煤礦礦區普適性拓展型固體改性充填采煤技術與裝備

劉建功 ， 趙家巍 ， 劉 揚 ， 楊軍輝 ， 史艷楠 ， 王毅穎 ， 陳 鋒

(1.河北工程大學 機械與裝備工程學院, 河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 土木工程學院, 河北 邯鄲 056038；3.中國礦業大學(北京) 機械與電氣工程學院, 北京 100083；4.國家能源充填采煤技術重點實驗室, 河北 邢臺 054000；5.冀中能源股份有限公司 邢東礦, 河北 邢臺 054000；6.河南理工大學 物理與電子信息學院, 河南 焦作 454003；7.河北省煤礦生態保護開采產業技術研究院, 河北 邯鄲 056038；8.河北省智能工業裝備技術重點實驗室, 河北 邯鄲 056038；9.河北省冀南新區現代裝備制造協同創新中心, 河北 邯鄲 056038)

近年來，我國生態文明建設持續推進，尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念日漸深入人心。煤礦充填開采作為資源獲取與生態保護的重要協調工具，在我國煤炭工業發展中占據越來越重要的地位。煤礦充填開采是一種生態保護性開采技術，是從源頭上防控巖層移動及地表沉陷，實現以最小的生態擾動獲取煤炭資源的有效方法[1]，通過充填開采把對生態環境、水土資源和基礎設施的影響限制在可控范圍內，促進煤炭開采和生態環境協調共融發展。采用充填開采防控地表沉陷并建設生態礦山，涵蓋煤礦安全生產、生態環境治理、廢棄物資源化利用等多個領域，符合煤礦高質量轉型發展和生態文明建設的發展戰略。

經過行業科技工作者的共同努力，我國建立了充填開采理論、技術與裝備體系。理論方面，國內學者針對充填開采的巖層控制、應力分布、地表移動變形等問題展開基礎研究，相繼提出了“條帶充填模型”“間隔條帶充填模型”“等價采高”“連續曲形梁模型”等幾種有代表性的理論模型[2]，在一定程度上揭示了充填開采充填體與上覆巖層相互作用下巖層移動的本質問題。材料方面，相繼研發了矸石固體、矸石膏體、矸石漿體、高水速凝充填材料、矸石改性固體、矸石聚合物型材料等不同種類的充填材料[3-7]，其中以礦區矸石固體廢棄物為主要充填材料的充填開采在成本、環保等方面具有優勢，應用范圍較廣，普及率較高。工藝方面，形成了長壁工作面充填、巷道充填、離層區注漿充填、采空區注漿充填、厚煤層分層充填、區域性大面積充填等多種充填工藝[8-13]。裝備方面，我國已研發出了固體、膏體、漿體等充填材料制備、轉載運輸、有控充填等系列化、成套化裝備，并對其中的關鍵充填裝備進行了迭代升級，例如固體充填液壓支架先后研制了“頂梁+尾梁”結構、“雙級推實”結構、“四柱雙頂梁”結構、“垂直導柱”結構、“推實/擋矸”結構等不同架型[14-16]，形成了目前的四柱雙頂梁結構的成熟架型。

自2002 年伊始，河北省率先建成了無矸石外排綠色示范礦井，并陸續在河南、山東、安徽、山西、內蒙古等省區推廣應用。在應用實踐的過程中發現，對于不同地域、不同礦區對充填開采的需求不盡相同[17]，需要選擇符合煤炭企業自身需求的充填方法。當前我國充填開采技術與裝備的發展[18-21]，可以適應和滿足煤炭企業的各類需求，可以在生態保護和環境再造、地面建筑物保護和矸石固廢處理等多方面發揮作用，并且充填產能和矸石處理量逐步提升、充填成本不斷下降，推動充填開采在煤礦綠色開采體系中發揮著越來越大的作用。

1 充填開采技術對煤炭企業需求的適應

我國煤礦應用的充填開采有多種方法，在多種充填開采工藝中，充填開采的投資、產量、矸石處理能力和充填成本等都是煤炭企業如何選擇充填方式以及是否能把充填開采持續下去的關鍵考量要素。

1.1 基于充填開采的礦區立體生態環境再造

煤炭開采是在向大自然獲取資源，開采過程會對自然生態環境造成破壞，雖然煤炭工作者為保護生態環境做出了不懈的努力，但先破壞后治理的基本模式沒有改變，而生態環境的破壞很大程度是不能逆轉的，即便付出再大的修復代價，采煤沉陷、固廢污染和原始水系破壞對生態環境的影響也不能完全恢復。

充填開采雖然不能作為主流采煤方法，但是，當煤炭開采與地表沉陷、地面建筑保護、井上下水系和其他伴生資源開采發生矛盾的時候，充填開采會起到主流采煤方法所起不到的作用，可在最需要的地方從源頭上消除地表沉陷、保護生態環境、保護水資源。煤炭行業應該根據發展和生態環境的要求，把能主動保護生態環境的充填開采嵌入到煤炭生產過程中。建井伊始，就要把地質勘探、礦井設計、煤炭開采、附近城市建設、地面保護、水資源保護、生態再造和恢復全過程統一考慮。

基于充填開采主動保護理念，樹立立體生態觀念，把充填開采作為煤礦保護生態環境的調節工具立體化利用，按照礦區地面環境和井上下水系保護的立體生態規劃設計要求，控制地表沉陷區域和沉陷程度，進行采煤動態全程地質分析，井上下統一設計、規劃充填開采，建設全過程全息立體生態礦山(圖1)：

圖1 全過程全息立體生態礦山Fig.1 Whole process holographic three-dimensional ecological mine

(1)研究充填開采的上覆巖層運移規律，不同地質條件、不同充填材料、不同充填密實度、不同時間和區間的上覆巖層演變機理，利用微震技術進行動態監測，為充填開采液壓支架設計、充填工藝制定、充填區域確定、精準充填提供理論支撐。

(2)根據地面生態環境和地面水系徑流方向，以及附著物的狀況，確定保護范圍和保護等級，研究保護方式，統一規劃和再造煤炭開采過程中和開采后的地面生態環境，使煤礦開采和生態環境息息相關。

(3)煤田地質全程全息采集、分析和解釋，利用地質勘探資料和采礦過程揭露的地質信息，動態修正約束條件，動態分析和解釋地質構造狀況，建立煤礦全過程、全信息地質分析、解釋體系，及時反演出能準確指導生產的采煤工作面地質模型和充填工作面地質模型，為立體生態建設提供動態的地質變化數據。

(4)針對不同保護區域和保護對象，結合充填工作面全息地質模型，研究出充填質量判據，結合不同充填工藝，對特定區域實施精準充填，煤炭開采不再是生態環境的殺手，而與環境保護、生態再造互補共生、融為一體。

1.2 充填開采方式選擇的優先原則

充填開采方法既可以主動保護生態環境，控制地表沉陷，又可以處理煤矸石，在不同的礦區和煤炭企業，對充填開采的目的取向有著不同的選擇，也就出現了不同的優先選擇原則。

(1)保護生態環境優先原則。我國華北、中部城郊礦區、西部生態脆弱礦區對周邊生態環境的影響較為敏感，對生態環境保護需求更為強烈。全面保護礦區生態環境，把井下采煤和地面生態環境統一規劃、設計，協調井下開采和地面生態環境關系，合理安排充填采煤區域，分配矸石資源，保證必須保護區域的充填材料充足，使各類生態保護元素(山、水、林、田、湖、草)的目標保護層有序沉降，實現煤炭生產和環境保護雙重效益最大化。

(2)保護地面建筑優先原則。這種選擇方式要控制地表沉陷，解放“三下”壓煤，延長礦井服務年限；不少煤礦地面有建筑物和村莊，遷村費用高、時間長，況且，有些建筑物是不能搬遷的，這種條件下必須采用大面積連續充填開采方式，對充填開采的充填質量和效果一致性提出了更高的要求，充填材料、充填工藝、充填裝備的選擇要以控制影響地面建筑物的關鍵變形指標為主要依據，以充填開采上覆巖層演變機理為理論支撐。

(3)處理煤矸固廢優先原則。不少礦區地表沒有建筑物，生態環境也沒有太大的影響，只是矸石量太大，矸石成了污染環境的主要因素，需要在采煤過程中盡可能多地處理矸石，這也是環境保護的一種做法，其特點在于不對巖層控制作特殊要求，相應的充填裝備適應性要增強，需滿足巖層垮落和巖層連續2 種條件下的頂板管理需求。

(4)提高經濟效益優先原則。充填目的以及充填方式的選擇以提高經濟效益為優先原則，例如高瓦斯煤層群保護層有控卸壓充填開采，在處置矸石固廢的同時改變瓦斯涌出規律，減少瓦斯治理方面的投入；對具有巨厚難垮落頂板的煤層實施階段性充填開采方式，在不影響效率和保障安全的前提下實現技術經濟效益最優；不規則塊段資源采取巷道充填方式，能夠以最小的充填投入提高資源采出率；遇到垂直于工作面推進方向的公路、鐵路、線塔等需要保護的條形地面設施，此時可結合巖層地質條件，采取特殊設計的局部性充填開采方式，使經濟效益最大化。

1.3 充填開采技術制約因素

(1)充填方式的選擇。充填方式是充填目的性的一個重要選擇，限定了充填投資、充填成本和充填效果等諸多因素。對于煤炭企業，充填方式的選擇是一件慎重的事情，因為充填方式選定后必須投入工程建設和裝備，而且各種充填方式工藝相差很大，基礎建設和充填裝備都不通用，也不易更改，一旦達不到預期目的，堅持和放棄都很難決斷，所以，企業根據不同地質條件，對不同充填方法進行研判，選擇正確的充填方法對控制充填成本和保證充填效果至關重要。

(2)地質條件。充填開采對煤層地質條件有一定的適應性，一般來說，煤層厚度適中、圍巖條件良好、傾角較小的地質條件更有利于實施充填開采。特殊地質條件對充填開采材料、工藝、裝備等方面有更高的要求，如軟巖頂板要求充填材料早強性能好，在不影響推進速度的條件下快速起到支撐頂板的作用；薄煤層空間小，充填設備空間布局緊張，需選用具備良好后視空間的特殊設計的充填液壓支架；特厚煤層需采用“分層充填”或“頂充底放”的充填工藝方式；傾角較大的煤層需調整工作面生產布局，盡可能地避免大傾角俯采充填。

(3)充填開采的產量和矸石處理量。煤炭產量和矸石處理量是企業實施充填開采的重要取舍依據。采用充填開采時的煤炭產量和矸石處置能力是煤炭企業關心的關鍵問題。對于長壁工作面，充填是和采煤同時或略有滯后的一種工藝方法，必須先采出空間后再實施充填，如果充填的速度慢，不能和采煤同步，就會限制采煤的速度，影響充填工作面的產量。對于巷道充填，充填效率受制于巷道掘進速度，形不成規?；a，產能有限，僅適應于邊角余煤的回收或矸石量很小的礦井。充填開采盡管保護了地面，但低產量帶來低效益甚至負效益，不符合企業的管理理念。充填開采是以體積換體積，以時間爭空間，只有提高了煤炭產量，才能提升矸石處理能力，這是煤炭企業選擇充填開采關鍵因素，要求研究適合的充填工藝和裝備，滿足提高煤炭產量和矸石處理量能力的要求。

(4)初期投資和運營成本。充填是采煤附加的功能，必須在原來的基礎上再增加一部分裝備、材料和人員，必定會增加一部分成本，這也是充填開采推廣中的不可逾越的問題。況且有的充填方式成本還比較高，煤炭市場行情好的時候還能維持，如果煤價降低，利潤完成有困難甚至虧損的時候，則會造成企業對充填開采取舍的選擇。初期投資是企業選擇充填的重要因素，而后期運營成本是充填能不能長期維系的重要條件。充填開采是一個附加環境保護要求的投資項目，并且短期內的產出回報難以完全收回建設投資，有的充填方式初期投資很大，直接影響了企業對充填開采投資的決心。矸石前期加工量是初期投資和運營成本提高的主要因素，如若充填材料前期加工量大，勢必增加設備投資和充填成本，況且前期材料加工量大的充填方法，充填成本不隨充填量增大而減少，而前期材料加工量小的充填方法，充填成本隨充填量增大而減少，充填材料的附加加工成本是充填開采選擇的又一重要因素。

(5)充填效果。目前的充填開采處于小規模實施階段，有的企業需要保護地面塌陷，有的是環保要求處理矸石，只是把充填開采當做臨時采用的一種技術手段，還沒有從礦區地面生態環境總體狀況和井下采煤相結合，有目的地利用矸石產出量規劃充填區域，所以，大部分實施充填開采的煤炭企業沒有建成技術體系，沒有專業化技術人員，致使充填效果差強人意，因此對充填失去信心，也會影響充填開采的推廣應用。

2 不同充填需求的上覆巖層控制機理

不同的充填需求對頂板控制的要求也不同[22-26]，如保護地面建筑時以主關鍵層為主要控制對象，相應的標準為地面建筑所允許的變形標準[27]；保護生態環境時以保水層、保土層為主要控制對象，相應的標準為地下水環境保護、地面水土保持所允許的變形標準[28]；規?；幹庙肥瘯r以對工作面造成直接影響的近場覆巖為主要控制對象，相應的標準為確保工作面支架非密實充填條件下合理的受力狀況。針對充填開采巖層控制，我國學者提出了眾多理論模型[2]，本節主要基于連續曲形梁模型對不同巖層控制需求下的覆巖、充填體、充填支架相互作用機理展開分析。

2.1 充填開采覆巖變形控制

充填開采工作面上覆巖層中形成的近場覆巖(直接影響工作面壓力顯現的多層嵌固組合梁)由“煤壁-工作面支架-充填體”結構體系所支撐[29-31](圖2)，遠場覆巖直至地表由凝結壓實的充填體及恢復穩定的近場覆巖所支撐[32]。在巖層縱向運動方向上，近場覆巖變形活動可通過支架、材料、工藝的優化進行直接控制，遠場覆巖變形則由特定地質條件下的巖性結構所決定，通過近場覆巖自下而上間接控制。

圖2 “煤壁-工作面支架-充填體”支撐結構體系[33]Fig.2 “Coal wall - working face support - filling body” support structure system[33]

充填開采目標巖層下沉的因素構成可用式(1)描述的函數表示，即

式中，hb為目標巖層下沉量，對應不同充填需求時的巖層控制層位、標準；h1為充填前下沉量，在既定因素(煤體強度、地質條件、采充工藝)下，主要受控于液壓支架的結構、工作阻力和支護強度；h2為充填過程下沉量，主要受充填材料力學性能影響；h3為覆巖巖性特征下沉量，與近場覆巖變形量及所形成的結構密切相關。

當確定近場覆巖的組合運動條件后，h1和h2可以直接主動控制，兩者直接決定了近場覆巖的變形量，h3則需通過與近場覆巖的變形關系來間接控制，以規?；肥幹脼槟康牡某涮铋_采時則無h3項。

2.1.1 充填前下沉控制

充填前下沉是割煤完成還沒有充填時形成的下沉，形成充填前下沉的可控因素是充填液壓支架，其結構如圖3 所示。充填液壓支架的結構、初撐力及工作阻力、支護強度是控制頂板充填前下沉的關鍵因素，必須根據所控制的頂板類型和需要加以考量。

圖3 充填液壓支架結構Fig.3 Backfilling hydraulic support structure diagram

(1) 固體充填支架結構。充填液壓支架以限定直接頂變形為設計目標，要求整個液壓支架頂梁上不能有薄弱點，支柱支撐力能夠均勻地分布于頂梁，經過長期研究與實踐，設計出了四柱中間鉸接雙頂梁結構，采煤部分是正四連桿結構，充填部分是反四連桿結構，前后頂梁共用一個平衡千斤頂，前后頂梁分別由兩個立柱支撐，對頂板支撐無薄弱點。

(2) 工作阻力和初撐力。在充填開采的過程中，充填支架的工作阻力和初撐力有效地支護了頂板，給充填留出了空間，贏得了時間，才順利完成充填工作，盡管充填完成后顯現出來的支架工作阻力明顯低于垮落法采煤，這是煤壁、支架和充填體共同支撐頂板現象，充填過程中，充填體還沒有形成支撐力的時間，液壓支架的工作阻力和初撐力發揮著關鍵作用。

(3) 支護強度。液壓支架工作阻力的設計取決于支護強度，充填開采液壓支架控頂距大于垮落法開采液壓支架控頂距，相同工作阻力時充填支架的支護強度有所下降，但由于充填體可以有效接力支護頂板，降低了礦壓顯現程度，在以往充填采煤實踐中采用了低支護強度設計理念，雖然在充填實踐中也得到證明，但并未重視充填開采長距離控頂導致前后頂梁受力差異較大的問題，為嚴格控制充填前下沉，應盡可能地縮短后頂梁長度，加大支架后部的支護強度，提高充填液壓支架的支護強度，確保在地質條件發生變化時支架依然有良好的適應性。

(4)h1的定量描述。充填支架對近場覆巖起限定變形作用，充填開采近場覆巖限定變形力學模型如圖4 所示。

圖4 充填開采近場覆巖限定變形力學模型Fig.4 Finite deformation mechanics model of near field overlying rock in filling mining

支架支護強度對充填前下沉有重要影響，h1可用式(2)描述[34-35]，即

由式(3)可以看出，提高支架支護強度和縮短支架控頂距離均有助于減小h1的值。

2.1.2 充填過程下沉量控制

充填材料力學特性是控制充填過程下沉的關鍵。充填率是充填空間和充填物的容積關系，密實度是充填體初充和形成不可壓縮體比例關系。最后衡量充填效果的是充填區達到充分采動后的充填率kh與密實度kys的乘積，可定義為密實充填率，用kb表示，那么充填過程下沉量h2可表示為

其中，mc為煤層厚度?？梢?，在既定的煤層賦存條件下，h1和h2的值由式(2)和式(4)聯立確定，從主動控制的角度來說，h1以受支架控制為主，h2以受充填材料控制為主。

為滿足不同需求下的充填開采控制充填過程下沉的需要，采用細粒級高活性膠凝材料[37]，提高骨粒穿透性能，降低水化熱，提高膠凝材料與矸石的結合強度，使矸石基充填材料具有早強快硬、體積不縮、環保無害和物理性能穩定的特點，保證各種需求的充填效果，減少和避免充填過程下沉。

2.1.3 巖性特征下沉量控制

充填采場頂板及覆巖自下而上形成連續曲形梁，在連續曲形梁形成與發展的過程中，遠場覆巖經過空間運動達到新的平衡狀態，調整至平衡狀態的空間位移大小與其自身巖層特征、近場覆巖變形量及所形成的結構密切相關，沿走向方向符合負指數函數關系曲線[38]，可表示為

其中，hm為近場覆巖移動穩定后的位移量，穩定后hm=(h1+h2)；Z=x/L，x為以工作面位置為原點的走向距離為x處的位移量，L為近場覆巖基本穩定點離工作面的距離；a，b為隨巖層離煤層的距離以及巖性特點的不同而變化的系數。

從式(5)可以看出，h1和h2限制著h3的變形量，在充填過程中，頂板巖石雖然特性各異，只要液壓支架的支護狀態和充填效果足夠好，就能控制頂板的運移，進而控制巖石特征下沉。

2.2 生態環境保護充填控制

針對礦區各類生態元素的不同保護需求，統一規劃大面積充填布局，有選擇的確定保水、保土標準，達到隔水層有效控制、地表有序沉降目標。

分類確定生態保護層不同區域允許變形值

式中， [hGi] 、 [hTj]分別為水、土生態保護層對應的允許變形值；n為礦區內需要保護的水類系別(河流、湖泊、濕地、潛水、承壓水等)的數量，i為1,2,3， ···，n的遍歷取值；m為礦區內需要保護的土地類別(山地、林地、農田、草地、沙地等)數量，j為1,2,3， ···，m的遍歷取值。

通過分類別分區域確定生態保護層判據，統一協調井下開采和生態環境關系，合理安排采充工藝，對不同區域實施差異化充填，確定保護范圍和目標，有的放矢地進行充填。

2.3 地面建筑保護充填控制

根據礦區建筑物的保護等級，確定地表移動變形設防標準。在地下開采影響下，建筑物的變形與破壞是由于開采區上方及其周圍地表產生的移動與變形作用于建筑物的基礎，導致建筑物受到附加應力的作用而產生的。地表變形分為傾斜、曲率、水平變形，它們分別由下沉和水平移動導出。

采用充填開采保護地面建筑時需采用充填開采與沿充留巷組合充填工藝[39]，以確保形成大面積充分采動條件時地面受護建筑處于均勻下沉區域，從而將開采擾動對建筑物的影響降至最小。在充填開采過程中通過控制h1、h2、h3三個下沉值控制地表沉降變形，進而控制地表的動態傾斜、曲率、水平變形，聯立式(2)～(5)并求導得到式(8)～(10)，即

式中，hK為控制地表移動的關鍵層垂直位移量；[iK]為關鍵層傾斜變形允許值；r為主要影響半徑；[εK]為水平變形允許值；KK為目標巖層的容許曲率變形值。

由于對建筑物有直接影響的傾斜變形、曲率變形、水平變形分別是下沉函數的一階、二階導數以及二階相關導數，因此控制好h1、h2就能控制好h3，從而將地面建筑物變形指標控制在允許范圍內。

2.4 處置矸石優先充填控制

以處理矸石為優先原則時充填的目的為快速消納矸石，要求更快的充填速度、更高的充填效率，對充填質量和充填效果則要求不高，該充填模式下充填液壓支架需進行特殊設計，將密實推壓機構更改為擋矸機構，同時頂板管理由護頂模式改為切頂模式。

類似于垮落法開采工作面，按照頂板彎拉和剪切2 種破壞方式進行支架支護強度設計，即

其中，p為支架支護強度；A為支撐垮落巖層(直接頂)所必須的支護阻力，Pa；mB為基本頂的厚度，m；γB為基本頂容重，kN/m3；L0為基本頂初次斷裂步距或跨度，m；LK為控頂距，m。

其中，mH為可能整體切斷的巖層厚度，m；γH為可能整體切斷的巖層平均容重，kN/m3；LG為可能整體切斷的巖層極限跨度(或切斷步距)，m；ε為支柱的額定縮量；mz為直接頂厚度，KA為直接頂碎脹系數。

3 普適性固體改性充填開采方法

普適性大顆粒集矸充填開采是以加工量小、制備簡便、成本低的大顆粒矸石集料為基礎(矸石散體材料：矸石顆粒最大粒徑≤100 mm；類貧混凝改性材料：矸石顆粒最大粒徑≤40 mm；矸石混凝土材料：矸石顆粒最大粒徑≤40 mm)，通過研發多樣化的充填材料、適應不同需求的充填工藝、適應不同工況的充填裝備，形成普適性的、多樣性的、體系化的充填開采技術。以矸石固廢材料為基礎，將洗煤廠產出的矸石不加工或簡易加工后，直接或與輔助性物料制備成大顆粒矸石基充填材料，輸送方式可采用膠帶運輸機運輸或大直徑管道泵送，該類充填方法對充填材料的前期加工量小、加工設備少、工藝簡單、成本低，可根據不同充填需求采用不同的充填方法，保證預期充填效果，是一種源于矸石固體的適應于不同地域、不同礦區的普適性充填開采方法。

3.1 多樣化大顆粒集矸充填材料

以矸石固廢處置為目的的充填開采可采用大顆粒集矸直接作為充填材料，矸石顆粒最大粒徑控制為100 mm。但是以矸石為主要充填材料的散體物料，因為顆粒間無黏結性，沒有變形協調約束，具有明顯的流動性、壓硬性，在失去約束后，仍然表現出明顯的散體特征，充填后會產生滑落，松散度大、接頂困難。當以控制巖層為目的的保護性充填開采時，必須改變充填材料的散體特征，研究改性充填材料，提高充填質量和效果。

(1)類貧混凝改性材料。散狀固體改性材料，要具有良好的空隙填充能力和顆粒粘合作用，并使充填體經推實后短時間內實現自穩。同時，因為使用地點在地層深處，不能有任何污染物質，對地下水環境造成影響。利用無害化處理后的工業固廢(礦渣、鋼渣、脫硫石膏等)，研制高性能膠結材料，作為固體改性充填膠凝物，通過機械活化和添加高效激發劑，有效激活固廢潛在膠凝活性。將膠凝材料能和矸石料(矸石顆粒最大粒徑控制為40 mm)在地面完成干式制備，垂直投放或斜井運輸并轉載到工作面后按比例添加水份，充填后經加壓短時間進行水和反應，快速形成高強度充填體，改變了散狀固體的散體特性，具有抗壓能力，形成一種類貧混凝改性充填材料(圖5)，碾壓固化后單軸抗壓強度可達到5 MPa。

圖5 類貧混凝改性充填體試塊Fig.5 Lean cement of modified backfill test block

(2)矸石混凝土(矸石砼)充填材料。類貧混凝改性材料解決了矸石散體特征的問題，提高了充填效果，但仍然采用膠帶運輸的方式沒有改變，對于特殊地質條件和特殊需求的區域還是受到限制。

在改性充填材料基礎上改變各組分材料的配合比，仍采用40 mm 大顆粒矸石，經充分攪拌制成圖6所示的矸石砼充填材料，洗煤廠的矸石經簡易破碎后直接利用，避免了矸石前期大量加工，矸石砼料漿可以利用大顆?；炷凛斔捅眠h距離輸送，也可利用小型移動泵站工作面泵送，充入采空區后形成的矸石砼早強性能好，脫模時間可控制在2 h 以內，硬化后單軸抗壓強度能夠在5～15 MPa 間調節。創新性的矸石砼制備、輸送工藝及良好的力學性能，拓寬了矸石充填的適用范圍，提高了特殊環境下的充填適應性。

圖6 矸石混凝土(矸石砼)充填材料Fig.6 Gangue concrete filling material

3.2 適應不同需求的充填工藝

以煤矸石單獨或添加適量的粉煤灰、黃土作為充填材料的散狀固體充填工藝目前應用已經較為成熟，適用于矸石固廢處置為優先原則的充填開采。但是，當面臨巖層控制更為嚴格、充填材料力學性能要求更高或遇到特殊地質條件、工況條件時，需要在原有充填工藝基礎上進一步拓展，形成適應不同條件和需求的多元化充填工藝。

(1)類貧混凝改性充填工藝。改性材料充填要求矸石粒徑小于40 mm，嚴格控制充填物料配合比，制成的充填材料通過輸送運輸系統運至采空區進行連續充填作業，適用于以保護生態環境或保護地面建筑為優先原則的充填開采。圖7 為混合式改性充填技術的地面充填站布置示意圖，圖8 為類貧混凝改性充填工藝效果。該種充填工藝矸石前期加工也很少、噸矸成本低、井上下充填系統簡單、管理難度低，矸石處理能力大，地表控制能力強，有效避免了固體的散狀特性的影響。

圖7 類貧混凝改性技術地面充填站Fig.7 Ground filling station with modified solid backfilling technology

圖8 類貧混凝改性充填工藝效果Fig.8 Filling effect of modified backfilling material

(2)大顆粒矸石砼充填工藝。將洗選矸石粗破碎后配以適當比例的膠結材料，經充分攪拌制成矸石砼料漿，由大顆?；炷凛斔捅脤⒘蠞{泵送至充填作業區。這種充填材料最明顯的特征是大顆粒、高比率，前期加工少、成本低、生產能力大、制作工序簡便；相比改性固體材料，矸石砼材料均勻性更好、承載性能更高，利用大直徑管道泵送充填的工藝方式能夠適應于以保護地面建筑為優先原則且煤層條件為薄煤層的區域。圖9 為大顆粒矸石混凝土充填工藝。

圖9 大顆粒矸石混凝土充填工藝Fig.9 High concentration and large particle size gangue concrete filling diagram

(3)隨采移動式矸石砼充填工藝。當前我國山西、內蒙古地區井田面積大、工作面推進距離長，不可避免地產生了充填材料長距離輸送問題。長距離輸送為避免堵管而要求材料凝固速度慢，但是工作面高效充填要求材料凝固速度快，長距離輸送與材料凝固之間的矛盾極為突出，采用圖10、11 所示的“膠帶-管輸”隨采移動式充填泵站可有效的解決這一難題，一方面移動建站將管道運輸距離縮至最短，充填材料在管道中輸送時間短、堵管風險極大降低，凝結速度可以匹配工作面高效充填的快速凝結要求，兼顧了管輸流動性與脫模后快速成型，對礦井條件的適應性大大增強，同時管道沖洗也不再困難；另一方面，移動建站將大部分的輸送距離由管道輸送變為皮帶輸送，給生產管理帶來極大的便捷。該充填工藝適用于以保護地面建筑為優先原則、薄煤層且充填材料輸送距離的充填開采。

圖10 大顆粒矸石砼“帶式輸送-管道輸送”接力輸送充填布置Fig.10 “Belt - pipe transport” relay conveying and filling arrangement for large particle concrete

圖11 大顆粒矸石砼移動泵機組布置Fig.11 Mobile pump unit layout for large granular concrete

(4)區域性保護充填采煤工藝。目前充填開采在單一工作面或局部范圍成功應用，但是，當主動保護生態環境、大規模處置矸石固廢、高效回收建下壓煤并且還能取得良好的經濟效益時，僅靠小范圍充填難以實現，必須實施大面積規?；B續充填開采。

礦區大面積需要地面保護性開采時，如井田范圍內存在密集村莊、工業廠區、濕地保護區(圖12)等，要實施大面積規?；B續充填開采，要采用承載性能優良的充填材料，保證嚴格的充填質量和一致性，且必須實施留巷，取消區段煤柱帶來的不均勻沉降影響。

圖12 邢東礦井田范圍內保護對象賦存狀況Fig.12 Occurrence of protected objects in Xingdong mine field

根據礦區地質條件建立充填開采覆巖薄板力學模型，結合充填承載強度與巖層變形相互作用機理，按照地面建筑物變形等級要求研究上覆巖層的變形條件，確定大面積充填開采密實充填率，采用適合大面積充填開采的易成型、快承載的改性充填材料或矸石混凝土充填材料，強化充填材料推實裝置，根據充填判據建立自動化充填控制系統，確保每臺支架后部充填材料密實接頂(圖13)并達到設計強度，有目的的保護地面建筑物。

圖13 區域性保護充填密實接頂效果Fig.13 Regional protective filling and dense roof joint effect

(5)巷道充填開采工藝。針對小范圍“三下”壓煤、工廣煤柱、邊角煤、不規則塊段煤等不適合布置綜采工作面的煤炭資源，采用巷道充填方法，根據巖層控制需求選取合理的矸石基充填材料，實現矸石處置、巖層控制和呆滯資源回收的多重效益，相比綜采工作面充填開采，投資小、見效快、系統布置靈活簡便，適用原則為經濟效益優先。

根據礦井生產地質條件和充填需求，間隔掘進充填支巷，按照充填材料及輸送方式不同，有矸石固體巷道充填(圖14)和矸石混凝土巷道充填(圖15)2 種工藝可選擇。

圖14 固體巷道充填工藝Fig.14 Process diagram of continuous stoping and filling with solid material

圖15 矸石混凝土巷道充填工藝Fig.15 Process diagram of continuous stoping and filling with gangue concrete material

矸石固體巷道充填利用帶式輸送機輸送矸石充填材料，配合巷道密實充填機將充填材料充入巷道空間并推壓密實。矸石混凝土巷道充填利用泵送系統進行充填，待充填體滿足強度要求后，再將支巷間煤柱進行回收。巷道充填技術特點是投資小、見效快、生產管理簡單、采充互不干擾，與綜采充填相比能力低，但可回收不宜布置綜采工作面的不規則塊段資源。

(6)采選充留充填開采工藝。煤礦生產都是煤炭與矸石混合運輸提升，占用了有效的提升能力和分選能力。井下煤矸分選是指原煤及矸石進入煤倉之前在井下分選硐室將煤矸進行分選，以減少矸石等的無效運輸。井下小型化智能化X 射線和圖像識別的煤矸分選系統是將原煤篩選后的篩上物平鋪后，利用X射線對煤與矸石進行數字化識別，再通過高壓風將煤矸分開。井下分選硐室布置如圖16 所示。

圖16 井下分選硐室布置示意Fig.16 Underground selecting chamber layout diagram

研究了與長壁工作面充填工藝相匹配的機械化快速留巷工藝，利用充留協同作業專用留巷裝置，限制充填散體矸石的自由度，采用充-注作業工藝，工作面端部充填和注漿同步作業，完成松散充填體內高壓穩定注漿，保證充填體穩定成形、快速承載，沿充填體形成平整的巷道壁，實現快速高效沿充留巷與充填作業協同，如圖17 所示。

圖17 長壁工作面沿充留巷工藝Fig.17 Longwall face roadway retaining technology diagram

在我國當前生態文明建設與環境保護的大背景下，煤炭工業向綠色發展轉型的步伐逐漸加大[40-44]，將充填采煤與井下分選、無煤柱留巷、自動化控制相結合，形成“井下煤矸分選、就近充填、沿充留巷”生產模式[45](圖18)，是煤炭生產全過程的一項重大創新。采選充留充填開采工藝能夠同時實現生態環境保護、地面建筑保護、規?；肥虖U處置、顯著經濟效益等目標。

圖18 煤礦井下“采選充留”協同系統Fig.18 Integrated system of ‘mining, selecting, filling and retaining’ in coal mine

3.3 適應不同工況的充填裝備

(1)散體矸石充填液壓支架。大型生產礦井和新建礦井面臨著大量矸石固廢處置的問題，這類礦井的矸石充填開采需求以矸石處置為主，要求充填工作面充矸量大、推進速度快、不影響出煤量，而充填效果要求較低或無要求，為提高充矸效率，設計了如圖19 所示的散體矸石充填支架，支架設置隔離升降擋矸板，取消推實裝置，隨采隨充，可采用運輸機輸送，也可采用管道泵送，不影響采煤速度，可實現大規模處理矸石。

圖19 散體矸石充填支架Fig.19 Backfilling hydraulic support for disposal of bulk gangue

散體矸石充填支架后部擋矸機構設計簡便、靈活，不與后頂梁懸掛的底卸充填輸送機相互干涉，大大降低了矸石充填液壓支架的設計難度，對煤層高度、地質條件、礦井生產非均衡性適應能力很強，完全實現采煤-充填平行作業模式，極大地提高了充填作業效率。

(2)類貧混凝改性充填液壓支架。研制了適用于類貧混凝改性材料的充填液壓支架(圖20)，將類貧混凝改性材料利用膠帶運輸機運輸至工作面，借助刮板式充填輸送機、充填支架充入采空區，設計具有液壓激振器的后部推實機構，充填材料經推壓和振動夯實形成高強度充填體，大大提高了巖層控制能力。

圖20 適用于類貧混凝改性材料的充填液壓支架Fig.20 Backfilling hydraulic support suitable for of lean concrete modified material

(3)薄煤層充填液壓支架。薄煤層充填開采時由于液壓支架四連桿結構后部空間小，可視條件差，充填效果和充填質量控制受限，為此，專門設計了具備良好后視空間的垂直導柱液壓支架(圖21)，后頂梁可安裝運輸機或安設充填管道，接頂效果好。

圖21 薄煤層充填液壓支架Fig.21 Backfilling hydraulic support for thin coal seam

薄煤層固體充填液壓支架采用垂直導柱式設計，前后頂梁及導向柱三點合一鉸接在一起，導向柱分布在兩側，使中間完全解放，提供足夠大的可視空間，對于后部充填的操作更加安全。

(4)矸石混凝土(矸石砼)充填裝備。研制出了大顆粒、高濃度矸石混凝土充填工業泵(圖22)，優化了矸石砼泵送充填系統，為成分復雜的高含固充填物料提供安全可靠的遠距離輸送系統，可根據現場工況要求進行快速匹配設計，動力裝置與泵體工作部分為獨立部件，現場布置更加靈活。

圖22 大顆粒、高濃度矸石混凝土充填泵Fig.22 Gangue concrete filling pump for large particle and high concentration

根據矸石砼充填材料特點，設計了專用液壓支架(圖23)，支架后部采用可伸縮柵欄式護頂裝置，保證充填材料充分接頂。

圖23 矸石砼充填液壓支架Fig.23 Hydraulic support for gangue concrete filling

4 煤礦充填智能化控制

實現煤礦充填智能化需要先建立全面的數據感知系統，再通過空間規劃及充填效果判定來實現從單元到整體充填工作面的智能化過程，結合傳感器網絡和人工智能算法等技術，能夠實時監測和控制煤礦充填過程，確保充填的質量和效率。

4.1 煤礦充填智能感知系統

煤礦充填全面感知系統的主要任務是通過將充填工作面所有元素的空間位置關系、充填裝備姿態信息、充填效果判定信息等所有數據進行全面感知，將數據通過通信網絡集中到算力中心進行處理融合，建立數據分析的基礎，實現智能控制。煤礦充填智能化感知系統的感知對象和目標如圖24 所示，在整個感知系統里，感知系統可通過該感知系統的20 類傳感器，經過多源傳感器數據融合，得到充填體配料比、充填工作區域狀態、充填執行機構位姿狀態、充滿狀態等充填工作面狀態關鍵特征，輸入到控制決策系統中。

圖24 智能化充填感知系統的感知對象[46]Fig.24 Sensing objects of intelligent backfilling sensing system[46]

4.1.1 煤礦固體充填空間信息感知

通過激光雷達掃描待充空間(圖25，AP為矢量P處于坐標系A；BP為矢量P處于坐標B)，得到待充空間信息狀態的三維坐標點云數據，再通過對點云數據進行配準，提高數據的質量、逼真度和準確性，濾波去除一定程度的噪聲和離群點，最后通過處理、重建和擬合，生成待充空間的曲面模型。

圖25 待充空間信息狀態掃描Fig.25 Status scan of the space to be backfilled

點云處理是在三維立體掃描儀中，點云數據可能包含噪聲和離群點，這些點會影響后續處理和分析。為了去除這些點，可以采用點云濾波技術。采用高斯濾波方法對點云數據進行平滑處理。

點云重建是從點云數據中重建三維物體的過程。首先，輸入點云通過三維檢測器模塊在稀疏的三維場景中來產生包圍盒的參數，接著空間轉換器模塊過濾冗余包圍盒(負樣本)，并對包圍盒內的點進行聚合與對齊。最后，聚合的物體點云通過形狀生成模塊將其轉換至規范坐標系，再獨立的學習一個隱式的空間占用函數來重建形狀。

點云擬合是將點云數據擬合成一個二次或高次曲面模型，以便進行后續分析和處理的過程。選用最小二乘法將掃描的得到的三維空間曲面信息與充填空間模型相結合，可得到充填工作面的狀態信息，包括充填體距離，平整度，充填落料的曲面，范圍等，對接下來的目標分析路徑規劃做基礎。

將充填區域劃分為3 部分，即設備和充填體等障礙區、充填落料區和空白區，如圖26 所示。充填推壓板首先經過材料區，在考慮充填材料重力和內部應力變化情況下逐步向待充填區域移動，直至將充填材料壓實成穩定的充填體。

圖26 充填區域劃分Fig.26 Backfilling area division

隨著充填開采作業的不斷推進，充填支架在開采后進行移架動作，即充填區域。在空間建模中，對充填區與進行分層規劃。

4.1.2 煤礦矸石砼充填液面高度感知

對于矸石砼充填，主要根據充填環境來判斷充填注漿量，保證充填體得接頂，將充填漿體液面位置傳感器組裝在支架的頂板處，如圖27、28 所示。漫反射微型光電傳感器組的發射端與接收端都在同側，沒有監測到漿體時，光信號為斷開狀態，當注漿高度到達頂板高度時，發生漫反射使光電傳感器的光信號瞬間導通。

圖27 矸石砼充填液面監測Fig.27 Liquid level monitoring of gangue concrete filling

圖28 光電開關監測Fig.28 Photoelectric switch monitoring

4.2 煤礦智能化充填控制系統

4.2.1 充填支架位姿分析

要實現智能化和無人化的充填開采，需要感知充填支架與充填體的相對位置關系。井下環境存在許多限制因素，如有限的光照條件、復雜的地質結構和局部封閉空間等，這些因素使得大多數位姿感知方法難以感知精確的空間位置關系(圖29)。因此，利用感知系統的數據，計算出支架坐標系下的位移和速度以及傾角等位姿信息。

圖29 充填液壓支架坐標系布置Fig.29 Layout of coordinate system of filling hydraulic support

坐標系建立后進行姿態解算，將充填支架的姿態信息為3 個姿態角的數值，分別為俯仰角、橫滾角和偏航角。充填支架坐標系(B 系)相對地理坐標系(N 系)的位置即為姿態角。通過姿態算法可以由姿態矩陣求出監測部位的姿態角，同時姿態矩陣可以用來完成加速度坐標轉換，得到平臺坐標系下的加速度信號，進而求得機體的速度與位移，位置可通過速度積分求得

4.2.2 充填體的密實度模型

充填體的狀態模型能夠精確地描述充填支架過程中的充填體分布、密度和壓力等關鍵因素?；诔涮顮顟B模型，可以通過模擬和分析不同的充填方案，找到最優的充填策略。通過模擬和分析充填過程，可以根據充填體的狀態模型預測充填效果。

式中，di,j,k為充填體在位置(i,j,k)處的密實度；E為密度矩陣；n為將充填工作面劃在x、y、z三個方向分別劃分為n2、n3、n1等份。

內部壓力矩陣P為

式中，li,j,k為充填體在位置(i,j,k)處的距離。

4.2.3 充填材料與支架的相互作用模型

充填支架與充填材料的相互作用模型可以為構建系統模型提供重要的基礎和支持。這種相互作用模型可以描述充填過程中充填支架和充填材料的動態行為和相互作用，從而為系統模型提供輸入和邊界條件。通過建立相互作用模型，可以預測不同充填策略和操作條件下的充填效果，從而優化系統設計和操作。這可以幫助提高充填效率和質量。

其主要表現為不同作用力下充填材料的形變量:

式中，Δxijk表示第i行、第j列和第k層網格的形變量；Deform0 表示初始量；K為一個常數矩陣，表示材料的彈性常數；Fijk表示第i行、第j列和第k層網格受到的作用力。

可將充填工作面簡化為長方體，長、寬、高分別為L、W和H。將充填支架劃分為dx、dy、dz個網格，式中，dx、dy和dz為在x、y和z方向上的網格大小。

不同作用力下充填材料的內部壓力

式中，P0為初始內部壓力；R為一個常數，表示材料的流體彈性常數。

4.2.4 充填支架控制策略模型訓練

由于充填支架組的推壓過程是一個連續且大規模的動作過程，且存在擾動性強等問題，采用深度確定性策略梯度算法(Deep Deterministic Policy Gradient, 簡稱DDPG)，對于解決上述問題有獨特優勢，其算法流程如圖30 所示（圖中，Q為動作函數，Q(S，A，W)為DDPG 網絡結構中的動作值函數，用于分析在給定當前狀態S、動作A以及價值網絡的權重參數W的情況下的預期收益。R為當前狀態S執行動作A后所得到的即時獎勵；γ為折扣因子，介于0 和1 之間的值；W'為目標網絡的參數，用于增加訓練的穩定性；S'為下一步的狀態；A'為下一步的動作）。在充填過程中，充填工作面需要幾十或者上百臺充填支架的連續推壓，隨著液壓支架的移架，充填體也在不斷積累和推進。采用DDPG 算法可以有效地學習并優化這些連續動作，在推壓過程中不斷優化，實現更精確和有效的協同控制。對于充填環境中的強干擾問題，DDPG 算法通過優化價值網絡來逼近動作價值函數，并不斷優化策略網絡參數，使得輸出的動作在價值網絡中獲得更高的評分。這種機制使得DDPG 算法能夠學習并適應復雜環境中的不確定性擾動，適用于多充填支架組推壓機構的學習控制。

圖30 充填支架控制算法流程Fig.30 Control algorithm flow of filling support

針對充填工作面的一致性目標，設計基于DDPG算法的充填目標學習模型制定整個智能充填的預定策略。通過與環境的交互進行學習和優化。根據獎勵函數與學習網絡，設計充填一致性觀測器實現充填支架組件控制，實時調整充填一致性控制策略。

根據充填支架密實充填的DDPG 網絡結構，對充填支架組協同控制策略模型進行訓練。在訓練過程中，充填支架組協同控制策略模型會根據當前狀態和動作空間，通過Actor 網絡選擇最優的動作，并執行該動作。然后，環境會給出獎勵和新的狀態，Critic 網絡會根據新的狀態和當前狀態計算目標值，并根據目標值和實際值的差值計算策略損失，通過反向傳播更新Actor 網絡和Critic 網絡的參數。

當經驗回放池充足時，可以存儲足夠多的歷史經驗，從而增加算法的探索能力和數據利用率。充足的經驗回放池可以提供更豐富、更多樣的經驗樣本，有助于增強算法的泛化能力，提高控制的穩定性和準確性。

當經驗回放池不充足時，算法的學習可能會受到限制，需要支架的自適應控制方式占主導地位，根據當前環境出最佳的動作。隨著充填作業不斷進行，經驗不斷增加，根據經驗的控制方式逐漸增大對充填動作的影響。

通常，在當前網絡參數更新時，使用當前網絡進行計算和更新，實時地根據當前環境和經驗來更新策略，提高算法的適應性。目標網絡的參數通常是固定或緩慢更新的，通常用于提供一個穩定的目標值函數。目標網絡的作用是提供一個相對穩定的參考值，以穩定學習過程并提高算法的收斂性。

4.3 煤礦智能化協同控制系統

充填工作面是由多臺液壓支架共同作業，因此要保證充填工作面的一致性和穩定性，需要構建充填支架的協同控制架構，考慮和分析各充填支架之間的影響關系。

4.3.1 煤礦充填支架協同控制架構

集群式充填支架協同控制的作業模式，是傳統集中式和分布式的混合體系結構，適合于規模大、任務復雜的充填支架集群編隊系統。該體系結構包括地面監控站、主控充填支架和充填支架單元3 部分。地面站和主控充填支架組成上層結構，地面監控站對主控充填支架進行決策和控制，主控充填支架將小組執行任務信息反饋給地面監控站；主控充填支架和充填支架單元組成下層結構，充填支架單元間進行信息交互和分工合作，在主控充填支架指揮下執行多種任務。充填支架單元在執行任務過程中，實時收集環境信息，供主控充填支架決策。這種結構結合了集中式和分布式的優點，適用于規模大、任務復雜的集群編隊系統，是未來可用于實際執行任務的主要體系結構。

4.3.2 煤礦充填支架協同控制方法

為了提高充填效率和充填效果，通常是3～5 臺充填液壓支架作為一組同步充填作業，即分解為多個充填支架小組?？紤]充填支架之間的影響過程，對充填支架進行賦能，使其具備學習前者充填效果調整自身充填動作的能力，從而實現充填支架之間的協同控制。分析充填支架的動作狀態，對充填支架做一致性的調整和規劃，使充填體的充填質量和充填效果保持統一。利用充填支架分布式觀測器采集分析各充填支架的作業狀態(圖31)，采用一致性滑膜控制算法對充填支架壓實機構進行分布式優化控制。其目標是將速度控制、壓力控制和時間控制合并為一個控制器。通過對跟隨者充填姿態進行分析，與組內其他跟隨者的姿態進行比較，及時做出調整，從而實現充填的一致性。

圖31 充填支架分組分層控制架構Fig.31 Backfilling support group stratified control architecture

5 普適性充填開采技術體系的發展

我國首部綠色礦山建設行業標準—《非金屬行業綠色礦山建設規范》提出：在礦產資源開發全過程中，實施科學有序開采，對礦區及周邊生態環境擾動控制在可控范圍內，實行礦區環境生態化、開采方式科學化、資源利用高效化、管理信息數字化和礦區社區和諧化的礦山。綠色礦山建設已然成為我國煤炭工業發展的主題，充填開采作為綠色礦山建設的重要技術手段，在我國綠色礦山建設的遠景規劃中將扮演更加重要的角色，我國煤礦充填開采會有廣闊的發展前景。

(1) 主動充填建設煤礦立體生態礦山。把煤炭礦區的生態礦山建設向立體化發展，生態礦山的建設和生產同步進行，把地面生態環境原始狀態和井下煤層賦存狀況作為基礎條件，把對生態環境改善的愿景和開采設計結合起來，地面和井下統一布局、科學規劃，使井下煤炭生產和礦區的生態建設融為一體，利用充填技術對地面的建筑、水源等區域重點保護，規劃礦區所有區域、等級保護、沉降有序，充分利用資源再造生態環境，讓煤炭生產成為生態環境再造者。

(2) 構建普適性充填技術工藝體系，助力推廣充填開采。普適性技術是指所有煤礦都可以選擇使用的技術，都可以像綜采、綜掘那樣所有煤礦都可以得心應手地運用，不存在技術障礙，不再是技術攻關，成為煤礦生產的常規技術。充填開采的普適性就要使充填開采的推廣沒有煤礦規模限制，沒有地質條件限制，沒有煤層厚度限制，凡需要充填的煤礦都可采用充填技術，進一步完善充填開采技術，做到技術標準化、工藝規范化、裝備系列化，讓煤礦的技術人員易于掌握，推廣起來沒有難度。

(3) 研發新型固體充填材料。煤礦可利用的原煤矸石率約20%，煤礦的充填材料來源不足，導致煤礦充填開采規模不能滿足需求，嚴重阻礙了煤礦充填開采技術的大規模推廣應用。一是研發高效率、高質量、廉價、環保的新型充填材料，這是未來破解煤礦充填開采規?；透叱杀倦y題的重要環節；二是與礦區地表生態治理緊密結合，充分利用地域資源，山區、丘陵地區可利用荒山禿嶺廢石、河沙作為充填材料。按照生態治理的統一規劃，應用充填的方法進行生態治理；三是研發城市建筑垃圾作為充填材料，既解決城市高速發展過程中建筑垃圾帶來的困擾，又可以換取煤炭資源；四是利用相鄰金屬礦山尾礦進行充填，進行生態共建，金屬礦山的尾礦不僅量大，而且數量基本穩定，便于工業化利用。

(4) 向自動化智能化充填方向努力。充填開采技術控制點多、可變因素多，控制過程更為復雜，正因如此，加快推進充填開采的自動化、智能化進程，自適應地質條件變化，穩定充填質量，提升充填能力和效果顯得更為迫切。煤炭行業要盡快形成煤礦智能化建設技術規范與標準體系，一段時間內各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系，充填開采要緊跟時代的步伐，加快充填開采自動化和智能化發展速度。

普適性充填采煤技術已經形成理論、技術和裝備體系，可以適應大多數煤礦充填開采的需求，充填速度可和采煤速度同步，并且充填成本大幅度降低，如果計算井下選矸、沿空留巷、矸石處理和環境治理費用，經濟效果更顯著。同時已經實現了充填自動化，在充填工作面也能做到“有人巡查，無人值守”。普適性充填開采將會在煤礦綠色開采、生態環境保護、沉陷區治理和回收建下資源發揮更大的作用。

6 結 論

(1)基于充填開采主動保護理念，提出了以充填開采作為煤礦保護生態環境的調節工具。按照礦區地面環境和井上下水系保護要求，統一設計、統一規劃，全程地質動態分析，控制地表有序沉降，實現“全過程全息立體生態礦山”的生態開采目標。

(2)根據充填開采應用現狀，分析了煤炭企業對不同充填開采方式選擇的考量因素，以及影響充填開采技術推廣的制約因素，針對不同礦區地域分布特征和充填需求差異性，劃分了煤礦充填開采“保護生態環境”、“保護地面建筑”、“處置煤矸固廢”、“提高經濟效益”4 類優先原則。

(3)通過構建充填開采頂板限定變形力學模型，分析了影響巖層下沉量的因素，建立了生態環境保護、地面建筑保護和矸石固廢處置3 種充填工程模式下的工作面支護強度計算及覆巖變形控制方程。

(4)對煤礦大顆粒集矸改性材料普適性充填采煤技術進行了闡述，包括散狀原矸固體充填、類貧混凝改性充填、矸石混凝土充填等各類技術，詳細描述了材料制備、輸送、充填工藝及適應性充填裝備。

(5)為實現充填智能化控制，提出了建立全面的數據感知系統，通過空間規劃和充填效果判定建立從單元到整體的充填工作面智能化系統，結合傳感器網絡和人工智能算法實時監測和控制煤礦固體充填過程，以提高充填質量和充填效率。