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固体充填采煤技术 [16-24] 是近年来在中国不断推广和应用的主要煤炭绿色开采技术。该技术不仅在解放“三下”煤炭资源、控制地表沉陷方面具有显著的效果 [25-26] ，同时该技术可处理地表大量矸石固体废弃物、保护矿区生态环境。目前综合机械化固体充填采煤技术已在我国平顶山、济宁、淮北、皖北、开滦等矿区成功推广应用。
充填采煤是将井下或地面堆积的矸石、粉煤灰、砂石等物料充填入采空区，达到处理废弃物、控制岩层移动及地表沉陷等目的。根据充填量、充填位置、充填动力和充填材料等，可将充填采煤不同方法进行分类，具体分类结果如图1.2所示。
图1.2 充填采煤方法分类框图
关于矿山充填开采技术的研究与应用已经有近百年的历史，人们最初实施充填开采的目的仅仅是处理矿山开采过程中产生的废石等固体废弃物，1915年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔和北莱尔矿将充填开采列入矿井生产计划，利用矿井排出的废石充填矿房 [27] ，成为最早有规划充填开采的矿井。近60年来，充填开采技术在国内外金属矿山与非金属矿山的研究与应用取得了长足的发展，先后经历了废弃物干式充填阶段 [28-30] 、水砂充填阶段 [31-34] 、细砂胶结充填阶段 [35-37] 和以高浓度充填、全尾矿胶结充填、膏体充填 [38-40] 、高水材料充填、固体废弃物直接充填等为代表的现代充填采矿阶段，取得了显著的经济和社会效益。尤其是固体充填采煤技术因其在矸石处理、“三下”煤炭资源解放和岩层控制等方面的优势得到了迅速的推广和应用。
固体充填采煤指采用矸石、粉煤灰、黄土和风积沙等固体充填物料或其混合体对煤炭开采的采空区进行充填。固体充填采煤技术随着不断解决矿井实际工程难题的需求，已逐步发展成熟。最初使用普采矸石充填（抛矸充填） [41] 置换煤柱提出了矸石可回收利用的基础思路，普采矸石充填技术是固体充填采煤技术的初步尝试，该技术利用高速动力抛矸机将原生矸石以较快的冲击速度抛投至采空区，达到废弃矸石井下处理和岩层移动控制的目的。普采矸石充填技术的关键设备为高速动力抛矸机，普采矸石充填技术原理如图1.3所示，该技术曾在我国的邢台、新汶、兖州、枣庄等矿区先后推广应用。
图1.3 高速动力抛矸机结构及工作原理示意
随着新形势下充填采煤技术解放“三下”煤炭资源、提高开采上限和控制地表沉陷等重大工程需求的提出，充填采煤技术在工艺、装备及理论研究方面都取得了迅速发展，形成了十分成熟的综合机械化固体充填采煤技术，其技术原理如图1.4所示。该技术在同一工作面有效集成综采与充填工艺，实现了在同一充填采煤液压支架下采煤与充填并行作业，通过研发夯实装置，进一步保障了充填效果，实现了充填工艺的完全机械化，其核心设备为充填采煤液压支架与多孔底卸式输送机。技术的突破并不能完全解决矿井的工程难题，对产能的要求同样重要，由此导致固体充填材料需求量的增加。另外，随着对矿井绿色开采理念的进一步强调，无废生产以及矸石不落地等理念开始提上矿井议事日程。由此“采煤—选矸—充填—采煤”闭合循环的充填技术思路逐渐成形，即在原综合机械化固体充填采煤技术的基础上，进一步开发煤矿井下采选集成技术，使矸石不升井，常规固体充填采煤进一步升级为“采—选—充—采”一体化的矿井新型生产技术模式 [42-43] ，实现了井下原生态的矸石分选回填，“采—选—充—采”一体化技术示意如图1.5所示。
近年来，综合机械化固体充填采煤技术作为一种适应现代矿井绿色安全、高效要求的新型开采技术，成功地解决了矿井生产面临的“三下”资源开采、矸石废弃物处理利用以及控制地表沉陷等一系列重大工程难题。但是通过对我国众多矿区充填工作面过程应用调研发现，综合机械化固体充填采煤技术受设备、工艺和经济等因素的制约，在大规模推广应用的过程中同样面临一些经济和效益方面的困难。
针对常规全断面充填面临的技术困难、充填效率偏低和成本偏高的困境，以及充填开采目标的转变，我国学者以地表沉陷控制、降低充填成本、处理矸石和保护环境等为综合目标，提出了煤矿部分充填开采技术 [44-46] 理念。部分充填开采是相对采空区传统全断面而言的，其充填量仅占开采空间的一部分，且充填位置不再局限于采空区，可以是采空区、冒落区或离层区。与传统全断面充填单一依靠采空区充填体控制覆岩不同，部分充填开采依靠覆岩关键层、充填体和部分煤柱联合控制地表沉陷。部分充填采煤技术自提出以来，在理论、技术与实践方面得到了迅速的发展。
图1.4 综合机械化固体充填采煤技术原理
长期开采实践经验表明，我国地层结构和煤层赋存情况复杂，开采过程中各种因素相互影响，覆岩冒落带特征和离层演化规律复杂多变，难以准确判断离层位置和出现时间，同时浆体充填材料注浆性能以及后期稳定性等因素均导致覆岩离层注浆和冒落带注浆充填技术工艺复杂，实际操作困难，技术和经济风险较大，很难取得理想充填和岩层控制效果。而采空区充填从技术层面则相对简单，大量的膏体条带充填和采空区矸石充填技术的成功实施更为采空区部分充填技术的理论研究提供了丰富的借鉴。采空区部分充填技术的发展极大拓展了充填采煤技术的应用范畴。目前煤矿采空区部分充填方法主要有长壁倾向条带充填开采 [47-49] 、长壁墩柱充填开采、长壁掘巷充填开采 [50-51] 、短壁条带充填开采 [52] 、短壁条带间隔充填开采、“采—充—留”协调开采 [53-54] ，典型采空区部分充填方法及其布置特征如图1.6所示。
图1.5 “采—选—充—采”一体化技术示意图
图1.6 采空区部分充填方法及其布置特征
充填开采技术作为绿色开采的重要分支，有学者从绿色开采内涵与框架、采动岩体结构理论和渗流理论等方面系统地论述了其基础研究方面的主要进展 [55-56] ；综述了绿色开采技术的重要进展；论述了密实充填采煤的岩层控制理论，系统介绍了综合机械化固体充填采煤的主要系统、装备及工艺，以及在建筑群下、含水层区域和河堤下进行充填开采煤炭的工程实例。
相关学者开展了大量矸石直接充填开采矿压规律研究，研究了矸石颗粒的级配与充填体压实特性的影响 [57-63] ；采用物理模拟和数值计算的方法，分析了充填开采岩层移动变形过程及支承压力分布特征 [64-66] ，并对充填开采条件下覆岩破坏进行了分类，明确了充填开采岩层控制的关键在于控制直接顶及上位老顶的移动变形。通过理论计算和现场实测，对充填开采顶板变形破坏范围进行了研究，顶板裂隙破坏范围可按传统计算进行预测 [67-68] 。
中国矿业大学固体充填采煤课题组在充填材料 [69-79] 、充填设备 [80-84] 、充填材料运输 [85-92] 以及固体充填采煤岩层控制理论方面 [93] 做了很多研究工作，提出充填采煤岩层移动控制采用“等价采高”理论 [94-96] ，将固体充填开采视为“极薄煤层”开采，可用传统矿压理论与地表沉陷等方法分析固体充填开采中的矿压显现和地表沉陷规律。虽然“等价采高”概念可以指导充填采煤岩层移动控制，但其仅重点考虑采高这一因素，而围岩结构、工作面推进速度、开采深度等因素对矿山压力显现均具有不同程度的影响；工作面参数、巷道布置方向、开采深度、充填效果以及不同的充填体等因素对地表沉陷控制也具有不同的影响。因此，在充填采煤实践中，需要进一步完善“等价采高”概念，建立适合充填开采的岩层控制理论。
张吉雄教授运用弹性地基梁理论结合流变模型，研究关键层的弯曲变形及其下部岩层的流变特性，建立了关键层弯曲变形的时间相关特性方程，采用数值模拟方法研究了充填材料弹性模量对关键层弯曲下沉的影响规律；黄艳利博士 [73] 建立了固体密实充填条件下采场覆岩弹性薄板力学模型，建立了基本顶的挠度方程，分析了基本顶不发生破断的临界条件；李剑博士 [97] 建立了矸石充填采煤覆岩弹性地基叠层组合梁力学计算模型，得到该模型下上覆岩层的弯矩和挠度方程。充填开采后地表沉陷控制研究也与充填开采技术研究密不可分；周楠博士 [98-99] 通过深入分析顶板动力灾害发生的机理及充填体能量耗散特性，系统研究了充填体与坚硬顶板的相互作用关系，为固体充填防治坚硬顶板动力灾害提供了理论依据。张强博士 [100] 提出了散体充填材料力学特性曲线修正方法，建立了周期来压型顶板条件下充填体与充填采煤液压支架协同控顶的理论分析模型，提出了充填采煤液压支架设计方案优化的方法和充填体致密度工程控制方法。
陈绍杰等 [101-103] 以岱庄煤矿充填工作面为例，研究了条带煤柱充填开采覆岩时空结构模型及运动规律。张华兴等 [104] 研究了宽条带充填全柱开采地表沉陷的主控因素，采用数值模拟方法分析了充填率、充填体强度、隔离煤柱宽度对上覆岩层移动的影响，认为充填率是控制上覆岩层下沉的关键因素。余伟健等 [105] 分析了矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的岩层移动与二次稳定理论，认为二次岩层移动是由矸石充填支撑体和承重岩层的共同压缩引起的，推导了“承重岩层+矸石充填体”承载体的二次稳定条件、安全系数、极限状态下的软化区宽度以及承载核区宽度的解析式。张世雄等 [106] 分析了充填体压缩对地表建筑物的影响，认为充填用的江砂被压缩成致密的砂岩。郭忠平等 [107] 建立了充填体和上覆矩形薄板系统的力学模型，运用板壳理论和材料力学理论，给出了顶板最大下沉量计算公式。充填开采后地表沉陷控制研究也与充填开采技术研究密不可分，有学者 [108] 从沉陷学的角度分析了矸石压缩性能与粒径分布关系，推导了矸石充填相似模拟准则，提出了采用海绵等材料混合充填以模拟矸石的相似材料配置方法，分析了矸石非线性变形特征、模型参数对地表沉陷、覆岩破坏的影响，结合理论分析对沉陷控制影响因素、减沉、覆岩破坏高度的影响及控制幅度进行了界定，同时采用数值模拟及理论分析方法对关键层、充填体和煤柱之间的关系进行了研究，提出了煤柱、充填体承载特性的计算方法；也有学者 [109-110] 提出了采空区膏体充填法控制地表沉陷的空隙量守恒理论，阐释了采矿及充填活动造成地表下沉的原因，并提出膏体充填控制地表沉陷的主要技术途径。