煤炭科学技术

作者：张云, 张龙, 来兴平, 曹胜根, 杨彦斌, 刘永孜, 詹睿, 白立丞, 叶昊,

关键词：短壁胶结充填采煤, 煤柱稳定性, 弹性地基梁, 房式开采, 遗留煤柱,

房式开采遗留煤柱资源的呆滞和矿山固体废弃的排放严重制约着我国煤炭行业的绿色低碳转型升级。为此，以陕北矿区板定梁煤矿为工程背景，提出了一种"时序协同−煤柱置换"的短壁胶结充填采煤回收煤柱的工艺。首先基于极限强度理论，对房式开采遗留煤柱回收的安全应力进行核算；其次采用数值模拟研究自然垮落法管理顶板回收遗留煤柱过程中的失稳特征及顶板破断对采场稳定性的影响，建立短壁胶结充填采场力学模型，求解出确保直接顶不发生破断的临界充填体强度；最终开展力学试验分析胶结充填体的力学特性、破坏特征及微观特征，并结合实际工程提出了一套完整的短壁胶结充填采煤设计方法。结果表明：板定梁煤矿遗留煤柱安全应力值为11.78 MPa，具备安全回收的条件；基于自然垮落法管理顶板回收遗留煤柱的应力、塑性区分布特征及顶板破断分析，发现在回收过程中可能会引发“多米诺”链式失稳效应，并伴随有顶板大面积破断；并进一步提出短壁胶结充填采煤技术置换遗留煤柱，计算得到采场直接顶不发生垮落的临界充填体强度为8.97 MPa；基于此，获取充填材料中煤矸石∶粉煤灰∶水泥∶水的最优配比为3∶3∶1∶1，该配比下矸石颗粒级配较优越，水化产物致密填充骨料间隙，有效减少了孔隙率，显著提升力学性能，可满足板定梁煤矿安全回收煤柱需求；并对试验回收区域的短壁胶结充填采煤工作面生产系统和关键参数进行了可行性设计，并提出确保充填效果的控制措施。研究成果为我国煤炭行业“资源回收−生态保护−固废利用”一体化绿色低碳转型发展提供了可复制的工程范式。

来源：2025年第6期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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