适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产科长、防冲与防沉陷科长、采煤工区长。
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、行业痛点与背景
随着中国煤炭开采向资源枯竭型和生态敏感型矿区延伸，传统的崩落法煤炭开采面临越来越严峻的安全与环境双重红线制约。
特别是在黄河流域的中西部煤炭生产基地，地表生态脆弱，黄土塬、干旱荒漠地表对地下开采的反应极其敏感。
单一崩落法不仅导致地表大面积塌陷、房屋开裂，还容易引发严重的滑坡等地质灾害。
同时，煤矸石作为煤炭开采过程中的第一大伴生固废，其地面消纳空间在“无废矿山”和“双碳”政策下已几乎归零。
地面矸石山不仅堆存成本高昂、占用大量土地资源，更存在自燃、扬尘及降雨淋滤导致的重金属污染地下水等严重的环保隐患。
在“原矸不出井”与“采空区低碳治理”的工程大背景下，井下固体/干式充填开采技术成为了盘活“三下”压煤资源、合规消纳固废、源头根治矿区动力灾害的主流技术途径。
二、井下干式充填的承载机理与控制原理
固体干式充填与泵送浆体充填不同，它主要依靠机械抛投堆积，然后通过充填液压支架后部的压实机构（通常为夯实板或侧向压实臂）对松散矸石颗粒进行刚性物理压实，以此形成具备早期抗压强度的固体连续承载体。
2.1 矸石松散颗粒的压实应变关系 (Salamon 模型)
散体煤矸石在受到围压和垂直荷载时的应力-应变响应，通常采用经典的 Salamon 松散体压实本构方程进行力学量化计算：
其中：
- σ 为松散矸石充填体所受的压实力（MPa）。
- \varepsilon 为散体的轴向变形应变（\varepsilon = \Delta h / h_0）。
- E_0 为散体充填物的初始弹性模量（MPa），与级配、含水率及初始孔隙率有关。
- \varepsilon_{max} 为散体在无限压力下的最大极限压实应变。
在极限状态下，最大压实应变可以表示为：
其中：
- e_0 为松散矸石的初始孔隙比。
- e_{min 为被完全压实、孔隙降到最低时的极限孔隙比。
由该力学关系可知，要降低覆岩的下沉量，必须从两个渠道入手：
- 减小初始孔隙比 e_0：通过合理的粒径筛分与级配匹配，将细矸石填充进粗矸石空隙中，实现最大密实度的自然堆积。
- 增大初始压实力 σ：在充填体未承受覆岩重力之前，利用充填液压支架的液压夯实机构给予强力的主动预应力压实，直接提前消耗散体的早期塑性变形空间。
三、块矸筛分与高频抛投工艺参数
井下干式充填的物料一般来源于巷道掘进矸石或选煤厂重介洗选出的块矸，在经过溜煤眼或输送皮带到达工作面之前，必须进行严格的级配控制与机械参数调配。
3.1 块矸粒径级配最佳参数设计
若矸石粒径过大（例如 >80mm），抛射时容易卡堵抛投带泄料口，且块体撞击支架板面易造成结构形变；若粒径过细（例如 <5mm 占比超过 40%），散体水合作用强，易在溜矸管路中黏结、结拱，导致生产中断。
根据工程经验，块矸干式充填的推荐级配参数如表所示：
| 粒径范围 (mm) | 推荐占比 (%) | 作用与功能说明 |
|---|---|---|
| 35 ~ 50 | 30% ~ 40% | 充填体骨架，提供抗剪强度与大载荷支撑 |
| 15 ~ 35 | 35% ~ 45% | 中等嵌挤颗粒，填补骨架大孔隙 |
| 5 ~ 15 | 15% ~ 20% | 填充中等空隙，提高充填体抗压强度 |
| < 5 (粉散体) | < 10% | 填充微孔隙，避免在输送管路中产生水化黏结 |
3.2 悬挂高速抛投皮带机工艺参数
抛投充填的效率取决于工作面抛投皮带机的运行速度、悬挂角度及落料口间距。
- 抛投带带速：设计区间为 10 ~ 18 m/s。当采空区深度较深、控顶距离大时，须提高带速以确保矸石能被射向最深处采空区的底板边缘，实现“远抛近压”。
- 抛射倾角：抛投带出口抛射仰角通常设定在 15° ~ 25°。根据充填高度的增加，倾角在程序控制下自动做上下俯仰，以确证堆积弧度饱满。
- 带悬挂间距：抛煤机通常悬挂在液压支架的后顶梁上，每隔 6 ~ 8 个支架 配置一台抛投卸料滑槽，实现工作面不留死角的覆盖。
四、压实机构与机械压实参数设计
机械压实是实现“接顶率”指标的决定性工艺。压实机构通常是充填液压支架的后向三连杆或四连杆夯实机构，其工作循环与采煤机截割步距同步联锁。
4.1 核心机械压实参数
- 主动压实力：后夯实油缸的额定主动推力设计在 1.5 ~ 3.5 MPa。压实力过小，矸石初始沉降率高；压实力过大，会引起液压支架前探梁的频繁下摆，干扰正常支架控制。
- 压实步距与频次：每次采煤机截割割煤后（割煤步距 0.6 ~ 0.8m），充填支架前移，后部释放抛投空间。矸石抛满后，压实头进行 3 ~ 5 次高频往复夯击，直至位移传感器反馈的压实位移差小于 5mm 即可自动锁闭。
- 充填体接顶率 (Roof-Contact Rate)：要求最终接顶率 ≥ 92\%，在高要求保护性采煤区（如穿过铁路线）接顶率必须大于 95%。
4.2 压实机构力学动力学计算
单个压实板对矸石面的平均静压应力 P_s 的计算公式如下：
其中：
- F_a 为压实缸的主动驱动力（kN）。
- θ 为压实板倾角与垂直面方向的夹角（°）。
- B 为单个支架下压实板的宽度（m）。
- H 为压实板的高度（m）。
在实际夯实过程中，由于矸石的散体阻力快速上升，夯实位移曲线 S(t) 的衰减特征可用非线性阻尼运动公式进行描述：
其中：
- M 为压实机构运动部件的等效质量（kg）。
- C 为矸石散体的抗夯阻尼系数。
- K 为散体的抗压刚度系数。
- m 为与密实度呈正相关的非线性幂指数（通常取值 1.5 ~ 2.2）。
五、干式充填与注浆充填技术方案对比
为方便设计单位进行方案选择，现将块矸干式抛投压实充填与地表离层注浆充填在力学性能、工期及成本等维度进行全方位对账：
| 评估维度 | 块矸干式抛射压实充填 (井下固体充填) | 覆岩隔离注浆充填 (地面钻孔充填) |
|---|---|---|
| 主要充填物料 | 原矸、掘进矸、洗选大块矸石 (15-50mm) | 极细矸石粉体 (<0.2mm)、粉煤灰、胶凝浆体 |
| 承载控制机理 | 采空区内散体刚性直接承载，限制顶板早期形变 | 注入覆岩离层，利用劈裂压反撑关键层，属间接减沉 |
| 最终接顶率 | 92% ~ 96%，控制效果极佳，地表沉降率低 | 时效性强，依赖于顶板离层空间的张开度 |
| 地面与井下投资 | 井下充填支架+抛投线造价高，前期投资约3500-6000万 | 地面制浆站+钻孔设备，前期投资约1500-2800万 |
| 吨煤充填直接成本 | 50 ~ 75 元/吨煤 (机械磨损折旧高，人工中等) | 28 ~ 42 元/吨煤 (化学胶凝材料大，耗水量高) |
| 采掘接续干扰度 | 中等，充填与采煤在空间上平行、时间上联锁 | 极低，完全在地面及工作面后方进行，无接续干扰 |
| 地表沉降控制率 | 沉降系数降至 0.08 ~ 0.15 | 沉降系数降至 0.15 ~ 0.25 |
六、主要工程风险与防范/应急处置流程
在实际作业期间，固体干式抛投及机械压实工艺容易遭遇散体挤压过度、机件磨损或局部顶板安全隐患。
6.1 主要风险列表与成因分析
- 压实机构油缸憋压锁死：由于矸石级配中出现超大块（>120mm）被卡死在四连杆空隙内，导致液压系统超负荷憋压。
- 抛投皮带高速撕裂或异物卡死：块矸铁件（如破碎锚杆、锚网碎片）混入矸石流，高速刮擦抛投皮带导致断带。
- 工作面后部粉尘超限：高速抛射块矸时，矸石剧烈撞击底板与支架板产生海量细微粉尘。
6.2 应急处置工作流程
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A[监测到异常: 压实油缸超载憋压/皮带卡堵] --> B{判断故障类型}
B -- 压实油缸卡死 --> C[立即停止抛投并锁定充填支架]
C --> D[启动压实机构反向退缸指令]
D --> E[人工使用专用长钎清理连杆间隙异物物料]
D --> F[确认油缸位移传感器读数恢复正常]
B -- 抛投带异常磨损/异物 --> G[瞬时断开工作面抛投皮带电气联锁]
G --> H[逆煤流方向关停顺槽输送干线]
H --> I[人工清除物料中的金属异物并复核皮带损伤度]
B -- 粉尘浓度超限 --> J[自动激活后部高压引射喷雾装置]
J --> K[调节加水比例增加块矸表面湿润度]
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七、实践案例与技术验证
以陕煤集团神木某 300 万吨/年重点矿井（设计采深 380m，平均煤厚 4.2m，工作面长度 240m）为例：
7.1 工程背景与设计方案
该矿井上方发育有一条地方二级公路及数处自然村庄，若采用全部垮落法，地表下沉系数达 0.78，直接导致地表公路断裂、房屋倒塌。
矿方选用“综采块矸干式抛投压实”方案，引入 120 架新型充填液压支架，配置后部四连杆夯实油缸。
7.2 实测工艺参数及对比数据表
经过为期一年的采充协同循环试验，实测地表及井下充填体参数如下：
| 监测项目 | 充填前（垮落法预期值） | 充填后（实测值） | 优化变幅 |
|---|---|---|---|
| 初始孔隙比 (e_0) | 0.85 | 0.42 | \downarrow 50.6\% |
| 最终接顶率 (Roof-Contact) | 0% | 94.6% | \uparrow 94.6\% |
| 地表最大沉降量 (mm) | 3276 | 215 | \downarrow 93.4\% |
| 最终地表下沉系数 | 0.78 | 0.051 | \downarrow 93.4\% |
| 公路路面拉伸变形 (mm/m) | 8.5 (严重破坏) | 1.1 (无开裂安全区) | \downarrow 87\% |
| 日消纳地面原矸量 (吨) | 0 | 2800 | 达产达效 |
八 前期准备资料清单
项目进行可行性研究与设备选型前，矿方总工程师须组织生产科、地测科等提报以下数据清单：
- [ ] 煤矿采区回采接续大纲：提供充填工作面未来 3 - 5 年滚动开采接续平面图及切眼图。
- [ ] 矸石产出量与级配检测数据：包含选煤厂出渣量日波动报表及重介矸石粒径分布筛分数据。
- [ ] 工作面顶底板岩石力学参数：工作面直接顶、基本顶砂岩的弹性模量、泊松比、抗压强度。
- [ ] 工作面防爆电气控制条件：工作面是否为高瓦斯工况、防爆等级与 PLC 网络通信接口。
九、常见问题 FAQ
Q：井下块矸抛投会不会因为冲击力过大打碎下方的煤柱或巷道壁？
A： 不会。抛投皮带机的安装悬挂倾角及射程是经过精确计算的，其落料轨道始终指向采空区已垮落的软性底板堆积体或充填挡墙。
另外，抛射出的块体粒径被限制在 50mm 以下，其单颗粒动能较小，且抛落点会形成自熘堆积，起到天然的缓冲和自保护作用。
Q：这种干式充填对工作面的正常采煤效率有什么影响？
A： 干式充填开采采用“采充协同”工艺。采煤机向前截割割煤、支架移架与支架后方的抛投、压实是在空间上错开进行的。
一般设计抛投压实点滞后前部采煤机 15 ~ 25m。在设计支架联锁控制下，移架后自动触发后部抛投充填，采煤效率可维持在常规综采的 85% 以上。
Q：散体矸石在压实后，随着时间推移会不会发生二次流变或蠕变塌陷？
A： 块散矸石作为无黏结性粗粒土散体，其蠕变主要体现在颗粒在高应力下的二次破碎和角隅磨损重排。
在主动机械压实力达到 2.5 MPa 以上时，矸石颗粒的大部分不稳定角隅在充填阶段即已被提前压碎并重新嵌入空隙，其后期的覆岩压缩蠕变率会降至 3% 以下，不会对地表长期减沉控制产生负面影响。
参考依据
- 行业标准 NB/T 10892-2026《煤矿固体充填液压支架选型设计规范》
- 《煤炭开采固体充填与地表微变形控制技术基础》（科学出版社）
- 中国矿业大学采矿工程国家重点学科《采空区固体充填与顶板承载机理研究成果》
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于为陕蒙晋煤炭集团提供固体干式抛投充填、原矸不出井全链条选充方案比选与商务模式开发。
依托中国矿业大学采矿国家重点实验室团队，协助煤矿集团实现安全与绿色的高质量智能化转型。
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