李永亮，路 彬，楊仁樹，林 海，徐 斌，王樹帥，劉晨輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4. 鄂爾多斯市綠礦技術(shù)服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016000)

隨著我國中東部地區(qū)煤炭資源減少，煤炭開發(fā)重心逐漸向西部轉(zhuǎn)移。西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對開采擾動(dòng)敏感性強(qiáng)；傳統(tǒng)的高強(qiáng)度垮落法開采容易造成地下水系破壞，地表出現(xiàn)各種大裂縫和塌陷坑，由于該地區(qū)生態(tài)自修復(fù)能力有限，帶來的生態(tài)環(huán)境問題更加突出。礦區(qū)地面煤矸石堆積形成矸石山，電廠粉煤灰也未得到有效利用；煤矸石和粉煤灰等固廢資源任意排放，占用大量土地，帶來巨大的環(huán)境問題，威脅人類生存健康?！笆濉逼陂g累計(jì)綜合利用各類大宗固廢約130億t，減少占用土地超過100萬畝，資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著；“十四五”時(shí)期，我國將開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程，圍繞推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展主題，全面提高資源利用效率的任務(wù)更加迫切；需持續(xù)提高煤矸石和粉煤灰綜合利用水平?；诿喉肥头勖夯业裙虖U資源合理利用的膠結(jié)充填開采作為綠色開采技術(shù)的重要組成部分，是目前解決西部生態(tài)脆弱區(qū)安全、綠色、高效采煤的關(guān)鍵技術(shù)途徑。我國科技工作者在煤礦膠結(jié)充填材料與管道輸送，充填開采工藝與技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果，推動(dòng)了煤礦膠結(jié)充填開采技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

對于煤礦膠結(jié)充填開采技術(shù)而言，主要存在以下2個(gè)問題：① 充填材料和充填裝備投入大，運(yùn)行成本高，削弱煤炭企業(yè)選用充填采煤方法的積極性；② 充填開采工藝復(fù)雜，采充矛盾突出，充填工序時(shí)間過長，甚至超過采煤時(shí)間，嚴(yán)重制約充填開采效率?；谝陨?點(diǎn)，筆者所在團(tuán)隊(duì)提出了全負(fù)壓連采連充分步置換煤炭資源的膠結(jié)充填采煤法。經(jīng)過多年來的科研攻關(guān)，不斷完善充填采煤工藝、進(jìn)行技術(shù)革新、研發(fā)配套的裝備，形成了完善的煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)與裝備體系。相關(guān)研究成果，已在內(nèi)蒙古裕興煤礦、昊源煤礦、察哈素煤礦和黃白茨煤礦等多個(gè)煤礦進(jìn)行現(xiàn)場工程應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。筆者重點(diǎn)針對適應(yīng)于不同煤層賦存條件的連采連充采煤成套技術(shù)進(jìn)行介紹，闡明其安全高效分步置換煤炭技術(shù)原理，并對典型工程案例進(jìn)行分析，以期對類似條件下煤層的充填開采提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

1 連采連充采煤工藝

1.1 工作面巷道布置

按照綜采工作面走向長壁采煤法巷道布置方式，將工作面的回風(fēng)平巷、運(yùn)輸平巷以及開切眼等預(yù)先掘出，工作面形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。將工作面待開采煤層，沿平行于開切眼方向，按一定寬度劃分為若干不同的開采支巷；采用后退式充填開采，分別將其標(biāo)號為支巷1、支巷2、支巷3……。為了保證充填采煤效率，工作面長度一般設(shè)計(jì)為50～100 m；支巷寬度的設(shè)計(jì)要充分考慮采場圍巖的工程地質(zhì)條件和設(shè)備尺寸，以有利于快速出煤、安全支護(hù)和高效充填為原則，以4～6 m為宜。工作面充填開采用到的主要裝備有連續(xù)采煤機(jī)或綜掘機(jī)、錨桿臺車、裝載機(jī)或梭車等。連續(xù)采煤機(jī)或綜掘機(jī)在工作面運(yùn)輸平巷由下向上掘進(jìn)支巷進(jìn)行采煤，錨桿臺車進(jìn)行支巷頂幫支護(hù)，裝載機(jī)進(jìn)行出煤；支巷內(nèi)煤炭全部采出后，在工作面回風(fēng)平巷進(jìn)行充填材料輸送，并進(jìn)行支巷的充填。工作面巷道布置系統(tǒng)與主要裝備，如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置系統(tǒng)與裝備Fig.1 Roadway layout system and equipment in working face

1.2 充填采煤工藝

為了保證工作面回采期間的安全，采用“間隔支巷出煤、分步充填置換”的充填開采模式。根據(jù)采場頂板條件和煤體強(qiáng)度，主要有3種充填開采模式，即隔一采一、隔二采一和隔三采一，分別實(shí)現(xiàn)兩步式、三步式和四步式回采，如圖2所示。每條支巷開采完畢后立即進(jìn)行充填，同時(shí)開采下一支巷；充填和采煤互不干擾、連續(xù)平行作業(yè)，依次開采和充填剩余支巷。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求回收工作面設(shè)置的保護(hù)煤柱，實(shí)現(xiàn)工作面全采全充。對于厚煤層而言，支巷采用分層開采，整巷充填。即厚煤層分為上分層和下分層，2臺連續(xù)采煤機(jī)、2臺裝載機(jī)和1臺錨桿臺車同時(shí)工作；1號連續(xù)采煤機(jī)專門采上分層，2號連續(xù)采煤機(jī)專門采下分層，2臺連采機(jī)雙巷連續(xù)作業(yè)，錨桿臺車交替支護(hù)，同時(shí)充填上、下分層已采的整條支巷。充填與采煤互不干擾，實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)開采和連續(xù)充填，解決采充矛盾，最大限度地實(shí)現(xiàn)采充平行作業(yè)，提高充填采煤效率。當(dāng)采場頂板穩(wěn)定、煤體強(qiáng)度較高時(shí)優(yōu)先選擇兩步式回采，有利于實(shí)現(xiàn)集中生產(chǎn)；而對于松軟破碎煤層，可采用四步式回采；中等穩(wěn)定煤層采用三步式回采。無論采用何種充填開采模式，須保證充填體的初凝強(qiáng)度不小于4 MPa，方可進(jìn)行下一步回采，避免充填體發(fā)生失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)。

圖2 不同的充填開采模式Fig.2 Different backfilling mining modes

2 充填材料與輸送系統(tǒng)

充填材料主要為矸石、粉煤灰、水泥和水以及適量的添加劑，能否實(shí)現(xiàn)充填材料的高效輸送和穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度是影響充填開采效率和效果的關(guān)鍵因素。針對不同的地表變形控制要求和煤層傾角，形成系列膠結(jié)充填材料配方，建立適宜的充填材料輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面的高效密實(shí)充填。充填材料滿足輸送要求時(shí)，優(yōu)先采用自流充填，降低泵送的投資。

2.1 充填材料

選用內(nèi)蒙古西部地區(qū)的矸石、粉煤灰以及水泥作為試驗(yàn)材料，研究不同配比時(shí)充填料漿的流動(dòng)特性和充填體齡期強(qiáng)度變化規(guī)律，進(jìn)而根據(jù)不同的工程開采條件，選擇適宜的充填材料配方。

..充填材料基本特征

矸石富含Al，Si，F(xiàn)e等元素，主要成分為高嶺石、氧化鐵和石英等，為黏土巖類矸石，采用矸石的粒徑不大于15 mm，其中0～5 mm的占比達(dá)50%以上。粉煤灰富含Si，Ca，Al，F(xiàn)e等元素，主要成分為硫酸鈣、石英、氧化鐵等，粉煤灰中26.62 μm以下粒徑占50%左右，最大粒徑不超過150 μm。水泥為早強(qiáng)型礦渣硅酸鹽水泥(P.S 32.5R)，其主要成分為硅酸三鈣、石英和碳酸鈣等，水泥顆粒的粒徑主要集中在2.30～28.15 μm。采用激光粒度分析儀測出粉煤灰與水泥的粒徑分布特征，如圖3所示。

圖3 充填材料粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of backfilling material

..不同配比對充填材料性能的影響

對煤礦膠結(jié)充填材料而言，在其輸送過程中要具有良好的流動(dòng)性，而輸送到工作面后要具有較快的固化速度，保證穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度。分別研究了料漿濃度、水泥和粉煤灰摻量對充填材料流動(dòng)性能與齡期強(qiáng)度的影響，獲得了不同配比時(shí)充填材料的流動(dòng)特性與齡期強(qiáng)度，如圖4，5所示。

圖4 不同配比時(shí)充填料漿的流動(dòng)特性Fig.4 Flow characteristics of backfilling slurry with different proportions

圖5 不同配比時(shí)充填體齡期強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.5 Curing-age strength of backfilling body with different proportions

由圖4可知，隨著料漿濃度和粉煤灰摻量的增加，充填料漿的塌落度和泌水率逐漸降低，這主要是由于料漿濃度和粉煤灰摻量的增加降低了水灰比，使得料漿的和易性降低，因而塌落度和泌水率也隨之降低，流動(dòng)性變差。當(dāng)料漿濃度在70%～76%時(shí)，料漿的塌落度均不小于240 mm，且泌水率均不小于7.82%，充填料漿具有良好的流動(dòng)性。水泥摻量增加后，料漿的塌落度和泌水率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)水泥摻量小于9%時(shí)，作為膠凝材料與水形成水泥漿將充填材料有效包裹，含量增加后使料漿和易性增加；當(dāng)水泥摻量大于9%時(shí)，水泥含量繼續(xù)增加，水灰比逐漸降低，多余的水分被吸收，料漿的和易性降低，流動(dòng)性變差；因此，充填料漿的流動(dòng)性能隨著水泥含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

由圖5可知，不同配比時(shí)充填體齡期強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致，即1～7 d為快速增長階段，7～14 d為緩慢增長階段，14～28 d強(qiáng)度基本定型，只有微小增長。隨著料漿濃度、水泥摻量和粉煤灰摻量的增加，充填體的強(qiáng)度也不斷提高，其中強(qiáng)度提高效果料漿濃度與水泥摻量較粉煤灰摻量更為顯著，且粉煤灰摻量的增加對充填體后期強(qiáng)度的提高較為明顯，1～3 d強(qiáng)度差異微小，7 d以后逐漸明顯。料漿濃度為70%和80%時(shí)，充填體28 d強(qiáng)度分別為3.45和11.15 MPa；水泥摻量為6%與10%時(shí)，充填體28 d強(qiáng)度分別為2.5和6.7 MPa；粉煤灰摻量為16%和24%時(shí)，充填體28 d強(qiáng)度分別為5.1和8.5 MPa。

綜合考慮充填材料的流動(dòng)特性與齡期強(qiáng)度變化規(guī)律，優(yōu)選矸石∶粉煤灰∶水泥的比例為5∶2∶1，料漿濃度為74%～76%；工作面支巷充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于7 d，且保證充填體的強(qiáng)度不小于4 MPa，方可進(jìn)行相鄰煤柱的回采。

2.2 充填料漿井下混合輸送系統(tǒng)—(緩)傾斜煤層

對于(緩)傾斜煤層，為了提高充填材料的輸送效率，降低充填料漿輸送過程的堵管事故發(fā)生概率，使矸石與膠凝材料由傳統(tǒng)的地面混合改為井下混合，充分利用煤層傾角實(shí)現(xiàn)支巷自流混合充填。采用2套獨(dú)立的充填材料輸送系統(tǒng)，即矸石輸送系統(tǒng)，水泥漿(水泥、粉煤灰與水混合)輸送系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 (緩)傾斜煤層充填材料輸送系統(tǒng)Fig.6 Filling material transportation system in (gently) inclined coal seam

(1)矸石輸送。地面矸石通過專用投料井投送到井下，在投料井底部設(shè)置有矸石緩沖倉，矸石到達(dá)緩沖倉后，通過帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至充填工作面。矸石輸送過程，如圖7所示。

(2)水泥漿輸送。在地面充填站將水泥、粉煤灰和水按照設(shè)計(jì)比例，采用料漿自動(dòng)制備系統(tǒng)制成水泥漿，通過輸漿孔中的豎直料漿管道輸送到井下，再通過布置在巷道內(nèi)的管道輸送到充填工作面。水泥漿制備與輸送過程，如圖8所示。

(3)工作面密實(shí)充填。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置有矸石輸送皮帶和水泥漿管道。充填開始前，在工作面運(yùn)輸平巷內(nèi)的充填支巷下口布設(shè)封堵模板，防止?jié){體潰出；然后，在待充填支巷上口進(jìn)行充填材料混合，利用其動(dòng)能和煤層的傾角，充填料漿通過在支巷內(nèi)的自流使充填材料混合均勻，自下而上實(shí)現(xiàn)工作面支巷的密實(shí)充填。工作面支巷充填工序，如圖9所示。

圖7 矸石輸送系統(tǒng)Fig.7 Gangue conveying system

圖8 水泥漿輸送系統(tǒng)Fig.8 Cement slurry conveying system

2.3 充填料漿地面混合輸送系統(tǒng)—近水平煤層

對于近水平煤層而言，由于其傾角較小，不利于充填料漿實(shí)現(xiàn)工作面支巷內(nèi)自流混合。因此，充填材料在地面充填站混合均勻后再進(jìn)行管道輸送。

(1)充填料漿輸送。破碎后的矸石與水泥、粉煤灰等按照一定比例混合后加水?dāng)嚢柚瞥沙涮盍蠞{，制備好的充填料漿通過豎直料漿輸送孔內(nèi)的管道投送到井下，然后經(jīng)過布置在巷道內(nèi)的管道輸送到充填工作面。充填料漿的制備與輸送過程，如圖10所示。

(2)工作面支巷充填。在工作面充填支巷的兩端同時(shí)布設(shè)封堵料漿的模板。由于近水平煤層傾角較小，不利于支巷內(nèi)的自流充填，為了實(shí)現(xiàn)工作面的密實(shí)充填，將充填管道直接布設(shè)在充填支巷內(nèi)，懸掛在支巷的頂板上方。在支巷內(nèi)共有2條管道，可采用2種充填方法：一種是從工作面回風(fēng)平巷內(nèi)輸送充填料漿，即單側(cè)充填；另一種是從工作面回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷，兩側(cè)輸送充填料漿，即雙側(cè)充填。

采用單側(cè)充填時(shí)，在支巷的上口同時(shí)布設(shè)長、短充填管道各1根，其中長管道的出漿口距離支巷上口的位移為支巷總長度的2/3左右，其中短管道的出漿口距離支巷上口的位移為支巷總長度的1/3左右，長短管道交替輸送料漿，實(shí)現(xiàn)工作面密實(shí)充填；單側(cè)充填方法，如圖11(a)所示。采用雙側(cè)充填時(shí)，在支巷的兩側(cè)同時(shí)布設(shè)1根充填管道，其中管道的出漿口距離支巷口的位移均為支巷總長度的1/3左右，通過控制充填管道的閥門，可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)交替充填和同時(shí)充填，保證充填體接實(shí)頂板；雙側(cè)充填方法，如圖11(b)所示。

圖9 充填料漿封堵與自流充填Fig.9 Plugging and self-filling of backfilling slurry

圖10 充填料漿制備與輸送Fig.10 Preparation and transportation of backfilling slurry

圖11 工作面支巷充填方法Fig.11 Filling methods of branch roadway in working face

3 連采連充分步置換煤炭技術(shù)原理

3.1 數(shù)值模型

以連采連充工作面為工程背景建立數(shù)值模型，工作面埋深為220 m，煤層厚度為5 m，工作面長度為60 m，充填支巷的寬度和高度均為5 m。數(shù)值模型的尺寸為300 m×160 m×100 m，共開采40條支巷，即工作面推進(jìn)長度為200 m，為了減少模型邊界的影響，工作面四周設(shè)置50 m的邊界煤柱。數(shù)值模擬中巖體采用摩爾庫倫模型，在模型周圍施加相應(yīng)的約束，采用的巖層力學(xué)參數(shù)，見表1。分別研究“隔一采一、隔二采一、隔三采一”3種充填開采模式下，采場圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律，深刻了解煤柱與充填體的承載特征，揭示連采連充分步置換煤炭技術(shù)原理，進(jìn)而為充填開采模式的選擇提供理論支撐。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

3.2 采場圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律

考慮到工作面數(shù)值模型的對稱性，取數(shù)值模型的一半為研究對象，分析充填開采過程位于煤層和充填體中部垂直應(yīng)力的動(dòng)態(tài)遷移演化特征。

(1)隔一采一、兩步式回采。兩步式回采過程采場圍巖應(yīng)力遷移特征，如圖12所示。

圖12 兩步式回采時(shí)采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律Fig.12 Stress distribution law of stope surrounding rock during two-step mining

工作面第1步回采時(shí)，采場頂板荷載主要由煤柱支撐，煤柱的荷載呈波浪型分布，推進(jìn)200 m時(shí)，煤柱中的最大應(yīng)力為7.01 MPa，充填體中的最大應(yīng)力為1.64 MPa，超前支承壓力峰值為6.42 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.25。工作面第2步回采時(shí)，采場頂板由煤柱承載逐漸向充填體承載過渡，推進(jìn)200 m后，采場頂板荷載則主要由充填體支撐，充填體受力呈波浪型分布，一步采充填體中的最大應(yīng)力為2.98 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為1.65 MPa；超前支承壓力峰值為7.42 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.45。

(2)隔二采一、三步式回采。三步式回采過程采場圍巖應(yīng)力遷移特征，如圖13所示。工作面第1步回采時(shí)，采場頂板載荷主要由煤柱支撐，煤柱的載荷呈波浪型分布，推進(jìn)200 m時(shí)，煤柱中的最大應(yīng)力為 7.09 MPa，充填體中的最大應(yīng)力為0.74 MPa，最大超前支承壓力為6.02 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.17。工作面第2步回采時(shí)，采場頂板由煤柱承載逐漸向煤柱與充填體聯(lián)合承載過渡，推進(jìn)200 m后，煤柱是采場頂板承載的主體，一步采充填體也承擔(dān)一部分荷載，煤柱中的最大應(yīng)力為7.97 MPa，一步采充填體中的最大應(yīng)力為2.75 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為0.56 MPa；最大超前支承壓力為6.59 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.28。工作面第3步回采時(shí)，采場頂板由煤柱與充填體聯(lián)合承載向充填體承載過渡，推進(jìn)200 m后，采場頂板荷載主要由充填體承擔(dān)，一步和二步采充填體承受荷載大于三步采充填體，整體呈波浪型分布，一步采充填體中的最大應(yīng)力為 3.32 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為3.13 MPa；三步采充填體中最大應(yīng)力為0.83 MPa；最大超前支承壓力為7.47 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.46。

圖13 三步式回采時(shí)采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律Fig.13 Stress distribution law of stope surrounding rock during three-step mining

(3)隔三采一、四步式回采。四步式回采過程采場圍巖應(yīng)力遷移特征，如圖14所示。工作面第1步回采時(shí)，采場頂板荷載主要由煤柱支撐，煤柱的荷載呈波浪型分布，推進(jìn)200 m時(shí)，煤柱中的最大應(yīng)力為 6.35 MPa，充填體中的最大應(yīng)力為0.40 MPa，最大超前支承壓力為5.67 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.11。工作面第2步回采時(shí)，采場頂板由煤柱承載逐漸向煤柱與充填體聯(lián)合承載過渡，推進(jìn)200 m后，煤柱是采場頂板承載的主體，一步采充填體也承擔(dān)一部分荷載，煤柱中的最大應(yīng)力為7.84 MPa，一步采充填體中的最大應(yīng)力為2.00 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為0.30 MPa，超前支承壓力峰值為6.18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.20。工作面第3步回采時(shí)，采場頂板由煤柱與充填體聯(lián)合承載，推進(jìn)200 m后，5 m寬的間隔煤柱是采場頂板承載的主體，一步采和二步采充填體也承擔(dān)一部分荷載，煤柱中的最大應(yīng)力為8.08 MPa，一步采充填體中的最大應(yīng)力為3.24 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為2.20 MPa，三步采充填體中的最大應(yīng)力為0.41 MPa，最大超前支承壓力為6.74 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.31。工作面第4步回采時(shí)，采場頂板由煤柱與充填體聯(lián)合承載向充填體承載過渡，推進(jìn)200 m后，采場頂板荷載主要由充填體支撐，四步采充填體承受載荷最小，整體呈波浪型分布，一步采充填體中的最大應(yīng)力為3.68 MPa，二步采充填體中的最大應(yīng)力為3.64 MPa，三步采充填體中的最大應(yīng)力為2.35 MPa，四步采充填中的最大應(yīng)力為0.52 MPa，超前支承壓力峰值為7.56 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.47。

圖14 四步式回采時(shí)采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律Fig.14 Stress distribution law of stope surrounding rock during four-step mining

綜合以上分析可知，在不同充填開采模式影響下，采場圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)波浪型的動(dòng)態(tài)遷移特征，煤柱與充填體交替承載頂板荷載，存在主次承載結(jié)構(gòu)，煤柱與充填體的受力承載特征，如圖15所示。三步式與四步式回采時(shí)煤柱中的最大應(yīng)力皆隨著回采步數(shù)的增加而增大，與兩步式回采相比增加了間隔煤柱尺寸，有利于一步采中煤柱的穩(wěn)定，但是回采步數(shù)增加后煤柱中的最大應(yīng)力皆大于兩步式回采，即說明采用三步式與四步式回采有利于前期煤柱承載，不利于后期煤柱的穩(wěn)定；因此，在后期煤柱承載期間應(yīng)加強(qiáng)煤幫控制，防止其失穩(wěn)破壞，影響回采安全。充填開采過程中，無論何種充填開采模式，充填體受力皆隨著回采步數(shù)的增加而逐漸增大；煤柱與充填體聯(lián)合承載期間充填體受力顯著小于煤柱，說明采場頂板載荷主要由煤柱承擔(dān)，充填體輔助承載；而當(dāng)煤柱完全回收后，前期的充填體為主要承載結(jié)構(gòu)，后期的充填體輔助承載。工作面全部回采結(jié)束后充填體中的最大載荷，四步式回采最大、三步式回采次之、兩步式回采最小。對于三步式與四步式回采而言，最后一步充填體承擔(dān)載荷顯著小于前期充填體；因此，在最后一步充填時(shí)，在滿足巖層控制要求的前提下可適當(dāng)降低充填體強(qiáng)度，減少充填開采成本。

圖15 不同充填開采模式下煤柱與充填體受力特征Fig.15 Stress characteristics of coal pillar and filling body under different backfilling mining modes

3.3 分步置換煤炭原理

充填采場圍巖變形主要包括“三量”，即充前移近量、欠接頂量和充填體壓縮量。對于充前移近量可以通過較快的充填速度實(shí)現(xiàn)料漿的高效充填，避免采空區(qū)頂板出現(xiàn)長時(shí)間的無支撐狀態(tài)，降低充前移近量。對于欠接頂量而言，則需保證采空區(qū)的充實(shí)度，實(shí)現(xiàn)密實(shí)充填，限制頂板活動(dòng)空間，減少頂板破壞范圍，使其保持完整狀態(tài)。對于充填體壓縮量，需要保證充填材料具有合理的質(zhì)量配比與粒徑級配，使其具有穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度，減少其自身的壓縮量。因此，針對充填采場覆巖移動(dòng)的“三量”特征，提出“三度”控制原則，即較快的充填速度、合理的采空區(qū)充實(shí)度，以及穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度，如圖16所示。

對連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)而言，工作面支巷一次開挖范圍小對采場擾動(dòng)程度有限，且支巷能夠及時(shí)充填，保證了較快的充填速度，顯著降低采場圍巖充前移進(jìn)量。根據(jù)煤層傾角，采用合適的充填料漿輸送方式，保證采空區(qū)充填密實(shí)，有效減少充填體的欠接頂量?？茖W(xué)合理的充填材料配比保證了穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度，且采充過程充填體與煤柱、充填體與充填體之間互為側(cè)限，避免充填體承載過程中發(fā)生大范圍的破壞與壓縮。連采連充式膠結(jié)充填采煤有利于通過調(diào)控“三度”，實(shí)現(xiàn)采場覆巖移動(dòng)的“三量”控制。

圖16 充填采場覆巖移動(dòng)“三度”控制原則Fig.16 Control principle of overburden movement in filling stope with three methods

采用數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)得到不同強(qiáng)度充填體與煤樣組合承載過程Mises應(yīng)變規(guī)律，如圖17所示。其中組合體為尺寸100 mm的立方體，均分為3部分，中間為煤樣，兩側(cè)為充填體；3 d充填體強(qiáng)度為0.81 MPa，28 d充填體強(qiáng)度為4.51 MPa，煤樣強(qiáng)度為19.17 MPa。當(dāng)煤樣兩側(cè)為低強(qiáng)度充填體時(shí)，煤樣首先產(chǎn)生破壞而使組合體承載能力衰減，隨后兩側(cè)充填體發(fā)生裂紋擴(kuò)展破壞，組合體極限承載強(qiáng)度為2.85 MPa；而當(dāng)煤樣兩側(cè)為高強(qiáng)度充填體時(shí)，充填體首先產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展破壞，然后煤樣發(fā)生破壞，組合體極限承載強(qiáng)度為7.63 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：充填體與煤樣聯(lián)合承載過程，當(dāng)煤樣兩側(cè)充填體強(qiáng)度較低時(shí)，煤樣為主承載結(jié)構(gòu)，而充填體為次要承載結(jié)構(gòu)，由于充填體強(qiáng)度較低不能為煤樣提供有效側(cè)限，故組合體的極限承載強(qiáng)度不高；而當(dāng)充填體強(qiáng)度提高后，煤樣與充填體具有協(xié)同承載效應(yīng)，充填體也可為煤樣提供有效的側(cè)限，故使組合體極限承載強(qiáng)度提高。

圖17 不同強(qiáng)度充填體與煤樣組合承載特征Fig.17 Combined bearing characteristics of coal and backfill with different strength

綜合以上分析可知，連采連充工作面多步式充填開采過程，煤柱與充填體交替承載控頂，存在主次承載結(jié)構(gòu)。在開采前期煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)定的充填空間，結(jié)合工作面密實(shí)充填方法，保證充填材料密實(shí)接頂；通過調(diào)整分步置換模式，實(shí)現(xiàn)對膠結(jié)充填材料養(yǎng)護(hù)齡期的調(diào)控，保證其具有合理的固化強(qiáng)度，發(fā)揮煤柱與充填體的協(xié)同承載效應(yīng)，安全高效置換后續(xù)煤柱；同時(shí)強(qiáng)化后的充填體可作為采場頂板的主要承載結(jié)構(gòu)，為后續(xù)充填材料提供穩(wěn)定的充填空間，通過調(diào)控分步置換模式，保證充填材料有效的膠結(jié)固化時(shí)間，避免充填體由于齡期強(qiáng)度不足造成的損傷與破壞。最后一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，形成充填體與圍巖共同作用的支撐體系。整個(gè)工作面充填開采過程中，由于上覆巖層運(yùn)動(dòng)空間有限，改變了充填采場的應(yīng)力狀態(tài)，使采場礦壓顯現(xiàn)明顯減弱，進(jìn)而使覆巖移動(dòng)得到有效控制。連采連充工作面煤柱與充填體交替承載控頂可保證穩(wěn)定的充填空間，分步置換煤柱可保證充填材料具有合理的膠結(jié)固化時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開采與充填互不干擾，工作面可連續(xù)的開采和連續(xù)的充填，采充最大限度地平行作業(yè)，大幅提高膠結(jié)充填采煤效率。這也是實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效分步置換的基本技術(shù)原理。

4 典型工程案例

4.1 裕興煤礦——生態(tài)園下采煤

裕興煤礦隸屬于山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙古裕興礦業(yè)有限公司。目前主采9號和16號煤，煤層傾角為12°左右，9號煤平均厚度為5 m，16號煤厚度為6 m左右，均為緩傾斜厚煤層。煤層埋深為200～400 m，頂板以細(xì)砂巖為主，采場圍巖整體穩(wěn)定性好。礦區(qū)內(nèi)95%以上的可采資源位于棋盤井生態(tài)園下，生態(tài)園內(nèi)有人工湖、房屋、雕塑等其他各種設(shè)施。傳統(tǒng)的垮落法開采已不能滿足地表變形控制要求，礦井面臨關(guān)閉困境?；诿簩淤x存工程地質(zhì)特征，綜合考慮多種減沉降損開采方法的特點(diǎn)，采用連采連充采煤技術(shù)置換生態(tài)園下煤炭資源。

工作面支巷設(shè)計(jì)寬度和高度為5 m×5 m，采用“隔一采一、兩步式回采”的充填開采模式。為了通過調(diào)控“三度”實(shí)現(xiàn)“三量”控制，充填材料為矸石、粉煤灰、水泥和礦井水，充填料漿采用井下混合輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面全采全充。對于緩傾斜煤層在支巷上端容易出現(xiàn)充填材料不能接實(shí)頂板的三角形空頂區(qū)，為了接實(shí)頂板，可在支巷充填末期降低矸石配比，增加料漿的流動(dòng)性，調(diào)控采空區(qū)的充實(shí)度。由于采場圍巖穩(wěn)定性好，為了實(shí)現(xiàn)集中生產(chǎn)，充填材料養(yǎng)護(hù)14 d后，便進(jìn)行了下一步煤柱回收?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，充填開采過程中，煤柱和充填體未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，安全程度高，地表充填站與井下現(xiàn)場，如圖18所示。

圖18 裕興煤礦充填站與井下狀況Fig.18 Filling station and underground condition in Yuxing Coal Mine

礦井已開采工作面30余個(gè)，地表最大下沉值為30 mm，水平移動(dòng)最大值為12 mm，水平變形最大值為0.7 mm/m，曲率最大值為0.05 mm/m，傾斜最大值為0.4 mm/m；地表變形均在I級范圍之內(nèi)，對生態(tài)園內(nèi)人工湖、房屋、雕塑等各種設(shè)施無影響。

4.2 昊源煤礦——復(fù)合頂板

昊源煤礦隸屬于內(nèi)蒙古廣納(煤業(yè))集團(tuán)有限責(zé)任公司。目前主要開采16號煤，煤層厚度為5～6 m，最大厚度可達(dá)8 m，煤層傾角為6°～12°，埋深為300 m左右。煤層頂板主要為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖組合而成的復(fù)合頂板，層理發(fā)育，易離層變形；底板主要為砂質(zhì)泥巖。隨著開采深度的增加，一些工作面將受到底板奧灰水的影響。目前，全礦井采用連采連充采煤技術(shù)，工作面設(shè)計(jì)長度為60 m左右，充填支巷寬度為5 m，煤層全厚上下分層開采、整巷充填?，F(xiàn)場主要采用“隔一采一、兩步式回采”的充填開采模式。充填材料為矸石、粉煤灰、水泥和礦井水，配合充填料漿井下混合輸送系統(tǒng)。

連采連充工作面支巷的服務(wù)時(shí)間一般為2～3 d，基于圍巖時(shí)效控制原理，支巷采用短錨索(4.5 m左右)、錨桿和金屬網(wǎng)控制頂板，防止其發(fā)生離層失穩(wěn)，同時(shí)加強(qiáng)煤幫的控制；煤層采出后及時(shí)充填，保證較快的充填速度，減少充前移近量。調(diào)整支巷充填末期材料配比，增加料漿流動(dòng)性，密實(shí)充填三角空頂區(qū)，減少欠接頂量，為頂板提供有效的支撐。充填材料養(yǎng)護(hù)28 d后，保證充填體強(qiáng)度，進(jìn)行下一步煤柱回采，避免充填體發(fā)生大范圍壓縮破壞。通過調(diào)控“三度”實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板充填采煤的“三量”控制。工作面之間不留區(qū)段煤柱，采用原位沿空留巷，由于巷道經(jīng)受2次采動(dòng)影響，為了保證其穩(wěn)定，強(qiáng)化頂板支護(hù)，尤其是支巷與回采巷道相互貫通的“三岔口”區(qū)域?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，充填支巷在回采過程中穩(wěn)定程度高，頂板內(nèi)部無顯著離層，如圖19所示；原位沿空巷道經(jīng)過強(qiáng)化支護(hù)，頂板最大下沉量為65 mm，兩幫最大移近量為82 mm，在為2個(gè)工作面服務(wù)期間不需返修。煤礦井下現(xiàn)場狀況，如圖20所示。

4.3 察哈素煤礦——處理固體廢物

察哈素煤礦隸屬于國能國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，礦井為年產(chǎn)量1 000萬t的特大型礦井，緊鄰布連電廠，該地區(qū)每年都會產(chǎn)生大量的矸石與粉煤灰，嚴(yán)重污染環(huán)境。為了處理煤礦所產(chǎn)生的矸石和附近電廠粉煤灰等固體廢棄物，在井下實(shí)驗(yàn)了連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)。充填開采區(qū)域主采3-1煤層，平均厚度為5 m，傾角為1°～3°的近水平煤層；局部含0.5 m的偽頂，直接頂為厚2.0 m的泥巖和煤線，基本頂為厚度10 m左右的中粒砂巖；煤層底板以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和泥巖為主。工作面埋深約為400 m，工作面設(shè)計(jì)長度為50 m，走向長度為500 m。充填材料為矸石、粉煤灰、水泥和礦井水，配合充填料漿地面混合輸送系統(tǒng)。工作面支巷采用單側(cè)充填方法，通過設(shè)置在支巷內(nèi)的長短管道交替輸送料漿，實(shí)現(xiàn)近水平煤層密實(shí)充填。

圖19 工作面支巷頂板不同深度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.19 Internal structure of branch roadway roof in working face at different depths

圖20 昊源煤礦井下狀況Fig.20 Underground condition in Haoyuan Coal Mine

工作面支巷試驗(yàn)了“隔三采一”和“隔二采一”的充填開采模式，充填體養(yǎng)護(hù)齡期不低于14 d，現(xiàn)場揭露固化充填體能夠接實(shí)頂板，采場圍巖整體穩(wěn)定性好，能夠保證有效的充填空間和穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度。察哈素煤礦地面充填站與井下現(xiàn)場狀況，如圖21所示。截至目前2個(gè)工作面已回采完畢，采出煤炭35萬t，消耗矸石約24.5萬t，粉煤灰約8.75萬t；同時(shí)由于井下實(shí)現(xiàn)了密實(shí)充填，地表最大下沉量僅為8.9 mm。實(shí)施該技術(shù)后，不僅能夠保障固體廢物的高效處理，也有利于實(shí)現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)的保水采煤。

4.4 黃白茨煤礦——回收遺留大巷保護(hù)煤柱

黃白茨煤礦隸屬于國能烏海能源有限責(zé)任公司。為了回收12號煤南盤區(qū)主要大巷之間的保護(hù)煤柱，采用連采連充采煤技術(shù)進(jìn)行遺留煤柱置換。充填開采區(qū)域煤層平均厚度為4.58 m，含多層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；傾角為5°～7°的近水平煤層，埋深約為176 m，直接頂為泥巖，基本頂為粉砂巖，頂板較穩(wěn)定。連采連充工作面采用“隔一采一、兩步式回采”的充填開采模式。充填材料為矸石、粉煤灰、水泥和礦井水。為了解決近水平煤層密實(shí)充填問題，提高充填效率，同時(shí)建有充填料漿井下混合和地面混合兩套輸送系統(tǒng)，在支巷開始充填階段采用井下混合輸送系統(tǒng)；在收尾階段采用地面混合輸送系統(tǒng)，為了增加料漿的流動(dòng)性，保證接頂密實(shí)，收尾階段的充填材料以水泥和粉煤灰為主。一步回采時(shí)，支巷頂板開口段采用錨桿、錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，開口段后主要采用錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)；煤幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)。充填體養(yǎng)護(hù)齡期不小于14 d，方可進(jìn)行二步回采；二步回采時(shí)，只對頂板支護(hù)，兩幫充填體不支護(hù)。從井下充填開采過程來看，充填體能夠接實(shí)頂板，支巷圍巖和充填體未發(fā)生失穩(wěn)破壞，實(shí)現(xiàn)了對煤柱的高效置換，煤柱的回收率達(dá)95%以上。地表充填站與井下現(xiàn)場充填狀況，如圖22所示。

圖21 察哈素煤礦充填站與井下狀況Fig.21 Filling station and underground condition in Chahasu Coal Mine

圖22 黃白茨煤礦充填站與井下狀況Fig.22 Filling station and underground condition in Huangbaici Coal Mine

5 討 論

(1)煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)的特點(diǎn)為長壁布置、短壁開采、間隔出煤、分步置換。滿足料漿自流輸送要求時(shí)，地面充填站不需充填泵，工作面裝備投資少，降低初期投資，減少充填開采成本。這種多循環(huán)、小擾動(dòng)、分步置換的充填開采模式，對采場覆巖移動(dòng)控制效果好；連采連充工作面布置靈活，也有利于不規(guī)則塊段遺棄煤炭資源的回收。

(2)充填支巷與工作面兩側(cè)的回采巷道相比，其服務(wù)的時(shí)間很短(一般為2～3 d)，因此這2類巷道應(yīng)采用不同的支護(hù)強(qiáng)度，即實(shí)施差異化支護(hù)設(shè)計(jì)?；趪鷰r時(shí)效控制原理與預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論，以經(jīng)濟(jì)有效為原則，降低充填支巷的支護(hù)密度，其中煤幫優(yōu)選玻璃鋼錨桿支護(hù)。對于煤層強(qiáng)度高，頂板穩(wěn)定時(shí)充填支巷可考慮無支護(hù)或少支護(hù)，滿足服務(wù)期間穩(wěn)定即可；對于松軟破碎煤層，充填支巷可選用普通金屬錨桿支護(hù)，并加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整支護(hù)方式與支護(hù)強(qiáng)度。

(3)連采連充工作面支巷充填速度大于采煤速度，應(yīng)重點(diǎn)研究支巷智能快速掘進(jìn)出煤成套技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制連續(xù)采煤機(jī)或綜掘機(jī)作業(yè)；研發(fā)可彎曲膠帶輸送機(jī)，進(jìn)入支巷連續(xù)出煤；同時(shí)重視自動(dòng)化料漿封堵模板的研制，提高工作效率；對于條件合適礦井，優(yōu)先發(fā)展無人化和智能化膠結(jié)充填開采礦井。

(4)基于不同的地表保護(hù)等級和巖層控制要求，保證一步充填體強(qiáng)度和接頂率，為剩余煤炭資源置換提供穩(wěn)定的安全空間，二步、三步以及四步充填時(shí)可以降低充填體強(qiáng)度或充實(shí)率，在滿足相應(yīng)巖層控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實(shí)施全部充填、強(qiáng)弱充填或部分充填，降低充填開采成本。

6 結(jié) 論

(1)提出了可實(shí)現(xiàn)采充并行作業(yè)的連采連充采煤工藝，獲得了不同充填材料配比時(shí)充填料漿流動(dòng)特性與齡期強(qiáng)度變化規(guī)律，構(gòu)建了適應(yīng)于不同煤層傾角的充填材料高效輸送系統(tǒng)，研發(fā)了工作面支巷密實(shí)充填方法，形成了煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤新技術(shù)。

(2)連采連充式膠結(jié)充填采煤過程，煤柱與充填體交替承載互為支撐，保證了充填空間的穩(wěn)定和充填體的膠結(jié)固化時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)采充最大限度地平行作業(yè)，提高充填開采效率。提出了充填采場覆巖移動(dòng)“三度”控制原則，即較快的充填速度、合理的采空區(qū)充實(shí)度與穩(wěn)定的充填體強(qiáng)度。

(3)分別針對4個(gè)煤礦中生態(tài)園下采煤、復(fù)合頂板、處理固體廢物、回收遺留大巷保護(hù)煤柱，4種典型工程應(yīng)用案例進(jìn)行分析，連采連充式膠結(jié)充填采煤技術(shù)具有多循環(huán)、小擾動(dòng)的開采特點(diǎn)，均取得了良好的工程應(yīng)用效果，可有效控制巖層移動(dòng)，高效置換遺留煤炭資源，有利于實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全、綠色、高效開采。