《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
类别; 126个
关键词; 148位
专家; 28篇
论文; 13962IP
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应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律试验

作者(Author)：朱建波, 孔骥, 黄震天, 孙家鑫, 吕岸霖, 张凯, 王加英

摘要：地下岩体工程中，液体充填岩石节理不可避免会受到地震、爆破等动力扰动。由于液体具有流动性，不同倾向节理中的液体呈现不同空间分布状态，受应力波扰动后液体的运动状态也相异。为阐明应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律，利用辉长岩切槽试样、有机玻璃管与丙三醇制备了液体充填岩石节理试样，采用类霍普金森杆试验测试系统，开展了液体充填岩石节理试样的竖向冲击加载试验，考虑了节理匹配系数(JMC)、液体体积分数与黏度3个影响因素，并从应力波透射能量与液体运动2个方面分析了液体充填岩石节理动态响应规律。试验结果表明：液体充填岩石节理JMC增大，应力波透射能量增大；随着液体体积分数增大，高幅低频应力波的透射能量单调增大，低幅高频应力波的透射能量先不变后增大；当液体体积分数为50%时，应力波透射能量随着液体黏度增大而减小，而当液体体积分数为100%时，应力波透射能量随着液体黏度增大呈现先减小后增大的趋势；节理边界处，液体运动方向垂直于水平节理面向上，节理排液能力和液体运动剧烈程度随液体黏度增大而减弱。

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煤炭学报

2024年第04期

145

4
我国煤矿固、液、气“三废”地质封存研究现状与生态环境协同发展的关系

作者(Author)：赵康, 伍俊, 马超, 朱开成, 聂晶磊, 胡华龙

摘要：我国是世界上受煤矿“三废”(固、液、气)环境污染非常严重的国家，在“三废”利用处理上开展了大量深入的研究和实践，但依然存在标准规范不完善、处理规模小和技术不健全等诸多问题。为了解决我国煤矿大规模“三废”低成本地质封存与生态环境协同发展问题，在国外关于地质封存定义的基础上，对我国地质封存的内涵进行了扩展；分析了“三废”地质封存研究进展和现状；梳理了国内外“三废”地质封存相关文献和专利发表情况；提出了我国开展“三废”地质封存面临的问题和进一步发展的建议；指出了我国“三废”地质封存面临的主要问题是环境领域的标准规范不健全，尤其是废液深井灌注方面的标准广泛缺失。通过系统研究表明：国内研究机构对“三废”地质封存领域的研究日益重视，研究成果在国际上占比较高；我国煤矿“三废”地质封存及生态环境协同发展意识和体系正在形成，但针对大规模“三废”地质封存、煤矿开采全周期“三废”地质封存循环系统、CO2捕集利用封存(CCUS)技术与生态环境之间的协同发展关系方面的研究成果支撑不足，严重制约地质封存的理念、技术和工程的大规模实施应用。我国应尽快加强煤矿“三废”地质封存技术与生态环境协同发展方面的科技研发，通过建立完善标准规范、加大技术研发和加强环境监管等措施，推动我国煤矿绿色和可持续发展，助力我国“双碳”目标尽早实现。

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煤炭学报

2024年第06期

218

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粉煤灰基充填膏体制备过程中氨气释放的超声强化特性

作者(Author)：李亚娇, 罗阳, 王铁, 鞠恺, 金鹏康, 唐仁龙, 赵兵朝, 任武昂

摘要：将粉煤灰作为主要胶凝材料的膏体充填开采不仅能有效控制地面沉降、解决“三下”压煤问题、提高煤炭采出率，还可解决燃煤电厂粉煤灰堆积难题。而粉煤灰基充填膏体的氨气释放会对充填作业面的气体环境造成污染，亟需治理。提出一种利用超声波促进膏体氨气释放的新思路。通过对粉煤灰浆液进行超声处理，采用以超声时长(A)、超声功率(B)、固液比(C)作为考察因素，进行单因素实验，结果表明：随着超声时长、超声功率以及固液比的的增加氨气释放速率呈现出先增大后减小的趋势，并在超声时长、超声功率以及固液比分别为30 min、80 W和1∶10时达到最大值。在单因素实验结果的基础上进行响应面实验建立回归模型。通过响应面优化确定最佳实验参数。结果表明：影响因素主次顺序为：A>B>C，AB>AC>BC；去除氨气最佳实验参数为：超声时长为32 min，超声功率为80 W，固液比为1∶7.7。验证结果表明：实测值与预测值仅存在−1.6%的相对误差。利用优化后的实验参数处理粉煤灰，并制备成充填膏体测定氨气释放量，发现膏体氨气释放量平均减少了95.94%，氨气释放速率提高84.02%，膏体3 d和28 d的单轴抗压强度分别提高185.00%和86.50%，坍塌度、泌水率和凝结时间均降低，同时减少了膏体内部多害孔数量，使孔隙率由33.58%降低到28.13%，为粉煤灰基充填膏体的氨气释放治理提供新的方法与思路。

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煤炭学报

2024年第07期

122

7
面间煤柱与顺槽“掘−充−留”一体化科学问题与技术

作者(Author)：王双明, 刘浪, 朱梦博, 蔚保宁, 庄登登, 屈慧升, 何伟, 邵成成, 夏磊, 周静

摘要：我国将煤炭作为兜底保障能源的局面短期内无法改变，仍将长时间面临煤炭资源保护与煤基固废利用率低的难题。通过创新采掘方法，同时实现提高煤炭资源回采率、规模化处置煤基固废，为煤炭行业绿色可持续发展提供了新途径。在深入调研煤炭资源开采技术发展现状的基础上，提出了煤矿“掘−充−留” 掘进新工法。从大断面巷道快速掘进、连续高效充填和巷道安全留设3个方面，通过理论分析、数值模拟等手段，系统论述了“掘−充−留”工法的科学问题和关键技术，研究结果表明：① 针对大断面巷道快速掘进、掘进工作面围岩稳定性控制等工程难题，凝练了煤岩特性与掘进机截割参数匹配机制、覆岩载荷空间传递机制与围岩变形机理、锚杆/索−顶板相互作用关系及支护机制3个科学难题，构建了以掘进区地质环境超前实时感知、落−装−运煤多工序智能协同作业、钻锚支架随掘随支围岩时效控制和大断面巷道防漏风及通风优化为核心的技术体系；② 从大断面巷道承载体系及时构建及其承载性能调控两个方面凝练了连续高效充填的科学问题，包括充填体−煤层−锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制，明晰充填体物理力学特性时空演化规律，建立了充填空间安全高效搭建、充填材料工作性能调控、充填材料流动−固结感知为核心的连续高效充填关键技术体系，相关理论与技术的突破可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、掘进速率及充填步距优化设计、充填体固结监测等提供基础理论依据；③ 基于巷道安全留设及全生命周期内围岩易断裂、易片帮和易损伤等关键难题，阐述了巷道围岩应力场时空分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩工程质量监测与稳定性调控理论3个科学问题，形成了以巷道围岩稳定性智能预警、巷道围岩变形控制为核心的关键技术体系。开展煤矿“掘−充−留”工法的科学研究与工程示范，实现固废规模化处置−面间煤柱高效回收−顺槽快速掘进的协同，可以推动煤炭行业绿色低碳转型发展。

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煤炭学报

2024年第08期

286

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煤矿区固废矿化固定封存CO₂与减污降碳协同处置利用的研究进展

作者(Author)：奚弦, 桑树勋, 刘世奇

摘要：“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体，已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念，探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径，创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO2捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术，是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明：煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展，为矿区固废固定封存CO2研究提供了基础和启示，但矿区固废固定封存CO2的工程化技术研究亟待加强；矿区固废矿化固定与封存CO2潜力大、具有工程可行性，正在形成矿区固废处置−煤基CCUS−采空区充填新的技术体系；矿区固废与CO2基气−液−固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO2密闭封存、采空区充填固定封存CO2潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO2环境与安全性评价等将构成固废处置−煤基CCUS−采空区充填技术体系的核心内涵；矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工−矿区固废处置−高效矿化固碳与CO2封存−地下空间充填与利用−矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键，矿区固废+CO2基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

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煤炭学报

2024年第08期

278

11
动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性

作者(Author)：宋学朋, 樊博文, 王石, 张洪伟

摘要：爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段，作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动，进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性，关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体，实现了充填体爆破扰动模拟，探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征，揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制，实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明：动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高，与此对应的孔隙率增加34.48%，波速减小44.48%，初始损伤程度加剧；随着冲击幅值增加，动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的3阶段变化趋势，最大减小率分别为54.15%、69.02%。同时，动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长，峰值应变提高78.35%，充填体由脆延性向延性转变；声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关，由于初始损伤程度差异，动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同，体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小；声发射ib值呈“波动上升—剧烈下降—大幅波动”的变化规律。随冲击幅值增加，ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息，动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著，但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。

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煤炭学报

2024年第12期

119

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侧限条件下充填体−煤柱耦合承载协同作用机理

作者(Author)：赵兵朝, 王京滨, 张晴, 赵阳, 韦启蒙

摘要：为了解决蹬空开采过程中下伏采空区煤柱的稳定性问题，开展了侧限条件下的充填体−煤柱耦合承载压缩试验，研究不同充填体强度及充实率条件下煤柱的力学特性及其相互作用机理，分析充填体强度和充实率对煤柱的压缩特性、破坏形态、破坏强度和环向应变的影响规律，研究不同高度和强度的充填体内弹性模块上的径向应变特征，并据此建立充填体接顶和不接顶条件下的主动和被动约束分析模型。研究结果表明：充填体高度为90 mm的组合体在煤柱破坏之后的应力应变曲线表现为“阶梯式”变化，充填体高度为70和50 mm的组合体在煤柱破坏之后表现为“断崖式”下降；煤柱的破坏强度随充填体高度和强度的增长呈现非线性增长特性，随煤柱与充填体的单轴抗压强度差的减小而增加，煤柱的破坏形式随充填体强度的增加由剪切破坏逐渐过渡至劈裂破坏，充填体高度的增加可以显著提高煤柱破坏时的完整性和延长充填体包裹破坏后煤柱的承载过程。接顶条件下的充填体在轴向压缩后产生径向扩容为煤柱提供主动侧向约束，同时还要承受煤柱挤压充填体后，充填体为煤柱提供的被动侧向约束，而不接顶条件下的充填体仅为煤柱提供被动侧向约束；基于充填体接顶条件下与煤柱之间的受力分析，得到了充填体接顶条件下为煤柱提供的主动约束应力表达式，解决了充填体内主动和被动约束带来的拉压应变抵消后难以区分的问题，并利用摩尔−库伦准则得到了充填体不接顶条件下的煤柱破坏强度表达式。

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煤炭学报

2023年第12期

218

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煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法

作者(Author)：张吉雄, 周楠, 高峰, 闫浩

摘要：矿山固废处置与利用是我国煤矿开采中面临的主要问题之一，严重制约着煤炭资源开发与环境保护协调发展。井下充填是矿山固废绿色高效处置的重要技术途径之一，但现有充填技术增加了工作面生产工序，降低了 15% ~ 20%采煤效率，亟需解决矿山固废充填与煤炭开采之间时空干涉难题，突破矿山固废井下充填处置的技术瓶颈。为此，综述了矸石处置利用现状与存在问题，提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法，系统阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学与技术问题，给出了嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式，探讨了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等理论的研究重点，分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送、注浆钻孔布局及时效控制、矸石注浆充填效果智能监控等技术的研究难点。煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法创新了矸石井下高效处置新模式，完善了矸石综合处置与利用技术体系，引领了我国煤炭资源绿色安全高效开发新方向，在矿山固废高效处置及生态环境保护等方面具有广阔应用前景，可促进矿山矸石固废的源头减排、就地处置、循环利用绿色发展模式的建设。

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煤炭学报

2023年第01期

510

1250