《煤炭学报》专题报道丨“矿山充填开采理论、方法及技术”

矿山大宗固废处置与地表沉陷控制是矿产资源开采中面临的最突出的共性问题，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开采的进程。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开采矿产资源，而且可以实现矿山固废的低碳环保处置。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，小编按照见刊时间倒序，整理了该领域近三年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 采矿
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关键词; 148位
专家; 28篇
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煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

作者(Author)：谢和平, 张吉雄, 高峰, 李百宜, 李存宝, 谢亚辰, 周楠

摘要：矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题，近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而，现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈，对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标，提出了负碳高效充填开采技术全新构想，系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵，提出和建立了由CO2、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想；提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上，明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划，构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想；评估了煤矿负碳高效充填CO2封存能力，可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

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煤炭学报

2024年第01期

2959

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煤矿矿区普适性拓展型固体改性充填采煤技术与装备

作者(Author)：刘建功, 赵家巍, 刘扬, 杨军辉, 史艳楠, 王毅颖, 陈锋

摘要：从我国煤炭行业绿色发展趋势和要求出发，分析了煤炭企业对不同充填开采方式选择的考量因素，以及影响充填开采技术推广的制约因素，针对不同矿区地域分布特征和充填需求差异性，划分了煤矿充填开采“保护生态环境优先、保护地面建筑优先、处理煤矸固废优先、提高经济效益优先”4类优先原则，提出了“以充填开采作为煤矿保护生态环境的调节工具，建设全过程全息立体生态矿山”的生态开采目标。依据充填开采顶板限定变形力学模型，阐述了影响充填开采目标岩层下沉量的构成因素，构建了生态环境保护、地面建筑保护、矸石固废处置3种充填工程模式下的工作面支护强度计算及覆岩变形控制方程。介绍了我国煤矿普适性充填采煤技术发展现状及发展方向，涵盖散状原矸固体充填、类贫混凝改性充填、矸石混凝土充填、薄煤层充填、区域性保护充填、巷道充填、选充留协同等适应各类煤矿需求的充填采煤技术，详细描述了不同充填技术的材料制备、运输、充填工艺特点及适应性充填装备。为实现煤矿充填智能化，建立了全面的数据感知系统，通过空间规划及充填效果判定来实现从单元到整体充填工作面的智能化过程，结合传感器网络和人工智能算法，实时监测和控制煤矿固体充填过程，提高充填质量和充填效率。煤矿充填开采在我国绿色矿山建设的远景规划中将扮演更加重要的角色，加强基于主动充填的煤矿生产全过程生态矿山建设、普适性充填技术工艺体系构建、新型固体充填材料研制、智能化充填开采研发等4个方向的科技攻关，我国煤矿充填开采会有极为广阔的发展前景。

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煤炭学报

2024年第01期

217

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大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

作者(Author)：伍永平, 皇甫靖宇, 王红伟, 胡博胜, 罗生虎

摘要：大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化，工作面不同位置“支架−围岩”系统的构成因素及灾变模式不同，导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析，提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想，工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填，充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道，取消区段保护煤柱，实现大倾角煤层无煤柱开采，又增大了工作面倾向下部充填压实区长度，加强了工作面“支架−围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点，优选确定了大倾角膏体局部充填工艺，设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法，分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征，基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小；为防止采空区未充填区悬顶灾害，充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断，降低覆岩关键域形成层位，形成稳定的巷帮，减小沿空留巷围岩变形量；同时工作面倾向下部充填区长度增大，中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小，“支架−围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径，承担了部分覆岩载荷，工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小，工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大，沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架−围岩”系统稳定性等优势。

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煤炭学报

2024年第01期

143

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煤矸石规模化生态利用原理与关键技术

作者(Author)：胡振琪, 赵艳玲, 毛缜

摘要：煤炭是我国主要能源，是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物，每年产出量达7亿t以上，亟需规模化、生态化利用技术，以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上，提出煤矸石规模化生态利用原理，从技术视角探讨了环境安全的规模化生态利用具体解决途径，提出了酸性煤矸石山原位污染控制与生态修复和煤矸石地面充填造地两大规模化生态利用方式关键技术。结果表明：① 煤矸石规模化生态利用的关键是环境污染的防控，通过对矸石的可利用性和经济性评价，结合风险管控手段，可实现煤矸石规模化生态利用。② 对已堆积的矸石山采用原位污染控制基础上的植被恢复以实现生态化利用，提出了污染源头诊断−防灭火与污染阻隔−植被恢复一体化的生态利用技术。基于矸石氧化产酸产热导致污染的机理分析，采用热红外与测绘技术相耦合进行煤矸石山深部燃点(氧化点)定位；研发了杀菌剂与还原菌耦合的氧化抑制剂并结合惰性材料覆盖碾压进行抑氧隔氧污染阻隔；对自燃区采用喷浆控火与注浆灭火结合的安全灭火技术；氧化抑制剂结合惰性材料覆盖碾压的长效防火技术；提出以乡土草灌为主的防燃型植被恢复技术，可实现酸性煤矸石山的原位污染控制与生态修复。③ 通过地面充填生态化利用可行性分析、充填生态化利用技术和维护管理长期监测，可实现煤矸石地面充填造地的生态化利用。其关键是矸石材料筛选的污染风险分析、地面充填场地选择的可行性分析以及充填全过程的环保措施，包括充填前的场地底部防渗阻隔、渗滤液导排等安全环保措施，充填中的分层充填技术、防火控酸的污染防控和土壤剖面重构技术，充填后的侵蚀控制、植被恢复等技术。煤矸石规模化生态利用不仅解决了矿区固废堆存带来的生态环境问题，还通过对新、旧矸石的科学合理利用，打造矿区生态修复的新模式。

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煤炭学报

2024年第02期

262

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煤矿采动影响体微生物采残煤与CO₂−粉煤灰协同充填关键技术

作者(Author)：苏现波, 赵伟仲, 王乾, 周艺璇, 汪露飞

摘要：煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口，煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象，提出了采动影响体微生物采残煤与CO2−粉煤灰协同矿化充填关键技术，并从必要性和可行性2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO2安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景。其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵“工厂”，高产高效产甲烷菌群作为“劳动者”对“工厂”已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO2进行加工，其“产品”是甲烷，进而实现微生物采残煤和CO2资源化。同时，CO2与碱性的粉煤灰结合，在实现了CO2矿化封存的同时，也实现了采动影响体的充填。该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物−CO2−粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设。实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷，且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出。物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要，补给循环周期为14 d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致，能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行。高钙粉煤灰−CO2−矿井水协同胶结的试件经过28 d的养护后抗压强度为12.31 MPa，其矿化封存潜力约为21.99 m3 CO2/t(粉煤灰)，说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO2减排。此外，基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选，地下水滞留区是CO2矿化和粉煤灰充填的最佳场所，因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一。针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO2−粉煤灰协同充填关键技术，旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径。

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煤炭学报

2024年第01期

142

35
超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法

作者(Author)：张强, 张吉雄, 宗庭成, 金子山, 韩雨, 杨康, 张斌, 傅瑞华

摘要：固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备，其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步，暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈，运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著，异常工况自主调控问题亟待解决。总结了固体充填刮板输送机特征；构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法；通过分析异常工况的形成机理，选取异常工况判别指标，结合位姿与运输状态表征方法，给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径，揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制，提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。全国首个260 m工作面长固体充填工程案例表明：通过异常工况自主调控，平均最大水平偏移距每减少100 mm，刮板链牵引力可减少85 kN，输送功率损耗可减少55 kW；平均最大垂直偏移距每减小100 mm时，输送功率损耗可减少7.2 kW；单位长度货载运量每减少100 kN/m，刮板链牵引力可减少31.9 kN，输送功率损耗可减少38.2 kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能，可助力实现固体智能充填开采。

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煤炭学报

2024年第04期

170

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冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

作者(Author)：王兆会, 陈明振, 李强, 王伟, 李增强, 徐德生, 郑晓晨, 孙少龙, 吴传平, 郭心洋, 安君琦

摘要：高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因，充填开采则是控制岩层运动，缓解采动应力集中程度，降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力，以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景，采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律，揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制，指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明：工作面开采初期充填体充实率低于80%，坚硬顶板下沉量大，超前采动影响范围大于30 m，应力集中系数达到1.5，断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60 m和1.65，片帮冒顶等围岩失稳现象增多；实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征，承载应力分布曲线划分为“快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定”5个阶段，低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1.9、5.2、2.8 MPa；将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区，构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型，得到了坚硬顶板“ʅ”型沉降曲线，非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小；试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线，结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线；建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系，揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制，实现充填开采降载防冲效果的定量评价；提出了充填体充实率“三位一体”协同提升措施，将1123工作面充实率升高至90%，增强了充填体承载能力，超前采动应力集中系数降至1.3，厚顶煤膨胀变形量减少至50 mm，坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

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煤炭学报

2024年第04期

195

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充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

作者(Author)：杨柳华, 李金仓, 尹升华, 焦华喆, 陈新明, 寇云鹏, 王增加, 贾恒伟

摘要：充填料浆是由固−液−气三相组成的悬浮体，长期以来有关充填料浆研究重点多是固−液两相的流变特性，而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度，对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先，通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量，并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数，探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次，引入毛细管力(Fcay)、无量纲屈服应力($ {tau }_{{mathrm{ref}}}/{tau }_{{mathrm{y}}} $)气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征，以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明，当充填料浆含气量较低时(<12.5%)，气相因素对悬浮体料浆流变特性影响甚微，而伴随含气量增加气泡对充填料浆流变特性的影响愈发显著。引气剂作用下气泡表面对料浆内细颗粒体产生斥力，降低了水泥、固废(尾砂)等细颗粒的吸附力，导致料浆屈服应力表现为递减趋势，其流动性呈现增强趋势。基于毛细管力(Fcay)与无量纲屈服应力($ {tau }_{{mathrm{ref}}}/{tau }_{{mathrm{y}}} $)理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制，当含气量增加(12.5%～27.7%)，料浆的表面张力、屈服应力降低，气泡挤压变形；高含气量下(接近28.6%)，料浆内气泡极易破裂。另外，气泡滞留充填体内部导致强度劣化，为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索，并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律，为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

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煤炭学报

2024年第04期

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