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(shè)備選型等領(lǐng)域，集中體現(xiàn)了遺留復(fù)采技術(shù)的綜合性、復(fù)雜性，可為老礦井的可持續(xù)高效生產(chǎn)探索出可行的技術(shù)途徑。實(shí)現(xiàn)對殘留3#煤柱的有效回收，將會(huì)明顯延長礦井服務(wù)時(shí)間，并在煤炭行業(yè)具有一定的推廣與應(yīng)用價(jià)值，不僅可為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，還可為礦區(qū)的社會(huì)穩(wěn)定帶來難以估量的社會(huì)效益。

關(guān)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(chǎn)煤最多的大型石炭三疊紀(jì)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(gè)市和縣，是中國無煙煤，化工用煤和煉焦用煤的主要產(chǎn)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(zhì)中等灰分，低硫，發(fā)熱量一般大于5500大卡/千克，其中晉城煤是合成氨，氮肥的優(yōu)質(zhì)原料。

沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，煤層傾角平緩，礦井小構(gòu)造不甚發(fā)育且賦存規(guī)律性很強(qiáng)，文水地質(zhì)條件大部分都不復(fù)雜。晉城地區(qū)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(shí)期即有小窯開采，尤其是最近15年，全縣煤礦高峰時(shí)期礦井?dāng)?shù)量達(dá)到200多座，煤礦規(guī)模都較少，開采方式落后，回采率不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)過最近幾年的資源整合，煤礦數(shù)量已經(jīng)降至9座，總生產(chǎn)能力為960萬噸，其中大部分為建設(shè)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行下滑嚴(yán)重，煤礦投入仍在不斷加大，要求仍在不斷提高，導(dǎo)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(jià)格還稍微有一點(diǎn)利潤，要想讓煤礦度過低迷期，對資源枯竭礦井3#煤柱進(jìn)行回收是必然選擇。

2 殘留煤柱現(xiàn)狀

歷史上大多數(shù)煤礦采用傳統(tǒng)的房柱式開采3#煤層，由于多年前的采掘擾動(dòng)形成的較高二次應(yīng)力場的長期作用，遺留煤柱、頂板巖層會(huì)發(fā)生不同程度的變性、破壞和塌落現(xiàn)象。由于客觀條件的差異以及采留比的不同，已采區(qū)域煤、巖層結(jié)構(gòu)狀況處于多元狀態(tài)：既有基本保持原倉房幾何特征的初期狀態(tài)，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(tài)，也有頂、幫均嚴(yán)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(tài)，煤礦井下采空區(qū)增多，有可能構(gòu)成大規(guī)模積水和積聚瓦斯等現(xiàn)象，對水土資源、地表植被、地面設(shè)施、農(nóng)田等自然環(huán)境和資源的修復(fù)帶來巨大困難。因此，若能實(shí)現(xiàn)對已采區(qū)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(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。

2.1 煤柱賦存特征

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

煤層中進(jìn)行采掘后，原來未采煤體中的應(yīng)力即轉(zhuǎn)移到周圍巖層中，導(dǎo)致巷道兩幫內(nèi)的應(yīng)力集中和巷道頂、底板卸壓。當(dāng)懸空頂板缺乏支護(hù)時(shí)，頂板就會(huì)發(fā)生彎曲變形、膨脹、擴(kuò)容，進(jìn)而導(dǎo)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(qū)面積的擴(kuò)大，頂板跨距增大到某一值（即極限跨距）時(shí)就會(huì)發(fā)生頂板垮落。

頂板的極限跨距主要受圍巖性質(zhì)、開采深度、頂板所承受的載荷、頂板暴露時(shí)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(shí)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(shí)，極限跨距越大。在一定范圍內(nèi)增大開采空間長度，極限跨距就會(huì)減小。當(dāng)頂板中存在密集而平行于工作面的節(jié)理時(shí)，頂板就容易垮落，即頂板的極限跨距減小。

當(dāng)頂板初次垮落時(shí)，工作面前方的支承壓力最大；隨著頂板冒落的發(fā)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(yīng)力的重新分布，在冒落帶的上覆巖層及周圍區(qū)域內(nèi)重新形成壓力拱，這時(shí)在垮落區(qū)邊緣處出現(xiàn)高支承壓力，而垮落區(qū)內(nèi)的應(yīng)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(wěn)定；當(dāng)發(fā)展到或超過極限跨度時(shí)，成拱作用遭到破壞，就會(huì)引起上覆巖層的運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)成新的平穩(wěn)為止。

總體來講，倉房式采空區(qū)與長壁綜采采空區(qū)相比的最大區(qū)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(dāng)煤柱所受的載荷達(dá)到煤柱極限承載能力或煤柱變形達(dá)到極限時(shí)，煤柱就出現(xiàn)破壞。煤柱破壞機(jī)理與巖石單軸壓縮試驗(yàn)類似，其破壞形式常呈剪切破壞、縱向劈裂等。

煤柱軟弱時(shí)，在采掘影響下，大多將處于強(qiáng)度破壞階段，其承載能力已經(jīng)很小甚至完全喪失，此時(shí)極易發(fā)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(wěn)現(xiàn)象。

2.2 煤房圍巖的狀況

由于采掘擾動(dòng)形成的較高二次應(yīng)力場的長期作用，煤柱、頂板巖層會(huì)發(fā)生不同程度的變性、破壞、塌落等現(xiàn)象。結(jié)合煤、巖層的時(shí)間效應(yīng)分析，已采區(qū)煤巖層結(jié)構(gòu)狀況可分為四種類型：（1）初期狀態(tài)；（2）頂板冒落；（3）片幫；（4）頂、幫均嚴(yán)重破壞塌落。

煤房空間小、圍巖穩(wěn)定條件下，將會(huì)保持初期狀態(tài)；頂板穩(wěn)定、煤幫破碎時(shí)，將只會(huì)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；頂板破碎、煤幫穩(wěn)定時(shí)，將只會(huì)發(fā)生冒頂現(xiàn)象；頂板、煤幫都破碎時(shí)，則既會(huì)發(fā)生冒頂、又會(huì)發(fā)生片幫現(xiàn)象。

3 復(fù)采原則

3#煤復(fù)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(xiàn)有設(shè)施、設(shè)備和各生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行回收，減少丟棄率。

4 復(fù)采方法的選擇

大部分煤礦井田內(nèi)3#煤層賦存穩(wěn)定，構(gòu)造簡單，煤層厚度6.0m左右，煤層傾角為3～5°。復(fù)采區(qū)原開采方式比較統(tǒng)一，遺留煤炭分布一致性較強(qiáng)，但巖層穩(wěn)定性狀況差異較大，對所采用的采掘技術(shù)要求具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。老采區(qū)遺留3#煤瓦斯特征已不同于實(shí)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(yán)重；若采用大采高一次采全高，則原空巷位置的混矸問題嚴(yán)重，且高冒區(qū)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(fù)采宜選擇綜采放頂煤回采工藝，在煤柱區(qū)域多放頂煤，在原空巷區(qū)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(xué)歷，目前職稱：工程師，主要研究方向：安全監(jiān)管。