工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 林海杨仁树李永亮徐斌范子李剑楠路彬 Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology LIN Hai,YANG Ren-shu,LI Yong-liang,XU Bin,FAN Zi-vi,LI Jian-nan,LU Bin 引用本文： 林海，杨仁树，李永亮，徐斌，范子，李剑楠，路彬.短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究.工程科学学报，优先发表. doi10.13374j.issn2095-9389.2021.05.13.003 LIN Hai,YANG Ren-shu,LI Yong-liang.XU Bin,FAN Zi-yi,LI Jian-nan,LU Bin.Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.05.13.003 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.05.13.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理 Preparation and hydration mechanism of low concentration Bayer red mud filling materials 工程科学学报.2020,42(11)：1457 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.25.001 全尾砂高浓度胶结充填的环管试验 Loop test study on the high-concentration cemented filling of full tailings 工程科学学报.2021,43(2：215 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.09.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018.40(7)：776htps:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.07.002 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill 工程科学学报.2020,42(10：1286htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.29.003 复合激发剂对铜炉渣活性影响及充填材料制备 Effect of compound activator on copper slag activity and preparation of filling materials 工程科学学报.2017,399%：1305 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.002 干湿循环作用对水泥基复合充填材料的影响 Effects of dry-wet circulation on cement-based composite filling materials 工程科学学报.2019,41(12：1609 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.05.001
短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 林海 杨仁树 李永亮 徐斌 范子 李剑楠 路彬 Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology LIN Hai, YANG Ren-shu, LI Yong-liang, XU Bin, FAN Zi-yi, LI Jian-nan, LU Bin 引用本文: 林海, 杨仁树, 李永亮, 徐斌, 范子, 李剑楠, 路彬. 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.13.003 LIN Hai, YANG Ren-shu, LI Yong-liang, XU Bin, FAN Zi-yi, LI Jian-nan, LU Bin. Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.05.13.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.13.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 低浓度拜耳赤泥充填材料制备及水化机理 Preparation and hydration mechanism of low concentration Bayer red mud filling materials 工程科学学报. 2020, 42(11): 1457 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.25.001 全尾砂高浓度胶结充填的环管试验 Loop test study on the high-concentration cemented filling of full tailings 工程科学学报. 2021, 43(2): 215 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.09.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002 分层胶结充填体力学特性及裂纹演化规律 Mechanical properties and crack evolution of interbedded cemented tailings backfill 工程科学学报. 2020, 42(10): 1286 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.003 复合激发剂对铜炉渣活性影响及充填材料制备 Effect of compound activator on copper slag activity and preparation of filling materials 工程科学学报. 2017, 39(9): 1305 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.002 干湿循环作用对水泥基复合充填材料的影响 Effects of dry-wet circulation on cement-based composite filling materials 工程科学学报. 2019, 41(12): 1609 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.05.001
工程科学学报.第44卷，第X期：1-12.2022年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-12,X 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.13.003;http://cje.ustb.edu.cn 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 林海)区，杨仁树2)，李永亮)，徐斌2)，范子儀)，李剑楠)，路彬2 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京1000833)中国矿业大学（北 京)能源与矿业工程学院，北京100083 ☒通信作者.E-mail:b20200019@xs.usth.edu.cn 摘要针对西部脆弱环境地区高强度开采产生的矸石减排及地表沉陷控制现实需要与意义，提出了采用短壁巷式胶结充 填采煤技术.，在研究短壁巷式胶结充填采煤技术开采原理基础上，介绍了该技术工作面布置方式、采充工艺流程：在充填材 料方面，分析了多种充填原材料矿物成分和微观特性，并测试了不同配比条件下胶结充填材料的强度和流动特性：提出了该 技术充填系统组成及整体设计思路，包括料浆制备系统、管道输送系统、监测系统和工作面充填系统四大部分工业实践表 明：短壁连采连充式胶结充填采煤技术在5m厚近水平煤层中充实率可达98%以上，顶板最大下沉量为102mm,地表最大下 沉量为8.9mm.共消耗了24.5万吨矸石.应用效果良好 关键词采煤方法：工艺流程：充填材料：充填系统设计：地表沉降 分类号TD822 Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology LIN Hai,YANG Ren-shu2).LI Yong-liang,XU Bin,FAN Zi-yi,LI Jian-nan,LU Bin 1)School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Mechanics and Civil Engineering.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China 3)School of Energy and Mining Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:b20200019@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT The development and utilization of coal resources have caused serious surface collapse and destruction and ecological, environmental pollution.As the main method of green mining,backfill mining fills gangue and other wastes into the goaf to control the surface subsidence and processing coal gangue,which has broad application prospects.Aiming at the practical needs and significance of reducing gangue emission and controlling surface subsidence caused by high-intensity mining in fragile environmental areas in western China,this work proposed a short-wall continuous mining and continuous backfilling(CMCB)cemented-fill mining technology.On the basis of studying the mining principle of the short-wall CMCB cemented-fill mining technology,this work introduced layouts of this technology's working face and mining and filling crafts according to the longwall working face and the short-wall working face, respectively,realizing the parallel operation of mining and backfilling by skip mining.The mineral composition,microscopic characteristics,and gradation characteristics of various filling materials were analyzed,and the strength and flow characteristics of the cemented filling materials under different proportions were tested on the basis of a filling material test combined with pipeline transportation characteristics and filling methods of the coal mine cemented-fill slurry.The composition and overall design ideas of the filling system of this technology were put forward,including four parts:slurry preparation system,pipeline transportation system, 收稿日期：2021-05-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804310和52174095)
短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 林 海1) 苣，杨仁树1,2)，李永亮3)，徐 斌2)，范子儀1)，李剑楠1)，路 彬2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，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) 中国矿业大学 (北 京) 能源与矿业工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: b20200019@xs.ustb.edu.cn 摘 要 针对西部脆弱环境地区高强度开采产生的矸石减排及地表沉陷控制现实需要与意义，提出了采用短壁巷式胶结充 填采煤技术. 在研究短壁巷式胶结充填采煤技术开采原理基础上，介绍了该技术工作面布置方式、采充工艺流程；在充填材 料方面，分析了多种充填原材料矿物成分和微观特性，并测试了不同配比条件下胶结充填材料的强度和流动特性；提出了该 技术充填系统组成及整体设计思路，包括料浆制备系统、管道输送系统、监测系统和工作面充填系统四大部分. 工业实践表 明：短壁连采连充式胶结充填采煤技术在 5 m 厚近水平煤层中充实率可达 98% 以上，顶板最大下沉量为 102 mm，地表最大下 沉量为 8.9 mm，共消耗了 24.5 万吨矸石，应用效果良好. 关键词 采煤方法；工艺流程；充填材料；充填系统设计；地表沉降 分类号 TD822 Application of short-wall continuous mining and continuous backfilling cemented-fill mining technology LIN Hai1) 苣 ，YANG Ren-shu1,2) ，LI Yong-liang3) ，XU Bin2) ，FAN Zi-yi1) ，LI Jian-nan1) ，LU Bin2) 1) School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China 3) School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: b20200019@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT The development and utilization of coal resources have caused serious surface collapse and destruction and ecological, environmental pollution. As the main method of green mining, backfill mining fills gangue and other wastes into the goaf to control the surface subsidence and processing coal gangue, which has broad application prospects. Aiming at the practical needs and significance of reducing gangue emission and controlling surface subsidence caused by high-intensity mining in fragile environmental areas in western China, this work proposed a short-wall continuous mining and continuous backfilling (CMCB) cemented-fill mining technology. On the basis of studying the mining principle of the short-wall CMCB cemented-fill mining technology, this work introduced layouts of this technology ’s working face and mining and filling crafts according to the longwall working face and the short-wall working face, respectively, realizing the parallel operation of mining and backfilling by skip mining. The mineral composition, microscopic characteristics, and gradation characteristics of various filling materials were analyzed, and the strength and flow characteristics of the cemented filling materials under different proportions were tested on the basis of a filling material test combined with pipeline transportation characteristics and filling methods of the coal mine cemented-fill slurry. The composition and overall design ideas of the filling system of this technology were put forward, including four parts: slurry preparation system, pipeline transportation system, 收稿日期: 2021−05−13 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51804310 和 52174095） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−12，2022 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−12, X 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.05.13.003; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 monitoring system,and working face filling system.The on-site test showed that the short-wall CMCB cemented-filling mining technology achieves a compression ratio of more than 98%in a 5-m thick near-level coal seam.The maximum roof subsidence is 102 mm,and the maximum surface subsidence is 8.9mm.245000t of gangue were used,and a good application effect was observed. KEY WORDS mining method;crafts process;filling material;filling system design;surface subsidence 我国煤炭资源的开发和利用带来严重地表塌 采用理论分析和数值模拟手段，研究了长壁机械 陷破坏和生态环境污染问题，据不完全统计，目前 化掘巷充填的上覆围岩稳定性.且据调查显示，我 全国23个省市区采煤沉陷区总面积20000km2,现 国各省充填矿井主要集中在华东地区，例如山东、 有矸石山1700多座，占地20余万亩，累计矸石堆 河北、河南、安徽等地，西部陕蒙宁甘晋等地区分 放量60亿吨-习.相比我国中东部地区煤矿面临的 布较少，与其煤炭开采大省地位不相匹配) 资源枯竭、“三下”压煤多和开采成本成本高等问 针对上述问题，本文提出了适宜西部脆弱生 题B,西部地区大规模高强度开采导致地表沉陷 态环境开采的短壁连采连充式胶结充填采煤技 与开裂、水土流失、植被枯竭、地表荒漠化以及煤 术，系统介绍了该技术的工作面布置方式、采充工 矸石堆放占用大量土地、污染水土环境，严重制约 艺，通过试验得到胶结充填材料强度与流动特性， 西部地区煤炭行业可持续发展刀 提出了该技术充填系统组成及整体设计思路，经 作为绿色开采的主要途径，充填开采将煤矸 过对相关工艺和装备不断完善，在鄂尔多斯察哈 石等废弃物充入采空区，具有控制地表沉陷和处 素煤矿进行现场应用，结果表明，该技术可解决西 理煤矸石双重作用，应用前景广阔.21世纪以来， 部脆弱环境地区高强度开采产生的地表沉陷和煤 煤矿充填采煤技术发展迅速，形成了以固体0、 矸石排放难题，为类似条件下的煤层开采提供技 膏体]和高水47为主的三种充填材料及综采 术支撑 和连采两种充填方法8-19张吉雄团队20-2提出 1短壁连采连充式胶结充填采煤技术 了综采固体充填开采技术，降低了采场矿压显现 程度，控制了地表沉陷：贾林刚和张华兴2针对长 1.1工作面布置 壁胶结充填开采充填体的稳定性进行研究，计算 短壁连采连充式胶结充填采煤技术的开采原 出长壁充填体稳定的最小宽度，提高了开采效率； 理是按照短壁开采生产系统布置工作面，首先贯 冯光明等]针对建筑物下压煤研发了新型超高水 通工作面运输巷、回风巷和切眼，形成全负压通风 充填材料，提出了采空区袋式充填开采方法：周华 系统：将工作面上下顺槽之间的联络巷按顺序划 强等2针对迁村采煤和条带开采的弊端，提出了 分为若干支巷，支巷长度50m左右，采用跳采方 五种不迁村采煤方法：许家林等阿研究了覆岩离 式回收工作面煤炭资源，采煤和充填作业在不同 层注浆充填，基于关键层理论预测了导水裂隙带 支巷内进行，保证采充时间连续和空间独立，连续 高度，并通过工程应用进行验证；胡炳南等2针对 采煤和连续充填，是一种“采充并行”的高效充填 邢东矿区开采地表沉陷实际，提出了矸石充填巷 方法；在工作面回采期间，主要使用综掘机、装载 式开采方法，取得了良好减沉效果.上述研究成果 机、胶带输送机和锚杆钻机等设备，结合工程实际 促进了充填采煤技术及岩层控制理论发展，其中 和综掘机能力，支巷宽度设定在4~6m左右.该 胶结充填在控制地表沉陷方面优势显著：但长壁 技术以煤矸石和粉煤灰为主要充填材料，加上胶 式胶结充填系统投入成本高，采煤和充填工艺相 凝材料和水，按照一定比例混合形成高浓度浆体， 互制约，充填体需要一定试件达到设计强度，顶板 通过管道输送充入井下采空区，具有开采成本低、 控制效果不如巷式充填，充填效率和成本难以满 系统投入少、采充并行、一次揭露顶板面积小和 足西部矿区开采要求2？-2，而巷式充填采充不在 地表沉降控制效果好等特点，适用于西部脆弱环 同一支巷内进行，一次揭露顶板面积小，顶板控制 境地区煤炭资源开采控制地表沉陷和处理矸石等 效果较好：张云等提出了短壁块段式充填开采 固体废弃物.该技术工艺原理如图1所示 技术，研究该技术导水裂隙发育高度；马立强等0 1.2采煤与充填工艺 基于三维测量系统建立壁式连采连充相似模型， 如图2所示，短壁连采连充式胶结充填采煤技 研究了工作面隔水层和地表变形特征：孙强等B 术根据采场煤层强度和顶板条件，可以分为“两阶
monitoring system, and working face filling system. The on-site test showed that the short-wall CMCB cemented-filling mining technology achieves a compression ratio of more than 98% in a 5-m thick near-level coal seam. The maximum roof subsidence is 102 mm, and the maximum surface subsidence is 8.9 mm. 245000 t of gangue were used, and a good application effect was observed. KEY WORDS mining method；crafts process；filling material；filling system design；surface subsidence 我国煤炭资源的开发和利用带来严重地表塌 陷破坏和生态环境污染问题，据不完全统计，目前 全国 23 个省市区采煤沉陷区总面积 20000 km2 ，现 有矸石山 1700 多座，占地 20 余万亩，累计矸石堆 放量 60 亿吨[1–2] . 相比我国中东部地区煤矿面临的 资源枯竭、“三下”压煤多和开采成本成本高等问 题[3–4] ，西部地区大规模高强度开采导致地表沉陷 与开裂、水土流失、植被枯竭、地表荒漠化以及煤 矸石堆放占用大量土地、污染水土环境，严重制约 西部地区煤炭行业可持续发展[5–7] . 作为绿色开采的主要途径，充填开采将煤矸 石等废弃物充入采空区，具有控制地表沉陷和处 理煤矸石双重作用，应用前景广阔. 21 世纪以来， 煤矿充填采煤技术发展迅速，形成了以固体[8– 10]、 膏体[11–13] 和高水[14–17] 为主的三种充填材料及综采 和连采两种充填方法[18–19] . 张吉雄团队[20–21] 提出 了综采固体充填开采技术，降低了采场矿压显现 程度，控制了地表沉陷；贾林刚和张华兴[22] 针对长 壁胶结充填开采充填体的稳定性进行研究，计算 出长壁充填体稳定的最小宽度，提高了开采效率； 冯光明等[23] 针对建筑物下压煤研发了新型超高水 充填材料，提出了采空区袋式充填开采方法；周华 强等[24] 针对迁村采煤和条带开采的弊端，提出了 五种不迁村采煤方法；许家林等[25] 研究了覆岩离 层注浆充填，基于关键层理论预测了导水裂隙带 高度，并通过工程应用进行验证；胡炳南等[26] 针对 邢东矿区开采地表沉陷实际，提出了矸石充填巷 式开采方法，取得了良好减沉效果. 上述研究成果 促进了充填采煤技术及岩层控制理论发展，其中 胶结充填在控制地表沉陷方面优势显著；但长壁 式胶结充填系统投入成本高，采煤和充填工艺相 互制约，充填体需要一定试件达到设计强度，顶板 控制效果不如巷式充填，充填效率和成本难以满 足西部矿区开采要求[27– 28] ；而巷式充填采充不在 同一支巷内进行，一次揭露顶板面积小，顶板控制 效果较好；张云等[29] 提出了短壁块段式充填开采 技术，研究该技术导水裂隙发育高度；马立强等[30] 基于三维测量系统建立壁式连采连充相似模型， 研究了工作面隔水层和地表变形特征；孙强等[31] 采用理论分析和数值模拟手段，研究了长壁机械 化掘巷充填的上覆围岩稳定性. 且据调查显示，我 国各省充填矿井主要集中在华东地区，例如山东、 河北、河南、安徽等地，西部陕蒙宁甘晋等地区分 布较少，与其煤炭开采大省地位不相匹配[3] . 针对上述问题，本文提出了适宜西部脆弱生 态环境开采的短壁连采连充式胶结充填采煤技 术，系统介绍了该技术的工作面布置方式、采充工 艺，通过试验得到胶结充填材料强度与流动特性， 提出了该技术充填系统组成及整体设计思路，经 过对相关工艺和装备不断完善，在鄂尔多斯察哈 素煤矿进行现场应用，结果表明，该技术可解决西 部脆弱环境地区高强度开采产生的地表沉陷和煤 矸石排放难题，为类似条件下的煤层开采提供技 术支撑. 1 短壁连采连充式胶结充填采煤技术 1.1 工作面布置 短壁连采连充式胶结充填采煤技术的开采原 理是按照短壁开采生产系统布置工作面，首先贯 通工作面运输巷、回风巷和切眼，形成全负压通风 系统；将工作面上下顺槽之间的联络巷按顺序划 分为若干支巷，支巷长度 50 m 左右，采用跳采方 式回收工作面煤炭资源，采煤和充填作业在不同 支巷内进行，保证采充时间连续和空间独立，连续 采煤和连续充填，是一种“采充并行”的高效充填 方法；在工作面回采期间，主要使用综掘机、装载 机、胶带输送机和锚杆钻机等设备，结合工程实际 和综掘机能力，支巷宽度设定在 4～6 m 左右. 该 技术以煤矸石和粉煤灰为主要充填材料，加上胶 凝材料和水，按照一定比例混合形成高浓度浆体， 通过管道输送充入井下采空区，具有开采成本低、 系统投入少、采充并行、一次揭露顶板面积小和 地表沉降控制效果好等特点，适用于西部脆弱环 境地区煤炭资源开采控制地表沉陷和处理矸石等 固体废弃物. 该技术工艺原理如图 1 所示. 1.2 采煤与充填工艺 如图 2 所示，短壁连采连充式胶结充填采煤技 术根据采场煤层强度和顶板条件，可以分为“两阶 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
林海等：短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 3 Gangue crushing workshop Cement silo Fly ash silo Reservoir River Vegetation Secondary mixer Primary mixer w o m o m oL Office building onveying pipeline Surface verlying strata Backfill Reture air roadway Advancing direction Transport roadway Mining 图1技术原理 Fig.I Technical principle 段回采”、“三阶段回采”或“四阶段回采”.以“三 两端进行充填作业，为了减小挡浆模板侧向支撑 阶段回采”为例，工作面回采前，提前在回风巷内 压力，充填作业根据煤层厚度分层完成，直到工作 架设充填管道，在一阶段回采过程中，每条回采支 面内所有第一阶段支巷回采充填完毕：在一阶段 巷间留设两条支巷宽度的煤柱，当本支巷回采完 充填体达到一定强度后，重复回采第二、第三阶段 毕后，继续回采下一支巷，同时立即封堵上一支巷 煤柱，从而达到连采连充、全采全充的效果 ☐Coal seam First stage filling body Second stage filling body Third stage filling body Four stage filling body Two-stage stoping Three-stage stoping Mining Four-stage stoping Backfilling 国2采充顺序 Fig.2 Mining and backfilling sequence 2充填材料 (1)矸石 煤矸石作为成煤伴生物，赋存环境千变万化， 结合短壁连采连充式胶结充填方式，充填材 其矿物成分复杂多变，以察哈素矿煤矸石为例，其 料通过管道运输至工作面替代煤柱承受上覆岩层 主要矿物成分和微观结构如图3所示.察哈素矿 荷载，因此充填材料必须具备良好的管道输送能 煤矸石属于粘土岩类，由图3可知，该矸石主要成 力和承载能力，其重点在于充填材料的选择和配 分为石英、高岭石和白云母组成，其中石英的含量 比，因此本节针对胶结充填材料展开研究 较高，提高了粗骨料强度；破碎后矸石颗粒表面孔 2.1原材料 隙发育、微裂缝较多，整体结构疏松，有利于增强 相比中东部地区，西部地区煤炭资源大规模 与料浆的胶结作用，适宜作为胶结充填骨料.为了 开采产生大量矸石和火电厂排放大量粉煤灰，选 保证料浆输送能力和强度达到使用要求，要求矸 择矸石和粉煤灰做为充填材料，水泥作为胶结料， 石粒径在破碎后不超过15mm,在分级破碎后，大 按照一定比例混合形成胶结充填材料 部分矸石粒径在10mm以下，其中0~5mm占比
段回采”、“三阶段回采”或“四阶段回采”. 以“三 阶段回采”为例，工作面回采前，提前在回风巷内 架设充填管道，在一阶段回采过程中，每条回采支 巷间留设两条支巷宽度的煤柱，当本支巷回采完 毕后，继续回采下一支巷，同时立即封堵上一支巷 两端进行充填作业，为了减小挡浆模板侧向支撑 压力，充填作业根据煤层厚度分层完成，直到工作 面内所有第一阶段支巷回采充填完毕；在一阶段 充填体达到一定强度后，重复回采第二、第三阶段 煤柱，从而达到连采连充、全采全充的效果. Coal seam First stage filling body Second stage filling body Third stage filling body Four stage filling body Mining Backfilling Two-stage stoping Three-stage stoping Four-stage stoping 图 2 采充顺序 Fig.2 Mining and backfilling sequence 2 充填材料 结合短壁连采连充式胶结充填方式，充填材 料通过管道运输至工作面替代煤柱承受上覆岩层 荷载，因此充填材料必须具备良好的管道输送能 力和承载能力，其重点在于充填材料的选择和配 比，因此本节针对胶结充填材料展开研究. 2.1 原材料 相比中东部地区，西部地区煤炭资源大规模 开采产生大量矸石和火电厂排放大量粉煤灰，选 择矸石和粉煤灰做为充填材料，水泥作为胶结料， 按照一定比例混合形成胶结充填材料. （1）矸石. 煤矸石作为成煤伴生物，赋存环境千变万化， 其矿物成分复杂多变，以察哈素矿煤矸石为例，其 主要矿物成分和微观结构如图 3 所示. 察哈素矿 煤矸石属于粘土岩类，由图 3 可知，该矸石主要成 分为石英、高岭石和白云母组成，其中石英的含量 较高，提高了粗骨料强度；破碎后矸石颗粒表面孔 隙发育、微裂缝较多，整体结构疏松，有利于增强 与料浆的胶结作用，适宜作为胶结充填骨料. 为了 保证料浆输送能力和强度达到使用要求，要求矸 石粒径在破碎后不超过 15 mm，在分级破碎后，大 部分矸石粒径在 10 mm 以下，其中 0～5 mm 占比 Advancing direction Reservoir Gangue crushing workshop Cement silo Fly ash silo Secondary mixer Primary mixer Conveying pipeline Transport roadway Reture air roadway Vertical drilling Office building Roof Overlying strata Surface River Vegetation Backfill Mining 图 1 技术原理 Fig.1 Technical principle 林 海等： 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 50 46.5 (a) 34.3 15.7 10 3.5 0 Quartz Kaolinite Albite Muscovite Mineral composition 图3煤矸石.(a)矿物成分：(b)微观结构 Fig.3 Gangue:(a)mineral composition;(b)microstructure 达40%以上，以满足对料浆骨料粒径要求 5~70m左右，粉煤灰的主要矿物成分为石英和 (2)粉煤灰 莫来石，这两种活化物含量越高，粉煤灰活性越 煤粉经过高温煅烧后形成类似火山灰的混合 好；粉煤灰中的球形颗粒主要为玻化微珠，在料浆 材料称为粉煤灰，是火电厂排放的主要固体废弃 中起到充填作用，提高料浆密度和可塑性，使料浆 物，以布连电厂粉煤灰为例，该粉煤灰比表面积为 更为均匀，同时起到滚珠轴承作用，增加料浆流动 1004m2kg,其主要矿物成分、微观结构和粒径分 性和提高对输送管壁润滑程度，玻化微珠表面附 布如图4所示.由图可知，粉煤灰颗粒粒径主要在 着物较少，表现出典型低钙粉煤灰特征 49.6 50 (a) 23.8 20 10 8.7 9.0 8.7 0 Quartz FeTiO5 Hematite Mullite Lime Mineral composition > (c) 100 I Incremental ●Cumulative 80 60 3 40 20 8.01 0.1 1.0 10 100 1000 Particle size/um 图4粉煤灰.(a)矿物成分：(b)微观结构：(c)粒径分布 Fig.4 Fly ash:(a)mineral composition;(b)microstructure;(c)particle size distribution (3)水泥 又能产生水化反应凝结充填体使其具有良好承 作为胶凝材料，水泥既能激发粉煤灰活性， 载力.以北元牌42.5R普通硅酸盐水泥为例，该
达 40% 以上，以满足对料浆骨料粒径要求. （2）粉煤灰. 煤粉经过高温煅烧后形成类似火山灰的混合 材料称为粉煤灰，是火电厂排放的主要固体废弃 物，以布连电厂粉煤灰为例，该粉煤灰比表面积为 1004 m 2 ·kg–1，其主要矿物成分、微观结构和粒径分 布如图 4 所示. 由图可知，粉煤灰颗粒粒径主要在 5～70 μm 左右，粉煤灰的主要矿物成分为石英和 莫来石，这两种活化物含量越高，粉煤灰活性越 好；粉煤灰中的球形颗粒主要为玻化微珠，在料浆 中起到充填作用，提高料浆密度和可塑性，使料浆 更为均匀，同时起到滚珠轴承作用，增加料浆流动 性和提高对输送管壁润滑程度，玻化微珠表面附 着物较少，表现出典型低钙粉煤灰特征. 0 10 20 30 40 50 7 6 5 4 3 2 1 0 0.01 0.1 1.0 10 Particle size/μm Cumulative volume fraction/ % Incremental volume fraction/ % 100 1000 100 80 60 40 20 0 (a) Fe Lime 2TiO5 Hematite 8.7 23.8 8.7 9.0 49.6 Quartz Mullite Mineral composition Mass fraction/ % (b) Vitrified beads Carbon particles 30 μm (c) Incremental Cumulative 图 4 粉煤灰. （a）矿物成分；（b）微观结构；（c）粒径分布 Fig.4 Fly ash: (a) mineral composition; (b) microstructure; (c) particle size distribution （3）水泥. 作为胶凝材料，水泥既能激发粉煤灰活性， 又能产生水化反应凝结充填体使其具有良好承 载力. 以北元牌 42.5•R 普通硅酸盐水泥为例，该 0 10 20 30 40 50 Mineral composition Quartz 15.7 3.5 34.3 46.5 Kaolinite Albite Muscovite (a) Mass fraction/ % (b) Porosity Microcracks 20 μm 图 3 煤矸石. （a）矿物成分；（b）微观结构 Fig.3 Gangue: (a) mineral composition; (b) microstructure · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
林海等：短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 5 水泥比表面积为741.2m2kg,其主要矿物成 石英；图中不规则颗粒主要为硅酸钙，轮廓清 分、微观结构和粒径分布如图5所示.由图可 晰，棱角明显，而球状颗粒为玻化微珠，说明该 知，水泥颗粒粒径主要分布在5~35m左右，其 水泥中掺有部分粉煤灰，这些微珠也具有一定 主要成分为硅酸钙、褐闪石、熟石膏、方解石和 水化活性 60 57.0 (a) 50 0 30 20 17.8 12.1 8.8 4.2 0 Gypsum Calcium Calcite Quartz Brownmiller silicate Mineral composition 100 s10 (c)Incremental Cumulative 8 6 60 40 20 0.01 0.1 1.0 10 100 1000 Particle size/um 图5水泥.(a)矿物成分：(b)微观结构：(c)粒径分布 Fig.5 Cement:(a)mineral composition;(b)microstructure;(c)particle size distribution 2.2充填材料强度与流动特性研究 强度和流动性能.图6为不同影响因素下充填体 结合充填材料性质，设计单因素配比试验，研 龄期强度发展曲线，图7为不同不同影响因素下 究不同水泥、粉煤灰含量和料浆浓度下充填材料 料浆的塌落度和泌水率 10 a 10b 10 ⊙ 6 6 6 2 一-14%-0-12% -m-18%--15% -画-82%-0-80% 一4一10%一*一8% 一4一】2%一零一9% 一4一78%--76% 0 0 0 13579 14 28 13579 14 28 13579 14 28 Time/d Time/d Time/d 图6充填体龄期强度.(a)不同质量分数的水泥：(b)不同质量分数的粉煤灰：(c)不同质量分数的料浆 Fig.6 Age strength of the filling body:(a)different mass fractions of cement;(b)different mass fractions of fly ash;(c)different mass fractions of slurry 由图6可知，随着水泥、粉煤灰含量和料浆浓 填体后期强度增长，料浆浓度增加对充填体强度 度增加.充填体强度不断增加.水泥含量增加后， 影响最为明显，当料浆的质量分数为76%时，28d 充填体强度稳步增长，粉煤灰含量增加有利于充 强度仅为6.07MP:充填体强度发展分为三个阶段
水泥比表面积 为 741.2 m2 ·kg– 1 ，其主要矿物成 分、微观结构和粒径分布如图 5 所示. 由图可 知，水泥颗粒粒径主要分布在 5～35 μm 左右，其 主要成分为硅酸钙、褐闪石、熟石膏、方解石和 石英；图中不规则颗粒主要为硅酸钙，轮廓清 晰，棱角明显，而球状颗粒为玻化微珠，说明该 水泥中掺有部分粉煤灰，这些微珠也具有一定 水化活性. 0 10 20 30 40 50 60 Mineral composition Calcium Calcite Quartz Brownmiller silicate Gypsum 17.8 4.2 8.8 57.0 12.1 (a) Mass fraction/ % (b) Vitrified beads Calcium silicate 100 μm 10 8 6 4 2 0 0.01 0.1 1.0 10 Particle size/μm Cumulative volume fraction/ % Incremental volume fraction/ % 100 1000 100 80 60 40 20 0 (c) Incremental Cumulative 图 5 水泥.（a）矿物成分；（b）微观结构；（c）粒径分布 Fig.5 Cement: (a) mineral composition; (b) microstructure; (c) particle size distribution 2.2 充填材料强度与流动特性研究 结合充填材料性质，设计单因素配比试验，研 究不同水泥、粉煤灰含量和料浆浓度下充填材料 强度和流动性能. 图 6 为不同影响因素下充填体 龄期强度发展曲线，图 7 为不同不同影响因素下 料浆的塌落度和泌水率. 1 3 5 7 9 14 28 0 2 4 6 8 10 Time/d 14% 12% 10% 8% (a) 1 3 5 7 9 14 28 0 2 4 6 8 10 Strength/MPa Time/d 18% 12% 9% 18% 15% 12% 9% (b) 1 3 5 7 9 14 28 0 2 4 6 8 10 Strength/MPa Time/d 82% 80% 78% 76% 82% 80% 78% 76% Strength/MPa (c) 图 6 充填体龄期强度. （a）不同质量分数的水泥；（b）不同质量分数的粉煤灰；（c）不同质量分数的料浆 Fig.6 Age strength of the filling body: (a) different mass fractions of cement; (b) different mass fractions of fly ash; (c) different mass fractions of slurry 由图 6 可知，随着水泥、粉煤灰含量和料浆浓 度增加，充填体强度不断增加. 水泥含量增加后， 充填体强度稳步增长，粉煤灰含量增加有利于充 填体后期强度增长，料浆浓度增加对充填体强度 影响最为明显，当料浆的质量分数为 76% 时，28 d 强度仅为 6.07 MPa；充填体强度发展分为三个阶段， 林 海等： 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 · 5 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 240 (a) 1.14 235 234 T1.86 (b) 74 18 236 1.12 235 07 58 32 230 230 1.04 1.5 225 0.96 12 220 086 0.88 215 215 09 081 0.80 210 210 P 1012148101214 121518 12 15 18 Mass fractions of cement/% Mass fractions of fly ash/ 250 (c) 20 240 1.6 230 320 23 210 0.4 7678808276788082 Mass fractions of Slurr/% 图7料浆塌落度和泌水率.()不同质量分数的水泥，(b)不同质量分数的粉煤灰：(c)不同质量分数的料浆 Fig.7 Slump and bleeding rate:(a)different mass fractions of cement,(b)different mass fractions of fly ash,(c)different mass fractions of slurry 0~7d为快速增长阶段，7~14d为平稳增长阶段， 作面充填方式进行了详细介绍，短壁连采连充式 14~28d为缓慢增长阶段；不同组别配比下，充填 胶结充填系统分为四大部分，矸石破碎与料浆制 体最大强度为10.16MPa,最小强度为6.07MPa 备系统、管道输送系统、管道压力与充填体稳定 由图7可知，随着水泥、粉煤灰含量和料浆浓 性监测系统、工作面充填系统：为了方便管理，在 度增加，料浆塌落度和泌水率不断减小，当料浆的 地面设立充填站，将粉煤灰、水泥料仓、蓄水池、 质量分数为82%时，料浆塌落度为209mm,其余 矸石破碎车间和微机总控制室集中布置在充填站 各组配比塌落度均在213~252mm之间，流动性 内.整个系统充填顺序为：充填准备一灰浆推水一 能较好；各组配比下料浆泌水率在0.44%~2.02% 矸石浆推灰浆一正常充填一灰浆推矸石浆一水推 之间，泌水率较低.增加水泥和粉煤灰的含量减小 灰浆一结束充填.系统设计应当充分考虑到以下 了水灰比，加剧了水化反应和火山灰反应，吸附了 原则：(1)矸石破碎能力、制浆能力、管道输送能 多余自由水分子，增加了料浆稠度和固水能力，导 力应当与工作面充填能力相匹配：(2)充分利用火 致塌落度和泌水率减小；而增加料浆浓度降低了 电厂粉煤灰和矿井水等作为充填原材料，加大工 料浆和易性，降低了塌落度和泌水率 业废弃物利用率，减小用水量，实现绿色开采 短壁连采连充式胶结充填开采要求充填体强 3.1矸石破碎与料浆制备系统 度至少在3~5MPa之间，可知上述配比下，充 图8为矸石破碎与制浆系统示意图，如图所示， 填体龄期在达到7d后，基本能够满足现场使用要 矸石从洗煤厂洗选出来后，利用渣土车运送至破 求，在现场施工时可以根据具体煤层条件，选择合 碎车间，经过料斗进入破碎机分两级破碎，一级破 适配比 碎机为对辊破碎机，破碎后矸石粒径不超过15mm, 3充填系统 大于15mm矸石进人高细破碎机进行二级破碎， 满足粒径要求后，利用皮带运送至料浆制备系统 在配比试验基础上，结合煤矿胶结充填料浆 制浆系统由两级搅拌机组成，采用叶片式搅 管道输送特性和充填方法，提出了适用于短壁连 拌机对干料进行一级粗搅拌，采用对旋式搅拌机 采连充式胶结充填开采方法的充填系统设计思 对料浆进行二级细搅拌.粉煤灰、水泥通过螺旋 路，并从地面充填系统、管道输送、安全监测和工 给料机经过动态秤重后送入一级搅拌机，破碎矸石
0～7 d 为快速增长阶段，7～14 d 为平稳增长阶段， 14～28 d 为缓慢增长阶段；不同组别配比下，充填 体最大强度为 10.16 MPa，最小强度为 6.07 MPa. 由图 7 可知，随着水泥、粉煤灰含量和料浆浓 度增加，料浆塌落度和泌水率不断减小，当料浆的 质量分数为 82% 时，料浆塌落度为 209 mm，其余 各组配比塌落度均在 213～252 mm 之间，流动性 能较好；各组配比下料浆泌水率在 0.44%～2.02% 之间，泌水率较低. 增加水泥和粉煤灰的含量减小 了水灰比，加剧了水化反应和火山灰反应，吸附了 多余自由水分子，增加了料浆稠度和固水能力，导 致塌落度和泌水率减小；而增加料浆浓度降低了 料浆和易性，降低了塌落度和泌水率. 短壁连采连充式胶结充填开采要求充填体强 度至少在 3～5 MPa 之间[32] ，可知上述配比下，充 填体龄期在达到 7 d 后，基本能够满足现场使用要 求，在现场施工时可以根据具体煤层条件，选择合 适配比. 3 充填系统 在配比试验基础上，结合煤矿胶结充填料浆 管道输送特性和充填方法，提出了适用于短壁连 采连充式胶结充填开采方法的充填系统设计思 路，并从地面充填系统、管道输送、安全监测和工 作面充填方式进行了详细介绍，短壁连采连充式 胶结充填系统分为四大部分，矸石破碎与料浆制 备系统、管道输送系统、管道压力与充填体稳定 性监测系统、工作面充填系统；为了方便管理，在 地面设立充填站，将粉煤灰、水泥料仓、蓄水池、 矸石破碎车间和微机总控制室集中布置在充填站 内. 整个系统充填顺序为：充填准备—灰浆推水— 矸石浆推灰浆—正常充填—灰浆推矸石浆—水推 灰浆—结束充填. 系统设计应当充分考虑到以下 原则：（1）矸石破碎能力、制浆能力、管道输送能 力应当与工作面充填能力相匹配；（2）充分利用火 电厂粉煤灰和矿井水等作为充填原材料，加大工 业废弃物利用率，减小用水量，实现绿色开采. 3.1 矸石破碎与料浆制备系统 图 8 为矸石破碎与制浆系统示意图，如图所示， 矸石从洗煤厂洗选出来后，利用渣土车运送至破 碎车间，经过料斗进入破碎机分两级破碎，一级破 碎机为对辊破碎机，破碎后矸石粒径不超过 15 mm， 大于 15 mm 矸石进入高细破碎机进行二级破碎， 满足粒径要求后，利用皮带运送至料浆制备系统. 制浆系统由两级搅拌机组成，采用叶片式搅 拌机对干料进行一级粗搅拌，采用对旋式搅拌机 对料浆进行二级细搅拌. 粉煤灰、水泥通过螺旋 给料机经过动态秤重后送入一级搅拌机，破碎矸石 8 10 12 14 8 10 12 14 210 215 220 225 230 235 240 232 218 236 213 Mass fractions of cement/% Slump/mm 1.14 1.07 0.86 0.81 0.80 0.88 0.96 1.04 1.12 (a) 9 12 15 18 9 12 15 18 210 215 220 225 230 235 Slump/mm Mass fractions of fly ash/% 223 216 213 234 1.86 1.74 1.58 0.81 (b) 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 76 78 80 82 76 78 80 82 210 220 230 240 250 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0.44 0.81 1.41 2.02 243 209 213 252 (c)Bleeding rate/ % Bleeding rate/ % Slump/mm Bleeding rate/ % Mass fractions of Slurr/% 图 7 料浆塌落度和泌水率. （a）不同质量分数的水泥;（b）不同质量分数的粉煤灰;（c）不同质量分数的料浆 Fig.7 Slump and bleeding rate: (a) different mass fractions of cement; (b) different mass fractions of fly ash; (c) different mass fractions of slurry · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
林海等：短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 .7 Gangue Mine water ement silo Fly ash silo Shovel loader Secondary Screw crushing feeder ≥15mm ≤15mm Primary crushing Vibrating screen Primary mixing Secondary mixing Pipeline transportation+ 图8矸石破碎与料浆制备系统 Fig.8 Gangue crushing and slurry preparation system 通过皮带进入一级搅拌机，干料充分混合搅拌后， 式中：8为管道壁厚，mm:P为管道最大工作压力， 进入二级搅拌机，加入水进行细搅拌，当搅拌作业 MPa;D为管道最小内径，mm;K为管道材料的腐 完成后，浆体通过垂直管道送入井下充填工作面. 蚀磨蚀量，mm:[d为管道材料的最大抗拉许用应 3.2管道输送系统 力，MPa 结合工作面埋深和管道输送距离，可以选择 33管道压力与充填体稳定性监测系统 自流输送或者加压泵送方式将料浆送入井下采空 管道压力和充填体稳定性监测能够为充填开 区，当充填倍线在1.5~5之间时，可以采用自流输 采安全生产提供实时预警和预报，如图9所示，充 送方式，当充填倍线大于5，适宜采用泵送方式2-3) 填监测系统分为井上和井下两部分，井下部分通 如果采用自流输送方式，需要对沿程输送阻力进 过在管道输送沿程和工作面布置多功能监测分 行计算，沿程阻力损失可分为直管段和弯头段，实 站，监测分站通过接线盒与各传感器连接，监测数 践表明，采用整体估算法计算局部阻力损失相比 据主要包括管道压力、充填体压力、充填体变形 传统估算法更为精确，弯头段由于流动规律复杂， 量和充填体温度 阻力损失采用整体估算法4，则整个管道内的沿 管道压力是反映料浆输送系统运行状态的重 程阻力损失可由以下公式获得： 要参数，由于井下条件复杂，一般非介入式测量法 16..32 16 32u PgH=P吃+3D+nL+3Do+n Lb 容易受到外界干扰，因此采用介入压力检测与与 (1) 卸料阀实施监控料浆堵管位置并提前预警.选用 式中：p为料浆密度，kgm3;g为重力加速度，9.8ms2； 带有压力监测功能的卸料阀，将其连接在充填主 H为工作面埋深，m;D为管道内径，m;v为管道出 管道上，卸料阀内的活塞杆可根据监测压力大小 口料浆流速，ms；o为屈服应力，Pa;n为料浆塑 上下移动，当管道压力值达到预警水平后，可自动 性黏度，Pas;u为料浆流速，msl.Ls为直管段长 打开卸料阀卸料预防堵管.采用硅压阻压力传感 度，m;Lb为弯头段长度，m;Lb=r2,n为弯头个 器测量管道压力，可以监测到频响范围为5Hz的 数，r为弯头半径，m;k为弯头段沿程阻力系数 脉冲，通过多功能分站定时采集数据，最终通过井 根据矿山对充填能力和料浆的工作临界流速， 下动态监侧将数据上传至地面：充填位置主要选 可以确定管道最小直径B阿： 择在立管底部、弯头段和管道变径点，水平段仅需 布置个别监测点 40 D=V3600m (2) 而充填体整体稳定性能够为选择采充方式、 式中：Q为设计充填能力，m3h 设备选型以及顶板控制提供根本的科学依据，由 根据管道工作压力和磨蚀腐蚀量，可以确定 于胶结充填体具有高温和高湿特点，采用特制顶 管道壁厚)： 底板变形仪和压力传感器监测充填体受力变形状 PD 态，同时为了掌握料浆的水化温度，采用数字温度 6= 2©*K (3) 传感器监测充填体温度
通过皮带进入一级搅拌机，干料充分混合搅拌后， 进入二级搅拌机，加入水进行细搅拌，当搅拌作业 完成后，浆体通过垂直管道送入井下充填工作面. 3.2 管道输送系统 结合工作面埋深和管道输送距离，可以选择 自流输送或者加压泵送方式将料浆送入井下采空 区，当充填倍线在 1.5～5 之间时，可以采用自流输 送方式，当充填倍线大于 5，适宜采用泵送方式[32–33] . 如果采用自流输送方式，需要对沿程输送阻力进 行计算，沿程阻力损失可分为直管段和弯头段，实 践表明，采用整体估算法计算局部阻力损失相比 传统估算法更为精确，弯头段由于流动规律复杂， 阻力损失采用整体估算法[34] ，则整个管道内的沿 程阻力损失可由以下公式获得： ρgH = ρ v 2 2 + ( 16 3D τ0 +η 32u D2 ) Ls +k ( 16 3D τ0 +η 32u D2 ) Lb （1） 式中：ρ 为料浆密度，kg·m–3 ；g 为重力加速度，9.8 m·s–2 ； H 为工作面埋深，m；D 为管道内径，m；v 为管道出 口料浆流速，m·s–1 ；τ0 为屈服应力，Pa；η 为料浆塑 性黏度，Pa·s；u 为料浆流速，m·s–1 . Ls 为直管段长 度，m；Lb 为弯头段长度，m；Lb = nπr/2，n 为弯头个 数，r 为弯头半径，m；k 为弯头段沿程阻力系数. 根据矿山对充填能力和料浆的工作临界流速， 可以确定管道最小直径[35] ： D = √ 4Q 3600πu （2） 式中：Q 为设计充填能力，m 3 ·h–1 . 根据管道工作压力和磨蚀腐蚀量，可以确定 管道壁厚[35] ： δ = PD 2[δ] +K （3） [δ] 式中：δ 为管道壁厚，mm；P 为管道最大工作压力， MPa；D 为管道最小内径，mm；K 为管道材料的腐 蚀磨蚀量，mm； 为管道材料的最大抗拉许用应 力，MPa. 3.3 管道压力与充填体稳定性监测系统 管道压力和充填体稳定性监测能够为充填开 采安全生产提供实时预警和预报，如图 9 所示，充 填监测系统分为井上和井下两部分，井下部分通 过在管道输送沿程和工作面布置多功能监测分 站，监测分站通过接线盒与各传感器连接，监测数 据主要包括管道压力、充填体压力、充填体变形 量和充填体温度. 管道压力是反映料浆输送系统运行状态的重 要参数，由于井下条件复杂，一般非介入式测量法 容易受到外界干扰，因此采用介入压力检测与与 卸料阀实施监控料浆堵管位置并提前预警. 选用 带有压力监测功能的卸料阀，将其连接在充填主 管道上，卸料阀内的活塞杆可根据监测压力大小 上下移动，当管道压力值达到预警水平后，可自动 打开卸料阀卸料预防堵管. 采用硅压阻压力传感 器测量管道压力，可以监测到频响范围为 5 Hz 的 脉冲，通过多功能分站定时采集数据，最终通过井 下动态监测将数据上传至地面；充填位置主要选 择在立管底部、弯头段和管道变径点，水平段仅需 布置个别监测点. 而充填体整体稳定性能够为选择采充方式、 设备选型以及顶板控制提供根本的科学依据，由 于胶结充填体具有高温和高湿特点，采用特制顶 底板变形仪和压力传感器监测充填体受力变形状 态，同时为了掌握料浆的水化温度，采用数字温度 传感器监测充填体温度. Secondary mixing Cement silo Fly ash silo Screw feeder Mine water Shovel loader Gangue Vibrating screen Primary mixing Pipeline transportation Primary crushing Secondary crushing ≥15 mm ≤15 mm 图 8 矸石破碎与料浆制备系统 Fig.8 Gangue crushing and slurry preparation system 林 海等： 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 · 7 ·
8 工程科学学报，第44卷，第X期 Dispatch room Multi-screen controller Ground Ethernet Ring Multi-screen Underground Monitoring master station Monitoring substation Pipeline pressure Filling body Filling body Temperature Bolt and cable sensor pressure sensor deformation sensor Sensor dynamometer 图9监测系统 Fig.9 Monitoring system 3.4工作面充填系统 理充填口位置、支模方式和充填工艺. 短壁连采连充式胶结充填采用“采煤-充填- 如图10所示，料浆通过管道运输进入工作面支 凝固”的多循环采充工艺回收工作面煤炭资源，由 巷两端后，采用三通阀门分流将料浆充入支巷，充填 于井下地质条件复杂，受施工条件、煤层起伏和倾 口选在支巷顶端，防止料浆淹没充填口导致浆液 角影响，存在支模速度慢和充填接顶率低等问题； 内部剧烈振动：将传统单充填管道改为双充填管 支巷开挖后，如何快速高质量搭建挡浆模板和提 道，沿顶板铺设在支巷顶板最高处，保证充填接顶 高支巷充填率是提高充填速度和顶板控制效果的 率，在顶板最高处引出两条引气管，当引气管向外 技术关键.在缓倾斜煤层中，支巷充填一侧地势较 溢浆则说明充分接顶.为了提高充填速率和效果， 高，采用自流充填即可，接顶效果相比近水平煤层 模板铺设和充填作业分次完成，采用高强度钢模 较好；在近水平煤层中，顶板起伏大，如果充填工 对料浆进行有效封堵，模板内侧布置透水不透浆 艺不合理，接顶效果达不到预期效果，或者料浆内 柔膜材料，料浆泌水速度需低于柔膜透水速度阿， 部压力过大导致挡浆模板破裂，因此需要选择合 模板外侧采用单体支柱抵挡模板侧向支撑压力. Braches Coal pillar Flexible film materia Single hyfraulic prop Slurry Steel formwork Formwork Three-way valve 图10工作面充填方式 Fig.10 Filling method of the working face 4应用 地表植被稀疏；矿井年产量1000万吨，煤矸石年 4.1工程应用背景 产量超过100万吨，部分矸石用于发电和填埋沟 如图11所示，工程实践地点位于内蒙古鄂尔 壑，利用率较低，大部分堆积在地表形成矸石山， 多斯市伊金霍洛旗察哈素煤矿，该地区气候干旱， 在高强度开采下地表生态持续恶化.为了保护脆
3.4 工作面充填系统 短壁连采连充式胶结充填采用“采煤–充填– 凝固”的多循环采充工艺回收工作面煤炭资源，由 于井下地质条件复杂，受施工条件、煤层起伏和倾 角影响，存在支模速度慢和充填接顶率低等问题； 支巷开挖后，如何快速高质量搭建挡浆模板和提 高支巷充填率是提高充填速度和顶板控制效果的 技术关键. 在缓倾斜煤层中，支巷充填一侧地势较 高，采用自流充填即可，接顶效果相比近水平煤层 较好；在近水平煤层中，顶板起伏大，如果充填工 艺不合理，接顶效果达不到预期效果，或者料浆内 部压力过大导致挡浆模板破裂，因此需要选择合 理充填口位置、支模方式和充填工艺. 如图 10 所示，料浆通过管道运输进入工作面支 巷两端后，采用三通阀门分流将料浆充入支巷，充填 口选在支巷顶端，防止料浆淹没充填口导致浆液 内部剧烈振动；将传统单充填管道改为双充填管 道，沿顶板铺设在支巷顶板最高处，保证充填接顶 率，在顶板最高处引出两条引气管，当引气管向外 溢浆则说明充分接顶. 为了提高充填速率和效果， 模板铺设和充填作业分次完成，采用高强度钢模 对料浆进行有效封堵，模板内侧布置透水不透浆 柔膜材料，料浆泌水速度需低于柔膜透水速度[36] ， 模板外侧采用单体支柱抵挡模板侧向支撑压力. Coal pillars Braches Formwork Slurry Flexible film material Steel formwork Three-way valve Single hyfraulic prop 图 10 工作面充填方式 Fig.10 Filling method of the working face 4 应用 4.1 工程应用背景 如图 11 所示，工程实践地点位于内蒙古鄂尔 多斯市伊金霍洛旗察哈素煤矿，该地区气候干旱， 地表植被稀疏；矿井年产量 1000 万吨，煤矸石年 产量超过 100 万吨，部分矸石用于发电和填埋沟 壑，利用率较低，大部分堆积在地表形成矸石山， 在高强度开采下地表生态持续恶化. 为了保护脆 Ground Ethernet Ring Underground Monitoring master station Monitoring substation Filling body pressure sensor Pipeline pressure sensor Filling body deformation sensor Temperature Sensor Bolt and cable dynamometer Multi-screen controller Multi-screen Dispatch room 图 9 监测系统 Fig.9 Monitoring system · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
林海等：短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 9 弱地表环境、处理煤矸石，在31采区301、302工 面；3-1煤层为该矿主采煤层，平均埋深400m,平 作面建立短壁连采连充式胶结充填采煤试验工作 均厚度5m,倾角为1°~3°，为近水平煤层. Chahasu Mine washing plant Chahasu Mine Bulian Power Plant Surface 图11察哈素煤矿 Fig.11 Chahasu Mine 4.2工程应用情况 水泥，结合对材料强度、流动、泌水等特性进行研 301、302工作面工作面倾向长度为50m,走 究以及现场实际条件，选择料浆的质量分数为80%， 向长度为500m,301工作面采用四阶段回采、302 矸石、粉煤灰、水泥、矿井水质量比为50：18：12：20， 工作面采用三阶段回采，考虑到施工效率，支巷宽 充填体在28d后强度可达到9MPa左右，工作面 度均设置为5m.充填原材料为矸石、粉煤灰、水 设计充填能力150m3h.充填开采井上下实拍如 泥和矿井水.矸石为察哈素矿洗选矸石，粉煤灰为 图12所示，主要包括井上充填站破碎、搅拌车间、 布连电厂排放粉煤灰，水泥为北元42.5·R硅酸盐 井下管道与卸料阀、充填模板和揭露充填体 LX fraulic prop Roof 图12充填效果实拍 Fig.12 Photos of the backfilling operation 4.3工程应用效果 体交替承载，煤柱最大支承应力为16.5MPa,充填 从2019年9月该技术开始正式生产，截止目 最大垂直应力为7.6MPa.充填体压力在第三阶段 前，301、302工作已经全部回采完毕，共采出煤 采充过程中有较大提升，工作面支巷口处顶板最 35万吨，消耗煤矸石约24.5万吨，粉煤灰约 大下沉量仅为102mm,顶板控制效果良好，工作 8.75万吨，矿井水约10万吨，现场实测充填达 面整体矿压显现较为缓和. 98%以上，成功将该技术应用于西部脆弱环境地 为了观测地表下沉情况，在充填区域对应地 区高强度开采产生的矸石排放及地表沉陷控制 表设立观测站，设立一条走向观测线和一条倾向 难题 观测线，走向观测线长度330，共12个测点，倾 为了评价充填对覆岩控制效果，对充填体和 向观测线长度120m,共7个测点.图14为地表测 煤柱受力、充填体温度、支巷顶板下沉量进行监 线观测结果，由图可知，工作面最大下沉量仅为 测.图13为301工作面监测布置示意图及汇总结 8.9mm,表明采用该技术地表沉陷控制效果良好， 果，由图可知，在分阶段回采过程中，煤柱和充填 满足对地表建（构）物的使用要求
弱地表环境、处理煤矸石，在 31 采区 301、302 工 作面建立短壁连采连充式胶结充填采煤试验工作 面；3-1 煤层为该矿主采煤层，平均埋深 400 m，平 均厚度 5 m，倾角为 1°～3°，为近水平煤层. Hohhot Ordos Chahasu Mine washing plant Bulian Power Plant Surface Chahasu Mine 图 11 察哈素煤矿 Fig.11 Chahasu Mine 4.2 工程应用情况 301、302 工作面工作面倾向长度为 50 m，走 向长度为 500 m，301 工作面采用四阶段回采、302 工作面采用三阶段回采，考虑到施工效率，支巷宽 度均设置为 5 m. 充填原材料为矸石、粉煤灰、水 泥和矿井水. 矸石为察哈素矿洗选矸石，粉煤灰为 布连电厂排放粉煤灰，水泥为北元 42.5•R 硅酸盐 水泥，结合对材料强度、流动、泌水等特性进行研 究以及现场实际条件，选择料浆的质量分数为 80%， 矸石、粉煤灰、水泥、矿井水质量比为50∶18∶12∶20， 充填体在 28 d 后强度可达到 9 MPa 左右，工作面 设计充填能力 150 m3 ·h–1 . 充填开采井上下实拍如 图 12 所示，主要包括井上充填站破碎、搅拌车间、 井下管道与卸料阀、充填模板和揭露充填体. Backilling station Crushing workshop Silo Mixing workshop Crusher Primary mixing Secondary mixing Screw feeder Conveying pipeline Discharge valve Steel formwork Single hyfraulic prop Filling body Roof 图 12 充填效果实拍 Fig.12 Photos of the backfilling operation 4.3 工程应用效果 从 2019 年 9 月该技术开始正式生产，截止目 前 ， 301、 302 工作已经全部回采完毕，共采出煤 35 万 吨 ， 消 耗 煤 矸 石 约 24.5 万 吨 ， 粉 煤 灰 约 8.75 万吨 ，矿井水 约 10 万吨 ，现场实测充填 达 98% 以上，成功将该技术应用于西部脆弱环境地 区高强度开采产生的矸石排放及地表沉陷控制 难题. 为了评价充填对覆岩控制效果，对充填体和 煤柱受力、充填体温度、支巷顶板下沉量进行监 测. 图 13 为 301 工作面监测布置示意图及汇总结 果，由图可知，在分阶段回采过程中，煤柱和充填 体交替承载，煤柱最大支承应力为 16.5 MPa，充填 最大垂直应力为 7.6 MPa，充填体压力在第三阶段 采充过程中有较大提升，工作面支巷口处顶板最 大下沉量仅为 102 mm，顶板控制效果良好，工作 面整体矿压显现较为缓和. 为了观测地表下沉情况，在充填区域对应地 表设立观测站，设立一条走向观测线和一条倾向 观测线，走向观测线长度 330 m，共 12 个测点，倾 向观测线长度 120 m，共 7 个测点. 图 14 为地表测 线观测结果，由图可知，工作面最大下沉量仅为 8.9 mm，表明采用该技术地表沉陷控制效果良好， 满足对地表建（构）物的使用要求. 林 海等： 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 · 9 ·
