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煤基固废充填开采技术研究进展与展望
张吉雄，张 强，周 楠，李 猛，黄 鹏，李百宜
金属矿山充填采矿技术应用研究进展
郭利杰，刘光生，马青海，陈鑫政
基于水化学场与水动力场示踪模拟耦合的矿井涌(突) 水水源判识
曾一凡，梅傲霜，武 强，华照来，赵 頔，杜 鑫，王 路，吕 扬，潘 旭
厚松散层底含直覆薄基岩开采地表沉陷预计及特征研究
彭世龙，程 桦，姚直书，荣传新，蔡海兵，张亮亮
多源煤基固废绿色充填基础理论与技术体系
杨 科，赵新元，何 祥，魏 祯
煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求
邓雪杰，刘 浩，王家臣，王 斐，刘旭正，郑庆学
煤基固废充填开采技术研究进展与展望
作者：张吉雄1，2，张 强1，2，周 楠1，2，李 猛3，黄 鹏1，2，李百宜4
单位：1.中国矿业大学 矿业工程学院; 2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室;3. 煤炭资源与 安全开采国家重点实验室;4.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
摘 要：
煤基固废充填开采技术符合煤炭绿色智能开采和洁净高效低碳利用行业主要攻关方向及新发展理念要求，是促进煤炭开采高质量化、环境低损伤化、绿色低碳化发展的研究重点与热点。 笔者在总结煤基固废充填开采技术研发背景与发展历程的基础上，系统性介绍了煤基固废充填开 采技术体系的研究现状，经过 20 余年产学研用联合攻关，历经5代技术的研发创新，已基本形成体系的典型固废充填技术包括综合机械化固体充填、膏体充填、长壁逐巷胶结充填、覆岩隔离注浆充 填、井下采选充+X，为“ 三下” 开采、条带煤柱回收、岩层移动与地表变形控制、煤基固废井下处置提 供了较全面的技术途径;煤基固废充填开采充填材料本构模型、关键岩层控制及地表变形控制等理 论研究也取得了较大进展，基本构建成充填开采岩层控制理论体系;面临产业智能化升级、深部资 源开采、煤基固废规模化处置与资源化利用等重点发展趋势，煤基固废充填开采技术的主要发展方 向包括但不限于煤基固废高效智能充填、井下嗣后注浆充填处置、深部充填采热、煤基固废充填井 下碳封存、煤基固废绿色功能材料井下利用等。 现有研究现状及发展趋势综合表明:煤基固废充填 开采技术是实现煤炭资源绿色智能高效开采的重要代表性途径。
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金属矿山充填采矿技术应用研究进展
作者：郭利杰1，2 ，刘光生1，2 ，马青海1，2 ，陈鑫政1，2
单位：1.矿冶科技集团有限公司;2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心
地下金属矿山固废充填开采技术是实现矿业低碳绿色开发的重要途径，矿山充填不仅可以实现最大限度的回采矿产资源，而且可以实现矿业固废的环保处置。系统回顾了金属矿山充填采矿方法的发展历程，从金属矿山高效率规模化充填采矿、连续充填开采和如何降低充填采矿成本3个方面介绍了最新的技术应用研究进展。 首先系统梳理了金属矿山充填工艺的演变发展脉络，总结了涵盖矿山固废充填料浆制备、充填料浆管道输送、充填采场封闭和采场尾砂料浆脱水等全流程 充填工艺技术的应用进展和发展趋势。 然后研究分析了尾砂充填体非均质特性和尾砂料浆固结力 学特性的演化发展机制，并对比分析了传统的采场充填体强度需求解析方法与改进的胶结充填体 强度需求计算-设计方法，进而介绍了井下采场充填体质量原位监测与分析评价方法。 基于上述 研究进展综述，得出矿山充填采矿方法变革是实现高效率、规模化、低成本充填采矿的核心要素，矿 山全流程充填工艺创新是稳定制备与使用高质量充填料浆的必要举措，深入研究采场充填体力学 作用机理问题是确保充填采矿技术安全、绿色、经济、便捷应用的本质要求。 最后阐明了充填采矿 领域未来应重点关注的研究方向，指出加快发展绿色低碳充填新技术、新材料与新装备是助推金属 矿山充填转型发展的动力引擎。
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基于水化学场与水动力场示踪模拟耦合的 矿井涌( 突) 水水源判识
摘 要：
为了弥补现有方法判识结果缺少实际水循环的支撑与验证，以及对实际采矿过程中 涌( 突) 水现象与矿井立体水文地质模型等结合不足的问题，提出一种基于水化学场机器学习分析 与水动力场反向示踪模拟耦合的矿井涌(突)水水源综合判识技术。 该技术首先利用水文地球化 学的原理揭示矿井涌(突)水及其可能来源含水层(水体)的水化学特征，利用特征的相似性对 涌(突)水来源进行定性分析;随后利用机器学习算法对涌(突)水来源进行定量判识;最后建立渗 流场数值模型，实现涌(突)水来源的再验证与涌水路径的可视化输出。以曹家滩煤矿为工程实 例，运用该方法对 122108 和 122109 两个工作面的涌水来源进行判识，研究结果表明:随着深度的 增加，研究区地下水中阴离子始终以HCO-3为主导，而阳离子则呈现由 Ca2+ 为主导过渡到 Na+ +K+为主导的趋势;支持向量机(SVM)需要额外利用遗传算法(GA)等方法对惩罚系数 c 和核函数参数g进行优选，而随机森林(RF)无需复杂的参数设置和优化便能得到较为满意的性能，且具有更 高的准确性;矿井涌(突)水渗流场可视化模型反向示踪显示122109 工作面在红土隔水层“天窗” 附近，存在第四系含水层地下水通过导水裂隙带涌入工作面的情况。 该技术判识出 122108 工作面涌水来源于直罗组和延安组含水层地下水，122109 工作面涌水来源于第四系含水层地下水，判识 结果与工程实际情况相吻合。
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摘 要：
针对厚松散层底含直覆薄基岩条件下开采地表沉陷机理与特征问题，采用开采沉陷理论、 土体固结理论和随机介质理论，分析了厚松散层底含疏水固结过程中的水土耦合受力变形机制，根 据叠加原理建立了厚松散层薄基岩煤层开采与底含疏降水共同作用下地表沉陷预计模型，讨论了 该类条件开采地表沉陷特征及其主要影响因素。 研究表明:提出的厚松散层底含直覆薄基岩开采 沉陷预计模型，考虑了煤层开采与厚松散层底含疏水固结沉降共同作用，并得到工程验证;厚松散 层底含疏水固结沉降作用，加大了地表沉陷盆地沉降量，减缓了盆地边缘收敛速度，大幅增加了地 表下沉和水平移动范围，出现下沉系数大于1，且地表下沉10 mm 边界点明显向采区外侧延伸现象，其地表沉陷曲线呈“ 中间小开口深盆地，两侧大开口浅盆地” 复合型特征;采煤和底含疏降水共 同作用地表沉陷范围与底含疏降水引起的地表沉陷范围相近，地表移动盆地边界角δ随厚松散层 厚度Hls增大而减小;最大水头下降Δhm与地表最大下沉量呈正相关，但对沉陷范围影响较小;底含 疏水影响半径 Rw 主要影响地表沉陷范围;底含厚度M主要影响地表沉陷程度。研究结果可为科 学留设类似条件工广立井井筒与建筑(构) 物保护煤柱，以及开采沉陷区环境影响评价提供理论 依据。
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摘 要：
煤炭开采、发电、煤化工等工业中产生的煤基固废存量大、增量多、利用率低已成为制约宁夏宁东基地绿色低碳、高质量发展的瓶颈。 井下绿色充填是无害化、资源化、规模化处置利用多源 煤基固废的有效途径。 以宁夏宁东基地为试验区，分析了多源煤基固废的污染风险、理化性质和多 重属性，系统阐述了煤基固废用于井下充填的基础理论和技术体系。 研究表明:1.煤矸石、粉煤 灰、脱硫石膏等污染性和理化性质符合填埋标准(GB 18599—2020)，气化渣、炉底渣等固废的部分 重金属质量分数超过筛选值，可采取技术措施降低潜在污染风险，多源煤基固废可用于井下绿色充 填。 2.煤基固废用于井下充填的基础理论包括绿色充填可行性评价、煤基固废充填材料性能、充 填材料与环境多场耦合机理、多层位立体充填机制。 3.多源煤基固废井下绿色充填技术体系主要 包括煤矸石源头减量精准开采技术、井下采选充协同技术、煤基固废重金属吸附与络合钝化技术、 多源煤基固废充填材料制备技术、充填材料长距离管道输送技术、充填全过程智能监测技术等。 最后，根据宁东基地任家庄矿地质条件，提出并实施了超前钻孔注充低位充填，展望了集成活性粉体制备、高值建材研发、生态修复治理、井下绿色充填等煤基固废多产业链接协同利用新模式。
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胶结充填是一种在煤矿获得广泛应用的绿色开采技术，然而煤矿胶结充填体的强度需求却 缺乏成套的科学设计方法。 为此，围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求这一主 题，通过实验室试验和理论分析等方法，实测得出胶结充填体单轴抗压强度( UCS) 与侧限条件下压 缩率之间的关系，阐明了煤矿充填开采采空区充实率的科学内涵，分析了采空区充填体的承载机 制，建立了胶结充填采空区充实率表征模型，揭示了胶结充填体强度对充实率的影响作用机制，研 究了多场景胶结充填目标充实率计算原理，形成了煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度 需求动态设计方法。 研究表明:1.侧限压缩试验中，特定垂直应力对应的胶结充填体压缩率与充 填体 UCS 呈单调负相关，二者关系可利用上下边界 Allometrical 函数表征，且压缩率对 UCS 的敏感 性随充填体强度增加而减小，即充填体强度达到一定程度后再提升强度对其压缩率的影响很小; 2.得出了充填体所受垂直应力、压缩率和充填体 UCS 三者的耦合关系，形成不同开采深度条件下 胶结充填体 UCS 和压缩率的数学表征方法，建立了胶结充填充实率数学表征模型;3. 将充实率表征模型应用于控制顶板下沉、导水裂隙和地表沉陷多种应用场景，形成了目标充实率控制导向的胶 结充填体强度需求设计方法。将研究成果应用于开滦集团某矿胶结充填体强度需求设计，得出充填体平均强度需求为3.00 MPa，并基于充填开采区域内煤厚、埋深等采矿地质条件的变化和工作 面巷道布置方案，给出了 CT1201，CT1202 和 CT1203 工作面充填体强度需求的动态分布。
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编辑：赵泽维
