一、引言：资源回收与安全开采的双重挑战
我国煤炭资源开采历史悠久，许多矿区已进入深部开采或资源整合阶段。在陕西神木等典型煤炭产区，早期房柱式开采留下了大量煤柱，这些煤柱既是宝贵的煤炭资源，也可能成为矿井灾害的潜在诱因。如何安全、高效地回收这些煤柱，同时有效防控冲击地压、瓦斯突出、水害等风险，成为当前煤矿智能化转型中的关键技术难题。
中矿天智信息科技（徐州）有限公司依托中国矿业大学深厚的科研底蕴，近年来在陕西北部矿区开展了一系列煤柱回收与安全性论证项目，积累了丰富的实践经验。本文以神木市德泉矿业和石岩沟煤矿的两个典型项目为背景，从技术角度系统探讨煤柱回收过程中的关键问题与解决方案。
二、煤柱回收的技术挑战与解决思路
2.1 煤柱稳定性与应力分布特征
早期开采留下的煤柱通常处于复杂的应力环境中。在德泉煤矿3-煤大巷煤柱回收项目中，我们发现这些煤柱不仅承受着上覆岩层的静态荷载，还受到邻近采空区带来的动态应力影响。通过数值模拟分析，煤柱周边应力集中系数可达2.5-3.0，远超原岩应力水平。
针对这一情况，我们采用了“地质评估+数值模拟+现场监测”的综合研究方法。首先通过地质雷达和微震监测系统获取煤柱实际形态和应力状态，然后利用FLAC3D和UDEC等数值模拟软件，模拟不同回收方案下的应力重新分布规律，最终确定最优的回采顺序和支护方案。
2.2 冲击地压危险性评价与防控
按照国家煤矿安监局《防治煤矿冲击地压细则》要求，在被采空区包围的区域开采或回收煤柱时，必须进行冲击危险性评价并制定专项防冲措施。在德泉煤矿项目中，我们采用了综合指数法和多因素耦合分析法对工作面的冲击危险性进行评价。
评价结果显示，该矿煤柱回收工作面具有中等冲击危险性，主要体现在两方面：一是煤体本身具有较强冲击倾向性；二是采空区包围形成的孤岛工作面结构容易造成应力高度集中。针对这一评价结果，我们提出了“超前卸压+强度弱化+实时监测”的防冲技术体系，包括大直径钻孔卸压、高压注水弱化和微震监测预警等措施。
三、孤岛工作面开采安全技术体系
3.1 开采设计与配套系统优化
在德泉煤矿项目中，我们首先对煤柱工作面进行了全面设计，包括工作面布置、支架选型及三级配套、开采方法与回采工艺等。考虑到孤岛工作面的特殊性，我们采用了后退式开采顺序，并优化了通风、运输和排水系统。
支架选型方面，根据数值模拟结果，选择了支护强度高、让压性能好的液压支架，工作阻力达到额定值的110%-120%，确保了在应力集中条件下的支护可靠性。同时，建立了完善的矿压监测系统，实时监测支架工作阻力和顶板下沉量，为安全生产提供数据支持。
3.2 切顶卸压与应力调控技术
针对孤岛工作面开采过程中的应力集中问题，我们研发了定向切顶卸压技术。通过理论计算和数值模拟，确定了最佳切顶参数：切顶高度为采高的1.5-2.0倍，切顶角度为10°-15°，切顶深度进入稳定岩层不少于2米。
现场实施采用聚能爆破切顶技术，通过专用装置实现能量的定向释放，既保证了切顶效果，又减少了对围岩的扰动。切顶后，工作面超前支承压力峰值降低了25%-30%，应力集中系数从3.0降至2.2左右，有效改善了围岩应力环境。
3.3 空巷治理与强化支护技术
在煤柱回收过程中，经常会遇到各种空巷和老巷，这些空巷破坏了煤岩体的完整性，也给回采工作带来安全隐患。在德泉项目中，我们针对不同类型的空巷采取了差异化的治理措施：
对于断面较小、围岩相对稳定的空巷，采用高强度注浆充填技术，注浆材料以水泥基复合材料为主，注浆压力控制在2-5MPa，既保证了充填密实度，又避免了压力过高对围岩造成破坏。
对于断面较大或围岩破碎的空巷，采用充填+锚网索联合支护方案。先进行注浆充填，然后在巷道周边施工高预应力锚杆锚索，形成强化支护圈。监测数据显示，经过治理后的空巷区域，顶板下沉量减少了60%以上，围岩稳定性显著提高。
四、遗留煤柱安全性论证方法与技术
4.1 煤柱稳定性综合评价体系
在石岩沟煤矿项目中，我们针对3-1煤遗留煤柱建立了完整的稳定性评价体系。该体系包括三个层次：地质条件评估、煤柱自身稳定性评价和外部影响因素分析。
地质条件评估主要分析煤柱所处区域的煤层赋存条件、顶底板岩性、地质构造等因素；煤柱自身稳定性评价重点考察煤柱尺寸、形态、煤体强度等参数；外部影响因素分析则包括采动应力、水文地质条件、邻近采空区情况等。通过多层次综合评价，准确判断煤柱的稳定状态和安全程度。
4.2 关键柱理论在煤柱稳定性分析中的应用
基于关键柱理论，我们对石岩沟煤矿的遗留煤柱群进行了系统分析。通过计算各煤柱的宽高比、载荷系数和安全系数，识别出系统中的关键柱。这些关键柱一旦失稳，可能引发链式反应，导致整个煤柱群失效。
分析结果表明，该矿3-1煤遗留煤柱中存在2个关键柱，其安全系数分别为1.15和1.08，低于1.25的安全标准。针对这一情况，我们提出了加强监测和适时加固的建议，防止关键柱失效引发连锁反应。
4.3 自然发火与水害风险防控
石岩沟煤矿3-1煤为容易自燃煤层，遗留煤柱存在自然发火风险。我们通过现场检测和数值模拟，分析了煤柱周边的漏风规律和氧气分布特征，划定了自然发火危险区域。
针对水害风险，虽然上覆采空区积水率不高，但局部区域仍存在水害威胁。我们采用瞬变电磁法等物探手段，精确探测了采空区积水范围和水量，评估了积水对煤柱稳定性的影响程度。基于评估结果，制定了针对性的排水和堵水措施，有效降低了水害风险。
五、智能监测预警技术的创新应用
5.1 多参数融合监测系统
在两个项目中，我们都部署了先进的多参数融合监测系统。该系统集成了应力监测、位移监测、微震监测和气体监测等多种功能，实时采集工作面围岩状态数据。
监测系统采用分布式布置方式，在工作面周边关键位置布置监测点，形成全覆盖的监测网络。每个监测点都配备多种传感器，能够同步采集应力、位移、震动和气体参数，通过数据融合分析，全面掌握围岩动态。
5.2 基于大数据分析的预警模型
我们开发了基于机器学习的煤矿动力灾害预警模型，该模型通过对历史监测数据的学习，建立了不同灾害前兆的识别模式。当实时监测数据出现异常时，系统能够自动分析异常特征，评估灾害风险等级，并及时发出预警。
在德泉煤矿项目实施过程中，该系统成功预警了3次矿压异常显现，为采取防控措施赢得了宝贵时间，避免了可能发生的事故。
5.3 云平台与移动终端应用
所有监测数据都实时上传至云平台，通过专业软件进行分析处理。管理人员可以通过电脑或移动终端随时查看监测结果和预警信息，实现了灾害预警的远程化和实时化。
云平台还提供了专业的数据分析工具，能够生成各种报表和曲线，帮助技术人员分析矿压规律，优化防控措施。移动终端应用则方便现场人员及时接收预警信息和处置指令，提高了应急响应效率。
六、技术经济效益分析
6.1 安全效益
通过实施完整的煤柱安全回收技术体系，两个项目都取得了显著的安全效益。德泉煤矿煤柱回收工作面在整个回采期间，没有发生任何冲击地压事故，顶板事故率比同类工作面降低70%以上。石岩沟煤矿通过遗留煤柱安全性论证和加固措施，有效避免了煤柱群失稳风险，保障了矿井的安全生产。
6.2 资源回收效益
德泉煤矿通过科学合理的煤柱回收设计，多回收煤炭资源数十万吨，延长了矿井服务年限，提高了资源利用率。石岩沟煤矿通过安全性论证，明确了可安全回收的煤柱范围，为后续资源开发提供了技术依据。
6.3 经济效益
虽然投入了一定的技术研发和设备购置费用，但通过资源回收和提高生产效率带来的经济效益十分显著。两个项目的投资回收期都在预期范围内，实现了良好的投入产出比。
七、结论与展望
通过德泉煤矿和石岩沟煤矿的实践，我们形成了一套完整的煤柱安全回收与灾害防控技术体系。该体系集成了地质评估、数值模拟、监测预警和工程治理等多个环节，实现了煤柱回收过程的科学化、系统化和智能化。
未来，随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，煤柱回收技术将向着更加智能、精准的方向发展。我们计划在以下方面进一步深入研究：
一是开发更加精准的地质探测技术，提高煤柱状态识别的准确性；二是优化数值模拟算法，提高预测预报的可靠性；三是完善智能监测系统，实现灾害预警的提前量和准确度的双提升；四是研发新型支护材料和工艺，提高围岩控制效果。
中矿天智信息科技（徐州）有限公司将继续依托中国矿业大学的科研优势，深耕煤矿安全技术领域，为我国煤炭工业的安全生产和可持续发展提供技术支持和服务。
