《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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专家; 28篇
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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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2022年第03期

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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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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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