馮國(guó)瑞,杜獻(xiàn)杰,郭育霞,戚庭野,王澤華,李慶東,李化運(yùn),康立勛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024)

長(zhǎng)期以來，煤炭作為我國(guó)的主體能源，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。但同時(shí)煤炭開采引起的環(huán)境問題日益凸顯[1]。我國(guó)普遍采用垮落法開采，造成上覆巖層大范圍變形與垮落，地表沉陷與建(構(gòu))筑物失穩(wěn)破壞、地下水系失衡破壞、采空區(qū)瓦斯不規(guī)則積聚、殘留煤炭自燃等環(huán)境與安全問題[2-4];開采產(chǎn)生的煤矸石等煤礦固體廢棄物的地面堆積也很大程度的造成了土地占用與環(huán)境污染[5]。充填開采作為目前提倡的綠色開采的重要發(fā)展方向無疑可以避免以上問題。另一方面許多礦區(qū)資源日益枯竭卻存著大量“三下”壓煤等各類遺留煤炭資源[6]。傳統(tǒng)開采“三下”壓煤和控制地表沉陷的方法有部分開采和充填開采，或是兩者的結(jié)合[7]。房式開采、條帶開采、柱式開采等傳統(tǒng)的部分開采方法均需留設(shè)大量的煤柱，煤炭采出率低，造成資源的大量浪費(fèi)。而充填開采因其具有采出率高和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為開采遺留煤炭資源和控制地表沉陷的主要手段[8]?？梢姀拈L(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，充填開采有與生俱來的優(yōu)勢(shì)。但目前充填開采并沒有被廣泛采用，究其本質(zhì)原因還是受限于造價(jià)，引起造價(jià)高的主要原因是充填材料需要的體量過大、自然強(qiáng)度指標(biāo)要求過高。為切實(shí)解決這兩個(gè)問題，筆者提出結(jié)構(gòu)充填開采并進(jìn)行相應(yīng)的研究。

1 煤礦充填開采發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，在錢鳴高院士“綠色開采”思想的指導(dǎo)下，諸多學(xué)者與企業(yè)技術(shù)骨干通過研究(似)膏體材料[9-10]、矸石膠結(jié)材料[11]、(超)高水材料[12]等多種新型充填材料，研發(fā)全部充填、條帶充填[13]、巷式充填[14]、點(diǎn)柱式充填[15]、采空區(qū)注漿充填[16]和墩柱充填[17]等多種新型充填技術(shù)與裝備，并在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)有所應(yīng)用，對(duì)控制巖層移動(dòng)和地表沉陷也有一定效果，提高了煤炭資源采出率。但真正要實(shí)現(xiàn)充填開采在煤礦開采領(lǐng)域的推廣和進(jìn)一步發(fā)展，仍然面臨著嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn):

(1)煤礦固廢比例低，充填成本逐漸增高。煤礦現(xiàn)有充填開采方式大多需要大量的充填材料，而煤礦自身產(chǎn)生的固體廢棄物比例較小，煤矸石產(chǎn)生量?jī)H為煤炭開采量的15%～20%，電廠粉煤灰產(chǎn)生量?jī)H為煤炭燃燒量的20%～30%，總體充填潛力不足50%[18]。隨著充填開采的廣泛推廣應(yīng)用，可利用的煤礦固體廢棄物不斷減少，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大體積充填的需求，導(dǎo)致充填成本增加。因此，如何實(shí)現(xiàn)煤礦固廢產(chǎn)充平衡、解決充填成本逐漸增高的問題，成為充填開采在煤礦進(jìn)一步推廣的重中之重。

(2)材料與工藝?yán)酌黠@，充填效率相對(duì)低下。現(xiàn)有充填開采可選擇材料與工藝已有很多，但受充填模板易變形、散體材料密實(shí)度低、膠結(jié)材料泌水率高、充填體早期和長(zhǎng)期強(qiáng)度小以及收縮裂化等影響，經(jīng)常出現(xiàn)充填體形態(tài)不規(guī)則、接頂效果差、早期頂板下沉量大、后期充填體壓縮量大等現(xiàn)象，使充填開采的頂板巖層控制效果不佳。同時(shí)，受充填工藝機(jī)械化程度低的限制，充填工作效率相對(duì)落后于采煤工作效率，充填工作與開采工作交替進(jìn)行、相互影響，降低了礦井生產(chǎn)效率和產(chǎn)量[19]。因此，如何優(yōu)化材料性能和充填工藝、提高充填效率成為充填開采面臨的技術(shù)難題。

(3)缺乏采前規(guī)劃，地下空間資源被大量浪費(fèi)。隨著煤炭資源日趨減少和關(guān)停礦井的日益增多，煤礦地下空間的合理利用開始被提上日程?，F(xiàn)有煤礦地下空間存在著很多廢棄井巷、硐室、非充分采動(dòng)采空區(qū)等可利用地下空間，約占煤礦開采空間的10%～30%，少有的利用也只是煤礦關(guān)停后的被動(dòng)利用[20]。占比煤礦地下空間70%以上的采空區(qū)被覆巖垮落與人工充填材料所占據(jù)，往往被封閉且無法利用，導(dǎo)致大量煤礦地下空間被浪費(fèi)。因此，如何在煤礦設(shè)計(jì)初期就為后期地下空間利用預(yù)留建設(shè)空間，將地下空間的被動(dòng)利用變?yōu)橹鲃?dòng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)煤礦地下空間再利用是充填開采的發(fā)展方向。

2 結(jié)構(gòu)充填開采基礎(chǔ)理論

2.1 結(jié)構(gòu)充填開采的概念

結(jié)構(gòu)充填開采(Constructional Backfill Mining,CBM)是為控制地表沉陷，減小環(huán)境污染，減少充填材料用量，降低充填成本，根據(jù)煤層分布及其圍巖特點(diǎn)，通過采前規(guī)劃和固廢資源化，在采空區(qū)關(guān)鍵位置針對(duì)性的布置柱(墩)狀、條帶(墻)狀或十字形、箱形等結(jié)構(gòu)充填體，隨采隨充形成“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，有效控制上覆巖層移動(dòng)變形，同時(shí)在煤礦采空區(qū)構(gòu)建出大量長(zhǎng)期穩(wěn)定的地下空間，并根據(jù)需求將其加以利用的充填開采方法，簡(jiǎn)單的講就是通過因地制宜的“固廢充填材料”、科學(xué)分析的“結(jié)構(gòu)充填體”、方便快捷的“結(jié)構(gòu)充填工藝及裝備”，能適應(yīng)“構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力”并能最大化的“構(gòu)建出可利用的地下空間”的綠色開采方法。如圖1所示。

結(jié)構(gòu)充填開采方案設(shè)計(jì)借助于先進(jìn)的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)與地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，獲得礦區(qū)巖層分布特征、地質(zhì)構(gòu)造類型與范圍、地應(yīng)力分布規(guī)律等，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地球物理信息透明化[21];根據(jù)煤層分布及其圍巖特點(diǎn)，通過理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)的方法，研究其圍巖應(yīng)力與位移變化規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)充填關(guān)鍵位置;針對(duì)關(guān)鍵位置充填體的力學(xué)性能與形態(tài)尺寸等參數(shù)、直接頂控制方式等進(jìn)行合理的采前規(guī)劃設(shè)計(jì)，形成“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，控制上覆巖層移動(dòng)和地表沉陷，并形成穩(wěn)定的地下空間。

結(jié)構(gòu)充填開采是一種充填率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、充填效果好的充填開采，其技術(shù)理論框架如圖2所示。結(jié)構(gòu)充填的關(guān)鍵在于形成穩(wěn)定的“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)。充分發(fā)揮直接頂?shù)淖猿心芰?，使其與充填體和上位關(guān)鍵層協(xié)同控制巖層移動(dòng)變形與地表沉陷，并形成大量穩(wěn)定可利用的煤礦地下空間。同時(shí)，合理利用礦區(qū)內(nèi)固體廢棄物，實(shí)現(xiàn)煤礦開采的綠色可持續(xù)發(fā)展。

2.2 結(jié)構(gòu)充填開采關(guān)鍵位置確定

結(jié)構(gòu)充填“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)主要承受兩方面的載荷:地質(zhì)構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力、開采與充填活動(dòng)引起的采動(dòng)應(yīng)力，如圖3所示。結(jié)合礦山壓力控制與地下空間建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要[22-26]，確定結(jié)構(gòu)充填開采的設(shè)計(jì)原則。

(1)直接頂不發(fā)生破斷，即

(1)

(2)直接頂變形量在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)，即

(2)

(3)充填體抗壓強(qiáng)度足夠大，即

(3)

(4)充填體能長(zhǎng)期穩(wěn)定承載，即

(4)

式中，[Δh1]為直接頂?shù)脑试S下沉量;q為直接頂所受載荷;b和h分別為充填體的寬度和高度;σ為充填體承受的垂直應(yīng)力;RT,D和h1分別為直接頂巖層的抗拉強(qiáng)度、撓曲剛度和厚度;[σ]為充填體標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;a,c為空頂區(qū)短邊間距和空頂區(qū)長(zhǎng)邊間距;k為頂板安全系數(shù);γ0,E和ξ0為充填體的重要性系數(shù)、彈性模量和彈性特征系數(shù);A為充填體承載面積;e為荷載偏壓量。

將決定結(jié)構(gòu)充填承載結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和控制效果的位置稱為關(guān)鍵位置，而控制關(guān)鍵位置的變形與破壞是結(jié)構(gòu)充填開采的核心問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)充填開采的設(shè)計(jì)原則，確定結(jié)構(gòu)充填關(guān)鍵位置應(yīng)包括:特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)、圍巖應(yīng)力集中區(qū)、直接頂最大受力處、直接頂最大變形處和充填體自身薄弱點(diǎn)等。

2.3 結(jié)構(gòu)充填的目標(biāo)

結(jié)構(gòu)充填開采在控制巖層移動(dòng)變形與地表沉陷、提高煤炭資源采出率的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):

(1)高效利用礦區(qū)固廢資源，降低充填成本。結(jié)構(gòu)充填通過高效利用礦區(qū)煤矸石和其他固體廢棄物，如礦區(qū)建筑垃圾、電廠粉煤灰、農(nóng)作物秸稈、風(fēng)積沙等，拓寬充填原材料來源，降低充填成本，提高充填材料的工作性能和力學(xué)性能，在礦區(qū)實(shí)現(xiàn)固廢資源化與綠色可持續(xù)發(fā)展。

(2)改進(jìn)充填材料與工藝，提高充填效率。結(jié)構(gòu)充填采用具有早強(qiáng)、膨脹等性能的充填材料和必要的頂板控制技術(shù)手段，提高充填體有效接頂率，減小充填前期頂?shù)装逡平?，形成“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，在液壓支架與充填體之間的直接頂下方形成了穩(wěn)定的空間，提高充填開采頂板巖層控制效果，為下一道充填工序的進(jìn)行提供足夠的安全作業(yè)空間;通過新型機(jī)械化充填裝備，實(shí)現(xiàn)充填工序與采煤工序在空間和時(shí)間上分離，實(shí)現(xiàn)充填工序和采煤工序協(xié)同推進(jìn)互不影響;通過提高充填體承載能力，降低采空區(qū)充填率，減小充填體后期壓縮量，有效減小充填工作量，提高充填開采效率。

(3)合理進(jìn)行采充規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下開采空間的再利用。在采空區(qū)關(guān)鍵位置針對(duì)性的布置不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)充填體，形成穩(wěn)定的“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮直接頂?shù)淖猿休d能力，可將充填率降低到50%甚至25%以下，在采空區(qū)形成大量的穩(wěn)定地下空間(圖4)。尤其在煤層厚度較大時(shí)，開采形成的煤礦地下空間會(huì)更加可觀。根據(jù)礦區(qū)需求，通過合理的采充規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下開采空間的主動(dòng)利用。如對(duì)采空區(qū)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)后用來作為地下博物館、地下實(shí)驗(yàn)室、地下水庫、地下國(guó)防設(shè)施、地下物資存儲(chǔ)倉庫、地下生活?yuàn)蕵肺幕行牡取?/p>

圖4 結(jié)構(gòu)充填形成的地下空間Fig.4 Underground space formed by constructional backfill

3 結(jié)構(gòu)充填開采關(guān)鍵技術(shù)

為達(dá)到固廢資源化和地下空間再利用的目的，結(jié)構(gòu)充填開采應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括:開發(fā)新型固廢充填材料、構(gòu)建“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)以及研發(fā)井下一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng)。

3.1 新型固廢充填材料的開發(fā)

現(xiàn)有煤礦充填開采多是基于等效替換煤體的思想而發(fā)展起來的，所要求充填材料的強(qiáng)度不高，一般低于3 MPa[25,27];特殊條件下的充填體強(qiáng)度一般也低于6 MPa[18]。但結(jié)構(gòu)充填意在構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的 “充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地下空間再利用。因此，結(jié)構(gòu)充填對(duì)材料強(qiáng)度的要求較高，達(dá)到10 MPa甚至20 MPa以上。從等效替換充填到結(jié)構(gòu)充填，充填理念的轉(zhuǎn)變，使得高強(qiáng)度的充填材料成為結(jié)構(gòu)充填開采的基礎(chǔ)保障。

目前煤礦所用的充填材料基本分為4類:矸石固體充填材料、矸石膠結(jié)充填材料、(超)高水充填材料、(似)膏體充填材料。在固廢資源化和地下空間再利用的需求下，綜合分析以上4種材料在強(qiáng)度、成本、機(jī)械化、環(huán)保等方面的優(yōu)缺點(diǎn)[28-31]，選擇在煤矸石-粉煤灰膏體充填材料的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化煤矸石骨料形態(tài)與顆粒級(jí)配、研發(fā)新型低成本膠凝材料、開發(fā)新型外加劑、發(fā)展多種替代原材料等手段，進(jìn)一步開發(fā)新型固廢充填材料。

(1)優(yōu)化煤矸石骨料形態(tài)與顆粒級(jí)配。結(jié)構(gòu)充填材料以煤矸石為主要骨料，對(duì)煤矸石進(jìn)行機(jī)械破碎后加以利用，其骨料形態(tài)和顆粒級(jí)配對(duì)充填材料的拌和性能、流動(dòng)性能、強(qiáng)度性能、耐久性能等有著顯著影響，合理的骨料形態(tài)和優(yōu)良的顆粒級(jí)配應(yīng)滿足材料強(qiáng)度、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、澆筑系統(tǒng)等各方面的要求[32]。通過測(cè)定煤矸石的物化特性，研究煤矸石骨料對(duì)充填材料工作性能、力學(xué)性能等的影響，優(yōu)化煤矸石骨料形態(tài)，確定煤矸石的最佳粒徑與最優(yōu)級(jí)配[33-34]。

(2)研發(fā)新型低成本膠凝材料。水泥是膏體充填材料的常用膠凝材料，因其價(jià)格相對(duì)較高，大量使用會(huì)導(dǎo)致充填成本增加。為降低充填材料成本，需研發(fā)新型低成本膠凝材料替代水泥[35]。煤矸石-粉煤灰膏體充填材料使用大量粉煤灰替代水泥作為膠凝材料，在降低充填成本的同時(shí)，增加充填材料的和易性、耐久性、耐磨性，降低充填材料的水化熱與徐變，且不易發(fā)生堿集料反應(yīng)[36]。但由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，使充填材料強(qiáng)度發(fā)展較慢、早期強(qiáng)度較低。因此，通過機(jī)械激發(fā)(球磨)、化學(xué)激發(fā)(增鈉)等手段充分激發(fā)粉煤灰的水化反應(yīng)活化性能，提高粉煤灰的水化反應(yīng)速率和水化反應(yīng)程度，提高充填材料的早期強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度[37-38]。另外，也可通過機(jī)械-熱-化學(xué)聯(lián)合激發(fā)煤矸石粉的火山灰活化性能，用作膠凝材料，提高充填體強(qiáng)度，降低充填材料成本。

(3)開發(fā)新型外加劑。受地下特殊環(huán)境的影響，結(jié)構(gòu)充填為實(shí)現(xiàn)地下空間再利用的特殊功能，往往需要充填材料滿足自密實(shí)、速凝、早強(qiáng)、膨脹、抗?jié)B、耐腐蝕、抗凍融、防輻射等方面的特殊要求。因此需要開發(fā)合適的外加劑，使充填材料滿足結(jié)構(gòu)充填的特殊要求[39-40]。

(4)發(fā)展多種替代固廢原材料。隨著充填開采的不斷推廣應(yīng)用，煤矸石與粉煤灰等煤礦固體廢棄物不斷消耗，可用量將越來越少，因此需要開發(fā)新型固廢原材料替代煤矸石與粉煤灰。使用工農(nóng)業(yè)固體廢棄物和生活垃圾代替煤矸石和粉煤灰，在降低充填成本的同時(shí)，解決固體廢棄物的存儲(chǔ)處理與環(huán)境污染等問題。如:使用廢棄混凝土和廢棄燒結(jié)磚等部分代替煤矸石作為膏體充填材料的骨料，以減少煤矸石使用量，同時(shí)處理礦區(qū)建筑垃圾[41];使用玉米秸稈、麥殼、稻殼等燃燒生成的生物質(zhì)灰替代水泥和粉煤灰作為膏體充填材料的膠凝材料，在提高材料工作性能和力學(xué)性能的同時(shí)，處理工農(nóng)業(yè)固體廢物;將廢棄鋼材、廢棄塑料、廢棄紡織物以及農(nóng)作物秸稈等固體廢棄物制作成纖維添加到充填材料中，在提高充填體韌性和變形性能的同時(shí)，處理礦區(qū)工農(nóng)業(yè)和生活垃圾。另外，煤礦企業(yè)也可因地制宜的選擇尾砂、風(fēng)積沙、黃土、河沙等材料進(jìn)行充填采煤[42]。

3.2 “充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

結(jié)構(gòu)充填通過構(gòu)建不同形態(tài)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)充填體和直接頂自承結(jié)構(gòu)，構(gòu)建“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)，控制巖層運(yùn)移并形成穩(wěn)定的地下空間。

(1)構(gòu)建不同形態(tài)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)充填體。在結(jié)構(gòu)充填開采低充填率條件下，體積較小的充填體需要承受較大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力和多重采動(dòng)應(yīng)力，僅僅依靠充填材料本身的強(qiáng)度難以形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的充填結(jié)構(gòu)體，尤其是在充填體大高寬比和形狀不規(guī)則的情況下，需采取一定的手段提高充填體的承載能力和抗變形能力。如在充填體表面設(shè)置永久模板、鋼筋網(wǎng)等圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在充填體內(nèi)部配置受力鋼筋和箍筋等構(gòu)件(圖5,其中的鋼筋可因地制宜用其他材料等效代替，如廢棄錨桿和廢棄運(yùn)輸膠帶等)，在結(jié)構(gòu)充填原材料中添加纖維等，可有效提高結(jié)構(gòu)充填體的承載力，限制結(jié)構(gòu)充填體的變形，使充填體形成墩柱狀、條帶狀、十字形、箱形等不同形態(tài)的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)充填體(圖6)。

圖5 結(jié)構(gòu)充填墩/柱Fig.5 Constructional backfill pillar/column

圖6 形態(tài)不規(guī)則充填結(jié)構(gòu)體Fig.6 Backfill structure with irregular shapes

圖7 “梁/板-柱/墻”式組合控制結(jié)構(gòu)Fig.7 “Beam/plate-column/wall” type combination control structure

(2)構(gòu)建直接頂自承結(jié)構(gòu)。煤層上覆直接頂巖層具有一定的厚度和強(qiáng)度，具有一定的自承載能力。因此，通過一定的技術(shù)手段保證直接頂完整性，提高直接頂?shù)淖猿休d能力，使其形成穩(wěn)定的“結(jié)構(gòu)充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)。如在空頂區(qū)安設(shè)桁架錨索使頂板形成“組合梁/板”，構(gòu)建出“梁/板-柱”式組合控制結(jié)構(gòu)等(圖7);在頂?shù)装灏苍O(shè)錨桿控制頂?shù)装迩捌谧冃瘟?，并利用錨桿端頭使充填體與頂?shù)装暹B接為一體，相互約束水平位移;采用膨脹性結(jié)構(gòu)充填材料或在充填體和直接頂間設(shè)置墊塊，使充填體完全接頂，確保上部載荷的有效傳遞等。

3.3 井下一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng)的研發(fā)

結(jié)構(gòu)充填開采的推廣應(yīng)用需要機(jī)械化結(jié)構(gòu)充填裝備的支持，包括:智能化充填材料制備系統(tǒng)、可視化充填料漿輸送系統(tǒng)、獨(dú)立式充填體構(gòu)筑系統(tǒng)、移動(dòng)式充填材料澆注系統(tǒng)和立體化充填效果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(1)智能化充填材料制備系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)充填材料制備系統(tǒng)是在研究固廢原材料的物化性質(zhì)及其對(duì)結(jié)構(gòu)充填材料流變性能、流動(dòng)性能影響的基礎(chǔ)上，分析得到滿足結(jié)構(gòu)充填要求的材料最佳配比，研究設(shè)計(jì)適合新型結(jié)構(gòu)充填材料制備的智能化裝備，其主要包括:骨料多級(jí)破碎與篩分裝備、新型膠結(jié)料制備裝置、充填材料精準(zhǔn)配比攪拌裝備與自動(dòng)化除塵裝置等。如常規(guī)工藝破碎的煤矸石以片狀居多，嚴(yán)重影響充填材料性能，需研發(fā)新型破碎裝置以獲得形態(tài)較好的煤矸石顆粒。

(2)可視化充填料漿輸送系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)充填料漿輸送系統(tǒng)研究結(jié)構(gòu)充填材料漿體在管道中的輸送特性，分析漿體在管道輸送過程中壓力損失隨漿體濃度、泵送頻率和流速的變化情況以及其流量與流速的關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的充填管道直徑和充填泵送壓力[43]。通過壓力監(jiān)測(cè)、電阻率監(jiān)測(cè)(圖8)、超聲波監(jiān)測(cè)、電極監(jiān)測(cè)等手段對(duì)管道內(nèi)的料漿流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)，并對(duì)堵管現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)與及時(shí)處理，確保料漿的高效輸送。

圖8 充填料漿管道電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意Fig.8 Schematic diagram of resistivity monitoring system for backfill slurry pipelines1—監(jiān)測(cè)管道;2—法蘭;3—上電極;4—絕緣墊片;5—螺母;6—充填管道;7—下電極;8—恒流源;9—電源;10—單片機(jī);11—信號(hào)放大器;12—PC計(jì)算機(jī)

圖9 垛柱式剛性結(jié)構(gòu)充填模板Fig.9 Stacking column rigid backfill template

(3)獨(dú)立式充填體構(gòu)筑系統(tǒng)。為保證結(jié)構(gòu)充填工作的安全作業(yè)、實(shí)現(xiàn)充填材料的精準(zhǔn)高效填充、以及提高充填體的有效接頂率，在采空區(qū)設(shè)置獨(dú)立式充填體構(gòu)筑系統(tǒng)。使用永久/臨時(shí)支護(hù)裝置控制頂板充填前期下沉，并在采空區(qū)形成穩(wěn)定的充填工作區(qū)間，為充填工作的安全高效進(jìn)行提供保障，實(shí)現(xiàn)充填與采煤的工序分離;設(shè)置條帶(墻)式充填滑模、垛柱式剛性充填模板(圖9)和折疊式柔性充填模板(圖10)等新型獨(dú)立式構(gòu)筑裝置，控制充填體的位置與形狀、保證充填體有效接頂率;通過在頂板設(shè)置掛鉤懸吊、在模板內(nèi)側(cè)預(yù)先固定等手段在充填體內(nèi)設(shè)置箍筋/鋼絲繩等構(gòu)件，有效提高充填體固結(jié)后的承載能力。

圖10 折疊式柔性結(jié)構(gòu)充填模板Fig.10 Foldable flexible backfill template

(4)充填料漿移動(dòng)式澆注系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)充填的非連續(xù)式充填，在井下采用移動(dòng)式充填泵車，配合井下料漿攪拌運(yùn)輸車，進(jìn)行充填材料的澆注工作，形成移動(dòng)式結(jié)構(gòu)充填非連續(xù)澆注系統(tǒng)，精確控制充填材料的使用量，并做到隨充隨停。

(5)充填效果立體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)充填的實(shí)施效果，通過在充填體內(nèi)預(yù)埋壓力/變形傳感器、在地面布置地表沉陷監(jiān)測(cè)站，同時(shí)使用微震、聲發(fā)射、超聲波、電阻率或DIC數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)等無損監(jiān)測(cè)手段，對(duì)充填體的穩(wěn)定性與充填開采覆巖控制效果進(jìn)行立體化監(jiān)測(cè)[44-46]，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)充填方案進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整與改進(jìn)。

進(jìn)一步，因結(jié)構(gòu)充填可實(shí)現(xiàn)固廢資源平衡化與地下空間再利用，故可將一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng)全部配置在井下硐室與未充填的采空區(qū)(圖11)，并布置智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過攝像頭、傳感器等監(jiān)控設(shè)備對(duì)整套充填系統(tǒng)進(jìn)行全方位管理與動(dòng)態(tài)調(diào)控，確保各個(gè)環(huán)節(jié)所有設(shè)備的正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)矸石不升井與礦井水再利用、料漿短距離輸送與非連續(xù)式充填、井下無人化操作，提高礦井提升與充填開采效率，減少地表環(huán)境污染等。

圖11 井下一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng)Fig.11 Underground integrated constructional backfill system

4 壓煤資源開采地下空間利用構(gòu)想

“三下”壓煤資源在我國(guó)煤炭資源中的比例較大，占可采煤量的比例超過50%[47]。隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，“三下”壓煤的比例在進(jìn)一步增加，具有廣闊的開采前景。尤其是在面臨資源枯竭的礦區(qū)，壓煤資源的開采需求更加迫切。因此，根據(jù)地面區(qū)域發(fā)展需求，將“三下”壓煤分為城市下、村鎮(zhèn)和農(nóng)田下、鐵路(公路)和水體下3種區(qū)域類型，分別通過結(jié)構(gòu)充填對(duì)其進(jìn)行壓煤資源開采與地下空間再利用。

4.1 城市下壓煤結(jié)構(gòu)充填開采建設(shè)地下綜合體

在煤炭資源富集地區(qū)，由于煤炭的大規(guī)模開采與人口的聚集，使礦區(qū)的城市功能得到了逐步完善并向周邊地區(qū)輻射，發(fā)展成為煤炭城市(圖12)。由于前期煤礦開采技術(shù)的限制，為保證城市地面建筑與設(shè)施的安全，在礦區(qū)城市下遺留有大量的煤炭資源[48]。隨著煤炭資源的逐漸開發(fā)，我國(guó)有37座煤炭城市面臨著資源枯竭的問題，如阜新市、撫順市、焦作市、銅川市、孝義市、淮北市、鶴崗市、棗莊市等[49]。由于這些城市的經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭資源具有高度依賴性，為維持城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市下壓煤資源亟待開發(fā)。同時(shí)，由于礦區(qū)城市主要根據(jù)資源開發(fā)與利用的需求而修建，其他社會(huì)服務(wù)功能一般不太完善，生活?yuàn)蕵吩O(shè)置建設(shè)更是不夠充足，城市人民的精神生活需求得不到完全滿足[50]。為實(shí)現(xiàn)煤炭城市的可持續(xù)發(fā)展，煤礦城市應(yīng)主動(dòng)將礦區(qū)的地下空間資源納入城市整體功能規(guī)劃，促進(jìn)資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展。因此，在結(jié)構(gòu)充填開采思想的指導(dǎo)下，結(jié)合礦區(qū)城市下壓煤資源開采與城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求，提出城市下壓煤結(jié)構(gòu)充填開采構(gòu)建城市地下綜合體的設(shè)想。

圖12 煤礦城市地下空間綜合體示意Fig.12 Sketch map of underground space complex of coal mine city

城市下壓煤結(jié)構(gòu)充填開采構(gòu)建地下綜合體是根據(jù)礦區(qū)城市化建設(shè)與壓煤資源開采需求，使用煤礦固體廢棄物和城市建筑垃圾制作結(jié)構(gòu)充填體，實(shí)現(xiàn)煤炭城市固廢資源化利用與地面環(huán)境保護(hù);使用結(jié)構(gòu)充填體控制地表沉陷，保護(hù)地表建筑，并在井下采空區(qū)形成穩(wěn)定的地下空間，為地下綜合體建設(shè)提供空間資源;根據(jù)城市建設(shè)要求，通過不同形態(tài)結(jié)構(gòu)充填體將煤層采空區(qū)分成獨(dú)立的區(qū)域，在地下綜合體內(nèi)建設(shè)地下學(xué)校、地下圖書館、地下博物館、地下醫(yī)院、地下酒店、地下商業(yè)街、地下影院、地下休閑廣場(chǎng)、地下健身房等，以滿足煤炭城市人民精神文化生活的需求。該構(gòu)想既可以減緩煤炭城市資源枯竭的速度，資源化處理煤礦固體廢棄物和城市建筑垃圾，實(shí)現(xiàn)煤炭城市經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展;又可以緩解煤炭城市發(fā)展面臨的人口增加、土地緊缺、文娛設(shè)施不健全等突出問題，實(shí)現(xiàn)資源型城市向宜居城市的根本轉(zhuǎn)變。

4.2 村鎮(zhèn)、農(nóng)田下壓煤結(jié)構(gòu)充填開采建設(shè)地下農(nóng)業(yè)基地

由于我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，使得我國(guó)大部分富煤礦區(qū)處于農(nóng)村地區(qū)，形成了很多煤炭村、鎮(zhèn)(圖13)。這種煤炭村、鎮(zhèn)在行政管理上隸屬于附近的城市，但與市區(qū)相距較遠(yuǎn)。雖然其煤炭資源豐富，但礦區(qū)大部分人員仍然以務(wù)農(nóng)為生。鑒于遷村成本較高，煤炭開采時(shí)往往繞過村鎮(zhèn)和農(nóng)田，使得村鎮(zhèn)農(nóng)田下留置著大量煤炭資源[51]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，村莊下壓煤約占“三下”壓煤總量的60%。隨著礦區(qū)煤炭資源的枯竭和矸石山的日益增多，壓煤資源開采與村鎮(zhèn)、農(nóng)田保護(hù)的矛盾日益突出。因此，在結(jié)構(gòu)充填開采思想的指導(dǎo)下，結(jié)合礦區(qū)村鎮(zhèn)、農(nóng)田下壓煤資源開采與改善農(nóng)民生活水平的需求，提出村鎮(zhèn)、農(nóng)田下壓煤結(jié)構(gòu)充填構(gòu)建地下農(nóng)業(yè)基地的設(shè)想。

圖13 村鎮(zhèn)、農(nóng)田下地下農(nóng)業(yè)基地示意Fig.13 Sketch map of underground agricultural base under villages,towns and farmlands

村鎮(zhèn)、農(nóng)田下壓煤結(jié)構(gòu)充填構(gòu)建地下農(nóng)業(yè)基地是使用礦區(qū)煤礦固體廢棄物和秸稈(灰)等制作結(jié)構(gòu)充填體，實(shí)現(xiàn)矸石零地面堆積和農(nóng)作物秸稈資源化處理，解放礦區(qū)農(nóng)田，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境;通過不同形狀的結(jié)構(gòu)充填體控制地表沉陷，保護(hù)地表村鎮(zhèn)建筑和農(nóng)田，并在井下采空區(qū)形成穩(wěn)定的地下種植基地(喜陰型經(jīng)濟(jì)作物，如蘑菇、藥材等)、地下住宅和地下糧倉，以滿足礦區(qū)農(nóng)民拓寬經(jīng)濟(jì)來源、擴(kuò)大生活空間與儲(chǔ)藏生活物資的需求，實(shí)現(xiàn)煤炭開采與農(nóng)業(yè)發(fā)展的和諧共贏。

4.3 鐵路(公路)、水體下壓煤結(jié)構(gòu)充填開采建設(shè)地下儲(chǔ)庫

鐵路、公路是礦區(qū)煤炭資源外輸?shù)闹饕緩?，為保證其安全，其下的煤炭資源開采被嚴(yán)格限制。而鐵路、公路的廣泛分布使這些區(qū)域具有便捷的交通，有利于物資運(yùn)輸與儲(chǔ)存(圖14)。同時(shí)，我國(guó)很多礦區(qū)受地表降水與蒸發(fā)不平衡的影響，屬于干旱半干旱氣候，尤其是在西北部礦區(qū)，季節(jié)性缺水嚴(yán)重[52]。礦區(qū)煤層采動(dòng)使地下含水層結(jié)構(gòu)受到破壞、地表水流失，地表植被受到破壞，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和礦區(qū)人民生活也受到了影響，急需進(jìn)行煤礦保水開采，并對(duì)雨季集中降水與地下水進(jìn)行安全高效存儲(chǔ)與合理利用。因此，在結(jié)構(gòu)充填開采思想的指導(dǎo)下，結(jié)合干旱半干旱礦區(qū)的保水開采與物資存儲(chǔ)的需要，提出了水體、鐵路(公路)下壓煤結(jié)構(gòu)充填構(gòu)建地下儲(chǔ)庫的構(gòu)想。

圖14 水體、鐵路(公路)下地下儲(chǔ)庫示意Fig.14 Schematic diagram of underground storage under water body and railway (highway)

水體、鐵路(公路)下壓煤結(jié)構(gòu)充填構(gòu)建地下儲(chǔ)庫是為保護(hù)礦區(qū)鐵路(公路)和水資源，通過在采空區(qū)關(guān)鍵位置布置結(jié)構(gòu)充填體，達(dá)到保水采煤和保護(hù)地表鐵路(公路)的目的;通過高強(qiáng)結(jié)構(gòu)充填條帶在井下采空區(qū)形成穩(wěn)定的儲(chǔ)水空間，對(duì)礦區(qū)季節(jié)性降水和地下水進(jìn)行安全高效存儲(chǔ)，防止地表水蒸發(fā)和地下水流失;通過防滲結(jié)構(gòu)充填墻將儲(chǔ)水空間劃分成不同的區(qū)域，對(duì)不同來源的水資源分別進(jìn)行沉淀、凈化等處理后高效儲(chǔ)存，以滿足礦區(qū)枯水期工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的需求;在蓄水井底部設(shè)置水力發(fā)電機(jī)建立地下蓄能電站，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能加以利用;同時(shí)，通過箱形等結(jié)構(gòu)充填體在井下采空區(qū)構(gòu)建地下儲(chǔ)庫，使用礦區(qū)便捷的交通進(jìn)行能源、物資及各類垃圾的安全存儲(chǔ)，以便其在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被合理處理與利用。通過鐵路(公路)、水體下壓煤結(jié)構(gòu)充填可實(shí)現(xiàn)干旱半干旱和生活物資匱乏礦區(qū)的生態(tài)資源平衡與可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)分析煤礦充填開采發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)，提出了煤礦結(jié)構(gòu)充填開采的思想，其目標(biāo)是:高效利用礦區(qū)固廢資源、降低充填成本，改進(jìn)充填材料與工藝、提高充填效率，合理進(jìn)行采充規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)對(duì)地下開采空間的再利用。

(2)根據(jù)“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)承受的載荷，提出結(jié)構(gòu)充填的設(shè)計(jì)原則為:直接頂不發(fā)生破斷且變形量在允許范圍內(nèi)、充填體強(qiáng)度足夠大且能長(zhǎng)期穩(wěn)定承載，并據(jù)此確定了結(jié)構(gòu)充填的關(guān)鍵位置。

(3)結(jié)構(gòu)充填開采的關(guān)鍵技術(shù)包括:開發(fā)新型固廢充填材料、構(gòu)建“充填體-直接頂”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)、研發(fā)井下一體化結(jié)構(gòu)充填系統(tǒng)。

(4)根據(jù)壓煤資源的開采需求，提出分別在礦區(qū)城市下、村鎮(zhèn)和農(nóng)田下、水體和鐵路(公路)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)充填開采，建設(shè)地下綜合體、地下農(nóng)業(yè)基地、地下儲(chǔ)庫的地下空間再利用構(gòu)想。

結(jié)構(gòu)充填開采同樣適用于開采條件類似的非煤礦產(chǎn)資源充填開采與地下空間利用。