面间煤柱与顺槽“掘-充-留”一体化科学问题与技术
 

    作者：王双明1, 3，刘浪2，朱梦博2，蔚保宁4，庄登登2，屈慧升2，何伟2，邵成成2，夏磊2，周静2单位：1. 西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院；2. 西安科技大学能源学院；3. 西安科技大学地质与环境学院；4. 西安弗尔绿创矿业科技有限责任公司

摘要

ABSTRACT

    我国将煤炭作为兜底保障能源的局面短期内无法改变，仍将长时间面临煤炭资源保护与煤基固废利用率低的难题。通过创新采掘方法，同时实现提高煤炭资源回采率、规模化处置煤基固废，为煤炭行业绿色可持续发展提供了新途径。在深入调研煤炭资源开采技术发展现状的基础上，提出了煤矿“掘-充-留” 采掘新工法。从大断面巷道快速掘进、连续高效充填和巷道安全留设3个方面，通过理论分析、数值模拟等手段，系统论述了“掘-充-留”工法的科学问题和关键技术，研究结果表明：

    ① 针对大断面巷道快速掘进、掘进工作面围岩稳定性控制等工程难题，凝练了煤岩特性与掘进机截割参数匹配机制、覆岩载荷空间传递机制与围岩变形机理、锚杆/索-顶板相互作用关系及支护机制3个科学难题，构建了以掘进区地质环境超前实时感知、落-装-运煤多工序智能协同作业、钻锚支架随掘随支围岩时效控制和大断面巷道防漏风及通风优化为核心的技术体系。

    ② 从大断面巷道承载体系及时构建及其承载性能调控两个方面凝练了连续高效充填的科学问题，包括充填体-煤层-锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制，明晰充填体物理力学特性时空演化规律，建立了充填空间安全高效搭建、充填材料工作性能调控、充填材料流动-固结感知为核心的连续高效充填关键技术体系，相关理论与技术的突破可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、掘进速率及充填步距优化设计、充填体固结监测等提供基础理论依据。

    ③ 基于巷道安全留设及全生命周期内围岩易断裂、易片帮和易损伤等关键难题，阐述了巷道围岩应力场时空分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩工程质量监测与稳定性调控理论3个科学问题，形成了以巷道围岩稳定性智能预警、巷道围岩变形控制为核心的关键技术体系。开展煤矿“掘-充-留”工法的科学研究与工程示范，实现固废规模化处置-面间煤柱高效回收-顺槽快速形成的协同，可以推动煤炭行业绿色低碳转型发展。

    01引言

    煤炭是我国的主要能源和重要化工原料，长期在一次能源生产和消费中占比一半以上，对于我国的经济发展和能源安全具有至关重要的作用。近五年来，我国煤炭生产和消费持续增加，煤炭产量从2019年的38.5亿吨，增长至2023年的47.1亿吨，增长率高达22.34%。在强化NDC目标能源消费与二氧化碳排放情景下，2030年煤炭在我国一次能源消费中仍将占比45%，并将继续长期发挥能源安全兜底保障作用，推动煤炭行业向安全、绿色、低碳、智能转型发展，对我国“双碳”目标实现、生态文明建设和保障能源安全具有重要意义。

    ......

    02“掘-充-留”工法原理
 

    1.1“掘-充-留”工法理念

“掘-充-留”工法的基本理念是以充填带置换传统长壁综采工作面之间的面间煤柱，以减少煤炭资源浪费。“掘-充-留”工法的基本实施方法如下：从运输大巷和回风大巷分别沿原规划留设的面间煤柱两侧掘进顺槽，在大巷煤柱边界处采用类似综采工作面开切眼的方式贯通两条顺槽，然后在面间煤柱的开切眼中布置综合机械化大断面掘进及充填装备，连续化前向掘进、后向充填和双侧留巷。“掘-充-留”工法实施效果是以充填带置换原面间煤柱，同时充填带两侧壁面与大断面巷道的两侧煤壁形成2条巷道，用于相邻长壁工作面回采。

    ......

图1 “掘-充-留”工法原理03大断面巷道快速掘进

“掘-充-留”工法实施的首要问题是在充分结合矿井地质条件的基础上，针对15 ~ 40 m宽大断面巷道掘进与支护过程中的工程难题，运用矿山压力与岩层控制、巷道锚杆(索)支护等理论，研究大断面巷道“掘进机结构参数设计→覆岩载荷传递→联合支护机制”科学问题，构建大断面巷道的“探-掘-支”一体化关键技术实施路径，形成煤炭“落-装-运”协同作业成套装备，实现大断面巷道的快速掘进，掘进工作面的安全稳定，确保矿井生产效率达标、煤炭资源回收率提升、经济与环境等效益最大化，如图2所示。

图2 大断面巷道快速掘进

    ......

图3 大断面巷道快速掘进研究内容

图4覆岩载荷传递研究思路

图7 “掘-充-留”工法多工序智能协同控制

    ......

    04连续高效充填

    “掘-充-留”工法通过中部充填的方式一方面支撑顶板，另一方面作为留设巷道的巷帮，避免巷道漏风，形成U形通风回路。充填效率及充填体养护固结力学特性演化规律是新工法和安全水平和效率的重要影响因素之一。针对“掘-充-留”工法近开放空间安全高效充填难题，研究高效充填“充填体-煤层-锚杆/索协同承载机制→多元固废基充填材料水化固结机制→充填体物理力学特性时空演化规律”科学问题，突破充填空间安全高效搭建技术、充填材料工作性能调控技术、充填材料流动-固结感知技术，为安全高效掘进提供关键支撑，如图9所示。

图9 连续高效充填
 

图10 充填体-煤层-锚杆/索-支架协同承载结构简图

图11 活性硅铝质煤基固废溶解聚合水化硬化机理

图12 充填材料固结结构演化示意

图13 “掘-充-留”工法充填格结构

图14 气膜袋充气膨胀后与顶板密实接触

图15 速凝剂作用机理

图16 盐碱复合早强剂激发铝硅质固废的反应示意

图17 接顶监测

    ......

    05巷道安全留设

    巷道安全留设是以“掘-采期间巷道安全稳定”为目标，以“巷道留设参数设计→掘-采期间巷道支护→巷道全方位监测”为技术思路，采用巷道围岩稳定性智能预警技术和巷道围岩变形全过程控制技术，使留设巷道在回采期间具备良好的运输、通风、排水、供电和通讯等条件，为井下工作人员和设备提供安全保障，实现长壁工作面安全、高效、连续生产。其关键科学技术问题如图19所示，包括巷道采动应力场分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩监测与调控理论，厘清掘进与回采期间巷道周围应力分布受采动循环加卸载的动态演化机理，以及巷道围岩发生的不可逆变形和损伤机制，借助巷道围岩稳定性智能预警技术，形成巷道围岩稳定性调控理论。煤矿井下作业环境复杂多变，如何实施巷道围岩监测预警和安全有效的控制方式是“掘-充-留”工法中巷道安全留设的基础保障。

图19 巷道安全留设

图20“掘-充-留”工法巷道安全留设示意

图21 全周期巷道围岩塑性区测点分布

图22 巷道安全留设全周期多方位智能预警系统

图23 锚杆（索）加强支护技术

图24 钻孔卸压

    ......

    06 结论

    （1）基于“掘-充-留”工法大断面巷道掘进技术，从大断面巷道快速掘进与支护关键难题出发，论述了“掘-充-留”工法大断面巷道掘进科学问题，提出了掘进区地质环境超前实时感知技术、落-装-运煤多工序智能协同作业技术、钻锚支架随掘随支围岩时效控制技术以及大断面巷道防漏风及通风优化技术，形成大断面巷道安全、快速掘进工艺与技术体系。

    （2）从“掘-充-留”工法的掘进效率和顶板安全性的角度梳理了连续高效充填的科学问题。揭示充填体-煤层-锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制，明晰充填体物理力学特性时空演化规律，可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、充填体固结监测等提供基础理论依据。论述了“掘-充-留”工法连续高效充填关键技术体系，包括充填空间安全高效搭建技术、充填材料工作性能调控技术、充填材料流动-固结感知技术，为前向大断面巷道安全快速掘进提供技术支撑。

    （3）基于留设巷道采动应力场分布特征及巷道变形与损伤演化机制，提出了巷道围岩智能预警技术和围岩稳定性调控理论，论述了留设巷道围岩变形全过程控制关键技术体系，包括巷道全自动砼底板、锚杆（索）加强支护和巷道围岩钻孔卸压技术，确保“掘-充-留”工法中巷道的安全留设。

    第一作者简介

    王双明，男，1955年5月21日生，陕西岐山人，中国工程院院士，教授，博士生导师，陕西省“煤炭绿色开发地质保障”三秦学者创新团队带头人，陕西省煤炭学会理事长、陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室主任、西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院院长。获国家科技进步二等奖3项，省部级科技进步一等奖6项，发表学术论文50余篇，出版专著4部。李四光地质科学奖获得者，国家有突出贡献专家，享受国务院政府特殊津贴。2017年当选中国工程院院士。

    研究方向

    煤炭资源与地质勘查、煤炭开采地质保障、煤炭绿色低碳开发

    主要成果

    致力于鄂尔多斯盆地煤炭地质勘查与矿区地质环境保护关键技术研究与创新30多年，在找煤、勘探、采煤保水三个方面取得了创新性地质成果。找煤取得重大发现。揭示了鄂尔多斯盆地煤炭资源总体分布特征和赋存规律，发现了环带状聚煤规律，查明了全盆地煤炭资源总量，为煤炭工业战略西移提供了科学依据和资源保障。探煤取得重大突破。根据煤层地球物理特点，集成地震、磁法和钻探技术优势，建立了煤田综合勘查技术体系，勘查周期短，成本低，精度高，将煤炭地质勘查引领到了高效高精度勘查新阶段。矿区生态环境保护取得重要创新。揭示了煤炭开采对地表生态和地下水的损害机理，发现了地表生态系统与地下水水位的依存关系，提出了以生态水位保护为核心的矿区生态环境保护新技术，为煤炭绿色开采提供了理论基础和技术支撑。

    通讯作者简介

    刘浪，博士（后），西安科技大学能源学院教授，博导，澳大利亚西澳大学联合培养博士，韩国仁荷大学高级访问学者。国家优秀青年科学基金、教育部霍英东青年教师奖、中国煤炭工业科技创新领军人才、全国煤炭青年五四奖章、陕西省青年科技奖获得者，入选教育部博士研究生学术新人、陕西省青年百人计划、陕西省科技新星、西安科技大学胡杨学者等。

    研究方向

    矿山功能性充填、固废规模化处置与资源化利用、CO2封存等。

    主要成果

    主持国家自然科学基金5项；主持制定团体标准2部、出版专著1部；发表学术论文120余篇，第一或通讯发表论文80余篇，其中4篇ESI热点、9篇ESI高被引；获授权国家发明专利50余件，转让与转化2件；获省部级一等奖4项，省部级二等奖6项、厅局级一等奖3项。
 

    来源：

    王双明,刘浪,朱梦博,等.面间煤柱与顺槽“掘-充-留”一体化科学问题与技术[J/OL].煤炭学报,1-26[2024-07-20].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0592.

    编辑：郭晓炜
    审核：张晓宁