小窑破坏区残留煤资源精细复采研究现状及进展

韩 磊，董 浩，陆银龙

(1.山煤国际能源集团股份有限公司，山西 太原 030006；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

我国对煤炭资源的需求量巨大，保障煤炭资源供应对我国经济发展具有重大影响。在我国煤炭开采发展时期，煤炭生产相关的法律法规和监管政策不够完善，导致众多煤矿存在小煤窑不良开采方式，煤炭资源平均采出率不足30%，低于其他煤炭产出国平均水平[1]。小煤窑开采后残留了大量的煤炭资源，进行残留煤精细复采可有效回收煤炭资源，大约增加煤炭储量的30%[2]，对于提高煤层采出率、延长矿区服务年限、增加企业经济效益、促进我国煤炭资源开采的可持续发展以及保障国家能源供给安全具有重要意义[3]。

我国煤矿最早于1976年开始残留煤复采现场工业性试验，近年来以山西省为主的小窑破坏区残留煤资源开采矿井快速增多。但是总体上，目前国内外残留煤资源精细复采仍处于起步阶段，主要存在残留煤资源赋存情况探测不明、复采矿压显现剧烈、工作面围岩控制难度大、老空破坏区有害气体/积水/自燃发火难防治等问题，给复采过程带来了严峻的挑战与重大的安全隐患。因此，需要利用先进的地球物理探测技术对残留煤储量进行准确探测，深入研究复采工作面与常规开采工作面不同的异常矿压显现规律，提出科学合理的残留煤精细复采模式与灾害防治技术方案。

本文围绕小窑破坏区残留煤资源精细复采关键科学技术问题，分别从残留煤资源破坏区探测技术、残留煤复采异常矿压显现规律、残留煤复采模式与围岩控制技术、残留煤复采灾害防治技术等4个方面，对已有的残留煤资源精细复采研究成果进行归纳总结和评述，探讨残留煤精细复采技术发展趋势以及亟需解决的关键科学技术问题。

1 残留煤资源破坏区探测技术研究现状

在残留煤资源复采过程中，准确掌握残留煤资源分布规律以及老空区积水、有毒有害气体赋存状况等，对于制定科学的复采技术方案、合理布置采区工作面、预防瓦斯/突水等灾害事故、保障残留煤资源安全高效复采具有重要意义[4-5]。为此，迫切需要发展快速、高效、精确的探测技术，其主要任务包括探测采区内小窑破坏区的分布情况、采区边界与煤层埋深、小窑破坏区积水/积气状态。

目前，在残留煤资源复采过程中所使用的探测技术主要包括钻探技术和物探技术。其中，钻探技术是利用钻孔取样信息了解前方地质信息，其探测结果准确，但是存在深孔钻探困难和塌孔等问题。物探技术主要包括瞬变电磁法、三维地震法、直流电法等。夏双力[6]在河北省某煤矿内使用瞬变电磁法探测小窑破坏区内的积水情况，此方法应用效果良好。瞬变电磁法对探测垂向上的分辨率较高，与传统直流电测试法结合使用可获得更好的探测效果[7]。郝永信[8]、范明建等[9]分别在红会一矿与安家岭井工二矿小窑破坏区使用电法、地质探测仪、钻探等综合探测技术，查明了矿区内小窑破坏区的分布情况与破坏程度，及时为综放工作面布置提供前期设计资料，最终形成科学的综放开采技术体系，在小窑破坏区残留煤资源复采回收率提高到75%～80%。胡晓东[10]在大同煤矿集团晋华宫煤矿采用三维地震物探方法探测矿区内小窑破坏积水区，相较于直接使用传统钻探方法节省了大量时间和经费，并且探测准确度与可靠性更高。张建忠等[11]针对红会一矿小窑破坏区采用地震波超前探测技术(MSP)，结合钻探验证方法，有效探明了小窑破坏区范围与前方灾害情况。

瞬变电磁法、直流电法等物探方法对于探测破坏区内大面积积水效果良好，但是对于识别小面积积水精度差，需辅助钻探方法辨别。此外，目前物探技术无法对老空区内积气情况准确探测，只能使用超前钻探技术[12]。总体而言，针对残留煤资源开采中的探测技术问题，仍然需要不断发展新的探测技术手段。

2 残留煤复采异常矿压显现规律研究现状

小窑破坏区使得煤层内原始应力条件发生改变，从而导致小窑破坏区残留煤复采过程中异常矿压显现规律。因此，需要在小窑破坏区准确探测的基础上，对复采异常矿压显现规律开展研究，从而为复采模式以及围岩控制方法确定提供理论依据。

残留煤复采异常矿压显现规律可以通过相似模拟实验、数值模拟方法、现场实测等手段研究获得。其中，模拟方法可与现场实测结果互相对比验证，在此基础上分析得出异常重点区域，并布置压力监测站，对残留煤复采工作面进行实时监测。

2.1 物理相似模拟试验研究现状

秦喜文[13]以山西省韩咀煤矿小窑破坏区为背景，利用物理相似模拟试验方法分别对上分层、下分层开采时遗留煤柱稳定性影响规律进行研究，结果表明在下分层开采过程中，顶板下方支架所受压力明显提高，需要在遗留煤柱的前后采取防护措施防止安全事故发生。原野等[14]以晋煤集团圣华煤业3#煤层小窑破坏区为背景进行相似模拟试验，研究小窑破坏区围岩变形与应力演化规律，发现工作面支架的工作阻力在与冒落区贯通时最大，在距离冒落区实际距离2.4 m时支架工作阻力开始急剧上升，冒顶区应力随工作面表现为“弱-强-弱”趋势。

2.2 数值模拟研究现状

郭占峰[15]利用数值模拟方法研究了有无小窑破坏区两种情况下工作面的应力分布特征，结果表明工作面推进过程中小窑破坏区应力分布明显不规律，且比完整煤层最大垂直应力高3倍以上，超前压力集中系数明显偏大。因此，在复采工作面推进过程中需要及时对工作面前方老空区分布情况进行探测，在前方矿压较大时提前做好支护工作，保障工作面安全。

2.3 现场实测研究现状

采用现场实测方法研究残留煤复采矿压显现规律更为准确。蔡为益等[16]根据韩咀矿小窑破坏区工作面矿压现场实测数据进行分析，结果表明，工作面顶板上方垮落时，工作面支架的工作阻力呈现持续高阻、振动小等特征。任志峰[17]在大同煤矿集团云冈煤矿根据现场实测数据分析了工作面进出煤柱时的矿压显现规律，发现工作面进出煤柱期间，出煤柱压力比进煤柱压力明显增大，工作面周期来压明显。裴亚锋[18]依据首阳煤业二采区现场观测数据对矿区内小窑破坏区巷道的压力特点进行了研究，发现因残留煤复采区域内围岩整体强度低，围岩破坏时已经形成塑性区并逐渐稳定，故巷道受到的变形围岩压力较低，随时间发展巷道受到的冲击撞击围岩压力会逐渐降低。齐光辉[19]研究发现因小窑破坏区的不规则性，巷道顶板会受到不规律的较大动载与侧载，造成巷道破坏。

2.4 存在的主要问题

综上，目前有关残留煤资源复采异常矿压显现规律的研究主要集中在一些特定的矿区，缺乏系统性和普遍性，且缺少相关残留煤复采异常矿压显现力学模型方面的研究，需要发展新的力学模型来科学合理解释残留煤复采异常矿压显现规律，指导复采工作面围岩控制与灾害防治。

3 残留煤复采模式与围岩控制技术研究现状

小窑破坏区残留煤资源复采相比于常规工作面开采难度增大，选择科学合理的开采理论、采煤方法、顶板处理技术、工作面围岩控制措施等对于保障残留煤资源安全高效复采具有重要意义。

在不同温度培养3 d后，各个菌株生长情况各不相同，同一温度下不同菌株生长状况不同，同一菌种在不同温度下生长状况也不相同。4℃时有2株乳酸菌生长良好，其余2株乳酸菌能微弱生长；10℃时有3株乳酸菌生长良好，1株乳酸菌菌体较少；15℃时，3株乳酸菌生长极好，1株乳酸菌良好生长；20～37℃时所有菌株均生长极好；45℃时，3株乳酸菌生长极好，1株乳酸菌良好生长；50℃的条件下，所有菌株均生长微弱。试验表明，弯曲乳杆菌和植物乳杆菌生长极好的温度在15～45℃；清酒乳杆菌生长极好的温度在15～37℃；屎肠球菌生长极好的温度在20～45℃。

3.1 残留煤复采模式研究现状

残留煤复采模式一般根据小窑破坏区煤层顶板破碎情况与冒落形态来选择，常用的复采模式主要包括长壁综采和短壁开采等两种方式(图1)。 其中，长壁综采方式包括综放复采和综采一次采全高复采。

图1 残留煤复采模式分类示意图Fig.1 Classification diagram of remining mode in residual coal

对于综放复采技术，一般可选择综放一次采全厚复采模式和采底放顶煤复采模式。其中，对于综放一次采全厚复采模式(图2(a))，可沿煤层底板布置复采综放工作面，充分利用原有巷道进行运输和通风，该方案优点是可最大限度地回收小窑破坏区内残留煤柱，缺点是工作面推进过程中要穿过小窑破坏区，需要采取相应技术措施进行空巷封堵和围岩控制。对于采底放顶煤复采模式(图2(b))，可在煤层底板内布置放顶煤工作面，切眼、回风与运输顺槽均布置在底板中。这种复采方案的优点是可一次采放出小窑破坏区遗留煤柱和煤层全部厚度；通过布置两条运输系统可以实现底板矸石和顶煤分开运输，如前刮板输送机输送底板矸石，后刮板输送机输送煤炭；残留煤复采时无需封堵空巷，巷道易于维护，较容易形成合理的通风系统。但是，这种复采模式需要在底板内掘进巷道和推进工作面，不但增加了工作量，还会增加吨煤成本。比较典型的案例是山西阳城西河煤业3#煤层，在复采时使用了采底放顶煤模式[20]。

图2 综放复采技术示意图Fig.2 Schematic diagram of fully mechanized caving and remining technology

对于综采一次采全高复采技术，可以利用小窑破坏区原有巷道进行通风和运输(减少了巷道掘进费用，改善了采掘接续状况)，并能最大限度地回收煤炭资源。一般包括三种开采情况：①不充填开采，复采过程中利用围岩加固技术通过小窑仓房区及空巷；②部分充填开采，先用无机材料注浆加固浮煤形成截割层，再用瑞米材料或发泡水泥注浆形成关键层，防止工作面推至小窑破坏区时顶板突然垮落，造成支架冲击破坏及人员伤害；③黄泥注浆充填开采，利用矿井地面黄土充足优势，添加高水速凝材料，对小窑破坏区进行完全注浆充填。

除了以上长壁综采技术外，短壁开采也是小窑破坏区残留煤复采的一种重要方式。短壁采煤法多采用连续采煤机进行机械化连续开采，目前已形成了房柱式开采、旺格维利开采、块段式开采等典型的短壁开采工艺。袁佳银[21]使用短壁开采工艺在大同焦家寨矿206工作面复采，提高了煤炭资源采出率。

3.2 残留煤复采围岩控制技术研究现状

国内对小窑破坏区残留煤资源复采工作面围岩控制方法研究较少，还未形成系统成果指导残留煤开采，总结归纳残留煤复采过程中围岩控制方法具有重要意义。目前残留煤开采围岩控制技术研究主要集中在巷道贯通技术、分区支护技术、注浆填充技术等方面。葛连喜[22]在大同四台煤矿采用巷道贯通技术，通过调整优化巷道布置，使用小窑破坏区内原有可利用巷道作为运料顺槽使用。使用过程中需加强小窑破坏区巷道顶板支护，保障生产安全。其他残留煤复采区域内原有巷道破坏较少地区，可参考此贯通技术，节省开采成本。武建军[23]、赵小东[24]采用“分区支护”技术对小窑破坏区内巷道采用不同支护技术方案，主要分为巷道上分层遇煤柱和巷道上分层遇采空区两种情况，其中当巷道上分层遇煤柱情况下采用“长锚杆+锚索+金属网”支护，当巷道上分层遇采空区情况下采用工字钢架棚支护，并搭配局部注浆提高围岩整体强度。裴亚锋[18]针对小窑破坏区巷道提出了低扰动掘进、高强度差异化支护方案，在巷道穿过岩石破碎区时采用“短进尺”降低对破碎围岩的扰动，并采用工字钢棚与锚杆锚索联合支护方案，显著提高了巷道围岩稳定性。

在小窑破坏区注浆填充加固破碎岩层研究方面，新型的注浆填充材料在残留煤复采中被广泛使用。残留煤复采要求注浆填充材料具有良好的韧性与变形能力，材料强度需要略高于煤层强度，同时需具有膨胀能力，并且使得材料固结后与小窑破区内围岩形成整体，提高围岩强度。马钱钱等[25]使用瑞米注浆填充材料填充入松散煤层，在中煤平朔井工二矿小窑破坏区实践中取得了良好效果。韦昌新等[26]采用改良注浆填充材料快速固结小窑破坏区巷道顶板，在大同矿区东南井田掘进中解决了冒顶等安全问题。

4 残留煤复采灾害防治技术研究现状

由于煤层已经受到小窑破坏，老空区中会存在水、火、瓦斯等灾害隐患，导致复采过程中可能发生冒顶、突水、有害气体泄露、残留煤发火自燃等灾害[27]。针对不同矿井小窑破坏区具体工程地质情况，制定科学合理的灾害防治技术方案，对于保障残留煤安全复采具有重要意义。

在老空区有毒有害气体防治技术方面，需加强一氧化碳、瓦斯等实时准确监测。小窑破坏区封闭性较差，易产生一氧化碳、瓦斯等有害气体涌出，对矿井安全产生威胁，目前针对有害气体治理主要有堵和排两种方式。喻建等[28]使用SF6示踪气体脉冲释放法对矿井内一氧化碳气体来源进行检测，该方法准确检测到一氧化碳来源，并及时封堵。闫谈便[29]通过对漏风区域采取“一段一策、一面一策”堵漏方法，快速封堵漏风段，有效防止了一氧化碳气体涌出。除封堵外，亦可通过超前探孔提前排放有害气体，如齐光辉[19]在红会矿区小窑破坏区中使用超前钻孔排放瓦斯气体，保障了工作面安全开采。

在防止残留煤发火自燃方面，可使用灌浆填充技术。小窑破坏区容易发生残留煤自燃，主要原因为破坏区内存在大量浮煤，浮煤堆积形成蓄热环境，当遇到通风巷道氧气供应时，煤体便会氧化发热，然后产生自燃[30]。防止采空区漏风并阻拦氧气来源可有效防止残留煤自燃，因此可对采空区进行灌浆填充，封堵破坏区漏风通道[31]。在工作面掘进过程中当有自燃发火预兆时，亦可采用注氮、喷洒阻化剂等方法[19]。对已经产生火区情况，可先判断火势发展趋势，然后采用隔氧、降温等技术进行治理[32]。

5 结论与展望

小窑破坏区残留煤炭资源精细复采对于有效回收煤炭资源、延长矿井服务年限、增加企业经济效益、促进煤炭工业可持续发展、保障国家能源安全具有重要意义。目前，国内外残留煤资源精细复采仍处于起步阶段。本文通过对小窑破坏区残留煤资源开采中涉及的关键科学技术问题及研究现状进行系统的综述分析，得到了如下结论。

1) 小窑破坏区内地质条件极为复杂，采用物探与钻探相结合的探测技术是准确查明残留煤资源分布规律、小窑破坏区分布情况、采区边界与煤层埋深、老空区积水赋存状况等的重要途经。但是，现有探测技术尚无法对老空区有毒有害气体进行准确探测，迫切需要发展快速、高效、精确的探测技术。

2) 小窑破坏区复杂应力环境会导致残留煤复采过程中异常矿压显现规律，其可以通过相似模拟实验、数值模拟方法、现场实测等综合研究手段获得。但是，目前残留煤资源复采异常矿压显现规律研究缺乏系统性和普遍性，特别是缺少相关矿压显现力学模型方面的研究，亟需发展新的力学模型来科学合理解释残留煤复采异常矿压显现规律，指导复采工作面围岩控制与灾害防治。

3) 小窑破坏区残留煤资源复采相比于常规工作面开采难度显著增大，需要根据小窑破坏区煤层顶板破碎情况与冒落形态来选择合理的复采模式。目前工程中常用的复采模式主要包括长壁综采和短壁开采，其中，长壁综采包括综放复采技术和综采一次采全高技术。对于综放复采技术可选用综放一次采全厚复采模式、采底放顶煤复采模式；对于综采一次采全高复采技术可选用不充填开采模式、部分充填开采模式、黄泥注浆充填开采模式。在残留煤复采围岩控制方面已初步形成了巷道贯通技术、分区支护技术、注浆填充技术等。

4) 小窑破坏区中存在水、火、瓦斯等重大灾害隐患，在残留煤资源复采过程中需加强有毒有害气体实时准确监测、老空区积水情况超前探测等，制定以“堵、排”为主的有害气体治理模式、积水疏排方案、残留煤自燃发火灌浆充填防治措施，保障残留煤安全高效复采。