矸石排放和采场矿压与地表沉陷控制是煤矿开采中面临的共性问题[1-3]，在深部开采中尤为突出[4-7]，严重制约着我国绿色矿山建设和绿色化开采。同时，随着我国矿井现代化建设进程的加快、矿井规模逐渐扩大、开采深度逐步增加及辅助运输逐渐向无轨化运输发展，带来了矿井矸石量增加、排矸困难、辅助运输系统紧张和主井提升难度加大等问题。煤炭开采引起的岩层移动和原煤加工带来的固体废弃物排放是导致上述问题的根源，长期以来，充填采煤技术已发展成为控制岩层移动及地表沉陷的有效手段[8-12]，得到了规模化的工业性推广应用。同时，随着近年来井下煤矸分离技术不断成熟与应用，实施井下分选与充填开采的协同已成为现代化矿井实现绿色开采、资源开发与环境协调发展的现实需求[13-16]。煤矿矸石井下分选协同原位充填开采是实现这一目标的根本策略，即以原煤井下分选为核心，围绕不同目标层次的原位矸石充填开采方法，充分发挥两者间的优势互补。笔者系统阐述了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采的科学内涵与模式，分析了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系，给出了井下煤矸分选方法和原位充填开采方法的选择流程。
1 煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式
煤矿矸石井下分选协同原位充填开采就是将采煤、分选和充填系统有机结合起来，以井下分选为核心，围绕充填开采方法而建立的一种煤炭开发模式，实现了煤炭开采、井下分选和矸石处理全过程高度集约化的井下生产，如图1所示。该模式由井下采煤系统、分选系统和充填系统3个部分组成，各系统相互衔接而又相对独立，通过将采煤、分选和充填的系统、设备和工艺在时间与空间上协同，主要表现为充填能力与分选能力协同、采充系统与分选系统协同、采充工艺与分选工艺协同和矸石物流协同4个方面，即根据充填目标实现充填能力与分选能力的匹配，通过采充与分选相关巷道及硐室在空间上优化布局实现采充系统与分选系统的合理衔接，基于采充工艺与分选工艺在时间上差异达到工效的最优化组织，统筹考虑充填与分选矸石物流的协调运输与控制实现充填物料的均匀平稳输送，从而达到煤矿绿色开发目的。就近分选和原位充填是煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式的两个科学内涵，具体表现在:① 井下分选先行，即以避免原煤长距离往返运输的就近分选为原则，利用井下分选系统实现煤矸高效分离，达到就近分选目的，为采空区充填提供物料保障;② 绿色充填协同，即将就近分选的矸石根据矿井不同生产需求而充填至采空区，实现矸石原位充填。
图1 煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式
Fig.1 Mode of coal waste separation and coordinated in-situ backfill and mining
2 煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系
煤矿矸石井下分选协同原位充填开采的技术体系主要包括井下煤矸分选和井下原位充填技术，如图2所示。根据分选级别与充填目的不同，围绕各技术组成、分类和选择流程进行阐述:① 井下煤矸分选技术，根据煤矿原煤可选性及粒级等工艺指标，可将井下原煤分选分为3个级别，I类为全粒级分选，II类为煤矸分离，Ⅲ类为毛煤排矸，适用的井下煤矸分选技术包括新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选等;② 井下原位充填技术，根据充填目的不同，充填方法可根据系统布置而分为全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种类型，分别解决了采场矿压控制、地表沉陷控制、矸石处理和资源回收等问题。
图2 煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系
Fig.2 Technical system of coal waste separation and coordinated in-situ backfill and mining
3 井下煤矸分选方法
3.1 井下典型分选技术
根据原煤分选的难易程度及可选性，井下典型的煤矸分选技术包括新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种技术[17-21]。这5种技术或者相互结合可达到全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个级别的井下分选目标。
(1)全粒级分选
全粒级分选是一种煤矸深度分选方法，主要以新型跳汰主选+旋流器粗煤泥辅助分选技术实现原煤全粒级分选。
新型跳汰分选技术的核心分选装备为新型双侧进风跳汰分选机，以水为分选介质，通过平稳的双侧进风结构极大地降低分选带煤率，其技术原理如图3所示。该技术可实现200～0.5 mm颗粒基于煤矸密度差异进行跳汰分选，单机最大处理量达1 000 t/h。
图3 新型跳汰分选技术原理
Fig.3 Technical principle of new jig separation
旋流器分选技术是在离心力、向心浮力、流体曳力、重力和马格纳斯升力等共同作用下，形成双螺旋流态，颗粒按密度分流，进而完成分选，其关键设备为旋流器，原煤进入分选锥体中，在外旋流和内旋流作用下，矸石与精煤实现分离，矸石随底流流出，精煤从溢流管流出，其技术原理如图4所示。该技术可实现0.5 mm以下粗煤泥精细分选，适用于极难选煤分选，单机最大处理能力一般为500 t/h。
图4 水介旋流器分选技术原理
Fig.4 Technical principle of water-only cyclone separation
(2)煤矸分离
重介浅槽分选是实现煤矸分离较为常用的分选技术，该技术以阿基米德原理为基础，利用煤矸密度差特性在重力场中进行高效分离的方法，采用了铁磁粉等作为分选介质，关键分选装备为重介浅槽分选机，原煤进入重介浅槽分选机槽体内，在重介质作用下将煤矸分离，底部矸石经排矸刮板运出，精煤经脱介后进入煤炭运输系统，其技术原理如图5所示。该方法分选精度较高，分选能力大，分选上下限值在200～13 mm，可用于难选煤分选，但该分选系统较复杂，且分选运行成本较高。
图5 重介浅槽分选技术原理
Fig.5 Technical principle of dense medium shallow groove separation
(3)毛煤排矸
毛煤排矸主要目的是进行原煤矸石的初排，动筛跳汰分选和γ射线分选是目前常用的2种分选技术。
动筛跳汰分选以物料在垂直升降的变速介质流中存在密度差异而进行分离的方法，采用重力自流排料策略，一般水为变速介质流体，该方法利用的关键分选设备为动筛跳汰分选机，原煤在筛箱内被水介质分离，精煤经提升轮运输至精煤中部槽，矸石自然沉淀从底部分离出来，其技术原理如图6所示。该方法分选精度低、分选效果差，主要适用于井下排矸，分选上限可达300～400 mm，下限为30～35 mm，分选效率在90%～95%，系统较简单，一般要求分选硐室高度达9 m。
图6 动筛跳汰分选技术原理
Fig.6 Technical principle of movable-sieve jig separation
γ射线分选利用射线穿透能力等物理特性的差异进行毛煤排矸，其核心设备为γ射线分选器，原煤经分级后进入识别装置，煤矸图像识别后利用高压空气将煤或矸石各自排出，其技术原理如图7所示。该系统简单，单机最大处理量为160 t/h，主要用于粗级排矸。
图7 γ射线分选技术原理
Fig.7 Technical principle of γ radiation separation
3.2 分选方法确定的流程
一般而言，煤矿井下分选方法确定需要6个步骤，如图8所示，具体流程:
第1步，确定分选与充填系统能力。井下煤矸分选方法的选择首先要考虑矿井充填目的，然后综合考虑矿井煤矸分选能力和矿井充填系统的所需矸石量，进行煤矸分选能力与矿井充填能力的匹配。
图8 井下煤矸分选方法确定流程
Fig.8 Determination procedure of underground coal gangue separation method
第2步，分析煤质特点及投资情况。在确定矿井煤矸分选能力与充填能力的同时，需对原煤性质有深入全面的了解，对矿井原煤的含矸率、粒度、硬度和密度做初步的分析，并且估算煤矸分选的经济成本，明确分选质量要求。
第3步，确定洗选指标与入选粒度。根据煤质特点以及用户需求情况，确定原煤的洗选指标;结合原煤实际分选指标和矿井所需煤矸分选能力，确定最优入选粒级范围。
第4步，判断原煤可选性。基于原煤的分选指标，根据煤炭可选性评定方法[22]，判断原煤的可选性。按原煤的分选难易程度，可将可选性划分为5个等级，分别为易选、中等可选、较难选、难选和极难选。
第5步，选择合理洗选工艺。根据确定的洗选指标，判断原煤的可选性，进而根据可选性、入选粒度选择合理的洗选工艺。同时洗选工艺选择也要综合考虑后期煤质及市场情况的变化，确保后期发展的可持续性。
第6步，确定分选方法。综合考虑上述矿井煤矸分选目的、煤质特点、洗选指标、原煤可选性以及洗选工艺，确定适合矿井的煤矸分选方法。
3.3 分选系统及巷硐布置要求
井下分选系统及巷硐布置需满足分选设备运行、分选工艺实施等基本要求，因此，分选系统及巷硐布置应遵循以下基本原则:① 分选相关巷道与硐室布置在围岩性质相对稳定的岩层内;② 分选硐室应保证一定的断面尺寸，需满足井下受限空间内不同分选设备的安装与运行要求;③ 根据矿井充填开采资源量，明确井下分选系统及巷硐的服务年限，应满足矿井生产要求;④ 考虑密集硐室群在动静载荷叠加影响下的长期变形控制;⑤ 井下煤矸分选系统应包括分级破碎、煤矸分离和煤泥水处理等系统;⑥ 分选主要硐室应包括分级硐室、主分选硐室、脱水脱介硐室、煤泥水处理硐室和其他辅助分选硐室等。井下典型分选系统及巷硐布置如图9所示。
4 井下原位充填开采方法
4.1 充填开采方法
根据矿井充填目的不同而选择合理的充填开采方法，一般包括充填物料选择、充填工艺优化、充填装备设计和充填系统布置等方面。井下原位充填开采的充填物料主要有原矸、矸石基混合材料、胶结材料、膏体、高水材料等，一般根据具体充填方法而确定;井下原位充填开采的充填工艺包括干式充填、胶结充填以及高水充填等，可根据矿井地质条件、充填目的等多种因素选择充填工艺;井下原位充填开采的充填装备包括采场支护设备、充填物料运输设备和转载设备等，以干式充填为例，主要的充填装备包括充填采煤液压支架、多孔底卸式输送机和自移式转载输送机等。
井下原位充填开采的充填系统布置包括全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种类型，需根据矿井充填开采目的不同而进行选择与设计。
图9 井下典型分选系统及巷硐布置
Fig.9 Typical separation system and roadway-chamber layout
(1)全采全充
全采全充指将开采块段内圈定的煤炭资源全部采出，所形成的采空区进行全部或部分密实充填的开采方法。开采块段煤体经采充行为后，全部由密实充填体取代，或部分由条带式密实充填体取代。
全采全充的开采系统布局形式是在开采块段内逐个布置相同的充填工作面，采煤与充填交替进行，采完即充，直至完成开采块段所有煤炭资源的开采与采空区的全部密实充填，系统布置如图10所示。
图10 全采全充系统布置
Fig.10 Mining system layout of CMCB method
全采全充的布局优势主要体现在:① 有效结合了综采与充填的技术特征，实现开采块段煤炭资源的高效绿色开采;② 实现采空区的全部密实充填，有效控制采场矿压及地表沉陷;③ 可灵活配置不同的充填工艺，适用范围广。该方法煤炭采出率高，其目的是为了严格控制采场矿压与地表沉陷。
(2)全采局充
全采局充指的是将开采块段内煤炭资源全部采出，形成的采空区进行非密实局部充填的开采方法。煤体经采充行为后，由垮落的采空区与非密实充填体取代。根据局部充填实现方式的不同，可分为纵向全采局充和横向全采局充2种类型。
图11 纵向全采局充系统布置
Fig.11 Mining system layout of CMPB method in the horizontal
纵向全采局充的开采系统布局形式又分为异面型全采局充和同面型全采局充2种形式，如图11所示。其中异面型全采局充的布局形式是在开采块段内交替布置综采工作面与充填工作面，综采工作面采用垮落法管理顶板，充填工作面采用充填法管理顶板，综采工作面与充填工作面交替进行，直至完成开采块段所有煤炭资源的开采与对应采空区的充填;同面型全采局充的布局形式是在开采块段内逐个布置相同的混采工作面，混采工作面包括综采段与充填段，综采段采用垮落法管理顶板，充填段采用充填法管理顶板，混采工作面综采段与充填段按工序交替进行，直至完成开采块段所有煤炭资源的开采与对应采空区的充填。横向全采局充主要指在采空区内高度方向或工作面推进方向上非密实充填，若进行密实充填也可达到全采全充矿压与地表沉陷控制的同等效果，如图12所示。
图12 横向全采局充系统布置
Fig.12 Mining system layout of CMPB method in the vertical
同样，全采局充也可以布置为图10类型，但不需要密实充填。全采局充的布局优势主要体现在:① 根据实际工程需求灵活设置充填工作面;② 有效结合了综采的高效性与充填处理矸石的特点，克服纯充填工作面不能与矿井生产能力匹配的缺陷;③ 有效平衡了致密充填减缓岩层运动与减弱矿压显现与快速开采需求之间的矛盾。全采局充主要适用于煤炭高效开采和矸石等固体废弃物规模化井下处理。
(3)局采局充
局采局充指的是将开采块段内煤炭资源局部采出，留设一定数量的煤柱，形成的采空区进行非密实局部充填的开采方法。开采块段煤体经采充行为后，由遗留的煤柱、垮落的采空区及非密实充填体取代。典型的局采局充系统布置如图13所示。
图13 局采局充系统布置
Fig.13 Mining system layout of PMPB method
局采局充的布局形式是在开采块段内交替布置充填工作面，并在每两个充填工作面之间留设煤柱，开采块段煤炭资源开采完毕后由煤柱和非密实充填体组成，充填工作面采用非密实充填法管理顶板。
局采局充的布局优势主要体现在:① 根据矸石处理量灵活布置充填面;② 通过合理设置遗留煤柱宽度，结合充填的致密程度，等效实现全断面密实充填的岩层控制效果。局采局充主要适用于矿压与地表沉陷控制或需要处理矸石的矿井。
(4)局采全充
局采全充指的是对开采块段遗留的煤炭进行回采，对所有采空区进行全部密实充填的开采方法。开采块段煤体经2次采充行为后，全部由密实充填体取代。
局采全充的开采系统布置形式是在已经有过开采行为(如遗留煤体)的开采块段内逐个布置相同的充填工作面，2次采煤与充填交替进行，采完即充，直至完成开采块段所有遗留煤炭资源的开采与全部采空区的密实充填，包括房柱式和旺格维利型局采全充2种类型，如图14,15所示。
图14 房柱式局采全充系统布置
Fig.14 Mining system layout of PMCB method for room and pillar
局采全充的布局优势主要体现在:采用充填法回收遗留煤炭资源，安全可靠性高。局采全充法主要适用于遗留煤柱的安全高效回收。
图15 旺格维利型局采全充系统布置
Fig.15 Mining system layout of PMCB method for Wanganui willy
4.2 充填开采方法选择流程
在实际工程应用中，应根据矿井采矿地质条件，结合实际工程需求，选择井下充填开采方法，进而确定具体的充填开采系统布置。具体流程:① 分析矿井采矿地质条件，包括煤层赋存及分布和岩层结构特征等方面;② 确定矸石产量、充填能力和工作面尺寸等参量;③ 明确矿井充填开采的工程需求，包括矿压控制、地表沉陷控制、矸石处理或资源回收等;④ 选择对应的充填开采方法，包括全采全充、全采局充、局采局充和局采全充;⑤ 进行充实率、充采质量比、支架工作阻力、地表沉陷及采出率等指标的实时监测;⑥ 对充填开采方法的整体效果进行评价与反馈;⑦优化充填采煤工艺参数。通过以上流程选择合理的充填开采方法，最终达到矿井不同充填开采目标层次的要求。
4.3 地表沉陷与采场矿压控制效果
由4.1节分析可知，4种充填开采方法各自具有一定适用性，对地表沉陷与采场矿压控制效果也不同。为掌握4种充填开采方法的地表沉陷及采场矿压控制效果，本节采用FLAC3D数值软件建立充填开采数值模型(长×宽×高为400 m×320 m×90 m)，为保证模型一致性，以某矿采矿地质条件为例，煤层埋深为75 m，在煤层之上共建立8层岩层及表土层，岩性主要以细砂岩、粉砂岩及泥岩为主，建立的数值模型如图16所示，模拟得到的不同充填开采方法对应的采动支承压力及地表下沉结果，如图17,18所示。
图16 不同充填开采方法数值模型
Fig.16 Model schematic of different backfill method
图17 不同充填开采方法超前支承压力对比
Fig.17 Stress comparison of working face under different backfill method
由图17,18可知，不同充填开采方法对地表沉陷和采场矿压控制效果有所差异。4类充填开采方法对地表沉陷和采场矿压控制效果由优到差基本表现一致，其排序为:局采全充、全采全充、局采局充和全采局充。密实全充和非密实局充对岩层移动控制能力的差异是造成地表沉陷和采场矿压控制效果差异的根本原因，无论是局采全充还是全采全充，均以严格控制地表沉陷和采场矿压为主要目的，相比以处理矸石为目的局采局充和全采局充，密实充填体对岩层的承载能力明显优于非密实充填体，而开采块段局采全充后由遗留煤柱和密实充填体共同组成，相比开采块段全采全充后全部由密实充填体组成的结构，对岩层移动控制效果更佳。
图18 不同充填开采方法地表下沉曲线
Fig.18 Surface subsidence under different backfill method
5 结 论
(1)提出了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式，就近分选和原位充填是煤矿矸石井下分选协同原位充填开采的科学内涵。
(2)构建了以井下煤矸分选技术和井下原位充填技术为核心，高度集约化的绿色化开采技术体系，井下煤矸分选主要包括新型跳汰分选、旋流器分选、重介质浅槽分选、跳汰分选和γ射线分选5种技术，井下原位充填技术可根据充填目的不同，按巷道布置方式分为全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种类型。
(3)给出了基于采选系统能力匹配、煤质特点、原煤可选性和分选工艺等因素的分选方法选择流程，提出了I类全粒级分选、II类煤矸分离和Ⅲ类毛煤排矸3种不同分选级别对应的井下煤矸分选技术及装备，井下典型的煤矸分选系统应包括分级破碎系统、煤矸分离系统和煤泥水处理系统等，主要硐室工程包括分级硐室、主分选硐室、脱水脱介硐室、煤泥水处理硐室和相关辅助分选硐室。
(4)按照控制对象、充填效果等不同目标层次选择适用于煤矿的充填开采方法。全采全充适用于严格控制采场矿压与地表沉陷;全采局充煤炭高效开采和矸石等固体废弃物规模化井下处理，分为纵向全采局充和横向全采局充两类，纵向全采局充又分为异面型和同面型全采局充两种类型;局采局充适用于矿压与地表沉陷控制或需要处理矸石的矿井;局采全充适用于遗留煤柱的安全高效回收，分为房柱式与旺格维利型局采全充两种类型。
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