我国北方的主要煤炭产区，大都属于干旱-半干旱地区，区域生态环境较脆弱。20世纪末，基于榆神府矿区潜水保护，国内提出了保水开采理念[1]，经过多年研究，初步形成了以保护生态水位为目标的保水开采技术体系[2-4]。保水开采理念已推广应用到华北、新疆等全国其他大型煤炭基地，取得了显著效果[3,5-6]。尽管如此，在隔采比(隔水岩土总厚度与采高比)较小的浅埋煤层赋存区域，长壁采煤仍然不可避免的破坏含水层结构，造成了浅表水资源流失[7]。
随着绿色开采理念逐步深入人心，传统长壁采煤引起的水资源流失弊端已受到愈来愈大的环境保护压力与社会舆论压力[8-9]，降低采高、部分开采和充填开采等方法又会带来煤炭资源浪费或开采成本提高等问题。因此，研发高资源回收率、低成本的保水开采方法，仍然是浅埋煤层保水开采面临的重大难题[3]。
保水采煤(保水开采)方法与工作面宽度、采煤方法及煤层埋深等多种因素相关，除长壁一次全高开采外，通常采用的保水开采方法还有限高或分层开采、减小工作面宽度的短壁或条带开采，以及充填开采等。近年来，上述多种采煤方法都进行了工程实践，取得成效，但与煤炭资源的高回收率、低成本条件下的生态水位保护，还有差距[10]。煤炭是不可再生资源，为最大限度地回收煤炭资源，充填开采是实现保水开采的有效途径之一。榆神矿区榆阳煤矿于2012年第1次开展了充填保水采煤示范。2015年实测该矿充填采煤工作面水位最大只下降2.76 m，生态水位得到了控制，基本实现了保水采煤[3,11]。我国科技工作者建立了长壁式间隔充填条件下的浅埋煤层上覆隔水岩组力学模型，给出了合理充填间隔和充填带宽度的计算方法。在西北、华北、华东等矿区，我国科技工作者从保水开采角度，构建了长壁充填条件下的顶板隔水层稳定性力学模型，并开展了工程实践[12-15]。
目前，采空区充填开采法主要有长壁式充填[16-20]和巷柱式充填[21]。对于长壁式充填采煤法，存在充填时间和充填空间不足的问题。煤层采出后，采空区直接顶很快就会垮落、下沉，充填时间和充填空间有限，但充填体在短时间内无法达到设计强度要求，顶板得不到主动及时的支撑，覆岩移动和地表沉降不可避免。此外，采煤与充填作业在同一空间内，由于受保护的作业空间有限，采煤与充填平行作业协调困难，充填作业影响开采进度。对于巷柱式充填法，巷采后采空区面积小，且充填过程中始终有实体煤或充填体支撑顶板，地表沉陷控制效果相对较好。值得一提的是，充填量和充填成本制约了充填保水开采的大面积推广应用。为此，本文基于旺格维利快速采煤法[22-23]和巷柱式充填采煤法的原理与优点，提出“采充并行”式充填保水采煤方法，并在华北晋煤集团王台铺煤矿成功进行了工业性试验。
1 “采充并行”式充填保水采煤方法
1.1 采场布置
按照旺格维利采煤法布置采场支巷和运输主巷[24]，其中采场支巷为采煤巷道，运输主巷为主要运输通道，如图1(a)所示。采场支巷的开口角度一般为40°～60°，长度一般不大于150 m。采场支巷布置在运输主巷一侧的，称为单翼开采;布置在运输主巷两侧的，称为双翼开采。
1.2 工艺程序
(1)将采场支巷划分为N个(一般3～5个)开采阶段进行开采，即每个开采阶段包括若干条采场支巷。同一开采阶段相邻采场支巷间隔M条(M<N,)采场支巷，作为间隔煤柱(隔离体)，如图1(a)所示。
(2)按照开采顺序，(以跳采方式)间隔开采并充填第1阶段内所有的采场支巷。采用连续采煤机对采场支巷进行开采，每个采场支巷内的煤炭开采完毕后，就立即对其进行密闭和充填，相当于用充填体置换煤炭，如图1(b)所示。
(3)第1阶段内的所有采场支巷开采并充填完毕后，开采和充填第2阶段的采场支巷，如图1(c)所示。
(4)进行下一阶段采场支巷的开采和充填，直至完成所有开采阶段内所有采场支巷的开采和充填，如图1(d)所示。
(5)最后对运输主巷也进行充填，最终实现充填体与煤层的完全置换，如图1(e)所示。
旺格维利采场支巷充填采煤法关键流程如图1所示。
1.3 “采充并行”充填开采模式
(1)在正常开采采场支巷的同时，将上一条已开采后的采场支巷作为充填巷，对其立即进行密闭和充填。实际操作中，一般多留一条开采后的采场支巷作为备用充填巷，如图2(a)所示。
(2)一个充填开采循环(即一条充填巷充填完成后)完成后，在开采下一条采场支巷的同时，上一条已开采出的采场支巷成为充填巷，如图2(b)所示。
图1 充填保水开采法关键流程
Fig.1 Key process of water preserved mining by filling
图2 一采一充一备的“采充并行”充填保水开采模式
Fig.2 Mining pattern of “backfilling while mining”
1.4 主要参数
1.4.1 采场支巷宽度
(1)从开采效率方面考虑，为减少工作面搬家次数以提高连续采煤机的采煤效率，采场支巷宽度应尽可能大，其宽度应在5.0 m以上。
(2)从围岩控制方面考虑，为减少顶板在充填前的下沉量，采场支巷宽度应尽可能小，其宽度不宜大于6.0 m。
1.4.2 间隔煤柱(隔离体)宽度
(1)间隔煤柱的作用
间隔煤柱(隔离体)的作用是在采场支巷开采和充填过程中为采空区顶板提供有效支撑，控制覆岩移动和地表下沉。
(2)间隔煤柱(隔离体)内涵
间隔煤柱宽度，即N-1个采场支巷的宽度。在第1开采阶段，间隔煤柱由实体煤(若干条还未开采的采场支巷)组成。在第2开采阶段及后续开采阶段，由实体煤(若干条还未开采的采场支巷)和已达到设计强度要求的充填体组成。最后一个开采阶段，完全由充填体组成。
(3)隔离体宽度
隔离体宽度的设计原则为：① 为保证采场支巷开采和充填过程中，隔离体具有一定的承载能力，能够有效支撑顶板，隔离体宽度应尽可能大;② 充填体固化时间决定其强度指标，因此，应使充填体在下一阶段开采前满足固化时间要求，才能保证其强度达到设计要求。
2 工程实例
2.1 采矿地质条件
试验块段位于山西晋煤集团王台铺煤矿二盘区，煤层平均埋深约220 m。块段平均长330 m，平均宽约160 m，储量约20万t。块段对应地表有厂房、房屋等建筑物，如图3所示。
图3 试验块段对应地表的建筑物
Fig.3 Ground surface buildings of the experimental panel
所采煤层为XV号煤，平均厚度2.38 m，倾角1°～2°。直接顶为石灰岩，平均厚度8.50 m，单向抗压强度53.6～212.9 MPa。XV号煤上方还赋存着Ⅸ号煤层(与石灰岩直接顶间隔约20 m的基岩段，主要含砂质泥岩、石灰岩、细砂岩、泥岩等，岩性整体属于中硬)。在Ⅸ号煤层上方约24 m赋存着由砂质泥岩和泥岩组成的有效隔水层(中间间隔约20 m的基岩段，主要含砂质泥岩、石灰岩、细砂岩、泥岩，岩性整体属于中硬)，总厚达13.2 m，该隔水层在XV号煤层上方约56.5 m处，见表1。只要该隔水层在XV号煤采动过程中不破坏，则开采区域需要保护的浅表水资源不会流失，保水开采可以实现。
表1 试验块段地层结构
Table 1 Stratigraphic structure of experimental panel
2.2 块段参数及布置
(1)采场支巷宽度
根据试验块段的采矿地质条件和该矿的开采经验，确定其采场支巷宽度为6.0 m，高度为2.6 m。
(2)隔离体宽度
按照隔离体设计原则，确定隔离体宽度为18.0 m。在采场支巷设计宽度为6.0 m的条件下，将整个块段内的采场支巷划分为4个开采阶段。
(3)块段布置
采场支巷采用双翼布置方式，即在块段中间沿煤层走向方向布置一条运输主巷。在运输主巷两侧分别以50°开口，布置88条采场支巷，如图4所示。
2.3 开采顺序及工艺
(1)开采顺序
试验块段内的采场支巷划分为4个开采阶段。第1阶段至第4阶段依次开采，开采顺序为
第1阶段(1→2→9→10→17→18→25→26→33→34→41→42→49→50→57→58→65→66→73→74→81→82→86);第2阶段(3→4→11→12→19→20→27→28→35→36→43→44→51→52→59→60→67→68→75→76→83→84→87);第3阶段(5→6→13→14→21→22→29→30→37→38→45→46→53→54→61→62→69→70→77→78→85→88);第4阶段(7→8→15→16→23→24→31→32→39→40→47→48→55→56→63→64→71→72→79→80→85)。
图4 试验块段布置及生产系统示意
Fig.4 Schematic diagram arrangement and production systems
(2)开采工艺及主要设备
开采工艺为“割煤→装煤→支护→运煤”。
采用EML340AF-1800/3500型连续采煤机完成割煤和装煤。采用SC10/182型梭车完成煤炭从连采机到PZY2000/300型连运机的运输。采用CMM2-15型液压钻车完成巷道顶锚杆和顶锚索的打眼和安装。采用连运机完成煤炭的破碎和转载工作。采用SGW-40T/1140型刮板运输机将连运机破碎后的煤炭转载至DSJ120/180/2×200型带式输送机运出。
2.4 采场支巷及运输主巷支护
(1)采场支巷支护参数
采场支巷开采后就立即进行充填，服务时间短，故只对顶板进行支护，支护断面如图5所示。
图5 采场支巷支护断面
Fig.5 Suppor section of the MR
采用锚带索支护方式。锚杆规格为MSGLW-400/18/1800高强度螺纹钢锚杆，钢带规格为SB-16-70-4200-3型，锚索规格为SKP22-1/1770/7300。锚杆每排3根，间排距为2.0 m×2.0 m。锚索每排1根，排距为6.0 m。
(2)运输主巷支护参数
运输主巷为主要运输通道，服务时间长，需加强支护。① 顶板采用锚带网索支护方式。锚杆规格为MSGLW-400/20/2000高强度螺纹钢锚杆，钢带规格为SB-16-70-5000-5型，金属网规格为1.4 m×5.2 m，锚索规格为SKP22-1/1770/7300。锚杆每排5根，间排距为1.2 m×1.5 m。锚索每排2根，间排距为3.0 m×4.5 m。② 帮部采用锚带支护方式。锚杆规格为MSGF-335/18/1800复合式可回收锚杆，钢带规格为SB-16-70-2000-3型。锚杆每排3根，间排距为0.9 m×1.5 m。
2.5 关键充填参数
2.5.1 充填材料
充填材料选用高水膨胀材料。材料由基料和辅料组成，基料为粉煤灰、赤泥等硅质材料，辅料为石膏、石灰、水泥和膨胀剂。将基料、辅料与水充分搅拌混合后，制成水料的质量比为(1.3～1.5)∶1左右的充填料浆，充填材料的密度为1.5～1.6 g/cm3。
料浆在2 h内呈液体状态，可实现自流输送;2 h以后开始固化，并有约10%的体积膨胀;固化后的充填体是性能稳定、具有水硬胶凝性能的含水硅酸钙和含水铝酸钙。固化后，充填体的单向抗压强度见表2。
表2 固化后充填体的单向抗压强度Table 2 Uniaxial compressive strength of the solidified filling body
2.5.2 充填系统及工艺流程
(1)充填系统
充填系统由地面充填站和充填管路构成。地面充填站主要包括料浆制备和输送及其配套设备，其中料浆制备装置包括初浆罐、辅料罐和成浆罐。充填管路由钻孔管路和井下充填管路组成。
(2)充填工艺流程
首先，向初浆罐内注入定量的水和相应配比量的粉煤灰，制成初浆;之后，将初浆和辅料按照设定配比同时注入成浆罐，边搅拌边输出，连续制浆;第三，通过充填管路，依靠重力势能，将料浆自流输送到已用密闭墙封闭的充填巷中;最后，对充填管路进行冲洗。充填工艺流程如图6所示。
2.6 应用效果
从经济角度考虑，试验块段内部分边角区域不适合布置采场支巷，该区域内的煤炭未采出，整个试验块段的采出率为96.8%。采场支巷充填接顶效果好，如图7所示。
在试验块段地表布置两条地表移动观测线。实测的地表变形最大值小于中国国家规定的建筑物Ⅰ级损坏等级指标[25]，见表3。
图6 充填工艺流程
Fig.6 Technological process of filling
图7 采场支巷接顶情况实照
Fig.7 Roof-contacting condition of the MR
表3 试验块段的地表变形值
Table 3 Values of ground surface deformation of the test panel
由于含水层下沉量难以现场测量，所以采用UDEC数值模拟软件计算[26]。通过UDEC数值模拟软件模拟老顶变形过程，其结果如下:XV号煤层直接顶(石灰岩)的最大下沉值为60 mm，最大水平位移为22.4 mm，最大水平变形为1.2 mm/m。根据XV号煤层直接顶顶部岩层变形量可以判定其上覆岩层的最大水平变形不超过1.2 mm/m。一般隔水层最大水平变形不超过2～3 mm/m时，隔水层的完整性不会受到破坏[27-30]，所以开采区域的浅表水资源可以得到保护。
3 讨 论
(1)开发出旺格维利采场支巷充填采煤方法，建立了“一采一充一备、采充并行”的充填开采模式，可有效控制覆岩移动，为煤矿保水开采开辟了新途径，可应用于中国西部浅埋煤层的水资源保护性开采中，解决由采动造成的水资源流失难题[27,31-33]。
(2)采场支巷宽度越小，采场支巷数就越多，影响开采效率;采场支巷宽度越大，采空区裸露空间就越大，顶板下沉量就越大，对充填前的采空区顶板支护也提出了更高的要求。合理的采场支巷宽度，既能保证开采效率，又能使采空区顶板下沉和地表沉陷得到有效控制，且不需明显加大支护工作量。
4 结 论
(1)将开采块段内的所有采场支巷分为多个阶段进行开采和充填，在阶段内对采场支巷进行间隔开采和充填，克服了传统采空区充填开采方法中充填时间和充填空间不足的缺点。
(2)一采一充一备的“采充并行”充填开采模式，可实现采煤与充填平行作业，克服了传统采空区充填开采方法中充填作业影响开采进度的缺点。
(3)将开采和充填作业空间始终控制在采场支巷这个有限的空间内，在采场支巷开采后就立即对其进行充填，且保证其两帮始终是实体煤或已达到设计强度的充填体，有效控制了采空区顶板下沉、隔水层的破坏和地表沉陷。
(4)在试验块段采出率为96.8%的条件下，地表最大下沉值为28 mm，最大水平移动值为15 mm，最大水平变形值为0.63 mm/m，最大倾斜值为0.80 mm/m，最大曲率值为0.09 mm/m2，小于中国国家规定的建筑物Ⅰ级损坏等级指标;试验块段上覆隔水层的最大水平变形小于1.2 mm/m，隔水层的完整性不会受到破坏，可以实现保水开采。
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