煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与典型工程案例

2022-04-01李永亮杨仁树王树帅刘晨辉

煤炭学报 2022年3期

李永亮，路彬，杨仁树，林海，徐斌，王树帅，刘晨辉

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；3.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；4. 鄂尔多斯市绿矿技术服务有限公司，内蒙古鄂尔多斯 016000)

随着我国中东部地区煤炭资源减少，煤炭开发重心逐渐向西部转移。西部地区生态环境脆弱，对开采扰动敏感性强；传统的高强度垮落法开采容易造成地下水系破坏，地表出现各种大裂缝和塌陷坑，由于该地区生态自修复能力有限，带来的生态环境问题更加突出。矿区地面煤矸石堆积形成矸石山，电厂粉煤灰也未得到有效利用；煤矸石和粉煤灰等固废资源任意排放，占用大量土地，带来巨大的环境问题，威胁人类生存健康。“十三五”期间累计综合利用各类大宗固废约130亿t，减少占用土地超过100万亩，资源环境和经济效益显著；“十四五”时期，我国将开启全面建设社会主义现代化国家新征程，围绕推动高质量发展主题，全面提高资源利用效率的任务更加迫切；需持续提高煤矸石和粉煤灰综合利用水平。基于煤矸石和粉煤灰等固废资源合理利用的胶结充填开采作为绿色开采技术的重要组成部分，是目前解决西部生态脆弱区安全、绿色、高效采煤的关键技术途径。我国科技工作者在煤矿胶结充填材料与管道输送，充填开采工艺与技术方面进行了大量的研究工作，并在现场取得了良好的应用效果，推动了煤矿胶结充填开采技术的进步与发展。

对于煤矿胶结充填开采技术而言，主要存在以下2个问题：① 充填材料和充填装备投入大，运行成本高，削弱煤炭企业选用充填采煤方法的积极性；② 充填开采工艺复杂，采充矛盾突出，充填工序时间过长，甚至超过采煤时间，严重制约充填开采效率。基于以上2点，笔者所在团队提出了全负压连采连充分步置换煤炭资源的胶结充填采煤法。经过多年来的科研攻关，不断完善充填采煤工艺、进行技术革新、研发配套的装备，形成了完善的煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与装备体系。相关研究成果，已在内蒙古裕兴煤矿、昊源煤矿、察哈素煤矿和黄白茨煤矿等多个煤矿进行现场工程应用，并取得了良好的应用效果，技术经济效益显著。笔者重点针对适应于不同煤层赋存条件的连采连充采煤成套技术进行介绍，阐明其安全高效分步置换煤炭技术原理，并对典型工程案例进行分析，以期对类似条件下煤层的充填开采提供理论支撑与技术指导。

1 连采连充采煤工艺

1.1 工作面巷道布置

按照综采工作面走向长壁采煤法巷道布置方式，将工作面的回风平巷、运输平巷以及开切眼等预先掘出，工作面形成全负压通风系统。将工作面待开采煤层，沿平行于开切眼方向，按一定宽度划分为若干不同的开采支巷；采用后退式充填开采，分别将其标号为支巷1、支巷2、支巷3……。为了保证充填采煤效率，工作面长度一般设计为50～100 m；支巷宽度的设计要充分考虑采场围岩的工程地质条件和设备尺寸，以有利于快速出煤、安全支护和高效充填为原则，以4～6 m为宜。工作面充填开采用到的主要装备有连续采煤机或综掘机、锚杆台车、装载机或梭车等。连续采煤机或综掘机在工作面运输平巷由下向上掘进支巷进行采煤，锚杆台车进行支巷顶帮支护，装载机进行出煤；支巷内煤炭全部采出后，在工作面回风平巷进行充填材料输送，并进行支巷的充填。工作面巷道布置系统与主要装备，如图1所示。

图1 工作面巷道布置系统与装备Fig.1 Roadway layout system and equipment in working face

1.2 充填采煤工艺

为了保证工作面回采期间的安全，采用“间隔支巷出煤、分步充填置换”的充填开采模式。根据采场顶板条件和煤体强度，主要有3种充填开采模式，即隔一采一、隔二采一和隔三采一，分别实现两步式、三步式和四步式回采，如图2所示。每条支巷开采完毕后立即进行充填，同时开采下一支巷；充填和采煤互不干扰、连续平行作业，依次开采和充填剩余支巷。根据相关规范和要求回收工作面设置的保护煤柱，实现工作面全采全充。对于厚煤层而言，支巷采用分层开采，整巷充填。即厚煤层分为上分层和下分层，2台连续采煤机、2台装载机和1台锚杆台车同时工作；1号连续采煤机专门采上分层，2号连续采煤机专门采下分层，2台连采机双巷连续作业，锚杆台车交替支护，同时充填上、下分层已采的整条支巷。充填与采煤互不干扰，实现工作面连续开采和连续充填，解决采充矛盾，最大限度地实现采充平行作业，提高充填采煤效率。当采场顶板稳定、煤体强度较高时优先选择两步式回采，有利于实现集中生产；而对于松软破碎煤层，可采用四步式回采；中等稳定煤层采用三步式回采。无论采用何种充填开采模式，须保证充填体的初凝强度不小于4 MPa，方可进行下一步回采，避免充填体发生失稳，实现工作面安全生产。

图2 不同的充填开采模式Fig.2 Different backfilling mining modes

2 充填材料与输送系统

充填材料主要为矸石、粉煤灰、水泥和水以及适量的添加剂，能否实现充填材料的高效输送和稳定的充填体强度是影响充填开采效率和效果的关键因素。针对不同的地表变形控制要求和煤层倾角，形成系列胶结充填材料配方，建立适宜的充填材料输送系统，实现工作面的高效密实充填。充填材料满足输送要求时，优先采用自流充填，降低泵送的投资。

2.1 充填材料

选用内蒙古西部地区的矸石、粉煤灰以及水泥作为试验材料，研究不同配比时充填料浆的流动特性和充填体龄期强度变化规律，进而根据不同的工程开采条件，选择适宜的充填材料配方。

..充填材料基本特征

矸石富含Al，Si，Fe等元素，主要成分为高岭石、氧化铁和石英等，为黏土岩类矸石，采用矸石的粒径不大于15 mm，其中0～5 mm的占比达50%以上。粉煤灰富含Si，Ca，Al，Fe等元素，主要成分为硫酸钙、石英、氧化铁等，粉煤灰中26.62 μm以下粒径占50%左右，最大粒径不超过150 μm。水泥为早强型矿渣硅酸盐水泥(P.S 32.5R)，其主要成分为硅酸三钙、石英和碳酸钙等，水泥颗粒的粒径主要集中在2.30～28.15 μm。采用激光粒度分析仪测出粉煤灰与水泥的粒径分布特征，如图3所示。

图3 充填材料粒径分布Fig.3 Particle size distribution of backfilling material

..不同配比对充填材料性能的影响

对煤矿胶结充填材料而言，在其输送过程中要具有良好的流动性，而输送到工作面后要具有较快的固化速度，保证稳定的充填体强度。分别研究了料浆浓度、水泥和粉煤灰掺量对充填材料流动性能与龄期强度的影响，获得了不同配比时充填材料的流动特性与龄期强度，如图4，5所示。

图4 不同配比时充填料浆的流动特性Fig.4 Flow characteristics of backfilling slurry with different proportions

图5 不同配比时充填体龄期强度变化规律Fig.5 Curing-age strength of backfilling body with different proportions

由图4可知，随着料浆浓度和粉煤灰掺量的增加，充填料浆的塌落度和泌水率逐渐降低，这主要是由于料浆浓度和粉煤灰掺量的增加降低了水灰比，使得料浆的和易性降低，因而塌落度和泌水率也随之降低，流动性变差。当料浆浓度在70%～76%时，料浆的塌落度均不小于240 mm，且泌水率均不小于7.82%，充填料浆具有良好的流动性。水泥掺量增加后，料浆的塌落度和泌水率呈现出先增大后减小的趋势。当水泥掺量小于9%时，作为胶凝材料与水形成水泥浆将充填材料有效包裹，含量增加后使料浆和易性增加；当水泥掺量大于9%时，水泥含量继续增加，水灰比逐渐降低，多余的水分被吸收，料浆的和易性降低，流动性变差；因此，充填料浆的流动性能随着水泥含量的增加呈现先增大后减小的趋势。

由图5可知，不同配比时充填体龄期强度变化规律基本一致，即1～7 d为快速增长阶段，7～14 d为缓慢增长阶段，14～28 d强度基本定型，只有微小增长。随着料浆浓度、水泥掺量和粉煤灰掺量的增加，充填体的强度也不断提高，其中强度提高效果料浆浓度与水泥掺量较粉煤灰掺量更为显著，且粉煤灰掺量的增加对充填体后期强度的提高较为明显，1～3 d强度差异微小，7 d以后逐渐明显。料浆浓度为70%和80%时，充填体28 d强度分别为3.45和11.15 MPa；水泥掺量为6%与10%时，充填体28 d强度分别为2.5和6.7 MPa；粉煤灰掺量为16%和24%时，充填体28 d强度分别为5.1和8.5 MPa。

综合考虑充填材料的流动特性与龄期强度变化规律，优选矸石∶粉煤灰∶水泥的比例为5∶2∶1，料浆浓度为74%～76%；工作面支巷充填体养护时间不小于7 d，且保证充填体的强度不小于4 MPa，方可进行相邻煤柱的回采。

2.2 充填料浆井下混合输送系统—(缓)倾斜煤层

对于(缓)倾斜煤层，为了提高充填材料的输送效率，降低充填料浆输送过程的堵管事故发生概率，使矸石与胶凝材料由传统的地面混合改为井下混合，充分利用煤层倾角实现支巷自流混合充填。采用2套独立的充填材料输送系统，即矸石输送系统，水泥浆(水泥、粉煤灰与水混合)输送系统，如图6所示。

图6 (缓)倾斜煤层充填材料输送系统Fig.6 Filling material transportation system in (gently) inclined coal seam

(1)矸石输送。地面矸石通过专用投料井投送到井下，在投料井底部设置有矸石缓冲仓，矸石到达缓冲仓后，通过带式输送机运输至充填工作面。矸石输送过程，如图7所示。

(2)水泥浆输送。在地面充填站将水泥、粉煤灰和水按照设计比例，采用料浆自动制备系统制成水泥浆，通过输浆孔中的竖直料浆管道输送到井下，再通过布置在巷道内的管道输送到充填工作面。水泥浆制备与输送过程，如图8所示。

(3)工作面密实充填。在工作面回风巷内布置有矸石输送皮带和水泥浆管道。充填开始前，在工作面运输平巷内的充填支巷下口布设封堵模板，防止浆体溃出；然后，在待充填支巷上口进行充填材料混合，利用其动能和煤层的倾角，充填料浆通过在支巷内的自流使充填材料混合均匀，自下而上实现工作面支巷的密实充填。工作面支巷充填工序，如图9所示。

图7 矸石输送系统Fig.7 Gangue conveying system

图8 水泥浆输送系统Fig.8 Cement slurry conveying system

2.3 充填料浆地面混合输送系统—近水平煤层

对于近水平煤层而言，由于其倾角较小，不利于充填料浆实现工作面支巷内自流混合。因此，充填材料在地面充填站混合均匀后再进行管道输送。

(1)充填料浆输送。破碎后的矸石与水泥、粉煤灰等按照一定比例混合后加水搅拌制成充填料浆，制备好的充填料浆通过竖直料浆输送孔内的管道投送到井下，然后经过布置在巷道内的管道输送到充填工作面。充填料浆的制备与输送过程，如图10所示。

(2)工作面支巷充填。在工作面充填支巷的两端同时布设封堵料浆的模板。由于近水平煤层倾角较小，不利于支巷内的自流充填，为了实现工作面的密实充填，将充填管道直接布设在充填支巷内，悬挂在支巷的顶板上方。在支巷内共有2条管道，可采用2种充填方法：一种是从工作面回风平巷内输送充填料浆，即单侧充填；另一种是从工作面回风平巷和运输平巷，两侧输送充填料浆，即双侧充填。

采用单侧充填时，在支巷的上口同时布设长、短充填管道各1根，其中长管道的出浆口距离支巷上口的位移为支巷总长度的2/3左右，其中短管道的出浆口距离支巷上口的位移为支巷总长度的1/3左右，长短管道交替输送料浆，实现工作面密实充填；单侧充填方法，如图11(a)所示。采用双侧充填时，在支巷的两侧同时布设1根充填管道，其中管道的出浆口距离支巷口的位移均为支巷总长度的1/3左右，通过控制充填管道的阀门，可实现两侧交替充填和同时充填，保证充填体接实顶板；双侧充填方法，如图11(b)所示。

图9 充填料浆封堵与自流充填Fig.9 Plugging and self-filling of backfilling slurry

图10 充填料浆制备与输送Fig.10 Preparation and transportation of backfilling slurry

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

3 连采连充分步置换煤炭技术原理

3.1 数值模型

以连采连充工作面为工程背景建立数值模型，工作面埋深为220 m，煤层厚度为5 m，工作面长度为60 m，充填支巷的宽度和高度均为5 m。数值模型的尺寸为300 m×160 m×100 m，共开采40条支巷，即工作面推进长度为200 m，为了减少模型边界的影响，工作面四周设置50 m的边界煤柱。数值模拟中岩体采用摩尔库伦模型，在模型周围施加相应的约束，采用的岩层力学参数，见表1。分别研究“隔一采一、隔二采一、隔三采一”3种充填开采模式下，采场围岩应力动态迁移规律，深刻了解煤柱与充填体的承载特征，揭示连采连充分步置换煤炭技术原理，进而为充填开采模式的选择提供理论支撑。

表1 岩层力学参数

3.2 采场围岩应力动态迁移规律

考虑到工作面数值模型的对称性，取数值模型的一半为研究对象，分析充填开采过程位于煤层和充填体中部垂直应力的动态迁移演化特征。

(1)隔一采一、两步式回采。两步式回采过程采场围岩应力迁移特征，如图12所示。

图12 两步式回采时采场围岩应力分布规律Fig.12 Stress distribution law of stope surrounding rock during two-step mining

工作面第1步回采时，采场顶板荷载主要由煤柱支撑，煤柱的荷载呈波浪型分布，推进200 m时，煤柱中的最大应力为7.01 MPa，充填体中的最大应力为1.64 MPa，超前支承压力峰值为6.42 MPa，应力集中系数为1.25。工作面第2步回采时，采场顶板由煤柱承载逐渐向充填体承载过渡，推进200 m后，采场顶板荷载则主要由充填体支撑，充填体受力呈波浪型分布，一步采充填体中的最大应力为2.98 MPa，二步采充填体中的最大应力为1.65 MPa；超前支承压力峰值为7.42 MPa，应力集中系数为1.45。

(2)隔二采一、三步式回采。三步式回采过程采场围岩应力迁移特征，如图13所示。工作面第1步回采时，采场顶板载荷主要由煤柱支撑，煤柱的载荷呈波浪型分布，推进200 m时，煤柱中的最大应力为 7.09 MPa，充填体中的最大应力为0.74 MPa，最大超前支承压力为6.02 MPa，应力集中系数为1.17。工作面第2步回采时，采场顶板由煤柱承载逐渐向煤柱与充填体联合承载过渡，推进200 m后，煤柱是采场顶板承载的主体，一步采充填体也承担一部分荷载，煤柱中的最大应力为7.97 MPa，一步采充填体中的最大应力为2.75 MPa，二步采充填体中的最大应力为0.56 MPa；最大超前支承压力为6.59 MPa，应力集中系数为1.28。工作面第3步回采时，采场顶板由煤柱与充填体联合承载向充填体承载过渡，推进200 m后，采场顶板荷载主要由充填体承担，一步和二步采充填体承受荷载大于三步采充填体，整体呈波浪型分布，一步采充填体中的最大应力为 3.32 MPa，二步采充填体中的最大应力为3.13 MPa；三步采充填体中最大应力为0.83 MPa；最大超前支承压力为7.47 MPa，应力集中系数为1.46。

图13 三步式回采时采场围岩应力分布规律Fig.13 Stress distribution law of stope surrounding rock during three-step mining

(3)隔三采一、四步式回采。四步式回采过程采场围岩应力迁移特征，如图14所示。工作面第1步回采时，采场顶板荷载主要由煤柱支撑，煤柱的荷载呈波浪型分布，推进200 m时，煤柱中的最大应力为 6.35 MPa，充填体中的最大应力为0.40 MPa，最大超前支承压力为5.67 MPa，应力集中系数为1.11。工作面第2步回采时，采场顶板由煤柱承载逐渐向煤柱与充填体联合承载过渡，推进200 m后，煤柱是采场顶板承载的主体，一步采充填体也承担一部分荷载，煤柱中的最大应力为7.84 MPa，一步采充填体中的最大应力为2.00 MPa，二步采充填体中的最大应力为0.30 MPa，超前支承压力峰值为6.18 MPa，应力集中系数为1.20。工作面第3步回采时，采场顶板由煤柱与充填体联合承载，推进200 m后，5 m宽的间隔煤柱是采场顶板承载的主体，一步采和二步采充填体也承担一部分荷载，煤柱中的最大应力为8.08 MPa，一步采充填体中的最大应力为3.24 MPa，二步采充填体中的最大应力为2.20 MPa，三步采充填体中的最大应力为0.41 MPa，最大超前支承压力为6.74 MPa，应力集中系数为1.31。工作面第4步回采时，采场顶板由煤柱与充填体联合承载向充填体承载过渡，推进200 m后，采场顶板荷载主要由充填体支撑，四步采充填体承受载荷最小，整体呈波浪型分布，一步采充填体中的最大应力为3.68 MPa，二步采充填体中的最大应力为3.64 MPa，三步采充填体中的最大应力为2.35 MPa，四步采充填中的最大应力为0.52 MPa，超前支承压力峰值为7.56 MPa，应力集中系数为1.47。

图14 四步式回采时采场围岩应力分布规律Fig.14 Stress distribution law of stope surrounding rock during four-step mining

综合以上分析可知，在不同充填开采模式影响下，采场围岩应力呈现波浪型的动态迁移特征，煤柱与充填体交替承载顶板荷载，存在主次承载结构，煤柱与充填体的受力承载特征，如图15所示。三步式与四步式回采时煤柱中的最大应力皆随着回采步数的增加而增大，与两步式回采相比增加了间隔煤柱尺寸，有利于一步采中煤柱的稳定，但是回采步数增加后煤柱中的最大应力皆大于两步式回采，即说明采用三步式与四步式回采有利于前期煤柱承载，不利于后期煤柱的稳定；因此，在后期煤柱承载期间应加强煤帮控制，防止其失稳破坏，影响回采安全。充填开采过程中，无论何种充填开采模式，充填体受力皆随着回采步数的增加而逐渐增大；煤柱与充填体联合承载期间充填体受力显著小于煤柱，说明采场顶板载荷主要由煤柱承担，充填体辅助承载；而当煤柱完全回收后，前期的充填体为主要承载结构，后期的充填体辅助承载。工作面全部回采结束后充填体中的最大载荷，四步式回采最大、三步式回采次之、两步式回采最小。对于三步式与四步式回采而言，最后一步充填体承担载荷显著小于前期充填体；因此，在最后一步充填时，在满足岩层控制要求的前提下可适当降低充填体强度，减少充填开采成本。

图15 不同充填开采模式下煤柱与充填体受力特征Fig.15 Stress characteristics of coal pillar and filling body under different backfilling mining modes

3.3 分步置换煤炭原理

充填采场围岩变形主要包括“三量”，即充前移近量、欠接顶量和充填体压缩量。对于充前移近量可以通过较快的充填速度实现料浆的高效充填，避免采空区顶板出现长时间的无支撑状态，降低充前移近量。对于欠接顶量而言，则需保证采空区的充实度，实现密实充填，限制顶板活动空间，减少顶板破坏范围，使其保持完整状态。对于充填体压缩量，需要保证充填材料具有合理的质量配比与粒径级配，使其具有稳定的充填体强度，减少其自身的压缩量。因此，针对充填采场覆岩移动的“三量”特征，提出“三度”控制原则，即较快的充填速度、合理的采空区充实度，以及稳定的充填体强度，如图16所示。

对连采连充式胶结充填采煤技术而言，工作面支巷一次开挖范围小对采场扰动程度有限，且支巷能够及时充填，保证了较快的充填速度，显著降低采场围岩充前移进量。根据煤层倾角，采用合适的充填料浆输送方式，保证采空区充填密实，有效减少充填体的欠接顶量。科学合理的充填材料配比保证了稳定的充填体强度，且采充过程充填体与煤柱、充填体与充填体之间互为侧限，避免充填体承载过程中发生大范围的破坏与压缩。连采连充式胶结充填采煤有利于通过调控“三度”，实现采场覆岩移动的“三量”控制。

图16 充填采场覆岩移动“三度”控制原则Fig.16 Control principle of overburden movement in filling stope with three methods

采用数字图像相关方法(DIC)得到不同强度充填体与煤样组合承载过程Mises应变规律，如图17所示。其中组合体为尺寸100 mm的立方体，均分为3部分，中间为煤样，两侧为充填体；3 d充填体强度为0.81 MPa，28 d充填体强度为4.51 MPa，煤样强度为19.17 MPa。当煤样两侧为低强度充填体时，煤样首先产生破坏而使组合体承载能力衰减，随后两侧充填体发生裂纹扩展破坏，组合体极限承载强度为2.85 MPa；而当煤样两侧为高强度充填体时，充填体首先产生裂纹扩展破坏，然后煤样发生破坏，组合体极限承载强度为7.63 MPa。试验结果表明：充填体与煤样联合承载过程，当煤样两侧充填体强度较低时，煤样为主承载结构，而充填体为次要承载结构，由于充填体强度较低不能为煤样提供有效侧限，故组合体的极限承载强度不高；而当充填体强度提高后，煤样与充填体具有协同承载效应，充填体也可为煤样提供有效的侧限，故使组合体极限承载强度提高。

图17 不同强度充填体与煤样组合承载特征Fig.17 Combined bearing characteristics of coal and backfill with different strength

综合以上分析可知，连采连充工作面多步式充填开采过程，煤柱与充填体交替承载控顶，存在主次承载结构。在开采前期煤柱作为主要承载结构，提供稳定的充填空间，结合工作面密实充填方法，保证充填材料密实接顶；通过调整分步置换模式，实现对胶结充填材料养护龄期的调控，保证其具有合理的固化强度，发挥煤柱与充填体的协同承载效应，安全高效置换后续煤柱；同时强化后的充填体可作为采场顶板的主要承载结构，为后续充填材料提供稳定的充填空间，通过调控分步置换模式，保证充填材料有效的胶结固化时间，避免充填体由于龄期强度不足造成的损伤与破坏。最后一个循环结束后，形成充填体与围岩共同作用的支撑体系。整个工作面充填开采过程中，由于上覆岩层运动空间有限，改变了充填采场的应力状态，使采场矿压显现明显减弱，进而使覆岩移动得到有效控制。连采连充工作面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，实现开采与充填互不干扰，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。这也是实现煤炭资源安全高效分步置换的基本技术原理。

4 典型工程案例

4.1 裕兴煤矿——生态园下采煤

裕兴煤矿隶属于山东能源新矿集团内蒙古裕兴矿业有限公司。目前主采9号和16号煤，煤层倾角为12°左右，9号煤平均厚度为5 m，16号煤厚度为6 m左右，均为缓倾斜厚煤层。煤层埋深为200～400 m，顶板以细砂岩为主，采场围岩整体稳定性好。矿区内95%以上的可采资源位于棋盘井生态园下，生态园内有人工湖、房屋、雕塑等其他各种设施。传统的垮落法开采已不能满足地表变形控制要求，矿井面临关闭困境。基于煤层赋存工程地质特征，综合考虑多种减沉降损开采方法的特点，采用连采连充采煤技术置换生态园下煤炭资源。

工作面支巷设计宽度和高度为5 m×5 m，采用“隔一采一、两步式回采”的充填开采模式。为了通过调控“三度”实现“三量”控制，充填材料为矸石、粉煤灰、水泥和矿井水，充填料浆采用井下混合输送系统，实现工作面全采全充。对于缓倾斜煤层在支巷上端容易出现充填材料不能接实顶板的三角形空顶区，为了接实顶板，可在支巷充填末期降低矸石配比，增加料浆的流动性，调控采空区的充实度。由于采场围岩稳定性好，为了实现集中生产，充填材料养护14 d后，便进行了下一步煤柱回收。现场试验表明，充填开采过程中，煤柱和充填体未出现结构失稳现象，安全程度高，地表充填站与井下现场，如图18所示。

图18 裕兴煤矿充填站与井下状况Fig.18 Filling station and underground condition in Yuxing Coal Mine

矿井已开采工作面30余个，地表最大下沉值为30 mm，水平移动最大值为12 mm，水平变形最大值为0.7 mm/m，曲率最大值为0.05 mm/m，倾斜最大值为0.4 mm/m；地表变形均在I级范围之内，对生态园内人工湖、房屋、雕塑等各种设施无影响。

4.2 昊源煤矿——复合顶板

昊源煤矿隶属于内蒙古广纳(煤业)集团有限责任公司。目前主要开采16号煤，煤层厚度为5～6 m，最大厚度可达8 m，煤层倾角为6°～12°，埋深为300 m左右。煤层顶板主要为细砂岩和砂质泥岩组合而成的复合顶板，层理发育，易离层变形；底板主要为砂质泥岩。随着开采深度的增加，一些工作面将受到底板奥灰水的影响。目前，全矿井采用连采连充采煤技术，工作面设计长度为60 m左右，充填支巷宽度为5 m，煤层全厚上下分层开采、整巷充填。现场主要采用“隔一采一、两步式回采”的充填开采模式。充填材料为矸石、粉煤灰、水泥和矿井水，配合充填料浆井下混合输送系统。

连采连充工作面支巷的服务时间一般为2～3 d，基于围岩时效控制原理，支巷采用短锚索(4.5 m左右)、锚杆和金属网控制顶板，防止其发生离层失稳，同时加强煤帮的控制；煤层采出后及时充填，保证较快的充填速度，减少充前移近量。调整支巷充填末期材料配比，增加料浆流动性，密实充填三角空顶区，减少欠接顶量，为顶板提供有效的支撑。充填材料养护28 d后，保证充填体强度，进行下一步煤柱回采，避免充填体发生大范围压缩破坏。通过调控“三度”实现复合顶板充填采煤的“三量”控制。工作面之间不留区段煤柱，采用原位沿空留巷，由于巷道经受2次采动影响，为了保证其稳定，强化顶板支护，尤其是支巷与回采巷道相互贯通的“三岔口”区域。现场试验表明，充填支巷在回采过程中稳定程度高，顶板内部无显著离层，如图19所示；原位沿空巷道经过强化支护，顶板最大下沉量为65 mm，两帮最大移近量为82 mm，在为2个工作面服务期间不需返修。煤矿井下现场状况，如图20所示。

4.3 察哈素煤矿——处理固体废物

察哈素煤矿隶属于国能国电建投内蒙古能源有限公司，矿井为年产量1 000万t的特大型矿井，紧邻布连电厂，该地区每年都会产生大量的矸石与粉煤灰，严重污染环境。为了处理煤矿所产生的矸石和附近电厂粉煤灰等固体废弃物，在井下实验了连采连充式胶结充填采煤技术。充填开采区域主采3-1煤层，平均厚度为5 m，倾角为1°～3°的近水平煤层；局部含0.5 m的伪顶，直接顶为厚2.0 m的泥岩和煤线，基本顶为厚度10 m左右的中粒砂岩；煤层底板以砂质泥岩、炭质泥岩和泥岩为主。工作面埋深约为400 m，工作面设计长度为50 m，走向长度为500 m。充填材料为矸石、粉煤灰、水泥和矿井水，配合充填料浆地面混合输送系统。工作面支巷采用单侧充填方法，通过设置在支巷内的长短管道交替输送料浆，实现近水平煤层密实充填。

图19 工作面支巷顶板不同深度的内部结构Fig.19 Internal structure of branch roadway roof in working face at different depths

图20 昊源煤矿井下状况Fig.20 Underground condition in Haoyuan Coal Mine

工作面支巷试验了“隔三采一”和“隔二采一”的充填开采模式，充填体养护龄期不低于14 d，现场揭露固化充填体能够接实顶板，采场围岩整体稳定性好，能够保证有效的充填空间和稳定的充填体强度。察哈素煤矿地面充填站与井下现场状况，如图21所示。截至目前2个工作面已回采完毕，采出煤炭35万t，消耗矸石约24.5万t，粉煤灰约8.75万t；同时由于井下实现了密实充填，地表最大下沉量仅为8.9 mm。实施该技术后，不仅能够保障固体废物的高效处理，也有利于实现西部生态脆弱区的保水采煤。

4.4 黄白茨煤矿——回收遗留大巷保护煤柱

黄白茨煤矿隶属于国能乌海能源有限责任公司。为了回收12号煤南盘区主要大巷之间的保护煤柱，采用连采连充采煤技术进行遗留煤柱置换。充填开采区域煤层平均厚度为4.58 m，含多层夹矸，结构复杂；倾角为5°～7°的近水平煤层，埋深约为176 m，直接顶为泥岩，基本顶为粉砂岩，顶板较稳定。连采连充工作面采用“隔一采一、两步式回采”的充填开采模式。充填材料为矸石、粉煤灰、水泥和矿井水。为了解决近水平煤层密实充填问题，提高充填效率，同时建有充填料浆井下混合和地面混合两套输送系统，在支巷开始充填阶段采用井下混合输送系统；在收尾阶段采用地面混合输送系统，为了增加料浆的流动性，保证接顶密实，收尾阶段的充填材料以水泥和粉煤灰为主。一步回采时，支巷顶板开口段采用锚杆、锚索和金属网联合支护，开口段后主要采用锚杆和金属网支护；煤帮采用玻璃钢锚杆支护。充填体养护龄期不小于14 d，方可进行二步回采；二步回采时，只对顶板支护，两帮充填体不支护。从井下充填开采过程来看，充填体能够接实顶板，支巷围岩和充填体未发生失稳破坏，实现了对煤柱的高效置换，煤柱的回收率达95%以上。地表充填站与井下现场充填状况，如图22所示。

图21 察哈素煤矿充填站与井下状况Fig.21 Filling station and underground condition in Chahasu Coal Mine

图22 黄白茨煤矿充填站与井下状况Fig.22 Filling station and underground condition in Huangbaici Coal Mine

5 讨论

(1)煤矿连采连充式胶结充填采煤技术的特点为长壁布置、短壁开采、间隔出煤、分步置换。满足料浆自流输送要求时，地面充填站不需充填泵，工作面装备投资少，降低初期投资，减少充填开采成本。这种多循环、小扰动、分步置换的充填开采模式，对采场覆岩移动控制效果好；连采连充工作面布置灵活，也有利于不规则块段遗弃煤炭资源的回收。

(2)充填支巷与工作面两侧的回采巷道相比，其服务的时间很短(一般为2～3 d)，因此这2类巷道应采用不同的支护强度，即实施差异化支护设计。基于围岩时效控制原理与预应力支护理论，以经济有效为原则，降低充填支巷的支护密度，其中煤帮优选玻璃钢锚杆支护。对于煤层强度高，顶板稳定时充填支巷可考虑无支护或少支护，满足服务期间稳定即可；对于松软破碎煤层，充填支巷可选用普通金属锚杆支护，并加强矿压监测，基于监测数据实时调整支护方式与支护强度。

(3)连采连充工作面支巷充填速度大于采煤速度，应重点研究支巷智能快速掘进出煤成套技术与装备，实现远程控制连续采煤机或综掘机作业；研发可弯曲胶带输送机，进入支巷连续出煤；同时重视自动化料浆封堵模板的研制，提高工作效率；对于条件合适矿井，优先发展无人化和智能化胶结充填开采矿井。

(4)基于不同的地表保护等级和岩层控制要求，保证一步充填体强度和接顶率，为剩余煤炭资源置换提供稳定的安全空间，二步、三步以及四步充填时可以降低充填体强度或充实率，在满足相应岩层控制标准的前提下，实施全部充填、强弱充填或部分充填，降低充填开采成本。