再向結構充填方向發展。

5)我國學者在殘采區上行開采、充填開采和復合殘采區中部整層遺煤開采等領域進行了大量的研究。他們的研究為后續的遺煤安全高效開采提供了非常有價值的理論支持與技術指導。但遺煤開采是一個還未完全成熟的技術領域,仍需進行大量的深入研究。