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“矿山充填开采与环境保护”专栏

来源：煤炭学报

专栏来自于《煤炭学报》2022年第12期，共8篇研究成果。中国矿业大学张吉雄教授任学术主持人。

行业视野

环境保护

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35个

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  • 煤基固废充填开采技术研究进展与展望

    作者(Author)： 张吉雄, 张强, 周楠, 李猛, 黄鹏, 李百宜

    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。本文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，经过二十余年产学研用联合攻关，历经五代技术的研发创新，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、条带煤住回收、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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    煤炭学报
    2022年第12期
    430
    1451
  • 金属矿山充填采矿技术应用研究进展

    作者(Author)： 郭利杰, 刘光生, 马青海, 陈鑫政

    摘要：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。本文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三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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    煤炭学报
    2022年第12期
    437
    1226
  • 多源煤基固废绿色充填基础理论与技术体系

    作者(Author)： 杨科, 赵新元, 何祥, 魏祯

    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。本文以宁东基地为试验区，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含量超过筛选值，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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    煤炭学报
    2022年第12期
    379
    988
  • 西部典型生态脆弱矿区采损地表植被盖度演化规律与退化机制

    作者(Author)： 黄艳利, 郭亚超, 齐文跃, 李俊孟, 王佳奇, 欧阳神央, 吴来伟

    摘要：生态本底脆弱的西部矿区已成为我国煤炭资源的主产区，采动影响下矿区生态环境日趋退化，其中最直观的体现就是对地表植被的影响。为揭示采矿扰动区地表植被变化状况，以枣泉煤矿为研究靶区，选取了10景连续的SentineL-1A雷达影像数据和93景SentineL-2A光学数据，基于小基线集差分干涉测量技术(SBAS-InSAR)，结合一元线性回归分析和相关系数，研究了工作面开采过程中地表下沉特征，分析了工作面开采沉陷区与非沉陷区植被NDVI时序演化特征，评估了采矿扰动下矿区植被覆盖度时序演化趋势，并对采损植被退化机制进行了剖析。研究表明：2014年-2021年枣泉矿区地表植被NDVI呈物候性周期变化趋势，矿区植被覆盖度总体呈改善状态；工作面开采当年地表植被开始出现退化，退化程度较低，在采后2-3年退化最为明显，随后逐渐缓慢恢复，总体经历了轻微退化期、显著退化期以及逐渐恢复期等变化过程。土壤有机质、含水率是影响矿区植被发育的重要土壤理化性质因子，采矿扰动区地表下沉、裂缝发育引起有机质、全氮、全磷等地表土壤理化性质的改变以及采动影响下地下水位下降是造成工作面植被退化的重要原因，温度和降雨量也对矿区地表植被发育状态有重要的影响。研究成果为西部生态脆弱矿区采损植被生长状况的科学诊断、矿区植被修复时机的确定提供了理论与数据支撑。
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    煤炭学报
    2022年第12期
    229
    474
  • CO2矿化煤基固废制备保水开采负碳充填材料试验研究

    作者(Author)： 马立强, 翟江涛, Ngo Ichhuy

    摘要：煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO2以及粉煤灰等煤基固废，在“双碳”目标下，如能采用CO2矿化煤基固废制备充填材料，并将其充填在采空区里控制岩层移动，将会“变废为宝”，推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场难以满足CO2矿化所需高温高压高钙（“三高”）条件的问题，探索在常温常压条件下，采用常规低钙粉煤灰（“三常”）研制CO2矿化煤基固废负碳充填材料（Negative Carbon Filling Material，NCFM）。在NCFM反应过程中，原材料首先发生水化反应生成C-S-H凝胶、Ca(OH)2和CaCO3，再与CO2反应后生成SiO2硅胶。在此过程中，碱性激发剂加速C-S-H凝胶和硅胶的生成，使NCFM具有快速早强特征。随着NCFM进一步水化反应，碱性激发剂会促进火山灰反应的发生，进而促使更多水化产物的生成，有利NCFM长期强度的提高。在采用坍落度测试、凝结时间测试、单轴抗压强度（UCS）测试、X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）-X射线能谱仪（EDS）分析，以及热重分析（TGA）测试的基础上，研究了NCFM的力学性能和微观组织，阐明了NCFM的早期与长期强化机制。80%粉煤灰掺量的NCFM试样的UCS最大，3 d达2.70 MPa，28 d达5.12 MPa。NCFM的最大CO2吸收量为1.39 mg-CO2/g-NCFM。NCFM的研制提供了保水开采负碳充填材料，可推进形成CO2资源化利用、固废规模化处置、采空区再利用，以及保水开采等煤炭资源绿色化开采的协同技术途径，促进实现“碳炭置换”，助力加快能源资源领域“双碳”战略目标实现。
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    煤炭学报
    2022年第12期
    357
    519
  • 固体智能充填关键装备工况位态表征及自主识别调控方法

    作者(Author)： 张强, 崔鹏飞, 张吉雄, 张昊, 常天骄, 杨军辉

    摘要：固体充填开采技术最显著的特征是依靠机械夯实保障充填体的致密性，存在工作量大、自动化程度低、采充工序分散等特点，制约了固体充填开采技术的规模化推广应用，迫切需要向固体智能充填方向升级改造。基于固体智能充填技术研究现状的系统总结，明确其实现智能化的基础是充填液压支架等关键装备工况位态的精准表征及自主识别调控；通过构建以感知、识别为核心的固体智能充填工序流程，比较各表征方法的优缺点及适用条件，提出了基于MDH运动学建模的固体智能充填关键装备工况位态精准表征方法；通过采用理论实践结合、建模仿真并行的研究手段，针对充填液压支架、多孔底卸式输送机和机构干涉的工况位态进行界定，给出了各装备非正常工况的判别函数，揭示了各装备非正常工况的解调路径；并以河北邢东矿固体智能充填面建设为工程背景进行应用与验证，结果表明：相比非固体智能充填，在一个完整工序循环时间内，单组充填装备工况位态自主识别调控时间减少10min，充填效率提高40%以上，研究结果大大提高了固体充填开采的智能化程度及充填效率，为完善固体智能充填体系提供理论及技术依据。固体充填装备具有多种型号，各型号的结构、尺寸及机构间的相互配合关系均有所差异，本文所建立的工况位态表征及自主识别调控方法在应用到具体型号的固体充填装备时，需要对相关的模型结构参数进行对应调整。
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    煤炭学报
    2022年第12期
    296
    462
  • 煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求

    作者(Author)： 邓雪杰, 刘浩, 王家臣, 王斐, 刘旭正, 郑庆学

    摘要：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。论文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呈现单调负相关，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。研究成果丰富了胶结充填体强度设计理论，可为煤矿胶结充填工作面的充填体强度需求设计提供理论依据。
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    煤炭学报
    2022年第12期
    412
    622
  • 覆岩隔离注浆充填绿色开采技术

    作者(Author)： 轩大洋, 许家林, 王秉龙

    摘要：充填是煤矿减损开采与固废减排的技术，覆岩隔离注浆充填是在深入揭示覆岩卸荷膨胀累积效应基础上提出的绿色开采新方法。该项技术通过确定控制岩层移动与地表沉陷的关键层，采用压实注浆新工艺，在关键层下的主层位实施高压注浆，将下方覆岩的卸荷膨胀量重新压缩转化为可充填空间，大幅提高了注采比，在采空区形成压实承载结构，支撑关键层，实现岩层沉陷控制与建（构）筑物保护。覆岩隔离注浆充填采用粉煤灰、煤矸石、煤泥等作为注浆材料，充分利用了煤矿采动空间与空隙，实现固废减排。介绍了不同类型固废制浆的工艺及特点，论述了充填浆液从固体－浆体－压实体的转变过程，以及浆液流动泌水固结特征。浆液由钻孔进入覆岩裂隙腔体内快速泌水，并在压力作用下不断固结压实，泌出水向注浆层围岩渗流。岩层饱和度对泌出水向工作面的流动产生影响。注浆充填体最终在地层内形成压实体，保证了地表沉陷控制的长期效果。除沉陷控制、固废减排之外，覆岩隔离注浆充填还可用于减震防冲、保水采煤等领域，并在无煤柱开采、相邻采空区开采、多煤层开采等复杂地质采矿条件中得到了成功应用。该技术的适用条件是工作面具有一定的基岩厚度，能够找出可作为注浆层位的关键层。未来该技术仍需在减震防冲、保水采煤中开展进一步试验研究。
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    煤炭学报
    2022年第12期
    438
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