0.   引　　言

煤炭作为我国的主体能源和重要化工原料，在我国能源安全保障上具有“压舱石”的基础性和主体性作用^[1-2]。我国能源中长期发展战略中指出，到2030年煤炭在我国一次能源结构中的比重还将保持在50%以上^[3-5]。煤矸石作为煤炭开采的伴生产物，其产量约占当年煤炭产量的10%～20%，通常作为固体废弃物排放至地面，形成矿区特有的矸石山。

针对煤矸石固体废弃物处置的相关政策法规及指导性文件也更加明确了当前煤炭企业在高质量发展背景下的任务和要求。党的十八大以来生态文明建设被列入国家发展规划^[6]，立足于西部煤炭开采可持续发展需求，创新性开展绿色开采技术体系研究是必由之路。相关部门多次强调要保持加强西北生态文明建设的战略定力，牢固树立生态优先、绿色发展的导向。2020年4月29日，新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》特别关注固体废物污染的“源头防控”，明确规定产废单位对工业固废的全程性责任^[7]；2020年5月28日新颁布的《中华人民共和国民法典》体现了“绿色原则”，制定了生态环境损害的惩罚性赔偿制度^[8]。

因此，科学、绿色、合法、合规地处置煤矸石等固体废弃物已成为西部生态脆弱区能否实现生态环境与经济社会高质量发展的关键。而长期工业实践证明，煤矸石井下充填是目前煤矸石综合利用中技术手段相对可靠、监督成本相对较低的一种绿色化处置方式。

1.   煤矸石产出现状

2011年至2021年我国煤炭行业每年新增矸石排放量在6.0亿～7.5亿t，累计堆存量超过70亿t，形成矸石山1 500～1 700座。其中，2021年矸石产量约7.43亿t，同比增长5.84%（图1）。

图  1  2011—2021年我国矸石排放量及增长率

Figure  1.  Waste discharge and growth rate in China from 2011 to 2021

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我国煤炭资源禀赋特征为“西多东少”，西部地区煤炭储量占全国资源70%以上，其资源的开发利用已成为保障国家能源安全的重大现实需求^[9-10]。且随着西部地区煤炭资源的大规模开发，其伴生产物煤矸石产量也急剧增加。以2021—2022年为例，全国煤炭主要产区的煤矸石产量达到6.89亿t，仅西部地区煤矸石产量就达到了4.1亿t，如图2所示。且我国西部矿区煤炭开采具有埋藏浅、采高大、推进快等特点，高强度的煤炭开采极易造成地表沉陷、生态损伤等安全与环境问题，此外西部矿区地表多为沙漠黄土覆盖、天气干旱且少雨、水资源匮乏，导致西部矿区生态环境十分脆弱。大量矸石在地表堆积，使西部地区原本就脆弱的生态环境损伤加剧，矸石地面堆积不仅侵占了大量土地资源，而且部分矸石在雨水作用下重金属元素析出向周围土壤扩散，进一步导致周围土壤劣化，植物种类及数量减少，矿区环境形势十分严峻^[11-12]。

图  2  2021—2022年我国各省份原煤及煤矸石产量

Figure  2.  Output of coal and gangue in China’s provinces from 2021−2022

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2.   浆体充填发展历程及技术内涵

2.1   煤矸石井下充填发展历程

煤矸石井下充填在我国已有几十年的发展历史，且其在不同时期针对不同需求形成了工作面固体充填、工作面膏体充填、覆岩离层注浆充填和采空区浆体充填等3种煤矸石不同形态的多种井下充填方式^[13-16]。

20世纪80年代之前，我国煤矸石大多以就地堆放的形式进行处理，各种矸石井下充填理论及技术体系还未建立，仅有部分矿井尝试将矸石堆放在废弃巷道中以减少运输量。

20世纪80年代至90年代末，针对煤层开采后地表下沉问题，我国在抚顺老虎台煤矿开展离层注浆充填工程试验，随后在大屯、新汶、兖州、枣庄等东部矿区开展“三下”开采工程应用，并逐步建立覆岩离层注浆充填基础理论及技术体系^[17]。

21世纪初期，针对中部矿区的煤层“三下”开采问题，我国开始研究固体充填相关的矸石井下处理技术解决“三下”开采问题，形成固体充填技术体系，并在河北、开滦、山东、山西等中东部矿区开展工程应用；针对厚煤层分层开采问题，2006年太平煤矿引入膏体充填技术解决厚煤层分层开采问题，并逐步在“三下”开采中应用，兼顾处置煤矸石^[18-19]。

21世纪10年代后，针对西部蒙陕地区高产高效矿井的煤矸石绿色化低干扰处置需求，我国开始了采空浆体充填技术的研究与探索，并逐步在黄陵二号井、大海则煤矿展开工业化试验^[16-17]。煤矸石井下充填发展历程如图3所示。

图  3  煤矸石井下充填发展历程及优缺点

Figure  3.  Development process history and advantages and disadvantages of underground backfilling with coal gangue

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2.2   煤矸石浆体充填技术内涵

2.2.1   浆体充填基本概念与框架

基于蒙陕地区高产高效矿井煤矸石的绿色化低干扰和高效化低成本处置需求，综合覆岩离层注浆充填、膏体充填、矿井黄泥灌浆技术原理及采场覆岩“横三区、竖三带”结构特征，提出煤矸石浆体充填技术。煤矸石浆体充填技术是指将煤矸石制成一定粒度颗粒，并与矿井水混合制成矸石浆体，最后通过注浆泵以管道输送的方式将矸石浆体充填至井下采空区，进而实现煤矸石的无害化处置。基于煤矸石浆体充填技术的基本内涵，形成了精准制浆、管道输送和多位充填三大关键技术，并在井下采煤工作面回采的同时，通过三大关键技术的协同匹配，利用回采面后方的采空区实现煤矸石零排放与矿井水协同处置，实现充填工艺与采煤工艺在时空上的最优工效。煤矸石浆体充填技术框架如图4所示。

图  4  煤矸石浆体充填技术框架

Figure  4.  Development process of underground backfilling with coal gangue

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2.2.2   浆体充填关键技术与工艺

精准制浆技术是指通过破碎、筛分等技术手段将煤矸石破碎成需求粒级，而后通过定量控制实现特定矸石浆体浓度的精准制备。管道输送技术是利用注浆泵或自流等方式将矸石浆体加压后，以适宜输送速度将矸石浆体通过管道稳定输送至采空区附近，并保持管道内流场的稳定。多位充填技术是指采用低位灌浆、邻位注浆或高位注浆充填等方式将煤矸石浆体注入至采空区残余空间内，其低位灌浆是指在工作面回采巷内布置管道构建充填通道，对工作面后方的采空区垮落带进行充填，其主要形式为回采巷实体煤帮侧挂管与埋管，与传统的黄泥灌浆原理类似；邻位注浆是指在相邻回采巷与采空区间施工钻进仰上斜孔构建充填通道，对已采采空区的裂隙带及垮落带进行充填，其主要形式为相邻回采巷向本工作面后方采空区施工钻孔；高位注浆是指在地面与采空区之间施工钻孔构建充填通道，对已采的采空区充填，其主要形式是在地面向工作面后方的采空区施工垂直钻孔。

煤矸石浆体充填技术的工艺流程：通过破碎、筛分等技术手段将煤矸石制成一定粒径组成的颗粒集料，并缓存至成品缓存仓；而后通过定量给料机和定量给水泵分别将成品缓存仓的成品颗粒集料和水池中的矿井水按照一定比例输送至搅拌机内搅拌制浆，其合格的矸石浆体自流至注浆泵内的受浆斗内；最后通过注浆泵将受浆斗内的矸石浆体以管道输送的方式充填至井下采空区的垮落残余空间，最终在不影响工作面正常生产的前提下实现矸石的绿色化低干扰处置。煤矸石浆体充填技术工艺原理如图5所示。

图  5  浆体充填技术工艺原理

Figure  5.  Principle and backfilling method of slurry backfilling technology

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3.   浆体充填关键科学问题研究进展

近年来，随着矸石固体废弃物无害化规模处置问题的关注度逐年上升，矸石浆体充填技术在我国煤矿陆续开展试验性探索，但目前我国浆体充填理论及技术发展仍较为缓慢^[20-21]。

针对浆体充填材料制备缓存、浆体长距离输送及采空区充填处置等方面的研究仍不完善，部分问题的研究尚属空白，亟需在相关理论技术方面实现突破，进一步推动浆体充填技术在煤矸石固废处置领域的发展。在碳达峰、碳中和目标的背景下，国家各主管部门及各省、自治区陆续出台了一系列指导性、政策性和鼓励性文件^[22-24]，大力推进煤矸石处理产业结构优化，但浆体充填若想真正意义上实现大规模的推广应用，需从浆体材料精准制备与流变特性、矸石浆体长距离管输特征、采空区空隙空间浆体介入规律以上3项关键科学问题入手（图6），针对关键技术理论开展研究突破。

图  6  浆体充填研究框架示意

Figure  6.  Schematic of slurry backfilling research framework

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3.1   精准制浆技术研究

3.1.1   矸石浆体成浆机理

矸石浆体成浆机理相较于其他流体而言具有特殊性，主要体现在3方面：粗颗粒多、组分复杂、高固含等。破碎后的矸石从水溶性角度分析包含粗颗粒、细颗粒以及可溶性矿物，根据矸石浆体中各组成成分的状态变化，矸石成浆分为以下2个阶段，如图7所示。

图  7  矸石成浆过程示意

Figure  7.  Schematic of gangue slurry forming process

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第一阶段：溶解和混合。

固体颗粒被浸入在液体介质中，可溶性物质会通过溶解作用增加浆体的密度。同时其他颗粒间存在2种不同状态：一种是颗粒之间相互接近彼此产生相互作用力在液体介质中形成稳定分散的悬浮液。另一种是矸石颗粒发生团聚形成新的团聚体，但矸石中煤等疏水性物质占比较少，主导的团聚行为弱，浆体悬浮体系呈分散稳定的特性。

第二阶段：大颗粒或颗粒团聚体的解聚。

浆体搅拌过程主要发生的是搅拌、剪切和对流3种作用使得物质能够扩散开来。粗颗粒间受到搅拌作用颗粒之间发生瞬间接触碰撞。Bagnold应力反映了颗粒间碰撞引起的动量输运，其主要影响因素有固体颗粒的粒径、密度和浓度等。颗粒越大，颗粒之间的碰撞作用越剧烈。

在矸石浆体搅拌成浆过程中，细颗粒起到了重要的作用。与粗颗粒相比，具有更大的比表面积，其表面的物理化学作用和颗粒间的相互作用更强。

细颗粒的矸石粉末在浆体可与异性离子相互吸引后形成双电层，两个颗粒之间距离较近时，颗粒表面的吸附水膜互相接触，在水的张力和吸附作用下将两个颗粒拉进，形成相互连接的絮网结构。这种絮网具有一定的抗剪能力，形成了最初的屈服应力，絮网结构导致颗粒之间产生相互作用力，进而使浆体呈现出稳定状态。此外，矸石内部分氧化物也会发生水化反应，水化产物本身就是一种具有黏结性的物质，这种黏结性物质分布在“絮网结构”上，进一步强化了“絮网结构”抵抗外界剪切的能力（图8）。

图  8  陕北某矿矸石浆体γ-τ流变曲线

Figure  8.  Gangue slurry of a mine in northern Shaanxi γ-τ curve

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除此之外，矸石中的黏土质矿物在破碎后很容易形成细小的颗粒，其遇水极易溶解泥化且粒度微细，大幅增加了矸石浆体中细粒级的含量以及浆体悬浮密度，使得所有颗粒受到浮力增大，矸石颗粒的重力及浮力达到平衡，矸石颗粒不会下沉，整体上处于稳定状态。

3.1.2   多因素耦合条件浆体流变特性

固液两相流体的流变特性非常复杂，浆体流变行为的影响因素大致可分为2类。第一类是物料自身的物理化学特性，包括固体密度、颗粒粒径、级配等^[25-27]。其中粒径大小和级配对于料浆的流变特性影响显著，在操作过程中常常会通过磨破、配比等手段，改变颗粒的粒径和级配。第二类主要包括浆体浓度、温度等。研究表明，物料的固相浓度和粒径对浆体流变行为起主要影响，而级配又决定浓度对浆体流变行为的影响程度。

利用流变仪对不同粒径级配、浓度条件下的矸石浆体流变参数进行测试，试验结果如下：

在剪切速率上升过程中，任一质量分数的矸石浆体均存在一个应力峰值，高浓度料浆搅拌出现最大峰值的现象称为应力过冲现象。应力峰值的出现表明高浓度料浆在状态转换过程中，作用力必须首先克服料浆内部结构，当料浆内部结构瓦解后，高浓度料浆的剪切应力又会逐渐降低，剪切应力逐渐降低表明高浓度料浆开始流动，料浆固-液状态完成转变。

试验结果表明，同一种粒径级配下，浓度越高，浆体弹塑性状态转换需要的剪切应力和剪切速率越大；应力过冲现象越明显，即高浓度浆体虽然稳定性较好，但是浆体状态转变需要的初始应力也越大。这是因为质量分数越大，矸石浆体内部颗粒之间的作用力越大，矸石颗粒被牢牢粘结，在流变仪转子搅拌作用下，浆体状态变化有限，需要较大的剪切力和剪切速率才能改变浆体状态。质量分数越小，浆体内部结构越弱，越易引起矸石下沉，堆积在中下部，造成离析现象。

同一浓度下，浆体中大于粒径3 mm占比越多，应力过冲现象越明显，流变状态转换需要的剪切应力越大。此外，受到矸石中大颗粒的影响，各浆体在测试过程中剪切应力值上下波动范围较大，这是因为浆体中的矸石粒径尺寸较大而且分布不均匀，高速转动的转子与矸石碰撞就会导致传输过程数据值突变。

3.1.3   矸石浆体精准制备

实现浆体的精准制备是保障浆体长距离稳定输送的前提，而实现浆体精准制备首先需实现成浆浓度的精准预测。

根据流变试验分析可知，对浆体流变性能影响较大的因素为岩性、浓度及粒径，因此在确定浆体流变性能的要求后，可通过获取矸石的岩性特征及粒径特征来反演其成浆浓度范围。为更好地体现粒度级配，引入平均粒径、200目（粒径0.074 mm）占比以及d90等粒径指标，以以上指标作为影响因素，建立7因子影响下的矸石浆体成浆预测模型。

基于已有数据集进行大量训练后，得到7因子影响下的矸石浆体成浆预测模型，为验证模型的预测效果，利用测试集预测成浆浓度，预测结果如图9所示。

图  9  各样本的真实值和预测值对比

Figure  9.  Comparison between real value and predicted value of each sample

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预测结果可以看出，对于最小浓度的预测误差在0.2%～4.1%，最大浓度的预测误差在0.05%～2.4%，模型的整体泛化能力较强，能较好反映真实值的波动规律，预测值和试验值吻合性较好。

根据上述分析，在确定矸石岩性和粒径条件下即可通过神经网络模型预测成浆浓度。而在此基础上如何精准预测成浆后的矸石浆体流变特性成为精准制备矸石浆体的关键环节。因此，通过回归分析的方式建立矸石浆体流变参数预测模型以完善矸石浆体的精准制备模型。

屈服应力拟合得到回归方程为

其中：$E{\rm_{RF}}$为误差函数；x为平均粒度；y为浓度；z为屈服应力，方程的决定系数R²=0.99，Z₀=34.6，B=5215.1，C=1121.9，D₁=264.0，E=94.1，F=7.7，其为系数。

黏度拟合得到回归方程为

其中，Z₀=887.2，B=15067，C=353.8，D=215.17，E=80，F=2.6。决定系数R²=0.99。

在已知矸石岩性以及粒度的情况下，通过神经网络的方式可以精准预测该岩性矸石在某一粒度下的成浆范围；通过矸石浆体流变参数回归模型可以预测某一浓度和粒度下成浆后的浆体的黏度和剪切应力大小。基于此，建立浆体精准制备模型，可实现矸石浆体流变参数精准预测（图10），也可通过流变参数反演所需浆体浓度及粒度级配。

图  10  浆体精准制备模型

Figure  10.  Precision slurry preparation model

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3.2   管道输送技术研究

3.2.1   浆体输送流场稳定性判别及最大输送距离

浆体输送过程中流场指的是速度场和压力场，在距离因素影响下浆体的速度场、压力场稳定性和流动过程中矸石的沉降有很大关系：初始速度越大，粘度越大，速度场就越稳定，但同时也会引起管路阻力过大。之所以会出现流场不稳定的根本原因还是输送过程中不同相之间的受力所致。矸石浆体在实际工程应用中，因没有达到饱和状态，同时矸石的粒度存在一定差异，导致矸石在料浆沿管道输送过程中会发生沉降现象，这一点由矸石颗粒在运输过程中的受力分析也可以看出^[28]。沉降使管道截面料浆的浓度分布发生再分布，管道底部浓度较高而顶部浓度较低。

以往的研究中，对于运距较短的工程如尾矿库输送管路或金属矿充填管路等一般不考虑运距对管路颗粒垂向分布的影响，因而对浆体也没有统一的评价标准。清华大学水利系对长距离输煤管道提出的要求，以距管顶0.08D处的浓度${S_{\rm{v}}}$与管中心处浓度${S_{{\rm{va}}}}$之比为垂向浓度分布的指标，要求${S_{\rm{v}}}/{S_{{\rm{va}}}} > 0.6$，否则便属于不稳定^[29]。浆体流场不稳定表现为输送过程中容易发生沉降性堵管，管道阀门等设备磨损严重等。因此，可通过分析不同工况的矸石浆体浓度变化及S_v / S_va值，并以此判断流场的稳定性，进一步保障浆体的安全输送。

通过FLUNT数值模拟软件获取不同速度、不同流变特性条件下的管道内浓度分布数据。将数据导入到Matlab，推导计算矸石浆体输送过程中距离因素和浆体流速及黏度之间的相关关系，拟合不同流速 $\eta$ 和 $v$ 黏度下浆体输送距离与料浆稳定性的关系得到回归方程$L = f(v,\eta ) = 16.89{\eta ^{0.803}}{v^{0.4807}}$。利用该回归方程可以得到不同工况下矸石浆体的最大输送距离，防止由于流场稳定性降低导致的堵管事故，对工程设计具有重要指导意义。

3.2.2   矸石浆体管道输送关键参数确定方法

对于特定充填条件而言，充填浆体流变参数可以通过前期的浓度、粒度进行精准预测，也可通过流变试验直接获取。浆体制备参数确定后，只要基于该参数得出合理的管道输送流速、阻力等核心参数，即可保障矸石浆体的安全稳定输送。

目前，针对浆体沿程阻力的计算方法较多，由于计算模型各异影响因素也有较大差异。在长时间的工业浆体管路输送实践中，许多科研院所及专家总结了多种有关管道阻力损失计算的经验公式，为研究料浆管道输送提供了理论基础。常用的浆体输送经验公式如下。

1）长沙矿冶研究院经验公式^[30]：

式中：$i_{{\rm{m}}}$为料浆水力坡度；$i_{0}$为清水水力坡度；$D$为管路直径；$v$为料浆流速；$\rho_{{\rm{j}}}$为料浆密度；$\rho_{0}$为清水密度；g为重力加速度。长沙矿冶院的经验公式主要的适用范围是高浓度料浆的水力输送，适用的管道输送直径为50 mm～80 mm。

2）金川水力坡度计算经验公式^[31]：

式中：${i_0}$为清水水力坡度；$C_{{\rm{v}}}$为料浆质量浓度；$\rho_{{\rm{s}}}$为固体物料密度；${v_{{\rm{av}}}}$为加权平均沉降速度；C_d为固体物料沉降阻力系数。金川公式计算的结果适用于非均质的充填料浆。

3）鞍山黑色金属矿山设计院公式^[32]

其他输送阻力计算公式见表1^[33-37]。

表  1  输送阻力计算经验公式统计

Table  1.  Statistics of empirical formula for conveying resistance calculation

来源	公式	适用对象	参数
Druand（1950）[33]	${i_{\rm{m} } } = {i_{\rm{w} } } + 82C{i_{\rm{w} } }{\left[ {\dfrac{ {v_{\rm{m}}^2\sqrt { {C_D} } } }{ {gD(S - 1)} } } \right]^{ - 1.5} }$	浆体；基于重力理论及大量试验结果得到	共同参数： ${i}_{{\rm{m}}}$为总阻力损失；${C}$为浓度；${i}_{{\rm{w}}}$为水流阻力损失；${D}$为管径；${v}_{{\rm{m}}}$为平均速度；${\rho }_{{\rm{m}}}$为平均密度；${g}$为重力加速度；${d}$为粒径；${s}$为固液相密度比； 独有参数： ${C}_{{\rm{D}}}$为阻力系数；$\Delta i$为不完全悬移增阻率；${i}_{{\rm{b}}}$为不悬浮时阻力；${i}_{{\rm{s}}}$为完全悬浮时阻力；$\Delta {p}_{{\rm{u}}}$，$\Delta {p}_{{\rm{d}}}$为等长上升管和下降管的压降值；$R$为成层比率；${i}_{{\rm{mh}}}$，${i}_{{\rm{ms}}}$为悬移、层移阻力梯度；$A$，$B$为与流体阻力、机械阻力有关的无量纲系数；${S}_{{\rm{m}}}$为混合物相对密度；$f$为液相摩阻系数；$\omega$为颗粒沉降速度；$\xi$为附加相对压力梯度；$i$为活塞流阻力梯度；${\mu }_{{\rm{s}}}$为机械滑动系数；${C}_{{\rm{i}}}$为当地体积浓度；$\gamma$为颗粒碰撞能耗。
Newitt D M（1961）[34]	${i_{\rm{m} } } = {i_{\rm{w} } } + 1\;100C{i_{\rm{w} } }(S - 1)\dfrac{ { {v_{\rm{t} } }gD} }{ {v_{\rm{m} }^2} }$	浆体；根据条件不同，系数会发生变化
戴继岚（1985）[35]	$\Delta i = \dfrac{ { {i_{\rm{b} } } - {i_{\rm{s} }} } }{ { {i_{\rm{s} } } } }$，其中${i_{\rm{s} } } = \dfrac{ {\Delta {p_{\rm{n}}} - \Delta {p_{\rm{d}}} } }{ {2{\rho _{\rm{m} } }g} }$	粗颗粒；$d >$0.2 mm；基于试验得到
Wlison K C（1990）[36]	${i_{\rm{m}}} = R{i_{{\rm{ms}}} } + (1 - R){i_{{\rm{mh}}} }$ 其中，${i_{{\rm{mh}}} } = {i_{\rm{w}}}\left[ {1 + A({S_{\rm{m}}} - 1)} \right]$ ${i_{{\rm{ms}}} } = {i_{\rm{w}}} + B({S_{\rm{m}}} - 1)$	最大粒径不超过2.5 mm的浆体；试验、理论相结合
陈广文（1994）[36]	$\begin{gathered} {i_{\rm{m}}} = \dfrac{ {2fv_{\rm{m}}^2} }{ {gD} } + C(S - 1)\dfrac{w}{ { {v_{\rm{m}}} } } + \\ \dfrac{ {d{v_{\rm{m}}}C} }{ { {D^2}{ {(1 - C/{C_{\rm{m}}})}^{2.5C} } } } \\ \end{gathered}$	浆体；理论分析为主，讨论阻力损失的组成
Sundqvist A（1996）[37]	${i_{\rm{m}}} = \xi i + {i_{\rm{w}}}$ 其中，$i = 2{\mu _{\rm{s}}}(S - 1)C$	浆体；理论推导为主，结合数据验证
夏建新（2002）[38]	${i_{\rm{m} } } = {i_{\rm{w} } } + {C_{\rm{i}}}(S - 1) + \dfrac{\gamma }{ { {\rho _{\rm{m} } }g} }$	粗颗粒；理论推导为主，结合数据验证

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各经验公式所适用的矿山条件以及颗粒参数不同，但从以上计算管道阻力损失的公式可以看出，影响料浆输送的因素主要有料浆颗粒的粒径、料浆浓度、输送管径、输送速度、料浆密度、管壁的粗糙度等。

针对煤矿浆体充填而言，在保证安全输送的前提下，如何最大程度减小阻力损失，降低系统能耗，成为输送参数确定的重要指标之一。相关研究结果表明：随着流速增加，非均质流浆体在管道摩阻损失呈先减小再增大的趋势，存在最佳流速，在此条件下管阻损失有最小值^[39]。以此为思路计算矸石浆体最优流速，由于鞍山黑色金属矿山设计院公式更加适合于高浓度料浆输送阻力计算，以其作为基础计算矸石浆体最优流速。

令${\rm{d}}{i_{\rm{p}}}/{\rm{d}}v = 0$得到流速${v_{\rm{c}}}$计算公式如下：

输送过程中最优流速的影响因素包括浆体密度、矸石密度、粒径、管径、粗糙度和黏度等参数影响。式中，$n = 5(1 - 0.2\lg \dfrac{{{v_{{\rm{av}}}}{d_{\rm{a}}}}}{\mu })$。

3.3   浆体多位充填技术

3.3.1   低位灌浆充填

为探究低位灌浆充填的可行性及其浆体介入规律，在大海则煤矿矸石山开展低位灌浆充填模拟试验，分析低位灌浆时矸石浆体在模拟采空区内的流动扩散规律。

结合工作面后方采空区弧形三角区下部垮落带特征和低位灌浆充填区域，在地面模拟堆积垮落带模型，其模型整体呈阶梯状，尺寸为30.0 m×18.5 m×（0.75～2.5）m，低位灌浆管平铺于模型底部，模型边界利用沙土进行约束，如图11所示。

图  11  低位灌浆充填模拟试验模型

Figure  11.  Simulation test model of low position slurry backfilling

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由现场观测及监测数据可知，低位灌浆充填时，矸石浆体在垮落岩块间的空隙流动具有如下特征：

1）随着灌浆量的增加，矸石浆体沿着垮落岩块间的空隙向四周流淌；当矸石浆体高于出浆口时，矸石浆体从出口点向外喷涌，并以涌出点为起点向四周扩散；当矸石浆体高于0.75 m时（第一阶梯高度），矸石浆体以波浪推移的形式向倾向边界流动，以空隙渗流的方式向走向深部采空区扩散。

2）矸石浆体在垮落岩块间的流动具有选择性，当岩块间空隙大于矸石浆体介入宽度时，浆体沿着岩块间空隙如树枝分叉型依次充填岩块间的空腔及空隙；当岩块间空隙小于矸石浆体介入宽度时，浆体在该空隙或空腔处停止扩散流动。

3）垂直方向上矸石浆体垂直在第一阶梯内基本呈直线分布，在第二阶梯内呈下降曲线分布，且浆体垂高随着远离浆体出口呈逐步下降的趋势；沿着矸石浆体的流动方向，矸石浆体中粗颗粒的占比呈降低的趋势，细颗粒的占比呈上升的趋势，矸石浆体的质量分数呈下降的趋势。

3.3.2   邻位注浆充填

为探究邻位注浆充填的可行性及其浆体介入规律，在实验室开展邻位注浆充填模拟试验，分析邻位注浆时矸石浆体在模拟采空区内的流动扩散规律。

根据浆体充填空间分布特征，采空区内孔隙在倾向和走向分布存在非均匀性，且倾向的非均匀性更为显著。利用相似模拟装置模拟浆体流动状态，实验设计的采空区垮落带模拟区的尺寸为3.0 m×7.0 m×1.8 m（长×宽×高），模型右侧边界共设计3个不同高度注浆孔（按高度从高到低分别为1、2、3号），本次试验利用1号孔进行试验，模型如图12所示。

图  12  采空区邻位注浆充填模型

Figure  12.  Backfilling model of adjacent grouting in goaf

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由试验监测结果可知，邻位注浆充填时，矸石浆体在垮落矸石间空隙的流动特征如下：

1）矸石浆体可以通过堆积体的空隙空间进行流动，且整体流动性较好，流动规律整体呈现先纵向扩展再横向扩散的规律，根据流动特点大致可分为4个阶段^[40]。

2）浆体在矸石堆积体中稳定后坡度相比塌落度试验矸石堆积体中的自流坡度有所增大。距离出料口较近区域的浆体自流坡度明显大于距离出料口较远区域，且随距出料口距离的增加，先不断减小，最后趋于稳定。

3.3.3   高位注浆充填

为科学化、精准化地探究高位注浆的可行性及其浆体介入规律，采用三维物理相似材料模拟的方法，研究高位注浆时矸石浆体在相似材料模拟回采面后采空区内的扩散规律。

以矿井地质资料为背景，搭建尺寸为2.0 m×3.6 m×2.0 m的三维物理相似模型，在模型内部预置4根PVC管模拟高位注浆钻孔，在模型底板位置布设网格状碳纤维加热光纤，其网格大小与理论注浆扩散半径相适应。试验时，首先按照试验设计将回采工作面开挖完毕，然后利用空气压缩机将储浆桶内的矸石浆体通过PVC管充填至工作面开挖后的采空区，并利用DTS实时监测矸石浆液在采空区内的扩散情况。

根据DTS监测得到的温度数据，结合克里金插值法，得到采空区浆液温度场云图（图13），从而反演浆液扩散范围及形态。得出高位注浆时矸石浆体在采空区内的扩散特征如下：

图  13  整体注浆网格扩散形态及模拟

Figure  13.  Overall grouting grid diffusion shape and simulation

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1）注浆形态为以椭圆形为主的非规则形态，且易向采空区边界扩散，即矸石浆体具有主动向空隙程度更高的优势路径流动的趋势。

2）采空区非压实区的浆液扩散半径大于采空区压实区，注浆管最小扩散半径位置处对应空隙率为5%～10%，最大扩散半径对应空隙率为20%～25%。

3）浆体充填钻孔的终孔高度也是影响浆体充填分布范围的主要因素，由分析可知，1、2、3、4试验孔的终孔高度位置逐步升高，注浆分布范围随之逐渐变广。

4.   浆体充填发展趋势和研究展望

浆体充填技术利用垮落带破碎岩块间的空隙充填矸石浆体，具有规模化绿色高效处理煤矸石固废的多方面显著优势。当前，国内外学者针对煤矸石浆体充填的基础理论及关键技术开展了大量研究，并取得了多项创新成果，完成了多个工程实践。然而，对于采动覆岩空隙的分布及演化机理研究不够深入，对矸石浆体在采场覆岩空隙内的流动扩散规律等“黑箱”问题掌握不够明确，仍缺乏相应的研究手段及监测设备，且以上问题将是浆体充填技术未来需要攻克的主要难点及重点。同时，在双碳目标背景下，浆体充填技术也应进一步适应新常态、新需求，在减碳负碳、生态修复、流态化开采等方面发挥更加积极的作用，因此对浆体充填技术的研究做出如下展望。

1）矿化CO₂制备负碳浆体技术。能源行业的减碳、降碳是我国“双碳”工作的重点方向。通过研究CO₂矿化关键技术，开发出煤矸石捕集矿化CO₂制备浆体的工业化工艺路线和相关材料、装备，形成大宗煤矸石矿化CO₂制备负碳充填体综合解决方案，实现煤矸石与CO₂高效协同处理。在平衡技术经济性条件下，浆体负碳充填体流动性、级配特性等指标均符合现行国家及行业标准，实现节能、利废、负碳相统一。

2）基于MICP技术的浆体重构岩层技术。在浆体充填内搭载细菌微生物，利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，当浆体流入到采动空间后，利用细菌新陈代谢分解后产生的碳酸根离子与浆体充填体或采空区破碎岩体的游离无机盐、金属阳离子结合，形成凝胶新盐，使破碎岩体重新胶结，从而达到浆体重构岩层的目的。

3）浆体置换难采煤体流态化开采技术。传统流态化开采采用高压水力进行冲割煤层，具有耗能高、破碎煤体效果不佳等缺点。利用矸石浆体取代普通矿井水，利用加砂水喷射原理，将难采煤层高效切割。并在高压射流器附近设置煤、岩分离装置，从而实现薄煤层、极薄煤层、深部煤层、大倾角煤层的安全开采和高效充填。