張吉雄，張 強，周 楠，李 猛，黃 鵬，李百宜

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

富煤貧油少氣是我國的能源稟賦特征，決定了我國以煤炭為主的能源結構，煤炭為國民經濟發(fā)展提供了重要的基礎。以2021年度為例，全國原煤產量達41.3億t，創(chuàng)歷史新高，煤炭消費量占能源消費總量56%，預計到2025年煤炭仍占我國能源消費的50%左右，煤炭作為我國主體能源，仍將是我國國民經濟發(fā)展的重要支撐[1]。習近平總書記在黨的十九大報告中強調“推進資源全面節(jié)約和循環(huán)利用”，2021-09-13在考察國家能源集團榆林化工有限公司時的重要講話，進一步明確了“煤炭作為我國主體能源”的地位[2]；2022年全國兩會上，全國政協委員圍繞煤炭產業(yè)提出：建立煤礦彈性產能與彈性生產機制、“雙碳”目標下加強我國煤炭兜底保障能力建設[3]。2022-03-17國家能源局印發(fā)的《2022年能源工作指導意見》指出，要夯實能源供應保障基礎，加快能源綠色低碳轉型，增強能源供應鏈彈性和韌性[4]。“碳達峰、碳中和”背景下煤炭在保障國家能源安全中的地位和作用進一步明確，煤炭開采面臨能源安全保供、生態(tài)環(huán)境保護、降碳減排等諸多壓力，煤炭綠色低碳發(fā)展勢在必行。

黨的十九屆四中全會提出“實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度，全面建立資源高效利用制度”[5]，“十四五”規(guī)劃和遠景目標提出要“加強大宗固體廢棄物綜合利用”、“全面提高資源利用效率”[6]。國家發(fā)展和改革委員會先后印發(fā)《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》《關于開展大宗固體廢棄物綜合利用示范的通知》，指出在煤炭行業(yè)推廣“煤矸石井下充填+地面回填”，促進矸石減量；建立“梯級回收+生態(tài)修復+封存保護”體系，推動綠色礦山建設[7-9]。2022-04-02國家能源局、科學技術部發(fā)布關于印發(fā)《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》的通知，明確提出集中攻關固體廢棄物充填采煤技術，開展礦區(qū)典型大宗固廢資源化利用示范[10]；2022-06-10生態(tài)環(huán)境部等7部門印發(fā)《減污降碳協同增效實施方案》推進固廢污染防治協同控制，推動煤矸石、粉煤灰、尾礦、冶煉渣等工業(yè)固廢資源利用或替代建材生產原料，到2025年新增大宗固廢綜合利用率達到60%，存量大宗固廢有序減少[11]。由此可以看出，煤基固廢處置已成為制約煤炭綠色高效開采的關鍵環(huán)節(jié)。

煤基固廢充填開采技術是實現綠色低碳開采的重要代表性技術，在地表沉陷控制、生態(tài)環(huán)境保護、礦山固廢處置與利用、綠色低碳減排等方面最優(yōu)顯著的技術優(yōu)勢。煤基固廢充填開采技術實現煤炭安全開采的同時從源頭上解決了地表沉陷、地下水流失、瓦斯排放、土地占用損害等難題，同時也減少了運輸、提升等工序，節(jié)能降碳效益十分顯著。煤基固廢充填開采技術符合煤炭綠色智能開采和潔凈高效低碳利用行業(yè)主要攻關方向及新發(fā)展理念要求，順應“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略，有利于促進煤炭開采高質量化、環(huán)境低損傷化、綠色低碳化發(fā)展。

筆者系統闡述以綜合機械化固體充填為代表的煤基固廢充填開采技術研究進展，總結煤基固廢充填開采技術研發(fā)背景與發(fā)展歷程，介紹煤基固廢充填開采技術體系的研究現狀及煤基固廢充填開采巖層控制理論的最新研究進展，進一步闡述煤基固廢固體高效智能充填、井下嗣后注漿充填處置、深部充填采熱、煤基固廢充填井下碳封存等煤基固廢充填開采技術的主要發(fā)展方向，研究旨在促進煤炭綠色智能低碳高效開采。

1 煤基固廢充填開采技術研發(fā)背景與發(fā)展歷程

1.1 研發(fā)背景

煤炭開采伴隨的環(huán)境保護等問題一直持續(xù)存在。一方面，隨著煤礦開采強度的提高、煤炭資源分布不均導致我國多數煤礦面臨可采資源枯竭、“三下”壓煤儲量相對豐富的窘境，尤其是東部礦區(qū)；另一方面，煤炭開采造成大量矸石堆積在地面，既占用良田，又造成環(huán)境污染。同時，煤炭開采造成巖層移動破壞，引起瓦斯與水的運移，導致煤礦瓦斯事故與井下突水事故時有發(fā)生；造成地下水流失，使地下水位大幅度下降，導致礦區(qū)水源枯竭、地表植被破壞；使地表發(fā)生較大沉降，耕地、建筑設施等受到較為嚴重的損壞；其次，隨著淺層煤炭資源的不斷開采，礦井開采深度的不斷增加，礦山壓力顯現、沖擊礦壓等動力災害發(fā)生的頻率增加、強度增大，嚴重危及礦井的安全生產；再者，煤矸石、粉煤灰等煤基固廢的排放及處置問題越來越嚴峻，目前煤基固廢的綜合利用率不到53.1%。

要從根本上解決煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護、礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展等問題，實現煤炭資源綠色開采及科學采礦的理念，必須從根本上改變源頭開采方法。充填開采技術正是基于從源頭解決上述所述的各類工程問題而研發(fā)，并逐漸完善發(fā)展。

筆者所在團隊緊密結合行業(yè)需求、國家政策導向及科技發(fā)展的趨勢，針對我國煤炭資源的發(fā)展趨勢、生態(tài)環(huán)境保護理念、煤礦綠色智能化演化方向，歷經20余年產學研用聯合攻關，歷經5代技術的研發(fā)創(chuàng)新，由最初的拋矸充填技術、到綜合機械化矸石充填采煤技術[12-13]等矸石井下處理充填技術，以至高效綠色化的采充技術、采選充一體化技術[14-15]、采選充+X綠色化開采體系[16]，到最終形成現代綠色化的煤基固廢充填開采技術體系。在此期間，制定綜合機械化固體充填采煤技術要求國家標準1項[17]，能源行業(yè)標準8項[18-25]，于2015年出版專著《固體密實充填采煤方法與實踐》；2018年基于煤矸分選與井下就地充填的研究主題獲批國家重點研發(fā)計劃深地資源勘查開采重點專項立項，并于2021年經科技部驗收通過；2021年基于煤基固廢規(guī)?；幹门c利用主題獲批國家自然科學基金重點項目立項支持。2022年，我國多個研究團隊與礦山企業(yè)聯合攻關，在冀中能源股份有限公司邢東礦建成全國首個固體智能充填采煤工作面[26-27]，實現了煤基固廢充填開采技術的進一步升級。

1.2 發(fā)展歷程

以團隊研發(fā)固體充填開采、長壁膠結充填開采歷程為例，闡述具體發(fā)展歷程如下：

第1代，2002—2008年，該階段主要針對煤矸石大量地表排放帶來的十分嚴重的安全與環(huán)境問題，研發(fā)目標為矸石減排，研發(fā)了巷道及普采工作面的拋矸充填開采技術，并成功應用于山東許廠煤礦、山東泉溝煤礦、河北邢臺礦、山東興隆莊煤礦等。

第2代，2008—2012年，充填技術已不能滿足采煤工作面高生產效率的要求，該階段研發(fā)目標轉變?yōu)殚_發(fā)高效綠色化的采充技術。主要研發(fā)了綜合機械化固體充填開采技術、長壁逐巷膠結充填技術等，在安徽五溝煤礦、河南平煤十二礦、山東楊莊煤礦、山東花園煤礦、山東濟三煤礦、內蒙古公格營子礦等礦井建立了與現代化采煤系統相匹配的采充系統，并進行了工程實踐，有效推動了充填開采技術的發(fā)展。

第3代，2012—2016年，深部開采勢在必行，尤其在東部資源枯竭型礦區(qū)更加嚴重，該階段研發(fā)目標為煤礦充填開采面臨的深部開采及煤基固廢處置等問題。結合矸石井下分選及就地充填的工程需求，采選充一體化在綜合機械化充填采煤技術快速發(fā)展的基礎上從藍圖變成了現實，研發(fā)了采選充一體化系統、分選與充填一體化工程設計方法，并成功應用于我國河北唐山煤礦、山東翟鎮(zhèn)煤礦等，實現了矸石零排放和巖層移動地表沉陷有效控制的目標。

第4代，2016—2020年，采選充一體化技術不斷延伸至提高煤炭資源采出率的無煤柱沿空留巷、無保護層高瓦斯低滲透煤層的煤與瓦斯開采、堅硬頂板災害防控和水資源保護性開采等新的工程需求，初步構建了低生態(tài)環(huán)境損害的采選充+X綠色化開采體系，在我國山東新巨龍煤礦、河南平煤十二礦等礦井成功應用了采選充+留、采選充+抽等采選充+X技術。

第5代，2021年以來，智能高效以及功能性充填成為該階段的主要研發(fā)目標，充填開采技術自身智能升級，以及作為成熟的技術拓展用于地熱與煤炭資源協同開采、儲能、儲熱及二氧化碳封存等為典型代表的功能性充填方向，也即拓展至礦山采熱、CO2地質封存等技術領域，并進行了井下充填采熱的工程設計等。

煤基固廢充填開采技術發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 煤基固廢充填開采技術發(fā)展歷程Fig.1 Development history of coal based solid wastebackfilling mining technology

2 煤基固廢充填開采技術體系現狀

具體闡述綜合機械化固體充填、綜合機械化膏體充填、長壁逐巷膠結充填、覆巖隔離注漿充填及井下采選充+X等已基本形成體系的典型固廢充填技術發(fā)展現狀。

2.1 綜合機械化固體充填技術

經歷20余年研發(fā)創(chuàng)新，綜合機械化固體充填技術已經形成了較為成熟的生產系統布置方法、充填裝備及采充工藝，技術原理如圖2所示。

圖2 綜合機械化固體充填技術原理Fig.2 Solid backfill principle in fully-mechanized coal mining

綜合機械化固體充填開采的生產系統布置方法包括全采全充、全采局充等；充填裝備主要包括充填采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機及轉載機等[28-30]，其中充填采煤液壓支架從立柱數目、鉸接形式、四連桿類型、夯實機構類型等方面前后經歷了近10代結構更新與改進，多孔底卸式輸送機也經歷了SGB620/40(改)，SGZ630/132，SGZ730/132*2，SGBC730/250，SGZC800/200等多種機型改進，輸送能力逐步提升、結構形式更加緊湊合理；充填材料主要以矸石、粉煤灰等固體廢棄物為主，通過固體物料連續(xù)輸送系統投放輸送至井下，再經過帶式輸送機運輸至充填采煤工作面，借助多孔底卸式輸送機、充填采煤液壓支架等設備實現采空區(qū)充填與夯實[31-32]；常采用“采一充一”工序，充填采煤液壓支架的夯實機構可實現不同角度夯實充填物料，以達到散體材料密實充填的效果[32]。

綜合機械化固體充填技術通常適用的采礦地質條件：頂板堅硬且完整、煤層厚度2～5 m，煤層傾角為近水平或者緩傾斜；其充填系統能力為100萬～150萬t/a。

綜合機械化固體充填技術經歷了最初的原矸回填、致密充填防止地表沉陷到規(guī)?；幹妹夯虖U達到礦山生態(tài)環(huán)境低損害開采的內涵轉變過程，該技術不僅用于解放“三下”壓煤資源，同時也可從開采源頭降低對環(huán)境的損害[33]。

基于智能化開采[34]、智慧礦山建設等發(fā)展趨勢，綜合機械化固體充填技術下一步研究重點：超大功率及智能化充填裝備、采充完全自主平行作業(yè)工藝、大采長大采高放頂煤充填技術、以充填體為儲熱儲能材料等的功能性充填、匹配千萬噸超大井型煤基固廢的高效處置技術等。

2.2 綜合機械化膏體充填技術

綜合機械化膏體充填技術[35-36]是將煤矸石、粉煤灰等固廢制備成膠結性或非膠結性膏狀漿液，利用充填泵或自溜通過管路輸送到井下充填采空區(qū)，以膏體充填體為主要支撐結構控制巖層移動[37]、地表沉陷、保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的開采方法，其技術原理及系統布置如圖3所示。

綜合機械化膏體充填采用整體式充填采煤液壓支架，先進行采煤，采煤之后對液壓支架后方采空區(qū)進行膏體充填，待膏體充填料漿凝固之后再進行下一循環(huán)的采煤作業(yè)，同時對采空區(qū)后方的膏體充填體利用塑料布進行隔離，每一個循環(huán)形成獨立的充填區(qū)，然后再進行膏體充填作業(yè)。

從我國第1個膏體充填示范礦井太平煤礦試驗起，綜合機械化膏體充填技術作為控制巖層移動及地表沉陷的新途徑在我國開始推廣應用，充實率可達90%以上，適用范圍廣，對礦井生產系統影響較小，可以有效處理粉煤灰、煤矸石等固廢，保護環(huán)境，減少地下水流失等。近年來，通過對膏體充填開采的圍巖運移破壞規(guī)律、地表沉陷影響因素及支架-圍巖-充填體關系等深入系統的研究，研發(fā)了膏體充填支架等多種關鍵設備，促進了膏體充填技術在我國煤礦的廣泛應用和發(fā)展。

綜合機械化膏體充填技術下一步研究重點：研制高效智能采煤與充填快速隔離膏體充填液壓支架；開發(fā)高強度、快速凝固的新型膏體充填材料；創(chuàng)新采煤與充填快速隔離新工藝；發(fā)展基于降溫、應力感知等功能性充填材料的功能性充填新方法等。

2.3 長壁逐巷膠結充填技術

長壁逐巷膠結充填技術[38]是利用長壁采煤法的生產系統，采用綜掘機或連采機等破煤，通過施工運輸平巷和回風平巷之間的聯絡巷進行煤炭開采，利用膠結材料充填聯絡巷的充填開采技術。為了保證煤炭安全高效開采，在充填聯絡巷同時掘進另外一條聯絡巷，實現工作面“掘巷出煤、巷內充填、采充并行”循環(huán)作業(yè)工序，其技術原理與系統布置如圖4所示。

圖4 長壁逐巷膠結充填采煤技術原理與系統布置Fig.4 Principle and system layout of longwall roadway by roadway cemented backfilling mining technology

長壁逐巷膠結充填技術起源于國家“十二五”科技支撐計劃課題“采掘充采機械化膠結充填采煤關鍵技術與裝備”，成功解決了示范礦井公格營子煤礦含水層下特厚煤層開采難題，因該技術具有生產系統簡單、工作面布置靈活、充實率高等優(yōu)點，膏體凝固時間與開采時間協調、膏體充填與煤炭開采空間協調，采充時空分離，可以連續(xù)出煤，在邊角煤開采、遺留煤柱回收、保水開采、特厚煤層開采等方面得到了廣泛應用。在推廣應用與發(fā)展過程中，該項技術也被稱為連采連充技術[39-41]。

采煤裝備主要為綜掘機、連采機、掘錨一體機等，運輸設備主要為帶式輸送機、刮板輸送機、梭車等，采運裝備協同作業(yè)保障了充填開采效率，其中基于掘錨一體技術、掘進導航、遠程集控等技術的智能快掘關鍵技術的發(fā)展，有效地支撐了長壁逐巷膠結充填效率的提升。

長壁逐巷膠結充填技術是近年來煤礦應用較為廣泛的綠色充填采煤技術，其系統布置、采運工藝裝備等方面發(fā)展迅速。基于不同的煤層賦存條件，工作面系統布置形式有單層逐巷，適用于特厚煤層的分層逐巷及遺留煤柱的旺格維利法開采等。

基于智慧礦山建設的需求及智能快掘技術的發(fā)展，長壁逐巷膠結充填技術下一步研究重點：物料調度、自動計量給料及攪拌過程可視化的充填材料智能制備系統開發(fā)；煤矸石等煤基固廢充填材料遠距離連續(xù)高效輸送技術與裝備創(chuàng)新；研發(fā)基于掘錨一體技術、掘進導航、遠程集控等技術的智能快掘技術等，以期提升長壁逐巷膠結充填效率及智能化水平。

2.4 覆巖隔離注漿充填技術

覆巖隔離注漿充填技術[42-44]是利用巖層移動過程中關鍵巖層下方形成的離層空隙，從地面布置鉆孔將煤基固廢料漿通過充填泵注入離層空間，從而減緩上覆巖層移動變形，達到處置矸石與控制地表的雙重目標，其技術原理如圖5所示。

圖5 覆巖隔離注漿充填技術思路Fig.5 Overlying rock isolation slurry filling technology idea

煤基固廢充填材料高效制備與輸送是覆巖隔離注漿充填技術成功實施的關鍵，其制備工藝包括煤基固廢破碎、稱量配料以及攪拌制漿等；輸送工藝包括輸送動力、管路布置以及注漿工藝等。煤基固廢高效制備所需的關鍵設備主要包括振動給料機、帶式輸送機、顎式破碎機、對輥制砂機、配料機、球磨機、攪拌機等[45]，煤基固廢料漿高效輸送的關鍵設備則主要包括工業(yè)泵、輸送管道等。通過煤基固廢充填材料制備輸送管控平臺的實時監(jiān)測與智能調控，確保設備運行、漿液制備、管道輸送、注漿充填協調進行。

覆巖隔離注漿充填技術具有地面注漿與井下采煤同步實施、相互干擾小的突出優(yōu)勢，適用于開采區(qū)域具有一定基巖厚度的煤層。

結合綠色礦山建設的發(fā)展趨勢，覆巖隔離注漿充填技術下一步研究重點：覆巖離層空間精準探測技術、煤基固廢智能制備與輸送集控系統、長距離煤基固廢料漿穩(wěn)定輸送技術、覆巖隔離注漿固廢處置與巖層控制監(jiān)控技術等。

2.5 井下采選充+X技術

采選充+X[16]技術由本團隊研發(fā)提出，采選充指實現少矸開采、煤矸分選與矸石充填一體化，其中煤矸分選可在淺槽重介、動篩跳汰、TDS光電等分選技術中優(yōu)選；矸石充填可在固體、膏體、膠結等充填技術中優(yōu)選；而X既可以是一種具體技術或工藝，如：充填面的沿空留巷、工作面降溫、防塵等；也可以是一種基于采選充技術實現的目標，如動力災害防治、圍巖變形控制、地表沉陷減小、煤柱失穩(wěn)控制等；還可以是對采選充整體或部分系統智能化程度的提高，如緊湊型模塊化分選、智能化充填等。X為技術或工藝時，則采選充+X可具體表達為：采選充+留、采選充+抽等；X為希望實現的目標時，則采選充+X可具體表達為：采選充+控、采選充+保、采選充+防等；X為系統智能化程度提高時，則采選充+X可具體表達為：精準高效智能化采選充。

目前已形成采選充+控、采選充+留、采選充+抽、采選充+防、采選充+保等多種形式的采選充+X技術，在井下進行煤炭開采、煤矸分選、矸石就地充填的同時，一并實現與工程需求所對應的地表沉陷控制、堅硬頂板控制、采場礦壓控制、生態(tài)環(huán)境保護、資源高效回收、伴生資源共采、頂板災害防治、隔水巖層控制、礦區(qū)固廢處理及礦井產能提升等多重目標。井下采選充+X生產系統示意如圖6所示。

圖6 井下采選充+X 生產系統示意Fig.6 Schematic diagram of Production systemin mining-dressing-backfilling and X technology

采選充+X的技術優(yōu)勢主要體現為：① 完全實現矸石零排放；② 選擇性控制巖層位態(tài)；③ 采選充+X技術形式多樣；④ 可實現多重目標的科學組合；⑤ 形成井下高度集約的生產模式。

采選充+X技術在深部礦井開采、優(yōu)質煤炭產能提升、綜合回收率提高、煤基固廢規(guī)模化處置、災害防控等方面具有顯著的技術優(yōu)勢。

采選充+X技術下一步研究重點：原創(chuàng)性少矸化開采技術研發(fā)；X技術的拓展；超大斷面分選硐室快速施工與穩(wěn)定性控制；分選下限及分選能力的提升；高效充填技術研發(fā)及采選充+X一體化系統的集成智能控制等。

3 煤基固廢充填開采巖層控制理論進展

從充填材料壓縮特性及本構模型、充填開采關鍵巖層控制理論、充填開采地表變形控制理論3個方面闡述煤基固廢充填開采巖層控制理論進展。

3.1 充填材料壓縮特性及本構模型

當充填材料被充填入采空區(qū)后，其將在上覆巖層壓力作用下逐漸被壓縮，并在上覆巖層壓力穩(wěn)定后，進一步發(fā)生蠕變壓縮變形，最終成為支撐上覆巖層的主要承載體。因此，充填材料壓縮特性是決定充填工作面充填效果的關鍵所在。目前針對充填材料壓縮特性，主要采用自主研發(fā)的全尺寸充填材料壓縮特性測試裝置，包括壓實鋼筒、雙向加載試驗系統及壓實系統模擬實驗平臺等，如圖7所示，測試得到了充填材料瞬時與蠕變壓縮特性[46-47]，建立了充填材料巖性、粒徑級配、側向應力與側壓次數等主控因素與壓縮變形的關系，揭示了充填材料壓縮變形演化機理。

圖7 全尺寸充填材料壓縮特性測試裝置Fig.7 Full-scale testing device of compression properties of backfilling materials

同時，本構模型是描述充填材料壓縮特性的數學表達式，直接反映充填材料壓縮過程中的應力-應變關系，建立充填材料本構模型變得尤為重要。

圖8 部分充填材料本構模型示意Fig.8 Partial constitutive model of backfilling materials

依據建立的充填材料本構模型，實現了充填材料壓縮變形的準確預計，并可分析得到充填材料壓縮過程中的非線性變形、應變硬化等特征，同時，將本構模型二次開發(fā)后內嵌入FLAC3D等數值軟件，從而可為充填開采采場礦壓、巖層移動控制及地表沉陷預計提供理論基礎。

隨著煤炭開采條件日益嚴峻(地應力、滲透壓、地溫及開采擾動等)，采空區(qū)充填體所處的環(huán)境更加復雜，通常受到應力場、滲流場、化學場及溫度場等多場耦合作用，在多場耦合作用下充填材料壓縮過程將呈現出更加復雜的力學特征，因此，下一步亟需研發(fā)充填材料多場耦合試驗系統，研究多場耦合作用下充填材料壓縮變形特性，構建多場耦合作用下充填材料壓縮本構模型，以實現深部圍巖環(huán)境影響下充填材料承載性能調控。

3.2 充填開采關鍵巖層控制理論

隨著充填開采技術的發(fā)展，已形成了較為完善的充填開采巖層運動控制理論。在固體充填開采巖層移動預計方面，主要有等價采高模型[51]等；在研究關鍵巖層彎曲變形規(guī)律方面，主要有關鍵層控制理論[52]等；在分析基本頂運動規(guī)律及判定其是否發(fā)生破斷，主要以基本頂彈性地基理論為主[53]等；在研究充填材料、支架、煤體與頂板相互作用關系方面，主要以煤體-支架-充填體“三位一體”協同控頂理論為主[54]等；在分析充填體流變特征下頂板時效變形特征方面，主要以充填體-頂板動態(tài)響應理論為主[55]等。具體各個充填開采巖層控制理論如圖9所示。

圖9 充填開采巖層控制理論Fig.9 Rock formation control theory in backfill mining

隨著深部充填開采、覆巖離層注漿充填、隔水關鍵層下充填等技術發(fā)展，充填開采關鍵巖層控制理論下一步研究重點：深部充填開采巖層運動理論，不同采礦地質條件巖層運動精準控制理論、充填材料多場耦合條件下關鍵巖層的時效變形理論模型、充填開采隔水關鍵層理論模型等。

3.3 充填開采地表變形控制理論

充填開采能夠顯著減小地表變形，但不同充填效果對地表變形的控制程度不同，需要建立充填開采地表變形的預計模型，形成充填開采地表變形控制理論。目前對于充填開采地表變形控制，主要建立了基于充填開采等價采高[56]的概率積分法、充填開采地表變形連續(xù)介質力學法[57]，實現了對充填開采地表變形的準確預計及控制。

基于充填開采等價采高的概率積分法是將充填開采工作面實際采高減去采空區(qū)固體充填體壓實后的高度視為等價采高，在等價采高確定后，根據充填開采覆巖移動變形基本特征，分析得到下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切、拐點偏移距和主要影響傳播角等預計參數，最后利用概率積分法預計得到充填開采地表變形情況。

充填開采地表變形連續(xù)介質力學法是以連續(xù)介質力學理論為基礎，建立充填開采地表移動的力學模型，主要將巖層視為梁模型、層合板模型，如圖10所示(其中，z為巖層內任意水平；δ0為邊界角；H1為巖梁距離地表深度；H0為煤層埋深；L為1/2工作面長度；q0為上覆巖層載荷；S1，Sk，Sn分別為第1，k，n層巖層厚度)，推導出梁或板的撓度方程，進而分析得到充填開采地表變形情況。

圖10 充填開采地表變形連續(xù)介質力學模型Fig.10 Mechanical model of surface deformation continuum for backfill mining

4 煤基固廢充填開采技術發(fā)展方向

基于煤基固廢充填開采技術體系現狀中5項具體充填技術的研究重點，結合充填開采巖層控制理論，鑒于充填技術利用井下采動空間、處置煤基固廢、充填材料多源利用途徑等顯著技術特征，在產業(yè)智能化升級、煤基固廢規(guī)?；幹门c資源化利用、深部開采、“雙碳”戰(zhàn)略等新的需求與形勢下，煤基固廢充填開采技術也需進一步在方法、裝備及工藝方面進行升級，以及在碳封存、功能性充填等方面發(fā)揮更加積極的作用。

4.1 煤基固廢固體智能高效充填采煤技術

我國煤基固廢處置需求日益旺盛，且行業(yè)智能化建設進程推進的如火如荼，對充填開采的固廢處理能力、回采工效、單工作面產能等提出了新的要求，尤其針對西部大型礦井煤炭開采速度快、矸石排放量巨大、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、地表保護等級要求低、密實充填開采方法產能不足等新的工程背景與需求，充填開采的智能高效升級尤為迫切。

煤基固廢固體充填采煤技術實現智能化，其主要技術思路是基于設備的智能特性，智能感知工藝參數、自主調整機構狀態(tài)、自動執(zhí)行充填工序、自行判斷充填效果及實時可視充填場所，實現礦井生產高效化、采充系統集成化、設備運行自動化、生產工藝自主化、勞動組織少人化、巖層控制精準化、固廢處置規(guī)?；闹悄艹涮铋_采技術[26]，其技術思路如圖11所示。

圖11 煤基固廢固體智能充填采煤技術原理Fig.11 Principle diagram of intelligent backfill mining technology for coal-based solid waste

該技術符合我國能源產業(yè)數字化智能化升級重大需求，也是解決傳統充填礦井效率與效益較低的重要途徑。目前固體充填技術的智能化屬于初級階段，為實現煤基固廢固體智能充填采煤技術升級優(yōu)化，需要從智能充填自驅工藝設計、充填裝備工況感知方法、機構位態(tài)自主識別方法、采充平行聯動銜接機制、智能充填成套裝備與系統研發(fā)等方面進行研究，為煤基固廢充填開采技術智能化升級換代提供理論與技術指導。

煤基固廢固體充填采煤技術實現高效化，還需解決大流量物料輸送、超大型礦井井下物流協調運輸、超大采高超長工作面以及高效采充協調作業(yè)等關鍵技術問題，研發(fā)大流量超耐磨垂直投料設備，開發(fā)投料運輸智能流量監(jiān)控系統，研發(fā)大功率高強耐磨充填設備，優(yōu)化采充工藝等，為我國大型礦山矸石規(guī)?；幹锰峁├碚撆c技術指導。

4.2 煤基固廢井下嗣后注漿充填處置技術

隨著我國礦山固廢處置與利用形勢日趨嚴重，利用煤層開采后上覆巖層產生非壓實嗣后空間進行矸石井下處置展現出了良好前景。煤基固廢井下嗣后注漿充填處置技術是將煤基固廢材料破碎后按照一定粒徑級配加水制成料漿，通過充填泵與充填管路等設備，輸送至煤層開采后形成的嗣后空間內，實現矸石井下規(guī)模化處置的技術，其技術思路如圖12所示。其中嗣后空間是指煤層開采后圍巖中形成空隙和裂隙空間的總稱，包含垮落帶、裂隙帶以及離層區(qū)在內的非壓實區(qū)域，具有分布廣大、空間多等特點。

圖12 煤基固廢井下固廢注漿充填處置技術思路Fig.12 Coal-based solid waste underground solid waste slurry filling and disposal technology idea

為實現井下嗣后空間煤基固廢的注漿充填，需要從煤基固廢注漿材料、料漿高效制備輸送、注漿鉆孔布局等關鍵工程參數設計、煤基固廢注漿效果監(jiān)控等方面進行研究，探討非均質料漿流動性穩(wěn)態(tài)控制機理、嗣后空間空隙結構特征及時空演化規(guī)律、嗣后空間料漿遷移擴散規(guī)律、嗣后空間注漿充填巖層控制機理等關鍵理論，研制毫米級注漿充填材料，研發(fā)料漿高效制備與輸送、注漿鉆孔布局及時效控制、注漿充填效果智能監(jiān)控等關鍵技術，以期為我國礦山煤基固廢規(guī)?；幹锰峁├碚撆c技術指導。

4.3 煤基固廢深部充填采熱技術

深部煤炭資源開采是保障我國能源穩(wěn)定供給的主要途徑，圍巖溫度隨著開采深度的增加逐漸升高，大量的地熱能從圍巖中連續(xù)不斷地迸發(fā)而出。因此，如何實現深部礦山地熱能與煤炭資源協同開采，即在資源勘探、儲量評估、開拓系統布置、開采方法選擇及采后空間維護等方面，將深部地熱與煤炭資源統籌規(guī)劃與開發(fā)，從而達到地熱與煤炭資源統籌開發(fā)利用的目的，對于促進礦山轉型升級、助力“雙碳”目標的實現具有重要意義。

煤基固廢深部充填采熱技術是在充填材料控制巖層移動保障深部煤炭資源安全開采的基礎上，充分開發(fā)充填材料的導熱性能使其成為深部圍巖中地熱資源的高效傳導介質，并利用布置在充填材料內部的熱能提取系統實現深部地熱資源的開發(fā)，其技術原理如圖13所示。

圖13 煤基固廢深部充填采熱技術原理示意Fig.13 Schematic diagram of coal-based solid waste deep filling heat mining technology

深部礦山地熱資源的高效提取是煤基固廢深部充填采熱技術的重要目標，因此需重點研究深部礦山地熱源分布特征及補給規(guī)律，揭示熱能提取管內取熱介質-充填體-圍巖熱量傳遞與演化規(guī)律，研發(fā)高導熱性能的煤基固廢充填材料，優(yōu)化充填體內熱能提取管路布局，進而形成煤基固廢深部充填協同地熱開發(fā)技術體系?；谏畈抠Y源開采熱環(huán)境的現實境遇以及可再生清潔能源的開發(fā)需求，煤基固廢深部充填采熱技術作為深部煤炭資源與地熱資源協同開發(fā)的新途徑，是煤炭行業(yè)低碳化發(fā)展的有效路徑，在國家“雙碳”戰(zhàn)略的時代背景下具有廣闊的發(fā)展與應用前景。

4.4 煤基固廢充填井下碳封存技術

在我國大力支持礦山固廢資源化利用和快速邁進雙碳目標的戰(zhàn)略背景下，以“改性煤基固廢為固碳材料、利用采空區(qū)為封碳空間”理念而構建的煤基固廢充填井下碳封存[58-59]技術，展現了大量處置固廢材料、充分利用采空區(qū)空間、有效封存CO2等優(yōu)點，具有良好發(fā)展及應用前景。煤基固廢充填井下碳封存技術首先將煤基固廢材料改性制備為具有高活性的固碳型充填材料，然后將固碳型充填材料充填入井下采空區(qū)，使其在采空區(qū)內與人為注入的高濃度CO2進行吸附、碳化等作用，最終完成井下碳封存目標，其技術思路如圖14所示。充填入采空區(qū)的煤基固廢固碳型充填材料在完成物理、化學固碳作用的同時，弱化了采礦活動對上覆巖層的擾動，保障了巖層的穩(wěn)定性，為物理吸附和構造封閉CO2提供了空間和可行條件，增強了井下碳封存的安全性。

圖14 煤基固廢充填井下碳封存工藝Fig.14 Coal-based solid waste filling underground carbon sequestration process diagram

為實現煤基固廢充填井下碳封存目標，需重點研究煤基固廢材料在不同改性手段下的固碳能力變化規(guī)律、揭示煤基固廢材料固碳機制、研發(fā)具備優(yōu)異固碳能力的煤基固廢材料、設計井下碳封存系統及工藝流程、探究碳地質封存作用影響CO2充填儲層及圍巖力學穩(wěn)定性規(guī)律、揭示煤基固廢充填儲層CO2運移規(guī)律、分析煤基固廢充填井下碳封存潛力與環(huán)境效應。以期形成煤基固廢充填材料井下碳封存理論與技術體系，為井下高效、巨量、安全碳封存目標的實現提供理論與技術依據，推動礦業(yè)發(fā)展的綠色低碳轉型，助力行業(yè)實現“雙碳”目標。

4.5 煤基固廢功能材料井下利用技術

礦井開采過程中需要利用混凝土等材料實現路基硬化、巷道支護，針對煤炭開采中可能存在的突水、自燃、粉塵等危害，還需要利用漿液、泡沫等材料實現有效防治，這些材料需求量大、成本高、輸送距離遠。利用煤基固廢制備井下利用的功能材料，具有就地取材、經濟合理、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。以煤基固廢為主要原材料，通過物理化學改性、配合使用添加劑研發(fā)功能材料，服務于礦井建設與安全開采的多元需求，是煤基固廢材料發(fā)展的重要方向。礦用煤基固廢功能材料如圖15所示。

圖15 礦用煤基固廢功能材料Fig.15 Functional materials utilizing coal-based solid waste for mining applications

在礦井建設及開采過程中，可采用矸石作為骨料或粉體填料，研發(fā)用于井上下道路鋪設的材料，為礦井筑路提供路面基層材料；采用矸石、粉煤灰，并添加玻璃纖維及其他材料等配制噴漿材料，可替代混凝土用于巷道表面噴漿支護。

利用矸石、粉煤灰、黏土水泥等研發(fā)配制速凝、防滲、易擴散的防水材料，可用于含水層注漿封堵或加固；利用矸石、粉煤灰，添加阻化劑等研發(fā)復合漿液或泡沫等防滅火材料，通過噴涂、灌漿等方式對煤體進行立體覆蓋，使煤體與空氣隔絕、減緩氧化反應，同時防止熱量積聚、控制區(qū)域溫度，從而防治煤炭自燃或者井下滅火；利用粉煤灰、表面活性劑經改性、復配得到潤濕性強、穩(wěn)定性高的泡沫溶膠材料，通過噴灑的方式與粉塵結合，實現良好的降塵、抑塵效果。

為實現煤基固廢功能材料的綠色高效井下利用，需要圍繞材料研發(fā)及性能優(yōu)化、制備輸送及利用、材料與環(huán)境交互作用、利用效果監(jiān)控評價等方面開展研究，通過充分考慮應用場景的水文地質和工程條件，明確材料的功能需求及性能指標關鍵參數，研究材料的功能化方法與形成機理，基于主控因子及影響規(guī)律提出材料工作性能的調控方法，發(fā)展材料連續(xù)高效制備、輸送與利用的關鍵技術，分析材料與圍巖、地下水等環(huán)境因素的交互作用及其控制機制，構建材料井下利用效果的監(jiān)控與評價系統，以期為煤基固廢功能材料研發(fā)與井下利用提供理論與技術支撐。

5 結 論

(1)煤炭資源長時間內在國民經濟中起壓艙石、兜底及戰(zhàn)略保障作用。煤基固廢處置及煤基固廢充填開采技術面臨產業(yè)智能化升級、規(guī)模化處置煤基固廢、深部開采、“雙碳”戰(zhàn)略及煤基固廢資源化利用等全新的機遇與挑戰(zhàn)，深入開展煤基固廢充填開采中的理論與技術研究迫在眉睫。

(2)綜合機械化固體充填、膏體充填、長壁逐巷膠結充填、覆巖隔離注漿充填及井下采選充+X等充填技術已基本形成體系，為“三下”開采、條帶煤柱回收、煤基固廢井下處置提供了比較全面的技術途徑；對應的充填開采巖層控制理論也已形成初步框架體系，但在深部充填開采巖層運動與地表變形控制理論，不同采礦地質條件巖層運動精準控制、充填材料多場耦合條件下關鍵巖層的時效變形理論模型、充填開采隔水關鍵層理論模型方面，還需繼續(xù)深入研究。

(3)煤基固廢充填開采技術的高效化、規(guī)模化、智能化，以及其作為基本方法在煤及伴生資源共采、碳封存等新領域中的拓展應用，是當前研究的重點與熱點，主要發(fā)展方向包括但不限于：煤基固廢固體高效智能充填、井下嗣后注漿充填處置、深部充填采熱、煤基固廢充填井下碳封存、煤基固廢功能材料井下利用等關鍵技術，構建系統化的煤基固廢充填開采理論與技術體系。

致謝論文得到原山東新巨龍能源有限責任公司、開灤(集團)有限責任公司唐山礦業(yè)分公司、平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦、冀中能源股份有限公司邢東礦、濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦等合作單位，以及參考文獻所列全部作者的大力支持，在此一并表示感謝！