“矿山充填开采理论、方法及技术”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“矿山充填开采理论、方法及技术”专题

矿山固废和采场矿压与地表沉陷控制是资源开采中面临的共性问题,在深部开采中尤为突出,严重制约着我国绿色矿山建设和绿色化开采。

矿山充填开采技术是实现矿业低碳绿色开发的重要途径，其不仅可以实现最大限度的回采矿产资源，而且可以实现矿山固废的环保处置。为便于大家了解“矿山充填开采理论、方法及技术”领域的最新科技成果，小编整理了近几年《煤炭学报》在该领域已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 环境保护
类别; 88个
关键词; 90位
专家; 22篇
论文; 17866IP
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煤矿固体智能充填开采方法研究

作者(Author)：张强, 王云搏, 张吉雄, 左小, 杨军辉, 张昊, 巨峰, 孙忠良, 魏连河, 史磊

摘要：固体充填采煤方法在固废处理与岩层控制方面具有显著技术优势，但其效率与传统综采相比有所降低，基于充填技术升级、行业发展需要与矿山智能化建设三重需求，针对机构干涉状态判别、充填参数智能感知、采充工序自动组织等关键科学问题，研究了煤矿固体智能充填开采方法。给出了固体智能充填开采方法的概念、特征与难点，结合采矿地质条件、充填装备机构静态尺寸参数及运行过程中的动态轨迹参数特征，构建了充填工序过程中机构典型干涉状态判断和解调方程，形成了充填装备机构干涉状态调控机制，明确了采充工艺参数自我感知原理，形成了以数据智能感知模块、干涉状态分析识别模块和位态调整工序执行三大模块为架构的采充工艺参数自我感知方法，提出了采充工序流程自动组织策略，设计了以感知工序、识别工序、位态调整工序及采充响应执行工序为主的固体智能充填采充工序。阐述了多孔底卸式刮板输送机和充填液压支架智能化改造方法，设计了固体智能充填控制程序与系统，应用 Keil5 软件进行了程序的编程。研究可实现机构间干涉状态智能识别与自主调整、采煤与充填的协同作业、减少工序所需人工劳力、促进充填效率提高、充填工作面产能增加与回采工效提升，可为固体智能充填技术研发与应用提供理论指导。

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煤炭学报

2022年第07期

257

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固体智能充填自主夯实过程机构干涉影响因素与调控方法

作者(Author)：张强, 刘勇, 张吉雄, 张昊, 殷伟, 王宏奇, 王云搏, 孙忠良, 时培涛, 魏连河

摘要：自主夯实过程机构干涉自我调控是固体充填智能化的前提条件。基于机构干涉的基本概念，分析了地质条件、架型结构、充填系统布置与工艺参数和其他因素对机构干涉的影响。通过Pro/E 5.0软件构建了固体充填液压支架三维模型，采用运动仿真确定了机构干涉的典型位态，通过二维骨架模型建立了不同工况下夯实机构运动的轨迹方程，提出采用干涉临界范围、干涉几率等指标量化分析煤层厚度、倾角等不同因素对干涉状态的影响规律，结果显示：对于同一种架型，煤层倾角越小干涉临界范围越大，干涉几率越小；在相同的工况条件下，不同架型干涉临界范围及干涉几率差异明显，也即煤层倾角和架型结构的改变将大幅影响机构干涉的几率，是机构干涉的主要影响因素；充填系统布置及工艺参数等因素对机构干涉的影响相对较小。基于上述规律从工序执行前的适应地质条件变化、优化关键充填装备设计、合理选择充填系统布置方式及工艺参数和工序执行中装备智能感知干涉位态、智能调控决策方案、智能控制油缸动作6个方面提出了机构干涉调控方法，建立了机构干涉调控机制。智能充填工作面工程实践表明：未实施干涉调控前，固体智能充填液压支架在执行采充平行作业及自主夯实过程中频频发生卡顿，自动化开机率仅30%左右；采用干涉调控方法后开机率增长到72%，自主夯实过程卡顿明显减低，促进了固体智能充填技术的完善。

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煤炭学报

2022年第03期

584

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煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与典型工程案例

作者(Author)：李永亮, 路彬, 杨仁树, 林海, 徐斌, 王树帅, 刘晨辉

摘要：为了解决煤矿胶结充填开采成本高、充填工艺复杂、采充矛盾突出等问题，研发了可实现采充并行作业的连采连充采煤工艺，研究了不同配比充填材料的流动特性与龄期强度变化规律，提出了适应于不同煤层倾角的充填料浆井下混合与地面混合输送系统，以及相应的工作面密实充填方法，形成了完善的连采连充式胶结充填采煤成套技术。研究了不同充填开采模式影响下，充填采煤过程采场围岩应力动态迁移规律；基于影响充填采场围岩变形的“三量”特征，提出了充填采场覆岩移动“三度”控制原则，即较快的充填速度、合理的采空区充实度与稳定的充填体强度。阐明了煤柱与充填体交替承载控顶机理，揭示了连采连充分步置换煤炭技术原理：煤柱与充填体交替承载控顶可保证稳定的充填空间，分步置换煤柱可保证充填材料具有合理的胶结固化时间，实现采煤和充填互不干扰，工作面可连续的开采和连续的充填，采充最大限度地平行作业，大幅提高胶结充填采煤效率。研究成果应用于内蒙西部地区四个煤矿-生态园下采煤、复合顶板、处理固体废物、回收遗留大巷保护煤柱，并进行典型工程应用案例分析。现场试验结果表明：连采连充式胶结充填采煤技术在四个煤矿均取得了良好的工程应用效果，可有效控制岩层移动、高效置换遗留煤炭资源，有利于实现煤炭资源的安全、绿色、高效开采。

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煤炭学报

2022年第03期

1463

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基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

作者(Author)：刘浪, 王双明, 朱梦博, 张波, 侯东壮, 郇超, 赵玉娇, 张小艳, 王雪丽, 王美

摘要：“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策，也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者，在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题，是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则，寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO2封存的有机结合点，提出基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法学术构想，探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO2封存储库构筑→CO2物理与化学协同封存→CO2封存安全及环境风险评价”的CO2封存新途径。具体开展工作包括：① 创新了镁渣源头改性技术，研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO2封存用功能性充填材料；② 提出了短-长壁充填无煤柱开采方法，初步构筑满足稳定性要求的CO2封存空间；结合功能性充填理论与技术，进一步构筑满足密封性要求的CO2封存储库，阐述了储库的结构及参数、工作原理；③ 提出了CO2储库封存物理-化学协同技术途径，根据开采深度不同物理封存技术途径分为浅-中深部低压CO2储库封存和深部超临界CO2储层封存，揭示了碱性固废CO2化学封存机制；④ 梳理了功能性充填的CO2封存安全及环境风险评价指标体系，给出了CO2封存安全性能及环境性能的评价方法。矿山功能性充填的CO2封存技术的提出，为CO2封存提供了新思路。基于封存材料、封存储库、封存机理与封存评价，形成了利用固废充填技术实现矿山CO2封存的理论与技术构想。

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煤炭学报

2022年第03期

1296

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矸石集料承载力学特性模拟研究

作者(Author)：杨科, 魏祯, 何祥, 周光华, 陈登红, 张继强

摘要：为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律，采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置，开展了不同矸石粒径（0~5 mm、5~10 mm、10~15 mm、15~20 mm、20~25 mm、25~30mm）、轴向应力（2.5MPa、5MPa、7.5MPa、10MPa）、加载速率（0.05mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s）影响下破碎矸石集料压实实验，研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响；基于PFC3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型，探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律，揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段，随着轴向应力的逐渐增大，矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙，颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触；不同加载速率下，矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布，轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系；相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎，矸石颗粒克服变形消耗摩擦能，有利于强化整体的摩擦效应；矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长，覆盖范围逐渐增大，高应力范围自上而下逐渐扩展，随外载荷的增大矸石颗粒网状结构断裂失效，岩块发生滑动、移位、重组，小粒径矸石颗粒具有弱化断裂失效的作用。研究结果为采空区安全治理、地表沉陷控制、充填工艺优化提供有力的理论指导。

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煤炭学报

2022年第03期

793

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镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索

作者(Author)：刘浪, 阮仕山, 方治余, 侯东壮, 张波, 孙伟吉

摘要：随着全球镁行业的快速发展，以皮江法为主的炼镁过程中产生大量冶炼废渣（镁渣）不断堆积，对环境的威胁与日俱增。如何大规模无害化处理镁渣，并实现镁渣的资源化利用，对推进金属镁行业的发展和环境的保护至关重要。通过总结镁渣的基本特性和应用现状，分析了镁渣的膨胀和胶凝特性机理。鉴于镁渣活性低，大多数镁渣的应用常常配合粉磨、急冷和添加激活剂等激活方式，但是仍然没有根本解决镁渣活性低和膨胀的问题。因此，提出了使用化学稳定剂对镁渣进行改性处理，阐明了改性原理和改性过程，并通过室内实验和工业实验成功获得了一种改性镁渣（MMS）。MMS呈完整球团状，硬度高且性质稳定，富含β-Ca2SiO4，具有良好的水化活性。在此基础上，研究使用MMS混合粉煤灰作为胶凝剂，并以风积沙为骨料制备了一种新型膏体充填材料（MFPB），发现MFPB具有良好的基本性能。其中，MFPB的mini-坍落度值在127～141 mm，28 d强度可达5.249～7.491 MPa，并且具有良好的环境稳定性。基于以上理论和试验研究，在麻黄梁煤矿开展了工业试验，将MFPB用于井下充填，井下28 d取心平均强度可达6.23 MPa。如将该技术推广，不仅能把镁渣、粉煤灰等固废进行大规模产业化处理，还可大幅度降低矿山充填的成本。

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煤炭学报

2021年第12期

768

681
固体充填开采“三效”关系及其优化控制方法

作者(Author)：武中亚, 张强, 张昊, 郑庆学, 刘宏军, 田秀国

摘要：充填效果、充填效率和充填效益(简称“三效”)3者之间的关系是充填开采理论设计及工程实施过程中难以回避的问题，但目前尚未形成“三效”关系的定量表征方法。针对固体非密实充填和密实充填，提出了“三效”的内涵，给定了“三效”的表征原理，阐释了“三效”优化控制的概念。以充填体在机械夯实作用和采空区覆岩压实作用下逐渐密实的过程为纽带，构建了基于固体密实充填“三效”与充填工艺、充填材料参数和充填体密实状态关系的分析模型。采用理论分析方法阐述了充填效果、充填效率与充填效益之间的相互关系，给出了“三效”的量化表征方法、求解流程和计算公式。基于单因素变量分析方法，研究了夯实次数、单次夯实时间、单个支架落料时间和堆料高度4个充填工艺关键因素以及自然安息角和夯实前容重2个充填材料关键因素对“三效”的影响规律，得到了4种“三效”关系类型。根据“三效”关系变化规律并结合充填开采关键参数设计流程进一步提出了针对固体密实充填的“三效”优化控制方法。针对唐山矿T3292充填工作面的“三效”分析表明:充填开采过程中实施了富余的夯实次数，降低了充填效率和效益，建议优化充填材料并减少夯实次数，从而在保证充填效果的同时实现较高的充填开采效率和效益。

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煤炭学报

2021年第10期

769

632
矿山蓄热/储能充填体的热-力性能与传热过程

作者(Author)：张小艳, 文德, 赵玉娇, 刘浪, 张波, 郇超, 王美, 屠冰冰

摘要：我国地下矿山储存着丰富的地热资源，深部矿井资源的开采为地热资源的开发提供了有利条件。将充填采矿与地热资源开采相结合，利用蓄热/储能功能性充填体提取地热，借助深部矿井开采已有条件为地热开发的动力供应和管路布设提供保障，可有效节约地热资源开发所需的钻探和开采成本，促进矿区的长期可持续发展。蓄热/储能功能性充填的总体实施方案包括充填材料制备、采热管路布置、充填体蓄热/释热3个阶段，本研究在材料制备方面提出了适宜于矿山蓄热/储能功能性充填的材料特性及优化目标，并测试了使用石蜡作为相变材料替代部分骨料（如尾矿）的充填材料热力学性能，结果表明随着灰砂比或料浆质量浓度的增加，充填体的抗压强度增大，同时相变材料的加入会使充填体的抗压强度、导热系数下降，而比热容明显增大。采用实验测试的方法对不同管路布置及不同换热工况下采热系统的性能展开研究，并基于热平衡计算了系统的总能效系数，得到了最优的采热管路布置方式及设计参数，当采用蛇形管路布置，载热流体入口速度为0.7 m/s，围岩温度为35 ℃时，采热系统具有更高的总能效系数，其值为0.48。采用数值模拟的方法对添加石蜡的充填体蓄热/释热行为展开研究，结果表明：蓄热/释热过程中（20 h），添加质量分数10%石蜡的充填体比不添加石蜡的充填体多蓄存55.5%的热量，但释热量大幅减少，总能效系数降低。

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煤炭学报

2021年第10期

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