小窯破壞區殘留煤資源精細復采研究現狀及進展

韓 磊，董 浩，陸銀龍

(1.山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030006；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

我國對煤炭資源的需求量巨大，保障煤炭資源供應對我國經濟發展具有重大影響。在我國煤炭開采發展時期，煤炭生產相關的法律法規和監管政策不夠完善，導致眾多煤礦存在小煤窯不良開采方式，煤炭資源平均采出率不足30%，低于其他煤炭產出國平均水平[1]。小煤窯開采后殘留了大量的煤炭資源，進行殘留煤精細復采可有效回收煤炭資源，大約增加煤炭儲量的30%[2]，對于提高煤層采出率、延長礦區服務年限、增加企業經濟效益、促進我國煤炭資源開采的可持續發展以及保障國家能源供給安全具有重要意義[3]。

我國煤礦最早于1976年開始殘留煤復采現場工業性試驗，近年來以山西省為主的小窯破壞區殘留煤資源開采礦井快速增多。但是總體上，目前國內外殘留煤資源精細復采仍處于起步階段，主要存在殘留煤資源賦存情況探測不明、復采礦壓顯現劇烈、工作面圍巖控制難度大、老空破壞區有害氣體/積水/自燃發火難防治等問題，給復采過程帶來了嚴峻的挑戰與重大的安全隱患。因此，需要利用先進的地球物理探測技術對殘留煤儲量進行準確探測，深入研究復采工作面與常規開采工作面不同的異常礦壓顯現規律，提出科學合理的殘留煤精細復采模式與災害防治技術方案。

本文圍繞小窯破壞區殘留煤資源精細復采關鍵科學技術問題，分別從殘留煤資源破壞區探測技術、殘留煤復采異常礦壓顯現規律、殘留煤復采模式與圍巖控制技術、殘留煤復采災害防治技術等4個方面，對已有的殘留煤資源精細復采研究成果進行歸納總結和評述，探討殘留煤精細復采技術發展趨勢以及亟需解決的關鍵科學技術問題。

1 殘留煤資源破壞區探測技術研究現狀

在殘留煤資源復采過程中，準確掌握殘留煤資源分布規律以及老空區積水、有毒有害氣體賦存狀況等，對于制定科學的復采技術方案、合理布置采區工作面、預防瓦斯/突水等災害事故、保障殘留煤資源安全高效復采具有重要意義[4-5]。為此，迫切需要發展快速、高效、精確的探測技術，其主要任務包括探測采區內小窯破壞區的分布情況、采區邊界與煤層埋深、小窯破壞區積水/積氣狀態。

目前，在殘留煤資源復采過程中所使用的探測技術主要包括鉆探技術和物探技術。其中，鉆探技術是利用鉆孔取樣信息了解前方地質信息，其探測結果準確，但是存在深孔鉆探困難和塌孔等問題。物探技術主要包括瞬變電磁法、三維地震法、直流電法等。夏雙力[6]在河北省某煤礦內使用瞬變電磁法探測小窯破壞區內的積水情況，此方法應用效果良好。瞬變電磁法對探測垂向上的分辨率較高，與傳統直流電測試法結合使用可獲得更好的探測效果[7]。郝永信[8]、范明建等[9]分別在紅會一礦與安家嶺井工二礦小窯破壞區使用電法、地質探測儀、鉆探等綜合探測技術，查明了礦區內小窯破壞區的分布情況與破壞程度，及時為綜放工作面布置提供前期設計資料，最終形成科學的綜放開采技術體系，在小窯破壞區殘留煤資源復采回收率提高到75%～80%。胡曉東[10]在大同煤礦集團晉華宮煤礦采用三維地震物探方法探測礦區內小窯破壞積水區，相較于直接使用傳統鉆探方法節省了大量時間和經費，并且探測準確度與可靠性更高。張建忠等[11]針對紅會一礦小窯破壞區采用地震波超前探測技術(MSP)，結合鉆探驗證方法，有效探明了小窯破壞區范圍與前方災害情況。

瞬變電磁法、直流電法等物探方法對于探測破壞區內大面積積水效果良好，但是對于識別小面積積水精度差，需輔助鉆探方法辨別。此外，目前物探技術無法對老空區內積氣情況準確探測，只能使用超前鉆探技術[12]。總體而言，針對殘留煤資源開采中的探測技術問題，仍然需要不斷發展新的探測技術手段。

2 殘留煤復采異常礦壓顯現規律研究現狀

小窯破壞區使得煤層內原始應力條件發生改變，從而導致小窯破壞區殘留煤復采過程中異常礦壓顯現規律。因此，需要在小窯破壞區準確探測的基礎上，對復采異常礦壓顯現規律開展研究，從而為復采模式以及圍巖控制方法確定提供理論依據。

殘留煤復采異常礦壓顯現規律可以通過相似模擬實驗、數值模擬方法、現場實測等手段研究獲得。其中，模擬方法可與現場實測結果互相對比驗證，在此基礎上分析得出異常重點區域，并布置壓力監測站，對殘留煤復采工作面進行實時監測。

2.1 物理相似模擬試驗研究現狀

秦喜文[13]以山西省韓咀煤礦小窯破壞區為背景，利用物理相似模擬試驗方法分別對上分層、下分層開采時遺留煤柱穩定性影響規律進行研究，結果表明在下分層開采過程中，頂板下方支架所受壓力明顯提高，需要在遺留煤柱的前后采取防護措施防止安全事故發生。原野等[14]以晉煤集團圣華煤業3#煤層小窯破壞區為背景進行相似模擬試驗，研究小窯破壞區圍巖變形與應力演化規律，發現工作面支架的工作阻力在與冒落區貫通時最大，在距離冒落區實際距離2.4 m時支架工作阻力開始急劇上升，冒頂區應力隨工作面表現為“弱-強-弱”趨勢。

2.2 數值模擬研究現狀

郭占峰[15]利用數值模擬方法研究了有無小窯破壞區兩種情況下工作面的應力分布特征，結果表明工作面推進過程中小窯破壞區應力分布明顯不規律，且比完整煤層最大垂直應力高3倍以上，超前壓力集中系數明顯偏大。因此，在復采工作面推進過程中需要及時對工作面前方老空區分布情況進行探測，在前方礦壓較大時提前做好支護工作，保障工作面安全。

2.3 現場實測研究現狀

采用現場實測方法研究殘留煤復采礦壓顯現規律更為準確。蔡為益等[16]根據韓咀礦小窯破壞區工作面礦壓現場實測數據進行分析，結果表明，工作面頂板上方垮落時，工作面支架的工作阻力呈現持續高阻、振動小等特征。任志峰[17]在大同煤礦集團云岡煤礦根據現場實測數據分析了工作面進出煤柱時的礦壓顯現規律，發現工作面進出煤柱期間，出煤柱壓力比進煤柱壓力明顯增大，工作面周期來壓明顯。裴亞鋒[18]依據首陽煤業二采區現場觀測數據對礦區內小窯破壞區巷道的壓力特點進行了研究，發現因殘留煤復采區域內圍巖整體強度低，圍巖破壞時已經形成塑性區并逐漸穩定，故巷道受到的變形圍巖壓力較低，隨時間發展巷道受到的沖擊撞擊圍巖壓力會逐漸降低。齊光輝[19]研究發現因小窯破壞區的不規則性，巷道頂板會受到不規律的較大動載與側載，造成巷道破壞。

2.4 存在的主要問題

綜上，目前有關殘留煤資源復采異常礦壓顯現規律的研究主要集中在一些特定的礦區，缺乏系統性和普遍性，且缺少相關殘留煤復采異常礦壓顯現力學模型方面的研究，需要發展新的力學模型來科學合理解釋殘留煤復采異常礦壓顯現規律，指導復采工作面圍巖控制與災害防治。

3 殘留煤復采模式與圍巖控制技術研究現狀

小窯破壞區殘留煤資源復采相比于常規工作面開采難度增大，選擇科學合理的開采理論、采煤方法、頂板處理技術、工作面圍巖控制措施等對于保障殘留煤資源安全高效復采具有重要意義。

在不同溫度培養3 d后，各個菌株生長情況各不相同，同一溫度下不同菌株生長狀況不同，同一菌種在不同溫度下生長狀況也不相同。4℃時有2株乳酸菌生長良好，其余2株乳酸菌能微弱生長；10℃時有3株乳酸菌生長良好，1株乳酸菌菌體較少；15℃時，3株乳酸菌生長極好，1株乳酸菌良好生長；20～37℃時所有菌株均生長極好；45℃時，3株乳酸菌生長極好，1株乳酸菌良好生長；50℃的條件下，所有菌株均生長微弱。試驗表明，彎曲乳桿菌和植物乳桿菌生長極好的溫度在15～45℃；清酒乳桿菌生長極好的溫度在15～37℃；屎腸球菌生長極好的溫度在20～45℃。

3.1 殘留煤復采模式研究現狀

殘留煤復采模式一般根據小窯破壞區煤層頂板破碎情況與冒落形態來選擇，常用的復采模式主要包括長壁綜采和短壁開采等兩種方式(圖1)。 其中，長壁綜采方式包括綜放復采和綜采一次采全高復采。

圖1 殘留煤復采模式分類示意圖Fig.1 Classification diagram of remining mode in residual coal

對于綜放復采技術，一般可選擇綜放一次采全厚復采模式和采底放頂煤復采模式。其中，對于綜放一次采全厚復采模式(圖2(a))，可沿煤層底板布置復采綜放工作面，充分利用原有巷道進行運輸和通風，該方案優點是可最大限度地回收小窯破壞區內殘留煤柱，缺點是工作面推進過程中要穿過小窯破壞區，需要采取相應技術措施進行空巷封堵和圍巖控制。對于采底放頂煤復采模式(圖2(b))，可在煤層底板內布置放頂煤工作面，切眼、回風與運輸順槽均布置在底板中。這種復采方案的優點是可一次采放出小窯破壞區遺留煤柱和煤層全部厚度；通過布置兩條運輸系統可以實現底板矸石和頂煤分開運輸，如前刮板輸送機輸送底板矸石，后刮板輸送機輸送煤炭；殘留煤復采時無需封堵空巷，巷道易于維護，較容易形成合理的通風系統。但是，這種復采模式需要在底板內掘進巷道和推進工作面，不但增加了工作量，還會增加噸煤成本。比較典型的案例是山西陽城西河煤業3#煤層，在復采時使用了采底放頂煤模式[20]。

圖2 綜放復采技術示意圖Fig.2 Schematic diagram of fully mechanized caving and remining technology

對于綜采一次采全高復采技術，可以利用小窯破壞區原有巷道進行通風和運輸(減少了巷道掘進費用，改善了采掘接續狀況)，并能最大限度地回收煤炭資源。一般包括三種開采情況：①不充填開采，復采過程中利用圍巖加固技術通過小窯倉房區及空巷；②部分充填開采，先用無機材料注漿加固浮煤形成截割層，再用瑞米材料或發泡水泥注漿形成關鍵層，防止工作面推至小窯破壞區時頂板突然垮落，造成支架沖擊破壞及人員傷害；③黃泥注漿充填開采，利用礦井地面黃土充足優勢，添加高水速凝材料，對小窯破壞區進行完全注漿充填。

除了以上長壁綜采技術外，短壁開采也是小窯破壞區殘留煤復采的一種重要方式。短壁采煤法多采用連續采煤機進行機械化連續開采，目前已形成了房柱式開采、旺格維利開采、塊段式開采等典型的短壁開采工藝。袁佳銀[21]使用短壁開采工藝在大同焦家寨礦206工作面復采，提高了煤炭資源采出率。

3.2 殘留煤復采圍巖控制技術研究現狀

國內對小窯破壞區殘留煤資源復采工作面圍巖控制方法研究較少，還未形成系統成果指導殘留煤開采，總結歸納殘留煤復采過程中圍巖控制方法具有重要意義。目前殘留煤開采圍巖控制技術研究主要集中在巷道貫通技術、分區支護技術、注漿填充技術等方面。葛連喜[22]在大同四臺煤礦采用巷道貫通技術，通過調整優化巷道布置，使用小窯破壞區內原有可利用巷道作為運料順槽使用。使用過程中需加強小窯破壞區巷道頂板支護，保障生產安全。其他殘留煤復采區域內原有巷道破壞較少地區，可參考此貫通技術，節省開采成本。武建軍[23]、趙小東[24]采用“分區支護”技術對小窯破壞區內巷道采用不同支護技術方案，主要分為巷道上分層遇煤柱和巷道上分層遇采空區兩種情況，其中當巷道上分層遇煤柱情況下采用“長錨桿+錨索+金屬網”支護，當巷道上分層遇采空區情況下采用工字鋼架棚支護，并搭配局部注漿提高圍巖整體強度。裴亞鋒[18]針對小窯破壞區巷道提出了低擾動掘進、高強度差異化支護方案，在巷道穿過巖石破碎區時采用“短進尺”降低對破碎圍巖的擾動，并采用工字鋼棚與錨桿錨索聯合支護方案，顯著提高了巷道圍巖穩定性。

在小窯破壞區注漿填充加固破碎巖層研究方面，新型的注漿填充材料在殘留煤復采中被廣泛使用。殘留煤復采要求注漿填充材料具有良好的韌性與變形能力，材料強度需要略高于煤層強度，同時需具有膨脹能力，并且使得材料固結后與小窯破區內圍巖形成整體，提高圍巖強度。馬錢錢等[25]使用瑞米注漿填充材料填充入松散煤層，在中煤平朔井工二礦小窯破壞區實踐中取得了良好效果。韋昌新等[26]采用改良注漿填充材料快速固結小窯破壞區巷道頂板，在大同礦區東南井田掘進中解決了冒頂等安全問題。

4 殘留煤復采災害防治技術研究現狀

由于煤層已經受到小窯破壞，老空區中會存在水、火、瓦斯等災害隱患，導致復采過程中可能發生冒頂、突水、有害氣體泄露、殘留煤發火自燃等災害[27]。針對不同礦井小窯破壞區具體工程地質情況，制定科學合理的災害防治技術方案，對于保障殘留煤安全復采具有重要意義。

在老空區有毒有害氣體防治技術方面，需加強一氧化碳、瓦斯等實時準確監測。小窯破壞區封閉性較差，易產生一氧化碳、瓦斯等有害氣體涌出，對礦井安全產生威脅，目前針對有害氣體治理主要有堵和排兩種方式。喻建等[28]使用SF6示蹤氣體脈沖釋放法對礦井內一氧化碳氣體來源進行檢測，該方法準確檢測到一氧化碳來源，并及時封堵。閆談便[29]通過對漏風區域采取“一段一策、一面一策”堵漏方法，快速封堵漏風段，有效防止了一氧化碳氣體涌出。除封堵外，亦可通過超前探孔提前排放有害氣體，如齊光輝[19]在紅會礦區小窯破壞區中使用超前鉆孔排放瓦斯氣體，保障了工作面安全開采。

在防止殘留煤發火自燃方面，可使用灌漿填充技術。小窯破壞區容易發生殘留煤自燃，主要原因為破壞區內存在大量浮煤，浮煤堆積形成蓄熱環境，當遇到通風巷道氧氣供應時，煤體便會氧化發熱，然后產生自燃[30]。防止采空區漏風并阻攔氧氣來源可有效防止殘留煤自燃，因此可對采空區進行灌漿填充，封堵破壞區漏風通道[31]。在工作面掘進過程中當有自燃發火預兆時，亦可采用注氮、噴灑阻化劑等方法[19]。對已經產生火區情況，可先判斷火勢發展趨勢，然后采用隔氧、降溫等技術進行治理[32]。

5 結論與展望

小窯破壞區殘留煤炭資源精細復采對于有效回收煤炭資源、延長礦井服務年限、增加企業經濟效益、促進煤炭工業可持續發展、保障國家能源安全具有重要意義。目前，國內外殘留煤資源精細復采仍處于起步階段。本文通過對小窯破壞區殘留煤資源開采中涉及的關鍵科學技術問題及研究現狀進行系統的綜述分析，得到了如下結論。

1) 小窯破壞區內地質條件極為復雜，采用物探與鉆探相結合的探測技術是準確查明殘留煤資源分布規律、小窯破壞區分布情況、采區邊界與煤層埋深、老空區積水賦存狀況等的重要途經。但是，現有探測技術尚無法對老空區有毒有害氣體進行準確探測，迫切需要發展快速、高效、精確的探測技術。

2) 小窯破壞區復雜應力環境會導致殘留煤復采過程中異常礦壓顯現規律，其可以通過相似模擬實驗、數值模擬方法、現場實測等綜合研究手段獲得。但是，目前殘留煤資源復采異常礦壓顯現規律研究缺乏系統性和普遍性，特別是缺少相關礦壓顯現力學模型方面的研究，亟需發展新的力學模型來科學合理解釋殘留煤復采異常礦壓顯現規律，指導復采工作面圍巖控制與災害防治。

3) 小窯破壞區殘留煤資源復采相比于常規工作面開采難度顯著增大，需要根據小窯破壞區煤層頂板破碎情況與冒落形態來選擇合理的復采模式。目前工程中常用的復采模式主要包括長壁綜采和短壁開采，其中，長壁綜采包括綜放復采技術和綜采一次采全高技術。對于綜放復采技術可選用綜放一次采全厚復采模式、采底放頂煤復采模式；對于綜采一次采全高復采技術可選用不充填開采模式、部分充填開采模式、黃泥注漿充填開采模式。在殘留煤復采圍巖控制方面已初步形成了巷道貫通技術、分區支護技術、注漿填充技術等。

4) 小窯破壞區中存在水、火、瓦斯等重大災害隱患，在殘留煤資源復采過程中需加強有毒有害氣體實時準確監測、老空區積水情況超前探測等，制定以“堵、排”為主的有害氣體治理模式、積水疏排方案、殘留煤自燃發火灌漿充填防治措施，保障殘留煤安全高效復采。