煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤技術與典型工程案例

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(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；4. 鄂爾多斯市綠礦技術服務有限公司，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，對開采擾動敏感性強；傳統(tǒng)的高強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。“十三五”期間累計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)濟效益顯著；“十四五”時期，我國將開啟全面建設社會主義現(xiàn)代化國家新征程，圍繞推動高質(zhì)量發(fā)展主題，全面提高資源利用效率的任務更加迫切；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、高效采煤的關鍵技術途徑。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方面進行了大量的研究工作，并在現(xiàn)場取得了良好的應用效果，推動了煤礦膠結(jié)充填開采技術的進步與發(fā)展。

對于煤礦膠結(jié)充填開采技術而言，主要存在以下2個問題：① 充填材料和充填裝備投入大，運行成本高，削弱煤炭企業(yè)選用充填采煤方法的積極性；② 充填開采工藝復雜，采充矛盾突出，充填工序時間過長，甚至超過采煤時間，嚴重制約充填開采效率?；谝陨?點，筆者所在團隊提出了全負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，不斷完善充填采煤工藝、進行技術革新、研發(fā)配套的裝備，形成了完善的煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤技術與裝備體系。相關研究成果，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煤礦進行現(xiàn)場工程應用，并取得了良好的應用效果，技術經(jīng)濟效益顯著。筆者重點針對適應于不同煤層賦存條件的連采連充采煤成套技術進行介紹，闡明其安全高效分步置換煤炭技術原理，并對典型工程案例進行分析，以期對類似條件下煤層的充填開采提供理論支撐與技術指導。

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，將工作面的回風平巷、運輸平巷以及開切眼等預先掘出，工作面形成全負壓通風系統(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，工作面長度一般設計為50～100 m；支巷寬度的設計要充分考慮采場圍巖的工程地質(zhì)條件和設備尺寸，以有利于快速出煤、安全支護和高效充填為原則，以4～6 m為宜。工作面充填開采用到的主要裝備有連續(xù)采煤機或綜掘機、錨桿臺車、裝載機或梭車等。連續(xù)采煤機或綜掘機在工作面運輸平巷由下向上掘進支巷進行采煤，錨桿臺車進行支巷頂幫支護，裝載機進行出煤；支巷內(nèi)煤炭全部采出后，在工作面回風平巷進行充填材料輸送，并進行支巷的充填。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行充填，同時開采下一支巷；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)相關規(guī)范和要求回收工作面設置的保護煤柱，實現(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、2臺裝載機和1臺錨桿臺車同時工作；1號連續(xù)采煤機專門采上分層，2號連續(xù)采煤機專門采下分層，2臺連采機雙巷連續(xù)作業(yè)，錨桿臺車交替支護，同時充填上、下分層已采的整條支巷。充填與采煤互不干擾，實現(xiàn)工作面連續(xù)開采和連續(xù)充填，解決采充矛盾，最大限度地實現(xiàn)采充平行作業(yè)，提高充填采煤效率。當采場頂板穩(wěn)定、煤體強度較高時優(yōu)先選擇兩步式回采，有利于實現(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度不小于4 MPa，方可進行下一步回采，避免充填體發(fā)生失穩(wěn)，實現(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，能否實現(xiàn)充填材料的高效輸送和穩(wěn)定的充填體強度是影響充填開采效率和效果的關鍵因素。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)，實現(xiàn)工作面的高效密實充填。充填材料滿足輸送要求時，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材料，研究不同配比時充填料漿的流動特性和充填體齡期強度變化規(guī)律，進而根據(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性能與齡期強度的影響，獲得了不同配比時充填材料的流動特性與齡期強度，如圖4，5所示。

圖4 不同配比時充填料漿的流動特性Fig.4 Flow characteristics of backfilling slurry with different proportions

圖5 不同配比時充填體齡期強度變化規(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，流動性變差。當料漿濃度在70%～76%時，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。當水泥摻量小于9%時，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；當水泥摻量大于9%時，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，流動性變差；因此，充填料漿的流動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，不同配比時充填體齡期強度變化規(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，充填體的強度也不斷提高，其中強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度的提高較為明顯，1～3 d強度差異微小，7 d以后逐漸明顯。料漿濃度為70%和80%時，充填體28 d強度分別為3.45和11.15 MPa；水泥摻量為6%與10%時，充填體28 d強度分別為2.5和6.7 MPa；粉煤灰摻量為16%和24%時，充填體28 d強度分別為5.1和8.5 MPa。

綜合考慮充填材料的流動特性與齡期強度變化規(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)護時間不小于7 d，且保證充填體的強度不小于4 MPa，方可進行相鄰煤柱的回采。

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現(xiàn)支巷自流混合充填。采用2套獨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，在投料井底部設置有矸石緩沖倉，矸石到達緩沖倉后，通過帶式輸送機運輸至充填工作面。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、粉煤灰和水按照設計比例，采用料漿自動制備系統(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)工作面密實充填。在工作面回風巷內(nèi)布置有矸石輸送皮帶和水泥漿管道。充填開始前，在工作面運輸平巷內(nèi)的充填支巷下口布設封堵模板，防止?jié){體潰出；然后，在待充填支巷上口進行充填材料混合，利用其動能和煤層的傾角，充填料漿通過在支巷內(nèi)的自流使充填材料混合均勻，自下而上實現(xiàn)工作面支巷的密實充填。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攪拌制成充填料漿，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布設封堵料漿的模板。由于近水平煤層傾角較小，不利于支巷內(nèi)的自流充填，為了實現(xiàn)工作面的密實充填，將充填管道直接布設在充填支巷內(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平巷和運輸平巷，兩側(cè)輸送充填料漿，即雙側(cè)充填。

采用單側(cè)充填時，在支巷的上口同時布設長、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，實現(xiàn)工作面密實充填；單側(cè)充填方法，如圖11(a)所示。采用雙側(cè)充填時，在支巷的兩側(cè)同時布設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，可實現(xiàn)兩側(cè)交替充填和同時充填，保證充填體接實頂板；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，即工作面推進長度為200 m，為了減少模型邊界的影響，工作面四周設置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的約束，采用的巖層力學參數(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，采場圍巖應力動態(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原理，進而為充填開采模式的選擇提供理論支撐。

表1 巖層力學參數(shù)

3.2 采場圍巖應力動態(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力的動態(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力遷移特征，如圖12所示。

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

工作面第1步回采時，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200 m時，煤柱中的最大應力為7.01 MPa，充填體中的最大應力為1.64 MPa，超前支承壓力峰值為6.42 MPa，應力集中系數(shù)為1.25。工作面第2步回采時，采場頂板由煤柱承載逐漸向充填體承載過渡，推進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力為2.98 MPa，二步采充填體中的最大應力為1.65 MPa；超前支承壓力峰值為7.42 MPa，應力集中系數(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力遷移特征，如圖13所示。工作面第1步回采時，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200 m時，煤柱中的最大應力為 7.09 MPa，充填體中的最大應力為0.74 MPa，最大超前支承壓力為6.02 MPa，應力集中系數(shù)為1.17。工作面第2步回采時，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200 m后，煤柱是采場頂板承載的主體，一步采充填體也承擔一部分荷載，煤柱中的最大應力為7.97 MPa，一步采充填體中的最大應力為2.75 MPa，二步采充填體中的最大應力為0.56 MPa；最大超前支承壓力為6.59 MPa，應力集中系數(shù)為1.28。工作面第3步回采時，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200 m后，采場頂板荷載主要由充填體承擔，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力為 3.32 MPa，二步采充填體中的最大應力為3.13 MPa；三步采充填體中最大應力為0.83 MPa；最大超前支承壓力為7.47 MPa，應力集中系數(shù)為1.46。

圖13 三步式回采時采場圍巖應力分布規(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力遷移特征，如圖14所示。工作面第1步回采時，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200 m時，煤柱中的最大應力為 6.35 MPa，充填體中的最大應力為0.40 MPa，最大超前支承壓力為5.67 MPa，應力集中系數(shù)為1.11。工作面第2步回采時，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200 m后，煤柱是采場頂板承載的主體，一步采充填體也承擔一部分荷載，煤柱中的最大應力為7.84 MPa，一步采充填體中的最大應力為2.00 MPa，二步采充填體中的最大應力為0.30 MPa，超前支承壓力峰值為6.18 MPa，應力集中系數(shù)為1.20。工作面第3步回采時，采場頂板由煤柱與充填體聯(lián)合承載，推進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一部分荷載，煤柱中的最大應力為8.08 MPa，一步采充填體中的最大應力為3.24 MPa，二步采充填體中的最大應力為2.20 MPa，三步采充填體中的最大應力為0.41 MPa，最大超前支承壓力為6.74 MPa，應力集中系數(shù)為1.31。工作面第4步回采時，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力為3.68 MPa，二步采充填體中的最大應力為3.64 MPa，三步采充填體中的最大應力為2.35 MPa，四步采充填中的最大應力為0.52 MPa，超前支承壓力峰值為7.56 MPa，應力集中系數(shù)為1.47。

圖14 四步式回采時采場圍巖應力分布規(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，采場圍巖應力呈現(xiàn)波浪型的動態(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煤柱中的最大應力皆隨著回采步數(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加強煤幫控制，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，充填體輔助承載；而當煤柱完全回收后，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載荷顯著小于前期充填體；因此，在最后一步充填時，在滿足巖層控制要求的前提下可適當降低充填體強度，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現(xiàn)料漿的高效充填，避免采空區(qū)頂板出現(xiàn)長時間的無支撐狀態(tài)，降低充前移近量。對于欠接頂量而言，則需保證采空區(qū)的充實度，實現(xiàn)密實充填，限制頂板活動空間，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)定的充填體強度，減少其自身的壓縮量。因此，針對充填采場覆巖移動的“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)充實度，以及穩(wěn)定的充填體強度，如圖16所示。

對連采連充式膠結(jié)充填采煤技術而言，工作面支巷一次開挖范圍小對采場擾動程度有限，且支巷能夠及時充填，保證了較快的充填速度，顯著降低采場圍巖充前移進量。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，有效減少充填體的欠接頂量?？茖W合理的充填材料配比保證了穩(wěn)定的充填體強度，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”，實現(xiàn)采場覆巖移動的“三量”控制。

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

采用數(shù)字圖像相關方法(DIC)得到不同強度充填體與煤樣組合承載過程Mises應變規(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充填體強度為0.81 MPa，28 d充填體強度為4.51 MPa，煤樣強度為19.17 MPa。當煤樣兩側(cè)為低強度充填體時，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)生裂紋擴展破壞，組合體極限承載強度為2.85 MPa；而當煤樣兩側(cè)為高強度充填體時，充填體首先產(chǎn)生裂紋擴展破壞，然后煤樣發(fā)生破壞，組合體極限承載強度為7.63 MPa。試驗結(jié)果表明：充填體與煤樣聯(lián)合承載過程，當煤樣兩側(cè)充填體強度較低時，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度不高；而當充填體強度提高后，煤樣與充填體具有協(xié)同承載效應，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度提高。

圖17 不同強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)合工作面密實充填方法，保證充填材料密實接頂；通過調(diào)整分步置換模式，實現(xiàn)對膠結(jié)充填材料養(yǎng)護齡期的調(diào)控，保證其具有合理的固化強度，發(fā)揮煤柱與充填體的協(xié)同承載效應，安全高效置換后續(xù)煤柱；同時強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)固化時間，避免充填體由于齡期強度不足造成的損傷與破壞。最后一個循環(huán)結(jié)束后，形成充填體與圍巖共同作用的支撐體系。整個工作面充填開采過程中，由于上覆巖層運動空間有限，改變了充填采場的應力狀態(tài)，使采場礦壓顯現(xiàn)明顯減弱，進而使覆巖移動得到有效控制。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)固化時間，實現(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。這也是實現(xiàn)煤炭資源安全高效分步置換的基本技術原理。

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，礦井面臨關閉困境。基于煤層賦存工程地質(zhì)特征，綜合考慮多種減沉降損開采方法的特點，采用連采連充采煤技術置換生態(tài)園下煤炭資源。

工作面支巷設計寬度和高度為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)充填材料不能接實頂板的三角形空頂區(qū)，為了接實頂板，可在支巷充填末期降低矸石配比，增加料漿的流動性，調(diào)控采空區(qū)的充實度。由于采場圍巖穩(wěn)定性好，為了實現(xiàn)集中生產(chǎn)，充填材料養(yǎng)護14 d后，便進行了下一步煤柱回收。現(xiàn)場試驗表明，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，地表最大下沉值為30 mm，水平移動最大值為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、雕塑等各種設施無影響。

4.2 昊源煤礦——復合頂板

昊源煤礦隸屬于內(nèi)蒙古廣納(煤業(yè))集團有限責任公司。目前主要開采16號煤，煤層厚度為5～6 m，最大厚度可達8 m，煤層傾角為6°～12°，埋深為300 m左右。煤層頂板主要為細砂巖和砂質(zhì)泥巖組合而成的復合頂板，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，工作面設計長度為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時間一般為2～3 d，基于圍巖時效控制原理，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)，同時加強煤幫的控制；煤層采出后及時充填，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，增加料漿流動性，密實充填三角空頂區(qū)，減少欠接頂量，為頂板提供有效的支撐。充填材料養(yǎng)護28 d后，保證充填體強度，進行下一步煤柱回采，避免充填體發(fā)生大范圍壓縮破壞。通過調(diào)控“三度”實現(xiàn)復合頂板充填采煤的“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次采動影響，為了保證其穩(wěn)定，強化頂板支護，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)過強化支護，頂板最大下沉量為65 mm，兩幫最大移近量為82 mm，在為2個工作面服務期間不需返修。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，在井下實驗了連采連充式膠結(jié)充填采煤技術。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，工作面設計長度為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，通過設置在支巷內(nèi)的長短管道交替輸送料漿，實現(xiàn)近水平煤層密實充填。

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

工作面支巷試驗了“隔三采一”和“隔二采一”的充填開采模式，充填體養(yǎng)護齡期不低于14 d，現(xiàn)場揭露固化充填體能夠接實頂板，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；同時由于井下實現(xiàn)了密實充填，地表最大下沉量僅為8.9 mm。實施該技術后，不僅能夠保障固體廢物的高效處理，也有利于實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱區(qū)的保水采煤。

4.4 黃白茨煤礦——回收遺留大巷保護煤柱

黃白茨煤礦隸屬于國能烏海能源有限責任公司。為了回收12號煤南盤區(qū)主要大巷之間的保護煤柱，采用連采連充采煤技術進行遺留煤柱置換。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充填問題，提高充填效率，同時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性，保證接頂密實，收尾階段的充填材料以水泥和粉煤灰為主。一步回采時，支巷頂板開口段采用錨桿、錨索和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，開口段后主要采用錨桿和金屬網(wǎng)支護；煤幫采用玻璃鋼錨桿支護。充填體養(yǎng)護齡期不小于14 d，方可進行二步回采；二步回采時，只對頂板支護，兩幫充填體不支護。從井下充填開采過程來看，充填體能夠接實頂板，支巷圍巖和充填體未發(fā)生失穩(wěn)破壞，實現(xiàn)了對煤柱的高效置換，煤柱的回收率達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)充填采煤技術的特點為長壁布置、短壁開采、間隔出煤、分步置換。滿足料漿自流輸送要求時，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、分步置換的充填開采模式，對采場覆巖移動控制效果好；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，其服務的時間很短(一般為2～3 d)，因此這2類巷道應采用不同的支護強度，即實施差異化支護設計?；趪鷰r時效控制原理與預應力支護理論，以經(jīng)濟有效為原則，降低充填支巷的支護密度，其中煤幫優(yōu)選玻璃鋼錨桿支護。對于煤層強度高，頂板穩(wěn)定時充填支巷可考慮無支護或少支護，滿足服務期間穩(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，并加強礦壓監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整支護方式與支護強度。

(3)連采連充工作面支巷充填速度大于采煤速度，應重點研究支巷智能快速掘進出煤成套技術與裝備，實現(xiàn)遠程控制連續(xù)采煤機或綜掘機作業(yè)；研發(fā)可彎曲膠帶輸送機，進入支巷連續(xù)出煤；同時重視自動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等級和巖層控制要求，保證一步充填體強度和接頂率，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可以降低充填體強度或充實率，在滿足相應巖層控制標準的前提下，實施全部充填、強弱充填或部分充填，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充填料漿流動特性與齡期強度變化規(guī)律，構(gòu)建了適應于不同煤層傾角的充填材料高效輸送系統(tǒng)，研發(fā)了工作面支巷密實充填方法，形成了煤礦連采連充式膠結(jié)充填采煤新技術。

(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“三度”控制原則，即較快的充填速度、合理的采空區(qū)充實度與穩(wěn)定的充填體強度。

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