资源枯竭矿井3#煤柱回收的可行性

摘 要：遗留煤柱的回收，涉及采场及巷道的矿压特征、围岩控制、回采工艺、工程测试、设备选型等领域，集中体现了遗留复采技术的综合性、复杂性，可为老矿井的可持续高效生产探索出可行的技术途径。实现对残留3#煤柱的有效回收，将会明显延长矿井服务时间，并在煤炭行业具有一定的推广与应用价值，不仅可为企业带来一定的经济效益，还可为矿区的社会稳定带来难以估量的社会效益。

关键词：资源枯竭；回收；可行性

1 基本情况

沁水煤田为中国目前产煤最多的大型石炭三叠纪煤田，它位于山西省中南部，跨长治、高平、晋城、阳城、沁水等20多个市和县，是中国无烟煤，化工用煤和炼焦用煤的主要产地。含煤地层包括晚石炭世本溪组、太原组及早二叠世山西组、下石盒子组，煤质中等灰分，低硫，发热量一般大于5500大卡/千克，其中晋城煤是合成氨，氮肥的优质原料。

沁水煤田地质构造条件简单，煤层倾角平缓，矿井小构造不甚发育且赋存规律性很强，文水地质条件大部分都不复杂。晋城地区沁水和阳城一带煤层瓦斯含量高，大部分矿井属高瓦斯矿井，其中少量为突出矿井。

泽州县所辖矿井由于大部分煤炭埋藏较浅，所以清朝时期即有小窑开采，尤其是最近15年，全县煤矿高峰时期矿井数量达到200多座，煤矿规模都较少，开采方式落后，回采率不高，资源浪费严重，经过最近几年的资源整合，煤矿数量已经降至9座，总生产能力为960万吨，其中大部分为建设矿井，开采9#或15#煤层，开采3#煤层的只有3座，而且2座资源也所剩无几。目前全国煤炭经济运行下滑严重，煤矿投入仍在不断加大，要求仍在不断提高，导致煤炭成本不段升高。9#、15#煤由于高灰、高硫等原因，目前开采面临亏损，3#煤价格还稍微有一点利润，要想让煤矿度过低迷期，对资源枯竭矿井3#煤柱进行回收是必然选择。

2 残留煤柱现状

历史上大多数煤矿采用传统的房柱式开采3#煤层，由于多年前的采掘扰动形成的较高二次应力场的长期作用，遗留煤柱、顶板岩层会发生不同程度的变性、破坏和塌落现象。由于客观条件的差异以及采留比的不同，已采区域煤、岩层结构状况处于多元状态：既有基本保持原仓房几何特征的初期状态，或顶板冒落而煤柱完整性较好的高冒式仓房，还有煤柱片帮而顶板完整的状态，也有顶、帮均严重破坏塌落甚至煤柱完全酥松、顶帮完全垮塌的全破碎状态，煤矿井下采空区增多，有可能构成大规模积水和积聚瓦斯等现象，对水土资源、地表植被、地面设施、农田等自然环境和资源的修复带来巨大困难。因此，若能实现对已采区域遗留煤柱的回收利用，不仅可挽回煤炭资源的损失，帮助煤矿度过目前的低迷期，而且还可产生巨大的社会效益。

2.1 煤柱赋存特征

当煤柱尺寸较大时，尽管煤柱靠近表面的部分区域会破坏甚至片落，但其内核部分会保持完好，并将形成对顶板岩层的支承。当煤柱宽度超过10米时，煤柱中部存在完整性保持较好的核，支承压力集中现象明显。

煤层中进行采掘后，原来未采煤体中的应力即转移到周围岩层中，导致巷道两帮内的应力集中和巷道顶、底板卸压。当悬空顶板缺乏支护时，顶板就会发生弯曲变形、膨胀、扩容，进而导致顶板离层和断裂。一般来说，采掘空间越宽，顶板下沉量越大。随着采空区面积的扩大，顶板跨距增大到某一值（即极限跨距）时就会发生顶板垮落。

顶板的极限跨距主要受围岩性质、开采深度、顶板所承受的载荷、顶板暴露时间以及开采空间的几何尺寸等因素的影响。一般来说，岩石越松软、采深越大、作用在顶板上的载荷越大、顶板暴露时间越长，极限跨距越小。开采空间的长度和跨度尺寸比较接近时，极限跨距越大。在一定范围内增大开采空间长度，极限跨距就会减小。当顶板中存在密集而平行于工作面的节理时，顶板就容易垮落，即顶板的极限跨距减小。

当顶板初次垮落时，工作面前方的支承压力最大；随着顶板冒落的发生，原先在顶板中形成的压力拱遭到破坏，支承压力随之降低；但由于应力的重新分布，在冒落带的上覆岩层及周围区域内重新形成压力拱，这时在垮落区边缘处出现高支承压力，而垮落区内的应力比上覆岩层中的低。因此，如果顶板跨距小于极限跨距，则压力拱与传递支承压力的上覆岩层的载荷保持相对稳定；当发展到或超过极限跨度时，成拱作用遭到破坏，就会引起上覆岩层的运动，直到达成新的平稳为止。

总体来讲，仓房式采空区与长壁综采采空区相比的最大区别在于其压力分布的非均匀性，即煤柱下压力高，煤柱间压力小。

一般来说，当煤柱所受的载荷达到煤柱极限承载能力或煤柱变形达到极限时，煤柱就出现破坏。煤柱破坏机理与岩石单轴压缩试验类似，其破坏形式常呈剪切破坏、纵向劈裂等。

煤柱软弱时，在采掘影响下，大多将处于强度破坏阶段，其承载能力已经很小甚至完全丧失，此时极易发生压剪式滑落、重力式滑落、劈裂式或横拱式垮落等形式的片落失稳现象。

2.2 煤房围岩的状况

由于采掘扰动形成的较高二次应力场的长期作用，煤柱、顶板岩层会发生不同程度的变性、破坏、塌落等现象。结合煤、岩层的时间效应分析，已采区煤岩层结构状况可分为四种类型：（1）初期状态；（2）顶板冒落；（3）片帮；（4）顶、帮均严重破坏塌落。

煤房空间小、围岩稳定条件下，将会保持初期状态；顶板稳定、煤帮破碎时，将只会出现片帮现象；顶板破碎、煤帮稳定时，将只会发生冒顶现象；顶板、煤帮都破碎时，则既会发生冒顶、又会发生片帮现象。

3 复采原则

3#煤复采的原则首先是安全，其次是尽可能的提高回收率，最大程度的降低成本，提高效益，利用矿井现有设施、设备和各生产系统进行回收，减少丢弃率。

4 复采方法的选择

大部分煤矿井田内3#煤层赋存稳定，构造简单，煤层厚度6.0m左右，煤层倾角为3～5°。复采区原开采方式比较统一，遗留煤炭分布一致性较强，但岩层稳定性状况差异较大，对所采用的采掘技术要求具有较强的适应性。老采区遗留3#煤瓦斯特征已不同于实体煤的高瓦斯特征，遗留煤厚度分布也不均匀。若采用普通综采，则煤柱部分的顶煤损失严重；若采用大采高一次采全高，则原空巷位置的混矸问题严重，且高冒区存在冲击载荷问题。

综合考虑煤层的上述各种赋存特征，3#煤层复采宜选择综采放顶煤回采工艺，在煤柱区域多放顶煤，在原空巷区域控制放煤或不放煤甚至降低开采高度以减少混矸。

作者简介：王海军（1968，6-），男，籍贯：山西省晋城市泽州县，本科学历，目前职称：工程师，主要研究方向：安全监管。