残采区遗留煤柱群( 后文简称“ 群柱” ) 分布广泛，储量可观，且多为稀缺优质资源，具有良好的开采价值与潜力。 残采区群柱遗煤资源长期滞留极易自然发火，污染环境、危害健康且加剧碳排放。 残采区群柱遗煤资源受内在特征及外部环境影响可能会发生链式失稳，引发覆岩垮落、地表沉陷、动载矿压、瓦斯涌出、涌水溃砂(泥/煤泥)或火区扩展等多元灾害，并威胁安全绿色开采。 残 采区群柱遗煤资源开采还会形成大体积的采动空间，也是潜在的可开发“资源”，用于储 CO2、储 氢、储油、储水等。 残采区群柱遗煤资源开采面临的主要技术挑战包括:赋存状况如何精准勘探、附近积水如何超前处理、自然发火如何有效防控、周边积气如何充分处置、开采方法如何科学选择、围 岩如何针对性控制等。 群柱遗煤资源开采涉及到地下空间的“充填主动开发”与“注浆被动改造”， 面临的技术挑战有:关键域充填 / 注浆位置在哪里、关键域充填 / 注浆材料用什么、关键域充填 / 注浆 技术参数优化、关键域充填/注浆地下空间稳定运维等技术难题。
上述研究有望为残采区群柱遗煤资源绿色开采和空间资源的高效开发提供科学指导与决策依据。 残采区群柱遗煤资源的安全绿色高采出率开采与地下空间开发任重道远，需要严格遵守《 煤矿安全规程》 和地方各级政府部门制定的技术规范与要求，综合考虑精准勘探、积水处理、发火防控、积气处置、方法选择、围岩控制及其他隐患治理等，因地制宜开展群柱遗煤资源开采与地下空间开发的“安全论证-方案设计-理论突破- 技术攻关-装备研制” ，力争实现残采区群柱遗煤资源的绿色开采与地下空间开发基础理论与关键技术的突破，助力我国煤炭工业的高质量发展。
长按识别二维码阅读全文
残采区群柱遗煤资源绿色开采与地下空间开发技术挑战
单位：1.太原理工大学 矿业工程学院; 2.太原理工大学 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室; 3.山西能源学院 矿业工程系
引用格式：冯国瑞，白锦文，马俊彪，等.残采区群柱遗煤资源绿色开采与地下空间开发技术挑战[J].绿色矿山，2023，1(1):91-100.
引言
在过去“赋存条件复杂-开采技术落后-短期利 益驱动”等多种因素的影响下，我国一些老矿井采厚弃薄、采易弃难、采主弃次、采肥弃瘦，导致煤炭资源采出率整体低于 50%，在残采区中形成了分布广泛、储量可观的遗留煤炭资源，且大多为稀缺优质煤种， 属于战略性的工业原料。 近年来，伴随着我国能 源日益突出的供需矛盾和老矿井资源枯竭的窘境，很多矿井开始重新关注复采此类遗留煤炭资源。
残采区群柱遗煤资源在上述遗留煤炭资源中占 比很大，主要包括:刀柱式遗留煤柱、房柱式遗留煤柱、高落式遗留煤柱、条带式遗留煤柱、巷采式遗留煤 柱、仓房式遗留煤柱、跳采式遗留煤柱等。 除此之外， 还包括长壁垮落法开采所遗留下来的区段遗留煤柱、 停采遗留煤柱和护巷遗留煤柱等。
这部分群柱遗煤资源留设的初衷是承担覆岩载荷及邻近扰动载荷，并保障地下采场空间的长期稳定性。 然而，在覆岩应力、扰动载荷、自然风化和积水浸蚀等耦合因素影响下，残采区群柱遗煤资源会发生局部失稳甚至诱发联动灾害，成为重要的“致灾因子” 。 事实上，残采区群柱也是宝贵的遗煤资源，若能安全绿色高采出率开采必将带来显著的经济、社会与环境效益，可为我国能源的安全供给提供保障。 残采区群柱遗煤资源开采是指对采用刀柱式、 房柱式、高落式、条带式、巷采式、仓房式、跳采式及以掘代采等采煤工艺开采留下的采空区、老空区、小(古) 窑破坏区群柱遗煤资源进行安全绿色高采出率开采。 此外， 残采区群柱遗煤资源开采形成的地下空间资源巨大， 也具有良好的开发价值与潜力。
笔者根据残采区群柱遗煤资源的禀赋特征，在分 析残采区群柱遗煤资源开发必要性的基础上，系统剖析了残采区群柱遗煤资源开采和地下空间开发的面临的技术挑战，以期为残采区群柱遗煤资源的安全绿 色高采出率开采与地下空间开发提供支撑。
残采区群柱遗煤资源开采的必要性
1.1 群柱遗煤资源分布广泛且储量可观
目前，中国不完全统计的可采遗煤资源储量达400 亿 t，仅山西省内因各种原因遗留的煤炭资源就高达 100 亿 t，且群柱遗煤资源的占比较大。 具体地，由于旧采时期开采方法受限及短期利益驱动等，许多老矿井中形成了密集分布、形态各异、相互影响、错综复杂且尺寸不一的遗留煤柱，其在空间上以群落的形式组合形成遗留群柱。
......
残采区群柱遗煤资源绿色开采的技术挑战
2.1 遗留群柱赋存状况如何精准勘探
(1)由于先期私挖滥采时期的井上下对照图、底板等高线图及物探探测等技术资料缺失、不全或失真等，导致无法直接参考或者错误参考旧采技术资料， 使得残采区群柱遗煤资源的分布位置和区域等难以 清晰掌握。
(2)钻探是残采区群柱遗煤资源勘探的重点手段之一，却由于残采区空区(巷) 分布多，使得实操过程中经常会遇到“ 钻不准煤体” 等技术难题，且会出现塌孔、掉钻现象。
(3)瞬变电磁法、高密度电法等物探手段在连续煤层(体)勘探方面的综合解译精度和准确度较高。 由于部分煤体的局部破坏、残采区空间覆岩的垮落及压实程度的差异性等，上述物探手段对块段式群柱遗煤资源勘探的适应性较差，难以准确圈定其分布范围与位置。
(4)残采区群柱遗煤资源精准勘探还受到外在多因素的影响，比如多域分布的地下水、复杂的地质构造( 断层、陷落柱或破碎带等) 、隐伏的老空区等。
因此，如何实现残采区群柱遗煤资源赋存状况的 精准勘探成为绿色开采的首要技术难题。
......
群柱遗煤资源开采地下空间开发的技术挑战
群柱遗煤资源开采全过程还会形成大体积的采动空间，也是残采区潜在的可开发“资源”，用于储 CO2 、储氢、储油、储水等。 群柱遗煤资源开采涉及到地下空间的“充填主动开发”与“注浆被动改造”，进而重构形成密闭且稳定的地下空间。
(1)残采区群柱遗煤资源分布广泛，储量可观， 且多为稀缺优质资源，具有良好的开采价值与潜力。 残采区群柱遗煤资源长期滞留极易自然发火，污染环境、危害健康且加剧碳排放。 残采区群柱遗煤资源受 内在特征及外部环境影响可能会发生链式失稳，引发 多元动力灾害，并威胁安全绿色开采。 残采区群柱遗煤资源开采是国家和煤炭行业高质量发展需求。
(2)残采区群柱遗煤资源绿色开采面临的主要技术挑战包括:遗留群柱赋存状况如何精准勘探、遗留群柱附近积水如何超前处理、遗留群柱自然发火如何有效防控、遗留群柱周边积气如何充分处置、遗留 群柱的开采方法如何科学选择、遗留群柱开采后围岩如何针对性控制等。
(3)残采区群柱遗煤资源开采涉及到地下空间的“充填主动开发”与“注浆被动改造”，面临的技术挑战主要有:关键域充填 / 注浆位置在哪里、关键域充填/ 注浆材料用什么、关键域充填/ 注浆技术参数优化、关键域充填 / 注浆地下空间稳定运维等技术难题。
(4)笔者只是初步分析了残采区群柱遗煤资源绿色开采的必要性，并呈现出残采区群柱遗煤资源绿色开采和地下空间开发所面临的技术挑战。 目前，笔者所在团队正在结合不同区域群柱遗煤资源的赋存特征，分门别类、因地适宜地凝练绿色开采与地下空间高效开发的科学问题，并针对性开展相对应的技术研发。 希望后续取得的研究成果能为实现残采区群柱遗煤资源的绿色开采与地下空间开发提供理论支撑和决策依据。
残采区群柱遗煤资源的安全绿色高采出率开采与地下空间的高效开发任重道远，需要在理清开采技术挑战的基础上，以不同工况条件下的技术需求为牵引，严格遵守《 煤矿安全规程》 和地方各级政府部门制定的技术规范与要求，综合考虑精准勘探、积水处理、发火防控、积气处置、方法选择、围岩控制及其他隐患治理等，开展残采区群柱遗煤资源开采“ 可行性评价-安全论证-方案设计-理论突破-技术攻关-装备研制”等方面的系统性研究。 建议政府主管部门及煤炭企业( 尤其是老矿井) 高度重视科技创新，力争实现残采区群柱遗煤资源绿色开采与地下空间开发基础理论及关键技术的突破，助力我国煤炭工业的高质量发展。
冯国瑞，男，1976年7月生，山西阳城人，博士，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选，“科学探索奖”获得者。现任山西能源学院党委委员、副书记、院长。
主要从事难采煤炭资源安全绿色开采与灾害防控等方面的理论与技术研究，主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目等国家级科研项目8项、山西省重大专项等省部级和企业委托科研项目30余项，出版著作7部，发表论文200余篇，其中SCI、EI收录180余篇，授权国家发明专利100余项，获国家教学成果二等奖、山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、中国职业安全健康协会科技进步一等奖、山西省科技进步一等奖、中国专利优秀奖、山西省教学成果特等奖等省部级一等以上科研教学成果奖10项、二等奖多项，曾获得国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、山西省委联系的高级专家、山西省劳动模范、山西省新兴产业领军人才、山西省科技创新重点团队带头人等荣誉称号。
兼任矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、山西省煤基资源绿色高效开发工程研究中心主任、山西省“1331工程”提质增效科技创新团队带头人、美国采矿、冶金与勘探协会(SME)会员、全国煤炭工业矿山建设与支护专家委员会副主任、中国煤炭学会青年工作委员会副主任、山西省煤炭学会副理事长，《山西煤炭》主编，《煤炭学报》、《岩石力学与工程学报》、《采矿与安全工程学报》、《采矿与岩层控制工程学报》、《矿业科学学报》编委，教育部高等学校矿业类专业教指委委员、山西省高等学校地质矿业和安全科学与工程类专业教指委主任。
