我國遺煤復(fù)采方式與礦壓控制研究進(jìn)展

馮國瑞,李 劍,戚庭野,張玉江,杜獻(xiàn)杰,白錦文

(1.太原理工大學(xué),礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.礦山巖層控制及災(zāi)害防控山西省重點(diǎn)實驗室,太原 030024;3.山西省煤基資源綠色高效開發(fā)工程中心,太原 030024;4.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心,太原 030024;5.山西浙大新材料與化工研究院,太原 030024)

在我國各類消耗性資源中,煤炭具有經(jīng)濟(jì)、實用等優(yōu)點(diǎn),其貯藏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石油和天然氣資源,是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力持續(xù)穩(wěn)定增長的保障[1]。由于我國“富煤、貧油、少氣”的能源特點(diǎn),煤炭開采成為了我國一次性能源的主要生產(chǎn)方式。因此維護(hù)我國工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展的持續(xù)穩(wěn)定增長，需要充分保障煤炭資源的可持續(xù)供應(yīng)[2-3]，圖1為我國2015—2021年原煤產(chǎn)量及煤炭消費(fèi)量。

圖1 2015—2021年我國原煤產(chǎn)量及煤炭消費(fèi)量Fig.1 China’s raw coal production and coal consumption from 2015 to 2021

我國的煤炭資源預(yù)測儲量十分巨大,遠(yuǎn)超我國能源消耗的需求,但是由于煤炭賦存地區(qū)自然地理條件的復(fù)雜,目前探明的煤炭資源儲量仍然較少,僅滿足我國當(dāng)前的能源需求。同時受開采地質(zhì)條件、礦山生態(tài)環(huán)境及當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況等多重因素的影響,在探明的煤炭資源儲量中僅有部分可用于開采,如圖2所示。因此，國家對煤炭資源的可持續(xù)開采提出了更高的要求[4-5]。

圖2 我國可采煤炭資源占比示意圖Fig.2 Proportion of recoverable coal resources in China

我國煤炭資源的開發(fā)已有很長的歷史,在經(jīng)過多年的高強(qiáng)度開發(fā)后,我國各個礦區(qū)賦存的易采煤炭資源已所剩不多。眾多煤礦均面臨著生產(chǎn)落后導(dǎo)致的資源儲量枯竭、開采成本提高、剩余煤炭資源難采和經(jīng)營虧損嚴(yán)重等問題,老礦區(qū)相繼面臨關(guān)閉或廢棄的局面。此外，由于我國過去煤炭開采理論水平不高,開采技術(shù)較差,存在大量的濫采現(xiàn)象,導(dǎo)致煤炭資源被大量浪費(fèi),因此在長期開采過程中遺留了數(shù)量巨大的煤炭資源。這些遺留煤炭主要是：開采早期采用倉房式、刀柱式、巷柱式等落后的采煤方法而棄置的大量煤炭資源;為了保護(hù)地表建筑物、鐵路、水體留設(shè)的煤柱;遭遇斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時留設(shè)的保安煤柱;由于護(hù)巷需要而留設(shè)的大巷煤柱、區(qū)段煤柱;采用落后的采煤技術(shù)開采厚煤層棄置的頂、底部分煤炭資源;因井田邊界不規(guī)則開采后殘留的邊角煤等。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,我國目前遺煤儲量約400億t,僅山西省內(nèi)因各種原因而殘留的煤炭資源就高達(dá)100億t[6],且遺煤大多為優(yōu)質(zhì)煤種。為了解決上述問題,有必要對遺留煤炭資源進(jìn)行安全高效復(fù)采,減少煤炭資源浪費(fèi),提高資源回收率,節(jié)約企業(yè)開采成本,保持煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與煤炭供需平衡[7-8]。

1 遺煤的分類

我國目前賦存的遺煤主要有整層遺煤、塊段遺煤、分層遺煤和以上3種類型遺煤組合而成的復(fù)合遺煤等4種類型。這些遺煤按照賦存形式分類,其中塊段遺煤又可以分為邊角煤、保護(hù)煤柱、控頂減沉遺留煤柱和小煤窯破壞區(qū)遺煤；分層遺煤主要是厚煤層遺留煤[9]。針對不同賦存類型遺煤的相關(guān)理論和開采方式,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的研究。上述遺煤中由于整層遺煤儲量較大、回采方便,所以開采較為經(jīng)濟(jì),開采價值大。整層遺煤可以按其賦存條件分為單一殘采區(qū)上覆整層遺煤和復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤兩大類。

1.1 單一殘采區(qū)上覆整層遺煤

單一殘采區(qū)上覆整層遺煤主要是由于各種原因在采礦區(qū)上方遺留的一些還未開采的煤層,這些煤層的儲量較大,開采的經(jīng)濟(jì)效益較好。形成上層遺煤的原因多種多樣:其一是由于在礦井開采初期地質(zhì)勘探時勘探不詳,完成開采后又在煤層上部發(fā)現(xiàn)了可采煤層;其二是礦井在設(shè)計時,就因為下行開采程序與采區(qū)布置和生產(chǎn)能力之間發(fā)生了矛盾,被迫放棄開采上部煤層;其三是開采前將上部煤層劃為不可采煤層,但在開采下部煤層的過程中發(fā)現(xiàn)可采卻來不及布置采煤工作面,只好丟棄上部煤層;其四是因為礦井生產(chǎn)任務(wù)及經(jīng)濟(jì)效益的原因,在開采時需要先開采主要煤層,而主采煤層與上部次要煤層的開采錯距尚未拉開,只好放棄開采次要煤層的部分儲量,先采下部開采方便、煤質(zhì)較好的主采煤層。隨著煤炭開采水平不斷發(fā)展和提高,針對由于上述4種原因遺留的煤炭資源,仍可采取合適的遺煤復(fù)采方式進(jìn)行回收,提高煤炭資源采出率。特別是對一些可采儲量不足而即將關(guān)閉或廢棄的老礦區(qū),可以利用原有礦井的部分井巷和開采設(shè)備對這些遺留煤炭資源進(jìn)行回收,不僅能夠減少開采成本的投入,還能繼續(xù)延長礦區(qū)或礦井的壽命、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、解決勞動力流失問題、提高資源回收率[10]。因此,在某些條件下,對殘采區(qū)的上覆整層遺煤進(jìn)行上行開采,對提高礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、減少能源浪費(fèi)、解放呆滯煤層以及實現(xiàn)煤炭資源綠色開采都具有重大意義[11-14]。

1.2 復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤

復(fù)合殘采區(qū)是在開采近/極近距離煤層群時,當(dāng)開采完上(下)部煤層后,不開采中間煤層,而選擇下(上)行開采下(上)部煤層形成的上、下采空區(qū)。根據(jù)上、下部煤層的開采方法的不同,復(fù)合殘采區(qū)的類型也不同,主要分為4種形式(如圖3所示)[15]:“上垮落-下垮落”復(fù)合殘采區(qū),“上垮落-下刀柱”復(fù)合殘采區(qū),“上刀柱-下垮落”復(fù)合殘采區(qū),“上刀柱-下刀柱”復(fù)合殘采區(qū)。

圖3 復(fù)合殘采區(qū)中部整層棄煤開采的四種類型示意圖Fig.3 Four types of full-seam abandoned coal mining in the middle of composite residual mining area

2 遺煤復(fù)采主要方式

遺煤的復(fù)采方式多種多樣,主要可分為殘采區(qū)上行開采、充填復(fù)采、短壁復(fù)采、露天復(fù)采、水力復(fù)采等,不同類型的遺煤對應(yīng)的最佳復(fù)采方式也不同。對于最具開采價值的整層遺煤,其中關(guān)于單一殘采區(qū)遺煤復(fù)采方面的理論及技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗較豐富,國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了較多研究,而關(guān)于復(fù)合殘采區(qū)遺煤復(fù)采的相關(guān)研究目前較少,成型理論及實際工程應(yīng)用較為缺乏。單一殘采區(qū)遺煤復(fù)采一般采用殘采區(qū)上行開采及充填復(fù)采。這兩種復(fù)采方法復(fù)采效果較好,使用較為廣泛,在全國不同礦區(qū),如西山礦區(qū)、大同礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、陽泉礦區(qū)、兗州礦區(qū)、開灤礦區(qū)、新汶礦區(qū)、淮南礦區(qū)等都已經(jīng)進(jìn)行了較多的應(yīng)用。

2.1 殘采區(qū)上行開采

所謂上行開采,即開采煤層(群)時,先采下煤層(分層或煤組),后采上煤層(分層或煤組)。煤礦在煤層開采設(shè)計時會出于對經(jīng)濟(jì)、安全、技術(shù)等因素的考慮,先采下部煤層,這就導(dǎo)致殘采區(qū)上層遺煤的形成。同時在開采下部煤層時,采用不同的開采方式如壁式垮落法、刀柱采煤法等，會導(dǎo)致采場圍巖發(fā)生不同的應(yīng)力變化和分布,使上部煤層圍巖處于不同的應(yīng)力狀態(tài)。因此，按照下部煤層開采期間的采煤工藝和礦壓控制特點(diǎn),將下部煤層殘采區(qū)分為兩類:采用壁式垮落法開采下部煤層所形成的殘采區(qū)稱為壁式殘采區(qū),采用刀柱采煤法開采下部煤層并在殘采區(qū)留設(shè)有大量支撐煤柱的殘采區(qū)稱為刀柱式殘采區(qū)。

2.2 充填復(fù)采

充填復(fù)采主要是通過使用充填材料對殘采區(qū)進(jìn)行充填,控制上覆巖層移動變形,構(gòu)建出能夠長期穩(wěn)定開采的地下空間的開采方法。充填復(fù)采作為一種綠色的開采方法,能夠有效利用礦井固廢資源,具有減少廢料排放、增強(qiáng)采空區(qū)穩(wěn)定性、抑制地表下沉和圍巖變形、提高煤柱回收率的作用,是實現(xiàn)采空區(qū)遺煤資源安全高效經(jīng)濟(jì)開采的一種重要開采方式。

2.3 復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤開采

復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤的貯存不僅受其上部煤層開采擾動的影響,還受下部煤層開采造成的雙重采動的影響,同時上下煤層開采時采用不同開采方式造成的影響也不同。而且復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤在開采時所產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)特征、圍巖的應(yīng)力變化和分布狀態(tài)等與傳統(tǒng)的殘采區(qū)開采不同,所采用的礦壓和巖層控制技術(shù)也不同,因此在開采復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤時并不能直接照搬單一殘采區(qū)遺煤的相關(guān)理論及開采方式,具有特殊性。

2.4 短壁復(fù)采

短壁復(fù)采是指以短工作面采煤法對遺煤進(jìn)行開采的方式。短壁復(fù)采主要針對塊段遺煤進(jìn)行復(fù)采,包括特殊開采的遺留煤柱、邊角煤和小礦井小窯破壞區(qū)遺煤等。其中關(guān)于邊角煤和各種煤柱進(jìn)行復(fù)采的實例很多,而小礦井由于采煤方法落后、開采無序,導(dǎo)致資源采出率低,遺留大量煤炭資源,形成小窯破壞區(qū)。由于小窯破壞區(qū)不能布置完整的綜采工作面,導(dǎo)致復(fù)采難度較大,因此可以采用短壁復(fù)采工藝對小窯破壞區(qū)遺煤進(jìn)行復(fù)采。

2.5 露天復(fù)采

露天復(fù)采是指在露天礦場對遺煤進(jìn)行開采的采煤方式。我國煤礦的露天開采工藝多樣化,開采規(guī)模大型化、機(jī)械化程度較高,具有工藝流程簡單、定員少、效率高、生產(chǎn)組織簡單、安全性好等優(yōu)點(diǎn),能夠解決井工生產(chǎn)難以克服的各種災(zāi)害,有效回收煤炭資源,增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，露天復(fù)采技術(shù)方案大都為井工開采改露天復(fù)采遺煤資源[16-17]。

2.6 水力復(fù)采

水力復(fù)采是通過使用高壓水流沖擊破碎煤體,進(jìn)而開采遺煤的方法。水力復(fù)采可應(yīng)用在遺煤儲量較少、貯存區(qū)域較為分散的礦井,這些礦井由于在采空區(qū)中夾雜著開采后的矸石、木料等殘留物,不適用于一般的旱采工藝。而采用水力復(fù)采具有工作人員少、安全性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、搬家倒面簡單等優(yōu)點(diǎn)。多年來,被我國許多旱采礦井用于復(fù)采殘煤,提高了資源產(chǎn)出率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,如山東棗莊礦、福建邵武礦、通化彎溝礦和肥城楊莊礦等[18]。

3 遺煤復(fù)采巖層控制理論與技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 殘采區(qū)上行開采研究進(jìn)展

20世紀(jì)70年代,世界上主要產(chǎn)煤國家都有計劃地開始了上行開采的相關(guān)研究及工程實踐,尤其是以前蘇聯(lián)、波蘭、中國等為代表的國家進(jìn)行了相應(yīng)的研究與發(fā)展,取得了一些值得肯定的成果,也曾創(chuàng)造過較為可觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,積累了一定的實踐經(jīng)驗。殘采區(qū)上行開采主要可以分為垮落法上行開采和刀柱式上行開采。由于殘采區(qū)上行開采的開采條件復(fù)雜,國內(nèi)學(xué)者格外重視實際開采過程中的巖層控制問題[19-20]。

關(guān)于壁式垮落法殘采區(qū)上行開采,馮國瑞等[10，21]以白家莊煤礦先用垮落法開采下部煤層,后開采近距離上覆煤層為研究背景,采用室內(nèi)相似模擬實驗的方法,研究了垮落法殘采區(qū)上行開采過程中層間巖層的位移和結(jié)構(gòu)變化情況,得出了層間巖層的應(yīng)力變化規(guī)律以及控制層的結(jié)構(gòu)機(jī)理與力學(xué)性質(zhì)，如圖4所示。張俊文等[22]以白家莊煤礦為研究對象,研究了3種殘煤狀態(tài)下煤體的損傷力學(xué)特性,建立了相關(guān)的損傷力學(xué)方程。研究發(fā)現(xiàn)采用錯層位巷道布置采煤法可以有效提高頂煤的冒放性和采出率。婁鑫[23]研究了煤層反程序開采后遺煤復(fù)采技術(shù),對受3個煤層開采影響的煤層進(jìn)行上行開采,給出了一些相應(yīng)的開采方案和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計,對后續(xù)三次上行開采后的遺煤復(fù)采技術(shù)研究有一定借鑒意義。

(a)模型全貌

(b)下部煤層開采后巖層移動變形圖4 殘采區(qū)上行開采相似模擬試驗[10]Fig.4 Similar simulation test of upward mining in residual mining area[10]

在刀柱式殘采區(qū)上行開采領(lǐng)域,我國學(xué)者也進(jìn)行了較多的試驗和理論研究。馮國瑞等[24]在關(guān)鍵層理論的基礎(chǔ)上,考慮了刀柱式采空區(qū)覆巖的力學(xué)特性和上層遺煤開采時對圍巖造成的擾動影響,進(jìn)而提出了關(guān)鍵層疊合破斷距理論,該理論是一種刀柱采空區(qū)上行開采可行性的判別方法,經(jīng)過實際開采驗證后效果良好。馮國瑞[25]總結(jié)了前期的研究成果,從殘采區(qū)上行開采過程層間巖層和煤層的頂、底板移動變形規(guī)律出發(fā),研究了殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu),揭示了層間結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,得出了殘采區(qū)上行開采可行性判定理論及方法,進(jìn)而提出了煤礦殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論,該理論經(jīng)過現(xiàn)場實際開采的驗證,為殘采區(qū)上行開采提供了非常有價值的理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

3.2 充填復(fù)采研究進(jìn)展

關(guān)于充填復(fù)采,馬占國等[26]以房柱式充填采礦方法為背景,從能量的角度通過數(shù)值計算的方法來研究充填開采過程中充填物和煤層頂板的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。研究發(fā)現(xiàn)充填開采能夠減少煤柱內(nèi)部應(yīng)力過載的現(xiàn)象,降低采場最大下沉,提高能量密度值。吳吉南等[27]提出了人工頂板承載關(guān)鍵層理論,通過采用分層注漿充填方法,制造人工頂板來加固厚煤層小煤礦采空區(qū),使綜放工作面能夠直接回采,進(jìn)而減少采空區(qū)搬家倒面次數(shù),提高開采效率。李春生[28]以瑞豐煤業(yè)四煤復(fù)采為研究對象,對“三下”壓煤復(fù)采的可行性進(jìn)行了分析并建立了評價模型,提出了混合充填材料充填開采的工藝,即矸石散料加超高水材料的開采方法,并在實際開采過程中進(jìn)行了驗證。賈凱軍等[29-30]對超高水充填材料及充填技術(shù)進(jìn)行了研究,并在超高水充填材料性質(zhì)的基礎(chǔ)上,對不同煤礦的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析和評價。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)超高水材料能夠增加采空區(qū)充填率,增強(qiáng)采空區(qū)穩(wěn)定性,有助于防治礦井火災(zāi)。馮國瑞等[31]首先提出了結(jié)構(gòu)充填的開采思想。與傳統(tǒng)的充填采煤技術(shù)不同,結(jié)構(gòu)充填具有充填效果好、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),能夠高效利用礦井固廢資源,減少地下空間資源的浪費(fèi);同時進(jìn)一步提出了結(jié)構(gòu)充填的設(shè)計原則,確定了關(guān)鍵技術(shù),完善了井下一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng),提出了應(yīng)用更廣泛的結(jié)構(gòu)充填構(gòu)想。杜獻(xiàn)杰[32]開展了無側(cè)限充填體和加筋充填柱的單軸壓縮試驗,建立了“充填條帶-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)溫克爾彈性地基上的有限長梁力學(xué)模型和柱式結(jié)構(gòu)充填“充填柱-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)溫克爾彈性地基上的中厚板力學(xué)模型,并通過解析得到了直接頂變形方程?？梢姵涮顝?fù)采對礦井開采固廢資源和地下空間的利用較好,其研究方向逐步由全采全充轉(zhuǎn)向部分充填再向結(jié)構(gòu)充填方向發(fā)展。

3.3 復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤開采研究進(jìn)展

關(guān)于復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤的開采過程的相關(guān)理論與巖層控制技術(shù),國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了大量的科研工作。張向陽等[33]將實驗與工程實踐相結(jié)合,研究了淮北礦區(qū)上下采空極近距離煤層開采過程中采場周圍巖體的應(yīng)力分布規(guī)律,得到了煤層、頂?shù)装寮肮ぷ髅嫦锏劳鈧?cè)圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律,并由此提出了切實的礦壓控制措施以保障開采工作的安全可靠。劉明杰等[34]分析了采用“上刀柱-下刀柱”開采方式開采的煤層中部遺煤開采可行性,研究了在開采中部遺煤時可能造成的圍巖應(yīng)力變化及開采擾動對頂?shù)装宓挠绊?提出了相應(yīng)的頂?shù)装鍘r層控制措施。白錦文等[15, 35]對復(fù)合刀柱式殘采區(qū)的遺留煤柱的應(yīng)力分布及開采方式進(jìn)行了理論研究,分析了復(fù)合殘采區(qū)遺留煤柱及覆巖的穩(wěn)定性與開采的可能性,提出了切實的復(fù)合刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱開采巖層控制理論。同時根據(jù)復(fù)合采區(qū)中串聯(lián)與并聯(lián)遺留群柱的失穩(wěn)破壞特征,研究了復(fù)合殘采區(qū)遺留群柱的失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理,提出了復(fù)合殘采區(qū)的關(guān)鍵柱核心理論。張玉江[36]針對下垮落式復(fù)合殘采區(qū)的頂?shù)装宸€(wěn)定性問題,將下垮落式復(fù)合殘采區(qū)的底板根據(jù)應(yīng)力分布的不同分為了3個區(qū)域,并建立了相關(guān)的力學(xué)理論模型,得到了下垮落式復(fù)合殘采區(qū)圍巖的失穩(wěn)機(jī)理,提出了以“底板巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”為核心的遺煤開采可行性判定方法,以及安全開采的相關(guān)技術(shù)措施。郭峰[37]研究了“上刀柱-下垮落”式復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤開采過程中圍巖的應(yīng)力分布,位移變化及結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,同時分析了兩種不同開采順序開采此類遺煤的優(yōu)缺點(diǎn),提出了對復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤開采過程中圍巖擾動影響最小的開采方法,為后續(xù)此類工程的開采提供借鑒。周小建[38]則是研究了“上垮落-下刀柱”式復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤開采過程中的巖層控制相關(guān)理論。以白家莊煤礦7#煤層為背景,通過理論與實驗相結(jié)合的方法研究了復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤開采所引起的圍巖應(yīng)力分布特征及頂?shù)装宸€(wěn)定性情況,并且推導(dǎo)出了遺留煤柱在雙重采動影響下所能承受載荷的計算方法,為后續(xù)進(jìn)行此類開采的煤柱設(shè)計依據(jù)提供了理論基礎(chǔ)。李澤[39]研究了層間距對“上垮落-下刀柱”式復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤的礦壓影響,分析了不同層間厚度下中部遺煤圍巖的應(yīng)力場、位移場的變化情況,得到了復(fù)合采場層間距與煤層圍巖破壞情況的關(guān)系,將復(fù)采殘采區(qū)中部整層遺煤的頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)總結(jié)為3種類型,進(jìn)而提出了“上垮落-下刀柱”式復(fù)合殘采區(qū)中部遺煤開采可行性判定方法。馮國瑞等[40]選取非等寬復(fù)合柱采區(qū)中部遺煤的開采為研究對象,研究了遺留寬煤柱和窄煤柱的穩(wěn)定性以及復(fù)合柱式開采采場形成的兩種連續(xù)梁結(jié)構(gòu)等,系統(tǒng)分析了非等寬復(fù)合柱采區(qū)中部遺煤開采的可行性,如圖5所示。并以晉華宮煤礦中部遺煤開采為例提出了切實的礦壓安全防控技術(shù),為后續(xù)的非等寬復(fù)合柱采區(qū)中部遺煤的安全高效開采提供了理論依據(jù)。由此可見，復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤開采同樣側(cè)重研究巖層控制問題,研究的方向由靜載作用下的巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性向動靜組合作用下的巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性轉(zhuǎn)移。

圖5 非等寬復(fù)合柱采區(qū)中部遺煤復(fù)采相似模擬試驗圍巖的結(jié)構(gòu)形式[40]Fig.5 Surrounding rock structure in similar simulation test of residual coal mining in the middle of mining area with unequal width composite columns

3.4 短壁復(fù)采研究進(jìn)展

目前短壁復(fù)采工藝主要是使用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)對邊角煤和小窯破壞區(qū)遺煤進(jìn)行開采,并且有大量的現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗。翁明月等[41]針對平朔安家?guī)X煤礦邊角煤采用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)進(jìn)行了開采,發(fā)現(xiàn)短壁開采技術(shù)能夠提高礦井對于邊角煤和不規(guī)則塊段遺煤的回采率,增加經(jīng)濟(jì)效益。郝萬東[42-43]從實際出發(fā),研究了短壁復(fù)采在小窯采空區(qū)殘留煤柱的應(yīng)用情況,并從多個方面介紹了連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù),設(shè)計了配套的連采技術(shù)方案。苗彥平等[44]則是針對礦井殘留的不規(guī)則塊段遺煤進(jìn)行了研究,介紹了連續(xù)采煤機(jī)短壁開采技術(shù)在開采不規(guī)則塊段遺煤過程中對頂板穩(wěn)定性的改善作用。石曉光[45]基于陜煤張家峁礦不規(guī)則邊角塊段遺煤的賦存特點(diǎn),提出了采用短壁復(fù)采的方式來解決回采過程中頂板巖層控制的問題,并且構(gòu)建了相適應(yīng)的循環(huán)風(fēng)路系統(tǒng)。梁大海[46]同樣針對不規(guī)則塊段遺煤提出了連續(xù)采煤機(jī)短壁復(fù)采方案,并介紹了兩種復(fù)采設(shè)備的配套方案且在干河煤礦成功地進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。馬進(jìn)功等[47]則研究了短壁復(fù)采技術(shù)在資源整合兼并小礦井小窯破壞區(qū)遺煤開采中的應(yīng)用,該技術(shù)較好地克服了小窯區(qū)遺煤由于分布散亂無序而帶來的開采難題,為后續(xù)小窯區(qū)復(fù)采技術(shù)的發(fā)展提供了經(jīng)驗。楊杰[48]分析了短壁開采技術(shù)與裝備在煤柱回采領(lǐng)域的重要性,介紹了短臂機(jī)械化采煤成套主要設(shè)備。

3.5 其他復(fù)采方式研究進(jìn)展

目前關(guān)于露天復(fù)采和水力復(fù)采技術(shù)的現(xiàn)有研究較少,且由于復(fù)采工作面較小,頂板穩(wěn)定性較易控制,相關(guān)研究大都集中在復(fù)采方式的可行性分析上。其中關(guān)于露天復(fù)采的研究主要是礦井井工開采改露天復(fù)采的可行性分析。劉光金[16]針對大峰露天礦井工采空區(qū)中的大量遺留煤資源,提出了露天復(fù)采方案和技術(shù)措施,并進(jìn)行了可行性分析。江文平[17]則是借鑒了箕溝煤礦井工開采改露天復(fù)采的成功技術(shù)經(jīng)驗,對該礦區(qū)露天復(fù)采轉(zhuǎn)型進(jìn)行了可行性分析,并提出了相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)于水力復(fù)采技術(shù),王慶川[49]分析了金星煤礦水力復(fù)采方案,研究了水力復(fù)采的工作面布置、工作面參數(shù)以及相應(yīng)的頂板管理措施,確定了水力復(fù)采的應(yīng)用價值。王鴻云[18]為解決襄垣地區(qū)開采3#煤層遺留煤資源較多的問題,提出了水力復(fù)采采空區(qū)遺煤的方法,并進(jìn)一步研究了水利復(fù)采技術(shù)中巷道布置、掘進(jìn)方法和安全措施等相關(guān)問題。

4 結(jié)論

1)遺煤的復(fù)采方式多種多樣,有殘采區(qū)上行開采、充填復(fù)采、水力復(fù)采、短壁復(fù)采、露天復(fù)采等多種形式,根據(jù)遺煤復(fù)采方式及特點(diǎn)，研究方向各有側(cè)重。

2)充填復(fù)采、露天復(fù)采、短壁復(fù)采和水力復(fù)采工作面范圍較小,頂板控制問題小,側(cè)重研究可行性和開采工藝。

3)殘采區(qū)上行開采和復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤開采因開采條件復(fù)雜,側(cè)重研究巖層控制問題,研究熱點(diǎn)由靜載作用下的巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性向動靜組合作用下的巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性轉(zhuǎn)移。

4)考慮到充填材料的來源與地下空間利用,充填復(fù)采由全采全充向部分充填,再向結(jié)構(gòu)充填方向發(fā)展。

5)我國學(xué)者在殘采區(qū)上行開采、充填開采和復(fù)合殘采區(qū)中部整層遺煤開采等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。他們的研究為后續(xù)的遺煤安全高效開采提供了非常有價值的理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。但遺煤開采是一個還未完全成熟的技術(shù)領(lǐng)域,仍需進(jìn)行大量的深入研究。