資源枯竭礦井3#煤柱回收的可行性

摘 要：遺留煤柱的回收，涉及采場及巷道的礦壓特征、圍巖控制、回采工藝、工程測試、設備選型等領域，集中體現了遺留復采技術的綜合性、復雜性，可為老礦井的可持續高效生產探索出可行的技術途徑。實現對殘留3#煤柱的有效回收，將會明顯延長礦井服務時間，并在煤炭行業具有一定的推廣與應用價值，不僅可為企業帶來一定的經濟效益，還可為礦區的社會穩定帶來難以估量的社會效益。

關鍵詞：資源枯竭；回收；可行性

1 基本情況

沁水煤田為中國目前產煤最多的大型石炭三疊紀煤田，它位于山西省中南部，跨長治、高平、晉城、陽城、沁水等20多個市和縣，是中國無煙煤，化工用煤和煉焦用煤的主要產地。含煤地層包括晚石炭世本溪組、太原組及早二疊世山西組、下石盒子組，煤質中等灰分，低硫，發熱量一般大于5500大卡/千克，其中晉城煤是合成氨，氮肥的優質原料。

沁水煤田地質構造條件簡單，煤層傾角平緩，礦井小構造不甚發育且賦存規律性很強，文水地質條件大部分都不復雜。晉城地區沁水和陽城一帶煤層瓦斯含量高，大部分礦井屬高瓦斯礦井，其中少量為突出礦井。

澤州縣所轄礦井由于大部分煤炭埋藏較淺，所以清朝時期即有小窯開采，尤其是最近15年，全縣煤礦高峰時期礦井數量達到200多座，煤礦規模都較少，開采方式落后，回采率不高，資源浪費嚴重，經過最近幾年的資源整合，煤礦數量已經降至9座，總生產能力為960萬噸，其中大部分為建設礦井，開采9#或15#煤層，開采3#煤層的只有3座，而且2座資源也所剩無幾。目前全國煤炭經濟運行下滑嚴重，煤礦投入仍在不斷加大，要求仍在不斷提高，導致煤炭成本不段升高。9#、15#煤由于高灰、高硫等原因，目前開采面臨虧損，3#煤價格還稍微有一點利潤，要想讓煤礦度過低迷期，對資源枯竭礦井3#煤柱進行回收是必然選擇。

2 殘留煤柱現狀

歷史上大多數煤礦采用傳統的房柱式開采3#煤層，由于多年前的采掘擾動形成的較高二次應力場的長期作用，遺留煤柱、頂板巖層會發生不同程度的變性、破壞和塌落現象。由于客觀條件的差異以及采留比的不同，已采區域煤、巖層結構狀況處于多元狀態：既有基本保持原倉房幾何特征的初期狀態，或頂板冒落而煤柱完整性較好的高冒式倉房，還有煤柱片幫而頂板完整的狀態，也有頂、幫均嚴重破壞塌落甚至煤柱完全酥松、頂幫完全垮塌的全破碎狀態，煤礦井下采空區增多，有可能構成大規模積水和積聚瓦斯等現象，對水土資源、地表植被、地面設施、農田等自然環境和資源的修復帶來巨大困難。因此，若能實現對已采區域遺留煤柱的回收利用，不僅可挽回煤炭資源的損失，幫助煤礦度過目前的低迷期，而且還可產生巨大的社會效益。

2.1 煤柱賦存特征

當煤柱尺寸較大時，盡管煤柱靠近表面的部分區域會破壞甚至片落，但其內核部分會保持完好，并將形成對頂板巖層的支承。當煤柱寬度超過10米時，煤柱中部存在完整性保持較好的核，支承壓力集中現象明顯。

煤層中進行采掘后，原來未采煤體中的應力即轉移到周圍巖層中，導致巷道兩幫內的應力集中和巷道頂、底板卸壓。當懸空頂板缺乏支護時，頂板就會發生彎曲變形、膨脹、擴容，進而導致頂板離層和斷裂。一般來說，采掘空間越寬，頂板下沉量越大。隨著采空區面積的擴大，頂板跨距增大到某一值（即極限跨距）時就會發生頂板垮落。

頂板的極限跨距主要受圍巖性質、開采深度、頂板所承受的載荷、頂板暴露時間以及開采空間的幾何尺寸等因素的影響。一般來說，巖石越松軟、采深越大、作用在頂板上的載荷越大、頂板暴露時間越長，極限跨距越小。開采空間的長度和跨度尺寸比較接近時，極限跨距越大。在一定范圍內增大開采空間長度，極限跨距就會減小。當頂板中存在密集而平行于工作面的節理時，頂板就容易垮落，即頂板的極限跨距減小。

當頂板初次垮落時，工作面前方的支承壓力最大；隨著頂板冒落的發生，原先在頂板中形成的壓力拱遭到破壞，支承壓力隨之降低；但由于應力的重新分布，在冒落帶的上覆巖層及周圍區域內重新形成壓力拱，這時在垮落區邊緣處出現高支承壓力，而垮落區內的應力比上覆巖層中的低。因此，如果頂板跨距小于極限跨距，則壓力拱與傳遞支承壓力的上覆巖層的載荷保持相對穩定；當發展到或超過極限跨度時，成拱作用遭到破壞，就會引起上覆巖層的運動，直到達成新的平穩為止。

總體來講，倉房式采空區與長壁綜采采空區相比的最大區別在于其壓力分布的非均勻性，即煤柱下壓力高，煤柱間壓力小。

一般來說，當煤柱所受的載荷達到煤柱極限承載能力或煤柱變形達到極限時，煤柱就出現破壞。煤柱破壞機理與巖石單軸壓縮試驗類似，其破壞形式常呈剪切破壞、縱向劈裂等。

煤柱軟弱時，在采掘影響下，大多將處于強度破壞階段，其承載能力已經很小甚至完全喪失，此時極易發生壓剪式滑落、重力式滑落、劈裂式或橫拱式垮落等形式的片落失穩現象。

2.2 煤房圍巖的狀況

由于采掘擾動形成的較高二次應力場的長期作用，煤柱、頂板巖層會發生不同程度的變性、破壞、塌落等現象。結合煤、巖層的時間效應分析，已采區煤巖層結構狀況可分為四種類型：（1）初期狀態；（2）頂板冒落；（3）片幫；（4）頂、幫均嚴重破壞塌落。

煤房空間小、圍巖穩定條件下，將會保持初期狀態；頂板穩定、煤幫破碎時，將只會出現片幫現象；頂板破碎、煤幫穩定時，將只會發生冒頂現象；頂板、煤幫都破碎時，則既會發生冒頂、又會發生片幫現象。

3 復采原則

3#煤復采的原則首先是安全，其次是盡可能的提高回收率，最大程度的降低成本，提高效益，利用礦井現有設施、設備和各生產系統進行回收，減少丟棄率。

4 復采方法的選擇

大部分煤礦井田內3#煤層賦存穩定，構造簡單，煤層厚度6.0m左右，煤層傾角為3～5°。復采區原開采方式比較統一，遺留煤炭分布一致性較強，但巖層穩定性狀況差異較大，對所采用的采掘技術要求具有較強的適應性。老采區遺留3#煤瓦斯特征已不同于實體煤的高瓦斯特征，遺留煤厚度分布也不均勻。若采用普通綜采，則煤柱部分的頂煤損失嚴重；若采用大采高一次采全高，則原空巷位置的混矸問題嚴重，且高冒區存在沖擊載荷問題。

綜合考慮煤層的上述各種賦存特征，3#煤層復采宜選擇綜采放頂煤回采工藝，在煤柱區域多放頂煤，在原空巷區域控制放煤或不放煤甚至降低開采高度以減少混矸。

作者簡介：王海軍（1968，6-），男，籍貫：山西省晉城市澤州縣，本科學歷，目前職稱：工程師，主要研究方向：安全監管。