煤基固廢充填開采技術(shù)研究進(jìn)展與展望

張吉雄，張 強(qiáng)，周 楠，李 猛，黃 鵬，李百宜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

富煤貧油少氣是我國(guó)的能源稟賦特征，決定了我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，煤炭為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)。以2021年度為例，全國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)41.3億t，創(chuàng)歷史新高，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量56%，預(yù)計(jì)到2025年煤炭仍占我國(guó)能源消費(fèi)的50%左右，煤炭作為我國(guó)主體能源，仍將是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐[1]。習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用”，2021-09-13在考察國(guó)家能源集團(tuán)榆林化工有限公司時(shí)的重要講話，進(jìn)一步明確了“煤炭作為我國(guó)主體能源”的地位[2]；2022年全國(guó)兩會(huì)上，全國(guó)政協(xié)委員圍繞煤炭產(chǎn)業(yè)提出：建立煤礦彈性產(chǎn)能與彈性生產(chǎn)機(jī)制、“雙碳”目標(biāo)下加強(qiáng)我國(guó)煤炭兜底保障能力建設(shè)[3]。2022-03-17國(guó)家能源局印發(fā)的《2022年能源工作指導(dǎo)意見》指出，要夯實(shí)能源供應(yīng)保障基礎(chǔ)，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)能源供應(yīng)鏈彈性和韌性[4]?！疤歼_(dá)峰、碳中和”背景下煤炭在保障國(guó)家能源安全中的地位和作用進(jìn)一步明確，煤炭開采面臨能源安全保供、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、降碳減排等諸多壓力，煤炭綠色低碳發(fā)展勢(shì)在必行。

黨的十九屆四中全會(huì)提出“實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，全面建立資源高效利用制度”[5]，“十四五”規(guī)劃和遠(yuǎn)景目標(biāo)提出要“加強(qiáng)大宗固體廢棄物綜合利用”、“全面提高資源利用效率”[6]。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)先后印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》《關(guān)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(jìn)矸石減量；建立“梯級(jí)回收+生態(tài)修復(fù)+封存保護(hù)”體系，推動(dòng)綠色礦山建設(shè)[7-9]。2022-04-02國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部發(fā)布關(guān)于印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》的通知，明確提出集中攻關(guān)固體廢棄物充填采煤技術(shù)，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(xié)同增效實(shí)施方案》推進(jìn)固廢污染防治協(xié)同控制，推動(dòng)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(chǎn)原料，到2025年新增大宗固廢綜合利用率達(dá)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

煤基固廢充填開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色低碳開采的重要代表性技術(shù)，在地表沉陷控制、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、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(shù)優(yōu)勢(shì)。煤基固廢充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤炭安全開采的同時(shí)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(shí)也減少了運(yùn)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(shù)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(guān)方向及新發(fā)展理念要求，順應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，有利于促進(jìn)煤炭開采高質(zhì)量化、環(huán)境低損傷化、綠色低碳化發(fā)展。

筆者系統(tǒng)闡述以綜合機(jī)械化固體充填為代表的煤基固廢充填開采技術(shù)研究進(jìn)展，總結(jié)煤基固廢充填開采技術(shù)研發(fā)背景與發(fā)展歷程，介紹煤基固廢充填開采技術(shù)體系的研究現(xiàn)狀及煤基固廢充填開采巖層控制理論的最新研究進(jìn)展，進(jìn)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(shù)的主要發(fā)展方向，研究旨在促進(jìn)煤炭綠色智能低碳高效開采。

1 煤基固廢充填開采技術(shù)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(hù)等問題一直持續(xù)存在。一方面，隨著煤礦開采強(qiáng)度的提高、煤炭資源分布不均導(dǎo)致我國(guó)多數(shù)煤礦面臨可采資源枯竭、“三下”壓煤儲(chǔ)量相對(duì)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(shí)，煤炭開采造成巖層移動(dòng)破壞，引起瓦斯與水的運(yùn)移，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故時(shí)有發(fā)生；造成地下水流失，使地下水位大幅度下降，導(dǎo)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(shè)施等受到較為嚴(yán)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(xiàn)、沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻率增加、強(qiáng)度增大，嚴(yán)重危及礦井的安全生產(chǎn)；再者，煤矸石、粉煤灰等煤基固廢的排放及處置問題越來(lái)越嚴(yán)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(hù)、礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展等問題，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采及科學(xué)采礦的理念，必須從根本上改變?cè)搭^開采方法。充填開采技術(shù)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(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合行業(yè)需求、國(guó)家政策導(dǎo)向及科技發(fā)展的趨勢(shì)，針對(duì)我國(guó)煤炭資源的發(fā)展趨勢(shì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念、煤礦綠色智能化演化方向，歷經(jīng)20余年產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，歷經(jīng)5代技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，由最初的拋?lái)烦涮罴夹g(shù)、到綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)[12-13]等矸石井下處理充填技術(shù)，以至高效綠色化的采充技術(shù)、采選充一體化技術(shù)[14-15]、采選充+X綠色化開采體系[16]，到最終形成現(xiàn)代綠色化的煤基固廢充填開采技術(shù)體系。在此期間，制定綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)要求國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)[17]，能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)[18-25]，于2015年出版專著《固體密實(shí)充填采煤方法與實(shí)踐》；2018年基于煤矸分選與井下就地充填的研究主題獲批國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深地資源勘查開采重點(diǎn)專項(xiàng)立項(xiàng)，并于2021年經(jīng)科技部驗(yàn)收通過；2021年基于煤基固廢規(guī)?；幹门c利用主題獲批國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)支持。2022年，我國(guó)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與礦山企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，在冀中能源股份有限公司邢東礦建成全國(guó)首個(gè)固體智能充填采煤工作面[26-27]，實(shí)現(xiàn)了煤基固廢充填開采技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)。

1.2 發(fā)展歷程

以團(tuán)隊(duì)研發(fā)固體充填開采、長(zhǎng)壁膠結(jié)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(duì)煤矸石大量地表排放帶來(lái)的十分嚴(yán)重的安全與環(huán)境問題，研發(fā)目標(biāo)為矸石減排，研發(fā)了巷道及普采工作面的拋?lái)烦涮铋_采技術(shù)，并成功應(yīng)用于山東許廠煤礦、山東泉溝煤礦、河北邢臺(tái)礦、山東興隆莊煤礦等。

第2代，2008—2012年，充填技術(shù)已不能滿足采煤工作面高生產(chǎn)效率的要求，該階段研發(fā)目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)高效綠色化的采充技術(shù)。主要研發(fā)了綜合機(jī)械化固體充填開采技術(shù)、長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)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(jì)三煤礦、內(nèi)蒙古公格營(yíng)子礦等礦井建立了與現(xiàn)代化采煤系統(tǒng)相匹配的采充系統(tǒng)，并進(jìn)行了工程實(shí)踐，有效推動(dòng)了充填開采技術(shù)的發(fā)展。

第3代，2012—2016年，深部開采勢(shì)在必行，尤其在東部資源枯竭型礦區(qū)更加嚴(yán)重，該階段研發(fā)目標(biāo)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(jié)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(jī)械化充填采煤技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上從藍(lán)圖變成了現(xiàn)實(shí)，研發(fā)了采選充一體化系統(tǒng)、分選與充填一體化工程設(shè)計(jì)方法，并成功應(yīng)用于我國(guó)河北唐山煤礦、山東翟鎮(zhèn)煤礦等，實(shí)現(xiàn)了矸石零排放和巖層移動(dòng)地表沉陷有效控制的目標(biāo)。

第4代，2016—2020年，采選充一體化技術(shù)不斷延伸至提高煤炭資源采出率的無(wú)煤柱沿空留巷、無(wú)保護(hù)層高瓦斯低滲透煤層的煤與瓦斯開采、堅(jiān)硬頂板災(zāi)害防控和水資源保護(hù)性開采等新的工程需求，初步構(gòu)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(guó)山東新巨龍煤礦、河南平煤十二礦等礦井成功應(yīng)用了采選充+留、采選充+抽等采選充+X技術(shù)。

第5代，2021年以來(lái)，智能高效以及功能性充填成為該階段的主要研發(fā)目標(biāo)，充填開采技術(shù)自身智能升級(jí)，以及作為成熟的技術(shù)拓展用于地?zé)崤c煤炭資源協(xié)同開采、儲(chǔ)能、儲(chǔ)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(zhì)封存等技術(shù)領(lǐng)域，并進(jìn)行了井下充填采熱的工程設(shè)計(jì)等。

煤基固廢充填開采技術(shù)發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 煤基固廢充填開采技術(shù)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(shù)體系現(xiàn)狀

具體闡述綜合機(jī)械化固體充填、綜合機(jī)械化膏體充填、長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)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(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)

經(jīng)歷20余年研發(fā)創(chuàng)新，綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)已經(jīng)形成了較為成熟的生產(chǎn)系統(tǒng)布置方法、充填裝備及采充工藝，技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)原理Fig.2 Solid backfill principle in fully-mechanized coal mining

綜合機(jī)械化固體充填開采的生產(chǎn)系統(tǒng)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(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)等[28-30]，其中充填采煤液壓支架從立柱數(shù)目、鉸接形式、四連桿類型、夯實(shí)機(jī)構(gòu)類型等方面前后經(jīng)歷了近10代結(jié)構(gòu)更新與改進(jìn)，多孔底卸式輸送機(jī)也經(jīng)歷了SGB620/40(改)，SGZ630/132，SGZ730/132*2，SGBC730/250，SGZC800/200等多種機(jī)型改進(jìn)，輸送能力逐步提升、結(jié)構(gòu)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(tǒng)投放輸送至井下，再經(jīng)過帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至充填采煤工作面，借助多孔底卸式輸送機(jī)、充填采煤液壓支架等設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填與夯實(shí)[31-32]；常采用“采一充一”工序，充填采煤液壓支架的夯實(shí)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同角度夯實(shí)充填物料，以達(dá)到散體材料密實(shí)充填的效果[32]。

綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)通常適用的采礦地質(zhì)條件：頂板堅(jiān)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(tǒng)能力為100萬(wàn)～150萬(wàn)t/a。

綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)經(jīng)歷了最初的原矸回填、致密充填防止地表沉陷到規(guī)模化處置煤基固廢達(dá)到礦山生態(tài)環(huán)境低損害開采的內(nèi)涵轉(zhuǎn)變過程，該技術(shù)不僅用于解放“三下”壓煤資源，同時(shí)也可從開采源頭降低對(duì)環(huán)境的損害[33]。

基于智能化開采[34]、智慧礦山建設(shè)等發(fā)展趨勢(shì)，綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：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(zhǎng)大采高放頂煤充填技術(shù)、以充填體為儲(chǔ)熱儲(chǔ)能材料等的功能性充填、匹配千萬(wàn)噸超大井型煤基固廢的高效處置技術(shù)等。

2.2 綜合機(jī)械化膏體充填技術(shù)

綜合機(jī)械化膏體充填技術(shù)[35-36]是將煤矸石、粉煤灰等固廢制備成膠結(jié)性或非膠結(jié)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(jié)構(gòu)控制巖層移動(dòng)[37]、地表沉陷、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的開采方法，其技術(shù)原理及系統(tǒng)布置如圖3所示。

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

從我國(guó)第1個(gè)膏體充填示范礦井太平煤礦試驗(yàn)起，綜合機(jī)械化膏體充填技術(shù)作為控制巖層移動(dòng)及地表沉陷的新途徑在我國(guó)開始推廣應(yīng)用，充實(shí)率可達(dá)90%以上，適用范圍廣，對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)影響較小，可以有效處理粉煤灰、煤矸石等固廢，保護(hù)環(huán)境，減少地下水流失等。近年來(lái)，通過對(duì)膏體充填開采的圍巖運(yùn)移破壞規(guī)律、地表沉陷影響因素及支架-圍巖-充填體關(guān)系等深入系統(tǒng)的研究，研發(fā)了膏體充填支架等多種關(guān)鍵設(shè)備，促進(jìn)了膏體充填技術(shù)在我國(guó)煤礦的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

綜合機(jī)械化膏體充填技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：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(qiáng)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(yīng)力感知等功能性充填材料的功能性充填新方法等。

2.3 長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)

長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)[38]是利用長(zhǎng)壁采煤法的生產(chǎn)系統(tǒng)，采用綜掘機(jī)或連采機(jī)等破煤，通過施工運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷之間的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行煤炭開采，利用膠結(jié)材料充填聯(lián)絡(luò)巷的充填開采技術(shù)。為了保證煤炭安全高效開采，在充填聯(lián)絡(luò)巷同時(shí)掘進(jìn)另外一條聯(lián)絡(luò)巷，實(shí)現(xiàn)工作面“掘巷出煤、巷內(nèi)充填、采充并行”循環(huán)作業(yè)工序，其技術(shù)原理與系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填采煤技術(shù)原理與系統(tǒng)布置Fig.4 Principle and system layout of longwall roadway by roadway cemented backfilling mining technology

長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)起源于國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題“采掘充采機(jī)械化膠結(jié)充填采煤關(guān)鍵技術(shù)與裝備”，成功解決了示范礦井公格營(yíng)子煤礦含水層下特厚煤層開采難題，因該技術(shù)具有生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作面布置靈活、充實(shí)率高等優(yōu)點(diǎn)，膏體凝固時(shí)間與開采時(shí)間協(xié)調(diào)、膏體充填與煤炭開采空間協(xié)調(diào)，采充時(shí)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(yīng)用。在推廣應(yīng)用與發(fā)展過程中，該項(xiàng)技術(shù)也被稱為連采連充技術(shù)[39-41]。

采煤裝備主要為綜掘機(jī)、連采機(jī)、掘錨一體機(jī)等，運(yùn)輸設(shè)備主要為帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、梭車等，采運(yùn)裝備協(xié)同作業(yè)保障了充填開采效率，其中基于掘錨一體技術(shù)、掘進(jìn)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程集控等技術(shù)的智能快掘關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，有效地支撐了長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填效率的提升。

長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)是近年來(lái)煤礦應(yīng)用較為廣泛的綠色充填采煤技術(shù)，其系統(tǒng)布置、采運(yùn)工藝裝備等方面發(fā)展迅速?；诓煌拿簩淤x存條件，工作面系統(tǒng)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(shè)的需求及智能快掘技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：物料調(diào)度、自動(dòng)計(jì)量給料及攪拌過程可視化的充填材料智能制備系統(tǒng)開發(fā)；煤矸石等煤基固廢充填材料遠(yuǎn)距離連續(xù)高效輸送技術(shù)與裝備創(chuàng)新；研發(fā)基于掘錨一體技術(shù)、掘進(jìn)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程集控等技術(shù)的智能快掘技術(shù)等，以期提升長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填效率及智能化水平。

2.4 覆巖隔離注漿充填技術(shù)

覆巖隔離注漿充填技術(shù)[42-44]是利用巖層移動(dòng)過程中關(guān)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(dòng)變形，達(dá)到處置矸石與控制地表的雙重目標(biāo)，其技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 覆巖隔離注漿充填技術(shù)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(shù)成功實(shí)施的關(guān)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(dòng)力、管路布置以及注漿工藝等。煤基固廢高效制備所需的關(guān)鍵設(shè)備主要包括振動(dòng)給料機(jī)、帶式輸送機(jī)、顎式破碎機(jī)、對(duì)輥制砂機(jī)、配料機(jī)、球磨機(jī)、攪拌機(jī)等[45]，煤基固廢料漿高效輸送的關(guān)鍵設(shè)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(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能調(diào)控，確保設(shè)備運(yùn)行、漿液制備、管道輸送、注漿充填協(xié)調(diào)進(jìn)行。

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

結(jié)合綠色礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，覆巖隔離注漿充填技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：覆巖離層空間精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)、煤基固廢智能制備與輸送集控系統(tǒng)、長(zhǎng)距離煤基固廢料漿穩(wěn)定輸送技術(shù)、覆巖隔離注漿固廢處置與巖層控制監(jiān)控技術(shù)等。

2.5 井下采選充+X技術(shù)

采選充+X[16]技術(shù)由本團(tuán)隊(duì)研發(fā)提出，采選充指實(shí)現(xiàn)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(dòng)篩跳汰、TDS光電等分選技術(shù)中優(yōu)選；矸石充填可在固體、膏體、膠結(jié)等充填技術(shù)中優(yōu)選；而X既可以是一種具體技術(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，如動(dòng)力災(zāi)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(duì)采選充整體或部分系統(tǒng)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(shù)或工藝時(shí)，則采選充+X可具體表達(dá)為：采選充+留、采選充+抽等；X為希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)時(shí)，則采選充+X可具體表達(dá)為：采選充+控、采選充+保、采選充+防等；X為系統(tǒng)智能化程度提高時(shí)，則采選充+X可具體表達(dá)為：精準(zhǔn)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(shù)，在井下進(jìn)行煤炭開采、煤矸分選、矸石就地充填的同時(shí)，一并實(shí)現(xiàn)與工程需求所對(duì)應(yīng)的地表沉陷控制、堅(jiān)硬頂板控制、采場(chǎng)礦壓控制、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源高效回收、伴生資源共采、頂板災(zāi)害防治、隔水巖層控制、礦區(qū)固廢處理及礦井產(chǎn)能提升等多重目標(biāo)。井下采選充+X生產(chǎn)系統(tǒng)示意如圖6所示。

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

采選充+X的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：① 完全實(shí)現(xiàn)矸石零排放；② 選擇性控制巖層位態(tài)；③ 采選充+X技術(shù)形式多樣；④ 可實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)的科學(xué)組合；⑤ 形成井下高度集約的生產(chǎn)模式。

采選充+X技術(shù)在深部礦井開采、優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)能提升、綜合回收率提高、煤基固廢規(guī)?；幹?、災(zāi)害防控等方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

采選充+X技術(shù)下一步研究重點(diǎn)：原創(chuàng)性少矸化開采技術(shù)研發(fā)；X技術(shù)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(shù)研發(fā)及采選充+X一體化系統(tǒng)的集成智能控制等。

3 煤基固廢充填開采巖層控制理論進(jìn)展

從充填材料壓縮特性及本構(gòu)模型、充填開采關(guān)鍵巖層控制理論、充填開采地表變形控制理論3個(gè)方面闡述煤基固廢充填開采巖層控制理論進(jìn)展。

3.1 充填材料壓縮特性及本構(gòu)模型

當(dāng)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(jìn)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(guān)鍵所在。目前針對(duì)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(cè)試裝置，包括壓實(shí)鋼筒、雙向加載試驗(yàn)系統(tǒng)及壓實(shí)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等，如圖7所示，測(cè)試得到了充填材料瞬時(shí)與蠕變壓縮特性[46-47]，建立了充填材料巖性、粒徑級(jí)配、側(cè)向應(yīng)力與側(cè)壓次數(shù)等主控因素與壓縮變形的關(guān)系，揭示了充填材料壓縮變形演化機(jī)理。

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

同時(shí)，本構(gòu)模型是描述充填材料壓縮特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，直接反映充填材料壓縮過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立充填材料本構(gòu)模型變得尤為重要。

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

依據(jù)建立的充填材料本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了充填材料壓縮變形的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，并可分析得到充填材料壓縮過程中的非線性變形、應(yīng)變硬化等特征，同時(shí)，將本構(gòu)模型二次開發(fā)后內(nèi)嵌入FLAC3D等數(shù)值軟件，從而可為充填開采采場(chǎng)礦壓、巖層移動(dòng)控制及地表沉陷預(yù)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

隨著煤炭開采條件日益嚴(yán)峻(地應(yīng)力、滲透壓、地溫及開采擾動(dòng)等)，采空區(qū)充填體所處的環(huán)境更加復(fù)雜，通常受到應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用，在多場(chǎng)耦合作用下充填材料壓縮過程將呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的力學(xué)特征，因此，下一步亟需研發(fā)充填材料多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，研究多場(chǎng)耦合作用下充填材料壓縮變形特性，構(gòu)建多場(chǎng)耦合作用下充填材料壓縮本構(gòu)模型，以實(shí)現(xiàn)深部圍巖環(huán)境影響下充填材料承載性能調(diào)控。

3.2 充填開采關(guān)鍵巖層控制理論

隨著充填開采技術(shù)的發(fā)展，已形成了較為完善的充填開采巖層運(yùn)動(dòng)控制理論。在固體充填開采巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)方面，主要有等價(jià)采高模型[51]等；在研究關(guān)鍵巖層彎曲變形規(guī)律方面，主要有關(guān)鍵層控制理論[52]等；在分析基本頂運(yùn)動(dòng)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(guān)系方面，主要以煤體-支架-充填體“三位一體”協(xié)同控頂理論為主[54]等；在分析充填體流變特征下頂板時(shí)效變形特征方面，主要以充填體-頂板動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論為主[55]等。具體各個(gè)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(guān)鍵層下充填等技術(shù)發(fā)展，充填開采關(guān)鍵巖層控制理論下一步研究重點(diǎn)：深部充填開采巖層運(yùn)動(dòng)理論，不同采礦地質(zhì)條件巖層運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)控制理論、充填材料多場(chǎng)耦合條件下關(guān)鍵巖層的時(shí)效變形理論模型、充填開采隔水關(guān)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(duì)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(yù)計(jì)模型，形成充填開采地表變形控制理論。目前對(duì)于充填開采地表變形控制，主要建立了基于充填開采等價(jià)采高[56]的概率積分法、充填開采地表變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法[57]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充填開采地表變形的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)及控制。

基于充填開采等價(jià)采高的概率積分法是將充填開采工作面實(shí)際采高減去采空區(qū)固體充填體壓實(shí)后的高度視為等價(jià)采高，在等價(jià)采高確定后，根據(jù)充填開采覆巖移動(dòng)變形基本特征，分析得到下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移距和主要影響傳播角等預(yù)計(jì)參數(shù)，最后利用概率積分法預(yù)計(jì)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(zhì)力學(xué)法是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立充填開采地表移動(dòng)的力學(xué)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(nèi)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(zhǎng)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(dǎo)出梁或板的撓度方程，進(jìn)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(zhì)力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model of surface deformation continuum for backfill mining

4 煤基固廢充填開采技術(shù)發(fā)展方向

基于煤基固廢充填開采技術(shù)體系現(xiàn)狀中5項(xiàng)具體充填技術(shù)的研究重點(diǎn)，結(jié)合充填開采巖層控制理論，鑒于充填技術(shù)利用井下采動(dòng)空間、處置煤基固廢、充填材料多源利用途徑等顯著技術(shù)特征，在產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)、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(shì)下，煤基固廢充填開采技術(shù)也需進(jìn)一步在方法、裝備及工藝方面進(jìn)行升級(jí)，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(shù)

我國(guó)煤基固廢處置需求日益旺盛，且行業(yè)智能化建設(shè)進(jìn)程推進(jìn)的如火如荼，對(duì)充填開采的固廢處理能力、回采工效、單工作面產(chǎn)能等提出了新的要求，尤其針對(duì)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(hù)等級(jí)要求低、密實(shí)充填開采方法產(chǎn)能不足等新的工程背景與需求，充填開采的智能高效升級(jí)尤為迫切。

煤基固廢固體充填采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化，其主要技術(shù)思路是基于設(shè)備的智能特性，智能感知工藝參數(shù)、自主調(diào)整機(jī)構(gòu)狀態(tài)、自動(dòng)執(zhí)行充填工序、自行判斷充填效果及實(shí)時(shí)可視充填場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)高效化、采充系統(tǒng)集成化、設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化、生產(chǎn)工藝自主化、勞動(dòng)組織少人化、巖層控制精準(zhǔn)化、固廢處置規(guī)?；闹悄艹涮铋_采技術(shù)[26]，其技術(shù)思路如圖11所示。

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

該技術(shù)符合我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化智能化升級(jí)重大需求，也是解決傳統(tǒng)充填礦井效率與效益較低的重要途徑。目前固體充填技術(shù)的智能化屬于初級(jí)階段，為實(shí)現(xiàn)煤基固廢固體智能充填采煤技術(shù)升級(jí)優(yōu)化，需要從智能充填自驅(qū)工藝設(shè)計(jì)、充填裝備工況感知方法、機(jī)構(gòu)位態(tài)自主識(shí)別方法、采充平行聯(lián)動(dòng)銜接機(jī)制、智能充填成套裝備與系統(tǒng)研發(fā)等方面進(jìn)行研究，為煤基固廢充填開采技術(shù)智能化升級(jí)換代提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

煤基固廢固體充填采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效化，還需解決大流量物料輸送、超大型礦井井下物流協(xié)調(diào)運(yùn)輸、超大采高超長(zhǎng)工作面以及高效采充協(xié)調(diào)作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)問題，研發(fā)大流量超耐磨垂直投料設(shè)備，開發(fā)投料運(yùn)輸智能流量監(jiān)控系統(tǒng)，研發(fā)大功率高強(qiáng)耐磨充填設(shè)備，優(yōu)化采充工藝等，為我國(guó)大型礦山矸石規(guī)?；幹锰峁├碚撆c技術(shù)指導(dǎo)。

4.2 煤基固廢井下嗣后注漿充填處置技術(shù)

隨著我國(guó)礦山固廢處置與利用形勢(shì)日趨嚴(yán)重，利用煤層開采后上覆巖層產(chǎn)生非壓實(shí)嗣后空間進(jìn)行矸石井下處置展現(xiàn)出了良好前景。煤基固廢井下嗣后注漿充填處置技術(shù)是將煤基固廢材料破碎后按照一定粒徑級(jí)配加水制成料漿，通過充填泵與充填管路等設(shè)備，輸送至煤層開采后形成的嗣后空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)矸石井下規(guī)?；幹玫募夹g(shù)，其技術(shù)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(nèi)的非壓實(shí)區(qū)域，具有分布廣大、空間多等特點(diǎn)。

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

為實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵工程參數(shù)設(shè)計(jì)、煤基固廢注漿效果監(jiān)控等方面進(jìn)行研究，探討非均質(zhì)料漿流動(dòng)性穩(wěn)態(tài)控制機(jī)理、嗣后空間空隙結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空演化規(guī)律、嗣后空間料漿遷移擴(kuò)散規(guī)律、嗣后空間注漿充填巖層控制機(jī)理等關(guān)鍵理論，研制毫米級(jí)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(shí)效控制、注漿充填效果智能監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，以期為我國(guó)礦山煤基固廢規(guī)?；幹锰峁├碚撆c技術(shù)指導(dǎo)。

4.3 煤基固廢深部充填采熱技術(shù)

深部煤炭資源開采是保障我國(guó)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?zé)崮軓膰鷰r中連續(xù)不斷地迸發(fā)而出。因此，如何實(shí)現(xiàn)深部礦山地?zé)崮芘c煤炭資源協(xié)同開采，即在資源勘探、儲(chǔ)量評(píng)估、開拓系統(tǒng)布置、開采方法選擇及采后空間維護(hù)等方面，將深部地?zé)崤c煤炭資源統(tǒng)籌規(guī)劃與開發(fā)，從而達(dá)到地?zé)崤c煤炭資源統(tǒng)籌開發(fā)利用的目的，對(duì)于促進(jìn)礦山轉(zhuǎn)型升級(jí)、助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

煤基固廢深部充填采熱技術(shù)是在充填材料控制巖層移動(dòng)保障深部煤炭資源安全開采的基礎(chǔ)上，充分開發(fā)充填材料的導(dǎo)熱性能使其成為深部圍巖中地?zé)豳Y源的高效傳導(dǎo)介質(zhì)，并利用布置在充填材料內(nèi)部的熱能提取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深部地?zé)豳Y源的開發(fā)，其技術(shù)原理如圖13所示。

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

深部礦山地?zé)豳Y源的高效提取是煤基固廢深部充填采熱技術(shù)的重要目標(biāo)，因此需重點(diǎn)研究深部礦山地?zé)嵩捶植继卣骷把a(bǔ)給規(guī)律，揭示熱能提取管內(nèi)取熱介質(zhì)-充填體-圍巖熱量傳遞與演化規(guī)律，研發(fā)高導(dǎo)熱性能的煤基固廢充填材料，優(yōu)化充填體內(nèi)熱能提取管路布局，進(jìn)而形成煤基固廢深部充填協(xié)同地?zé)衢_發(fā)技術(shù)體系?；谏畈抠Y源開采熱環(huán)境的現(xiàn)實(shí)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(shù)作為深部煤炭資源與地?zé)豳Y源協(xié)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(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的時(shí)代背景下具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

4.4 煤基固廢充填井下碳封存技術(shù)

在我國(guó)大力支持礦山固廢資源化利用和快速邁進(jìn)雙碳目標(biāo)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(gòu)建的煤基固廢充填井下碳封存[58-59]技術(shù)，展現(xiàn)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(diǎn)，具有良好發(fā)展及應(yīng)用前景。煤基固廢充填井下碳封存技術(shù)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(nèi)與人為注入的高濃度CO2進(jìn)行吸附、碳化等作用，最終完成井下碳封存目標(biāo)，其技術(shù)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(xué)固碳作用的同時(shí)，弱化了采礦活動(dòng)對(duì)上覆巖層的擾動(dòng)，保障了巖層的穩(wěn)定性，為物理吸附和構(gòu)造封閉CO2提供了空間和可行條件，增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)煤基固廢充填井下碳封存目標(biāo)，需重點(diǎn)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(jī)制、研發(fā)具備優(yōu)異固碳能力的煤基固廢材料、設(shè)計(jì)井下碳封存系統(tǒng)及工藝流程、探究碳地質(zhì)封存作用影響CO2充填儲(chǔ)層及圍巖力學(xué)穩(wěn)定性規(guī)律、揭示煤基固廢充填儲(chǔ)層CO2運(yùn)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(yīng)。以期形成煤基固廢充填材料井下碳封存理論與技術(shù)體系，為井下高效、巨量、安全碳封存目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供理論與技術(shù)依據(jù)，推動(dòng)礦業(yè)發(fā)展的綠色低碳轉(zhuǎn)型，助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

4.5 煤基固廢功能材料井下利用技術(shù)

礦井開采過程中需要利用混凝土等材料實(shí)現(xiàn)路基硬化、巷道支護(hù)，針對(duì)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(shí)現(xiàn)有效防治，這些材料需求量大、成本高、輸送距離遠(yuǎn)。利用煤基固廢制備井下利用的功能材料，具有就地取材、經(jīng)濟(jì)合理、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。以煤基固廢為主要原材料，通過物理化學(xué)改性、配合使用添加劑研發(fā)功能材料，服務(wù)于礦井建設(shè)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(shè)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(shè)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(hù)。

利用矸石、粉煤灰、黏土水泥等研發(fā)配制速凝、防滲、易擴(kuò)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(fù)合漿液或泡沫等防滅火材料，通過噴涂、灌漿等方式對(duì)煤體進(jìn)行立體覆蓋，使煤體與空氣隔絕、減緩氧化反應(yīng)，同時(shí)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(jīng)改性、復(fù)配得到潤(rùn)濕性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的泡沫溶膠材料，通過噴灑的方式與粉塵結(jié)合，實(shí)現(xiàn)良好的降塵、抑塵效果。

為實(shí)現(xiàn)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(píng)價(jià)等方面開展研究，通過充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景的水文地質(zhì)和工程條件，明確材料的功能需求及性能指標(biāo)關(guān)鍵參數(shù)，研究材料的功能化方法與形成機(jī)理，基于主控因子及影響規(guī)律提出材料工作性能的調(diào)控方法，發(fā)展材料連續(xù)高效制備、輸送與利用的關(guān)鍵技術(shù)，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(jī)制，構(gòu)建材料井下利用效果的監(jiān)控與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，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(shù)支撐。

5 結(jié) 論

(1)煤炭資源長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shù)面臨產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)、規(guī)?；幹妹夯虖U、深部開采、“雙碳”戰(zhàn)略及煤基固廢資源化利用等全新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，深入開展煤基固廢充填開采中的理論與技術(shù)研究迫在眉睫。

(2)綜合機(jī)械化固體充填、膏體充填、長(zhǎng)壁逐巷膠結(jié)充填、覆巖隔離注漿充填及井下采選充+X等充填技術(shù)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(shù)途徑；對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)與地表變形控制理論，不同采礦地質(zhì)條件巖層運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)控制、充填材料多場(chǎng)耦合條件下關(guān)鍵巖層的時(shí)效變形理論模型、充填開采隔水關(guān)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(shù)的高效化、規(guī)?；⒅悄芑?，以及其作為基本方法在煤及伴生資源共采、碳封存等新領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，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(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)化的煤基固廢充填開采理論與技術(shù)體系。

致謝論文得到原山東新巨龍能源有限責(zé)任公司、開灤(集團(tuán))有限責(zé)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(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦等合作單位，以及參考文獻(xiàn)所列全部作者的大力支持，在此一并表示感謝！