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