我国是第一大煤炭生产国和消费国，且以煤为主的能源结构将长期不变[1]。英国石油公司预测2035年我国将占全球煤炭消费比重的52%。因此，虽然国家正在大力调整能源结构，发展新能源，但是我国对煤炭的高度依赖短时间内难以改变。
我国“富煤”的化石能源结构已经改变。随着我国经济建设的快速发展，煤炭的需求和产量都快速增长，造成了煤炭储采比的大幅度下降。在过去的10多年里，煤炭产量增加了近4倍，导致煤炭储采比快速降低，已低于世界平均水平[2-3]。虽然不断有新的煤炭资源被发现，但煤炭的保有储量却呈现明显的降低趋势[4-5]。大量的研究表明，现有煤炭储量难以满足未来国家对能源的需求[2-3]。作为不可再生能源和我国的主体能源，煤炭的可持续性开采将受到严重威胁。
受历史及开采技术水平限制，早期我国煤矿的平均采出率为30%～35%[6-7]，部分小型煤矿及乡镇煤矿的采出率仅为10%～20%[6-7]，导致我国存在大量遗煤。基于此，张玉江等[2]提出了遗煤概念，计算了遗煤的可采储量，并在整体能源环境下分析了遗煤开采对我国煤炭工业发展以及国家能源供应的影响。煤矿资源整合政策也为在现有生产系统基础上进行遗煤开采提供了有利契机。因此，遗煤开采对促进中国煤炭资源可持续发展、保证中国能源供给安全、缓解国家能源需求的紧张局面具有重要意义。
笔者估算了我国遗煤储量并统计分析了我国遗煤开采矿井与开采情况。在此基础上，研究了我国遗煤储量及储采比、遗煤开采矿井、赋存类型的分布情况，总结了遗煤开采目前的研究进展以及亟需解决的问题。
1 遗煤储量及储采比
1.1 遗煤储量估算
由于历史和技术等原因，目前遗煤储量无法全部精确统计，只能通过煤炭产量及采出率进行估算。遗煤的基础储量、可采储量和采出率计算公式[2]为
RRRC=RRC×RPRC
(1)
(2)
RPRC=(RPT-RPI)/(1-RPI)
(3)
其中，RRRC为遗煤的可采储量;RRC为遗煤的基础储量;RPRC为遗煤的采出率;OTij和RPij分别为不同时期的产量和采出率;RPI和RPT分别为初次采出率和总采出率。
美国地质勘探局(USGS)、美国矿产署(U.S.Bureau of Mines)和能源情报署(EIA)研究表明煤炭开采量只占探明储量50%～60%[2]。我国遗煤基础储量达1 200亿t以上，可采储量约为400亿t[2]。图1给出了不同初次采出率造成的遗煤基础储量和可采储量，其中，不同历史时期和不同隶属关系煤矿的矿井平均采出率不同。1949年前矿井平均采出率取15%，1949—1998年，私有煤矿取20%，国有煤矿取45%，1999年之后，私有煤矿取40%，国有煤矿取48%[2]。
图1 遗煤储量特征
Fig.1 Characteristics of residual coal reserves
如图1所示，初次采出率不大于20%的遗煤基础储量占全部储量的47.9%，达到616.4亿t。根据式(1)～(3)计算可知，初次采出率不高于20%的遗煤复采率高，可采储量达271.6亿t，占全部遗煤可采储量的67.4%。这部分遗煤破坏程度低，赋存环境相对简单，具有较小的开采难度。
1.2 遗煤可采储量及储采比
遗煤可采储量及储采比增加率可分别作为评价遗煤开采潜力及对服务年限延长作用的指标。图2给出了开展遗煤开采的15个省份的遗煤可采储量及储采比增加率。
图2中15个省份的遗煤可采储量为347.1亿t，约占全国总量的86%。东部遗煤储量增加159.5亿t，占比46%。遗煤开采将平均增加69.7%的储采比，中西部省份煤炭储采比增加51%，东部省份则增加95.9%。遗煤开采将显著增加产煤省的储采比，尤其对保障东部省份能源就近供给具有重要意义。
图2 遗煤可采储量及储采比增加率
Fig.2 Recoverable reserve and R/P ratio increment rate
2 遗煤开采矿井及遗煤类型分布
2.1 遗煤开采矿井统计
统计发现，2016年前我国有15个产煤省共计79家煤矿进行遗煤开采[2]，遗煤开采矿井基本情况详见表1。
2.2 遗煤开采矿井时空分布
对我国遗煤开采矿井的地域和时间分布进行分析，有利于掌握遗煤开采发展趋势。图3给出了我国遗煤开采矿井的时空分布情况，纵轴为遗煤开采时间，以遗煤开采平均年份2006年为界，横轴为区域。
如图3所示，遗煤开采矿井在1～4象限内的个数依次为24,29,23和3。遗煤开采历史从1976年横跨至今。2006年之前，88.5%的遗煤开采矿井集中于东部产煤省，2006年后中西部产煤省开始大量进行遗煤开采。东部省份共有52个遗煤开采矿井，2006年之前有23个，之后有29个。而中西部省份的27家遗煤开采矿井中，有24家是在2006年进行的。可见，2006年之前，遗煤开采矿井数量较少且主要集中在东部，2006年后遗煤开采矿井数量快速增加，东西部遗煤开采矿井数量基本持平。
图4给出了遗煤可采储量、储采比增加率及遗煤开采矿井在我国主要产煤省的分布状况。其中标注的数字为各省遗煤开采矿井个数。由图4可知，我国煤炭主产省份大部分都存在遗煤开采矿井，目前遗煤开采矿井主要集中在山西、山东、河北等省份，上述3省共存在40座遗煤开采矿井。遗煤开采对现有煤炭储采比的增加率基本呈现东高西低的趋势，与“黑河-腾冲”人口分界线相近。东部省份人口稠密，能源需求量大。因此，遗煤开采对保障东部产煤省的能源就近供给和煤炭工业可持续发展具有重大意义。
2.3 遗煤赋存类型及分布
煤炭开采历史悠久、开采方法多样，造成我国遗煤赋存复杂。通过对表1的统计分析，可将遗煤划分为整层遗煤、块段遗煤、分层遗煤3种基本类型及以上3 种类型组合形成的复合遗煤(图5)。
调查发现，虽然每个省份煤矿遗煤的类型是多种多样的，但是每个省份都存在主要类型。例如黑龙江七台河矿区、双鸭山矿区，河南鹤壁矿区、平顶山矿区，河北峰峰矿区，江苏徐州矿区，安徽淮南矿区、淮北矿区，山东枣庄矿区、肥城矿区等老矿区面临资源枯竭的情况，不得不进行遗煤开采(薄煤层及煤柱、底煤);而山西、内蒙、陕西、甘肃、宁夏等开采的遗煤主要是小煤窑破坏所致;新疆的遗留煤炭资源开采则是边角煤柱的开采。图6给出了各遗煤开采省份的遗煤类型分布。图中横坐标为遗煤开采矿井所在省份，纵坐标为不同遗煤类型的比例。
如图6所示，遗煤赋存类型的比例由高到低依次是块段遗煤(65.82%)、分层遗煤(13.92%)、复合遗
表1 遗煤开采统计
Table 1 Statistical table of residual coal mining
省份煤矿遗煤类型开采技术省份煤矿遗煤类型开采技术山西山东平朔二矿小窑破坏综放金星矿高落式、房式遗煤水采毛则渠矿巷柱式、房式煤柱综采三家窑矿小窑破坏露采石圪节矿煤柱和小块段短面长壁综放莒山矿遗留底煤综放曹村矿边角煤旋转综采白家庄矿蹬空遗煤综放阳煤四矿边角煤柱小型放顶杜家沟矿小窑破坏未采新柳矿小窑破坏普采、炮采东曲矿小窑破坏综采晋华宫矿蹬空遗煤综采王庄矿边角遗煤综放四台矿小窑破坏综采官地矿蹬空遗煤及煤柱放顶燕子山矿小窑破坏综采赵庄矿遗留底煤、边角煤柱综采、充填马脊梁矿小窑破坏综采杨庄矿防水煤柱综采崖头矿煤柱仓储式巷采鹿洼矿防水煤柱不详岱庄矿条带煤柱充填开采埠村矿条带煤柱充填复采大统业底煤未开采茅庄矿底煤、煤柱炮采洪村矿薄煤层长壁八一矿采空区残煤水采枣庄矿空区遗煤水采北徐楼矿遗留煤柱爆破巷采河南江苏吉林黑龙江辽宁安徽王沟矿煤柱炮采新华矿区煤柱、底煤短面长壁综放大庄矿综放遗煤不详鹤壁六矿水采遗煤水采平煤一矿边角煤、底煤炮采放顶鹤壁四矿边角煤水采高庄矿边角煤柱长壁铜山县矿空区遗煤、边角煤多种技术旗山矿蹬空煤层炮采张双楼矿边角煤炮采放顶唐庄矿薄煤层普采三河尖矿采区保护煤柱综放权台矿边角煤、煤柱炮采放顶庞庄矿煤柱炮采梅河矿三井三下遗煤分层放顶湾沟矿巷柱煤柱、底煤水采梅河矿一井遗留块段充填巷柱法新岭矿遗留煤柱充填开采新城矿边角煤不详安泰矿下分层普采新安矿边角煤房柱式炮采东保卫矿小窑破坏放顶煤新建矿上行遗煤普采西安矿遗留底煤充填后综放新邱矿房式煤柱露采百善矿空区遗煤炮采石台矿边角煤、煤柱短壁开采张庄矿不规则边角煤扇形炮采谢一矿井筒煤柱综采河北井陉矿区边角煤柱、空区遗煤多种技术峰峰一矿遗留煤柱长壁式云驾岭矿小窑破坏充填后综采孙庄矿业小窑破坏、边角煤炮采章村矿边角煤普采吕家坨矿水采残煤水采通顺矿遗留煤柱短面长壁开采大力矿业边角煤柱不详康城矿遗留底煤轻型放顶峰峰二矿工广煤柱巷采四川宁夏陕西内蒙古甘肃新疆马槽沟矿边角煤柱、刀柱煤柱短壁开采白皎矿遗留底煤充填后复采石沟驿矿小窑破坏不详大峰矿小窑破坏及煤柱露采排界南矿煤柱露采北马坊矿残留底煤充填后开采西乌素沟矿小窑破坏露采伊泰集团房式煤柱连采红会一矿小窑破坏充填后综放一九三〇矿边角煤短面长壁综放
图3 遗煤开采矿井时空分布
Fig.3 Space-time distribution of residual coal mines
煤(12.66%)和整层遗煤(8.86%)。实际上，由于煤层群是煤炭的主要赋存形式，复合遗煤的比例会远高于统计的结果。从种类上看，东部省份的遗煤类型要多于西部省份。块段遗煤最为常见，在15个省份均有分布，但是具体类型略有不同，东部主要是边角煤和保护煤柱，中西部则主要是小煤窑破坏区遗煤。
开采时间和地质条件是造成上述差异的主要因素。东部矿井开采时间较早、煤层埋藏深、地质条件较复杂导致小煤窑较少。所以，遗煤类型以各种煤柱、薄煤层和厚煤层顶底煤为主。中西部矿井大规模开采时间晚(山西省除外)，地质条件简单，造成小煤窑众多，所以，遗煤类型以小窑破坏遗煤为主。
3 遗煤开采理论及技术进展
3.1 遗煤探测技术
遗煤探测技术为遗煤可采性判定、开采方案确定及安全措施制定提供支持。但是该方面的研究较少，这与遗煤开采研究处于起步阶段有关。遗煤探测技术研究主要包括遗煤厚度探测[8]，老空区、空巷及其他危险源探测等，多采用声波、电法、钻探等手段[9]。
图4 遗煤可采储量及开采矿井分布
Fig.4 Recoverable reserve and mines of residual coal
3.2 遗煤开采理论及技术
遗煤开采理论及技术方面，开展了大量针对性的理论和技术研究，发展了不同类型遗煤开采方法及技术(表1)，较典型的包括：
(1)整层遗煤多采用长壁式垮落法开采或充填开采。冯国瑞、张玉江等[10-14]对整层遗煤进行了深入研究，为解决顶底板围岩整体性破坏的难题，提出了垮落法和刀柱式残采区上行开采理论模型和可行性判定方法，提出了针对性的开采方法和技术。进一步从绿色开采及地下空间应用角度出发，提出了结构充填开采思想及技术，通过固废资源化充填构建“充填体-直接顶”结构控制岩层移动，实现遗煤开采和地下空间利用的统一[15-16]。
(2)以保护煤柱、特采遗留煤柱及边角煤为特征的块段遗煤采用短壁或者柱式采煤法开采。边角煤及各种煤柱复采的实例非常多:伊泰集团[17]采用连续采煤机开采房式开采的遗留煤柱，岱庄煤矿[18]采用充填采空区的方式回收条带煤柱，诸多衰老矿井[19-21]也都进行了各种保护煤柱的回采。
(3)以小煤窑破坏区为特征的块段遗煤，视破坏程度对破坏区进行不同程度的充填后采用长壁工作面开采。如红会一矿[22-23]和中煤平朔井工二矿[24-25]的小窑破坏区，由于破坏范围较小且煤层赋存条件好，适应大规模机械化开采。因此，采用了充填后布置正规长壁工作面的方式进行开采。而在以空巷为主要破坏形式的煤矿[26-27]，也可不用充填空巷直接采用长壁法开采。
图5 遗煤赋存类型
Fig.5 Occurrence type of residual coal
(4)对于分层遗煤(遗留顶底煤)，为尽可能回收资源，则多采用放顶方式开采[28-29]。
(5)其他特殊条件。针对遗煤资源温度高且有明显自燃可能的煤矿则采用水力复采。例如，枣庄矿区[30-31]和鹤壁矿区[32-33]采用水力复采，解决了遗煤区温度高、易自燃的问题。对于浅埋深、存在火区的遗煤，优先采用露天复采。如新邱煤矿[34]、三家窑煤矿[35]和大峰矿[36-37]采用了露天开采的方式对浅层遗煤进行了复采。
3.3 遗煤开采灾害防治理论及技术
采空区、空巷、围岩裂隙以及遗留煤柱的存在使遗煤的地质条件更加复杂。遗煤开采灾害防治主要集中在水害、火灾防治及瓦斯治理等方面。
图6 各省遗煤赋存类型的分布
Fig.6 Distribution of the occurrence type of residual coal in provinces
(1)水害防治。遗煤开采矿井的水文地质条件复杂，充水水源、充水通道、积水量及相互连通关系等充水要素具有不确定性，复杂程度更高。QIAN等和FENG等[38-39]研究了浸水遗留煤柱局部非均匀变形破坏规律以及煤的吸水机理。平煤高庄煤矿[40]的实践表明遗煤开采水害防治的重点是了解各个积水点的充水要素。谢一矿[41]和洪村煤矿[42]在巷道及工作面布置前制定合理的探水、疏排水措施实现了复采矿井水害防治。
(2)火灾防治。遗煤开采矿井通风系统复杂，采空区、空巷、围岩裂隙连通易发生火灾。遗煤开采实践发现遗煤的氧化程度及规律的研究非常重要，要根据遗煤开采过程中煤层自燃原因和特点的不同采用不同的防灭火手段[43]。红会一矿[44]采用黄泥灌浆的手段进行防灭火，大庄矿[45]分别采用黄泥灌浆和“三相泡沫”进行防灭火处理，都取得了良好的效果。
(3)遗煤采前瓦斯治理。FENG等[46-47]研究了不同类型老空区瓦斯空间分布规律，并提出一种确定瓦斯富集区的方法。FENG等[46-47]研究了老空区瓦斯储存分布特性、压实-渗流特性，并提出了采前瓦斯抽采井位布置方法。
4 目前面临的问题
遗煤开采研究已取得了大量有益成果，但遗煤开采的复杂性决定仍存在大量技术难题待解决。
(1)遗煤及危险源探测技术。遗煤的赋存复杂，围岩破碎、块段分布不明确，老空区及空巷积水、积气，存在多种危险源。但当前的探测技术尚无法完全准确探测。遗煤及危险源探测技术的发展将对遗煤储量及复采经济评估、开采设计方案提出、危险源辨识及消除有着重要作用。
(2)遗煤开采理论及技术。当前遗煤开采主要集中在破坏程度小的块段遗煤方面。对于整层和分层遗煤来说，煤层或顶底板整体性受到一定程度破坏，开采难度增大。采用什么样的开采理论、采煤方法、顶板处理技术、工作面围岩控制措施需要进一步研究。另外，以“小面长”和“围岩破碎”为特点的遗煤开采工作面在不同采煤方法、工艺情况下的矿山压力显现规律研究是遗煤开采研究重点。
(3)遗煤开采灾害防治理论及技术。遗煤开采需要掌握老空水以及各种气体的赋存和运移规律。在以往的研究中，主要是在现有生产系统运转的基础上研究单个或多个已知工作面的瓦斯运移规律及水害防治技术。但对于遗煤开采来说，多次采动后，瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、老空水等在采空区、空巷以及采掘引起的裂隙中的赋存和运移规律完全有别于完整煤层的开采。
(4)新材料的研制。对于局部需要充填修复的遗煤，强度合理且有利于煤矸分选的廉价充填材料的研发是一个重要方向。另外，适用于遗煤开采的安全、经济、简易、方便的喷浆、注浆、防灭火材料的研发对复采安全具有重要意义。
(5)遗煤开采矿井的资源共采。遗煤及顶底板围岩受到一定程度的破坏，更利于瓦斯的运移。尤其是对高瓦斯遗煤开采矿井来说，瓦斯抽采不但有助于抑制或消除危险源，还可以实现资源利用[48]。
(6)遗煤开采的地下空间利用。按照遗煤开采区域进行分地区、分级利用。结合区域特色和地质条件，采用不同遗煤开采方法和地下空间改造方法形成不同用途的地下空间，实现流态资源存储、热能再利用等。如缺水地区建设地下水库，地热异常区进行热能开发，基础条件完备的建成工业旅游基地和抗干扰、弱辐射地下实验室等。
5 结 论
(1)全国遗煤可采储量可达400亿t。其中，初次采出率不大于20%的遗煤可采储量占全部遗煤可采储量的67.4%。这部分遗煤开采难度和成本较小，开采价值巨大。我国主要的15个产煤省都有遗煤开采，其可采储量347.1亿t，约占全国遗煤可采储量的86%。遗煤储采比增加率呈现东高西低的趋势。
(2)遗煤开采在时间上主要出现在2006年之后。2006年之前，88.5%的遗煤开采矿井集中于东部产煤省，2006年后中西部产煤省开始大量进行遗煤开采。截至发文前从全国范围来看，在地域上主要集中于东部产煤省及中部的山西省。东部遗煤开采矿井有52处，占全部的65.82%，而山西省占全部遗煤开采矿井的24.1%。
(3)遗煤类型可分为整层、分层、块段及复合遗煤4类，其中以块段遗煤分布最广。开采历史和地质条件的不同造成东部遗煤类型多于中西部。东部以边角煤和保护煤柱为主，中西部则以小煤窑破坏区遗煤为主。
(4)遗煤开采研究集中在遗煤探测技术、遗煤开采理论及技术和遗煤开采灾害防治3个方面，其中以遗煤开采理论及技术研究最多。虽然目前已经有一定的研究成果，但远未成熟，加之遗煤开采是一个复杂的系统工程，仍需要进行大量深入研究。
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