煤炭在我国能源战略安全体系中长期起到压舱石和兜底保障作用[1-3]，然而，煤炭开发与利用过程中需排放20%左右的矸石[4]，造成矿区环境污染与生态破坏[5-7]，国家政策及法规明确要求提高矸石综合利用率[8-9]，但是目前仍不足60%[10]，并且以地面堆积填埋为主[11]，矸石处理问题已经成为影响我国资源开发与环境保护战略的矛盾之一[12-13]。如何在严守生态保护红线的前提下实现矸石高效处置是煤矿企业面临的发展难题[14-15]。
井下充填是矸石处置与利用的重要技术途径，目前常用的井下充填方法主要包括抛矸充填[16-17]、掘巷充填[18]、综合机械化充填[19]、采选充一体化充填和矸石泵送胶结充填等[20-22]，上述充填方法的理论和技术已经比较成熟，但存在着矸石充填与煤炭开采之间的时空干涉问题[23]：即采煤与充填在同一个空间内并行作业，矸石充填处置增加了工作面生产工序，降低了15%～20%的采煤效率[24-25]，限制了矸石井下充填方法的应用范围；同时，现有的矸石井下处置空间仅利用煤层开采空间，未充分利用煤层开采后上覆岩层变形产生的一系列包含垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带中的离层区域在内的非压实区域。因此，如何充分利用煤层采动产生的嗣后空间也成为井下高效、绿色、安全处置矸石[26]的重要发展方向。
笔者提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法，阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学技术问题，主要包括非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等关键科学问题，以及毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送技术、注浆钻孔布局及时效控制技术、矸石注浆充填效果智能监控技术等关键技术问题，以期为我国矿山矸石固废高效处置提供理论与技术指导。
1 矸石高效处置的必要性
1.1 煤矿矸石排放量大
煤炭资源的大规模、高强度开发，导致矸石等伴生废弃物急剧增加，矿区生态环境压力日益加大。据统计，目前我国矸石累计堆放量已超过60亿t[27]，形成矸石山1 500～1 700余座，占地约20余万亩，且以5亿～8亿t/a的排放量逐年增加[28]。尤其是“十三五”以来，我国煤炭产能加快向资源禀赋好、开采条件好的晋、陕、蒙、宁、新地区集中，西部矿区已经成为了我国煤炭的主要产能基地，且随着煤炭生产集约化、规模化水平明显提升，千万吨级矿井数量不断增加，其产生的矸石排放量也逐年递增。表1统计了西部典型千万吨级矿井矸石排放情况，如此体量的固体废弃物排放至地面不仅带来了矸石山自燃、爆炸及滑坡等安全问题[29]，而且引发了大气污染、水环境破坏等环境问题[30]，严重超出西部生态脆弱区生态环境承受阈值。
表1 2021年西部典型矿井矸石排放量统计[10,36]
Table 1 Gangue production in typical mines in the western region in 2021[10，36] 万t/a
序号矿井核定产能矸石排放量序号矿井核定产能矸石排放量1布尔台煤矿2 0005606柠条塔煤矿1 8002002酸刺沟煤矿1 8005007龙王沟煤矿1 0002003活鸡兔煤矿1 1303008葫芦素煤矿1 3001504罐子沟煤矿8002409榆家梁煤矿1 3001305补连塔煤矿2 80021510高头窑煤矿800110
1.2 矸石处置与利用率低
目前矸石处置与利用途径主要包括发电、铺路、生产建筑材料、生产化工原料、农业应用及井下利用等[31-33]，处置与利用方法多样，但矸石的综合利用率仅为60%左右[34-35]。图1为矸石地面处置利用方式，其中矸石发电具有发热量低、灰分高、硬度大及锅炉磨损严重等问题，且矸石的运输距离制约着其在发电领域的作用；矸石铺路存在道路建设时间和地点不确定且矸石消耗量少等问题，无法实现连续集中利用；而矸石制作水泥等建筑材料、硅系列化学品等化工原料或农业生产用的化肥等也存在着研发工艺复杂、运输费用高及矸石品质要求高等问题[36]，制约着矸石固废的高效利用。
图1 矸石地面处置利用方式
Fig.1 Ground disposal and utilization of gangue
1.3 煤矿开采井下可利用空间大
煤矿开采会产生大量的地下空间，包括井筒、巷道、硐室和采空区，其中采空区占主要空间。据能源局统计，2020年我国煤矿开采废弃空间达到12 000处[37-38]，预计2030年将达到28 000处[39-40]，采空区体积将达到241亿m3，如果每年能利用这些采空区体积的2%，可实现所有矿井年排放矸石全部井下处置；如果能利用这些采空区体积的15%，可实现现有地面堆放矸石全部井下处置[41-42]。因此，合理利用地下空间处置矿区废弃物已成为煤矿井下空间资源开发利用新方向，符合国家“十四五”推动绿色发展的远景目标。
1.4 国家政策导向
随着我国矿山固废处置与利用形势日趋严重及紧迫，自“十三五”以来，国家相继颁布出台了一系列相关法规政策有力的规范并推动矸石高效处置。2020年全国人民代表大会常务委员会修订了《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，指出国家鼓励采取先进工艺对矸石进行综合利用；2021年国家发展改革委联合九部门印发《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，从提升利用效率、推进绿色发展、推动创新发展3个方面明确了推动大宗固废综合利用的13项重点任务，指出促进矸石实现绿色、高效、高质、高值利用，对矸石等固废的处置问题设定了新的目标；2022年习近平总书记在二十大报告中指出必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展，进一步指出了我国能源资源绿色低碳开发的目标。表2统计了我国矸石综合利用方面的部分法规政策。
表2 我国矸石综合利用部分相关法规政策
Table 2 Relevant regulations and policies for comprehensive utilization of gangue in China
颁布时间类型名称相关内容2022报告二十大报告必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,站在人与自然和谐共生的高度谋划发展2021政策《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》要求加快矸石多元化综合处置与利用技术研发;在煤炭行业推广“矸石井下充填+地面回填”,促进矸石减量2020法律《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》修订国家鼓励采取先进工艺对矸石进行综合利用2019政策《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》合理利用废弃矿山土石料2018政策《“无废城市”建设试点工作方案》推动大宗工业固体废物资源化利用,以尾矿、矸石、粉煤灰、冶炼渣等大宗工业固体废物为重点2017政策《关于加快建设绿色矿山的实施意见》基本形成绿色矿山建设新格局,新建矿山全部达到绿色矿山建设要求2016政策国家《十三五规划》纲要进行了“大力推进绿色矿山和绿色矿业发展示范区建设” 的统筹安排及部署2016法律《中华人民共和国环境保护税法》纳税人综合利用的固体废物,符合国家和地方环境保护标准的,免征环境保护税
2 嗣后空间矸石注浆充填方法
2.1 嗣后空间的内涵
为了解决煤层开采与矸石充填之间的时空干涉难题，笔者提出“先回采，后充填”的思路，即矸石充填作业发生在煤层开采后形成的嗣后空间内，如图2所示，嗣后空间是指煤层开采后围岩中形成空隙和裂隙空间的总称，包含垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带中的离层区域在内的非压实区域，具有范围大、空间多等特点。
图2 嗣后空间示意
Fig.2 Schematic diagram of subsequent space
2.2 嗣后空间矸石注浆充填整体思路
嗣后空间矸石注浆充填技术是将矸石破碎后按照一定粒径级配加水制成料浆，通过充填泵与输送管路等设备，输送至煤层开采后形成的嗣后空间，实现矸石井下高效处置的技术。如图3所示，嗣后空间矸石注浆充填技术包括料浆制备、料浆输送、注浆充填三大系统，其中料浆制备系统主要将矸石破碎至一定粒径后加水搅拌制备矸石料浆；料浆输送系统主要将制备好的矸石料浆输送至嗣后空间；注浆充填系统主要将输送至嗣后空间的矸石料浆进行高压注充。
图3 嗣后空间矸石注浆充填技术思路
Fig.3 Idea of subsequent space gangue grouting filling technology
2.3 嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式
嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式指矸石料浆的制备、输送、注浆等一系列系统的布置方式及其在空间上的配合，主要包括料浆制备系统布局、料浆输送系统布局与注浆充填系统布局，其具体布局方式分类如图4所示。
图4 嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式
Fig.4 Layout of subsequent space gangue grouting filling system
2.3.1 料浆制备系统布局
根据矸石料浆制备位置的不同，分为地面、井下、地面与井下协同(混合)3种布局方式。当矸石主要来源于地面矸石山、选煤厂，可采用地面布局方式，将料浆制备系统建于地面工业广场内距离矸石源较近的区域。当矸石主要来源于井下掘进工作面或者井下煤矸分选系统，可将料浆制备系统布置于井下，井下布局方式无需将矸石提升到地表，减少了主井提升压力，缩短了料浆输送距离。此外，还可采用地面与井下协同制备布局方式，比如料浆制备所需矸石于地面破碎，然后将破碎后的矸石投料至井下于井下加水搅拌，通过优化矸石料浆制备系统布局，实现料浆制备系统的经济与技术最优。
2.3.2 料浆输送系统布局
根据料浆制备系统布局的不同，可分为地面垂直输送、井下水平输送、地面与井下协同输送3种方式。料浆输送系统布局本质上是输送路径的优化布置，需要综合考虑矸石源、钻孔位置、充填位置、料浆流变性能等因素。根据矸石多源分布特征，初步规划料浆输送管路后，需要结合料浆的流变性能进一步优化调整，料浆流变性能反应了其流动能力和输送性能，在满足料浆输送性能的前提下，输送路径应遵循“短、平、直”的原则优化布置。同时，当料浆流动性能较好时，料浆输送动力可充分利用其自重等作用，而不需额外利用泵送动力，大大降低了输送成本。
2.3.3 注浆充填系统布局
注浆充填系统布局主要根据注浆充填区域进行分类，注浆充填处置区域分为垮落带、裂隙带以及离层区域在内的非压实区域，因此，注浆充填系统布局本质上是上述注浆处置区域的优选组合。垮落带注浆是利用回采巷道布置充填管路实现及时注浆，分为同面采充和异面采充2种方式。如图5所示，同面采充方式是在本工作面回采巷道预先布置管路，同时将管路预先布置入采空区，待工作面推进一定距离后，在支架后方的垮落带进行注浆；异面采充方式是通过两工作面间的区段煤柱，从正在生产的工作面侧回采巷道向邻面垮落带钻孔注浆。离层区域注浆是将钻孔布置于弯曲下沉带的离层区域，将料浆注入离层空间，对关键岩层起到支撑作用，防止离层继续向上扩展，达到处理矸石、减小地表变形的双重目标，如图6所示。嗣后空间注浆是指将钻孔布置于离层区域上方，料浆受重力及注浆压力作用在离层区域中流动迁移，随采动岩体变形及料浆压力作用，最终流入裂隙带、垮落带在内的整个嗣后空间，这种方式充填空间大，有利于实现矸石的高效处置。
图5 典型垮落带矸石注浆充填布局方式
Fig.5 Layout of gangue grouting and filling in typical collapse zone
图6 离层区域矸石注浆充填布局方式
Fig.6 Layout of gangue grouting and filling in separation zone
嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式选择需结合矸石源、充填位置、嗣后空间变形与工作面开采关系、注浆时机等因素综合确定。为更好实现矸石高效处置的目标，可以进行注充空间的综合布置，如工作面开采时进行同面采充注浆，工作面开采结束后进行异面采充注浆；工作面开采时进行井下注浆，工作面开采结束后进行地面注浆等。
3 嗣后空间矸石注浆充填方法难点与研究关键
3.1 嗣后空间矸石注浆充填方法难点
为实现嗣后空间矸石注浆充填目标，需要攻克矸石注浆材料研发、料浆高效制备输送、注浆钻孔时空布局、矸石注浆效果评价四大难点。其中，嗣后空间矸石注浆充填所需的注浆材料为毫米级矸石与水混合制备的纯矸石注浆材料，由于纯矸石浆液常存在保水性差、易沉析等问题，难以实现长距离输送，如何优化矸石料浆的粒径级配并制备输送性能好的注浆材料成为嗣后空间矸石注浆充填的首要难点；由于嗣后空间矸石注浆充填易面临注浆材料沉积、嗣后空间料浆自流动力不足等难题，且料浆制备输送系统易发生设备故障、堵管、系统联动性差等问题，因此，料浆制备输送的连续、高效、智能作业成为嗣后空间矸石注浆充填的难点之二；矸石充填处置的空间为煤矿开采嗣后空间，涉及采场竖三带、横三区空隙总体分布特征及其演化规律，注浆钻孔的时空布局直接关系到矸石注浆充填的成败，因此，注浆钻孔布局需厘清嗣后空间变形与注浆时空布局之间的关系，这也是嗣后空间矸石注浆充填的难点之三；嗣后空间矸石注浆涵盖矸石处置与岩层控制双重目标，矸石注浆效果精准监控是实现上述目标的根本，并且目前没有评价嗣后空间矸石注浆充填效果以及监测的方法，这也是嗣后空间矸石注浆充填的难点之四。
3.2 嗣后空间矸石注浆充填研究关键
围绕四大难点，嗣后空间矸石注浆充填方法研究共需要解决4个关键科学问题与4个关键技术问题，如图7所示。
图7 嗣后空间矸石注浆充填关键问题
Fig.7 Key problems of subsequent space gangue grouting filling
围绕矸石注浆材料研发，改变以往混合胶结材料制备的思路，将毫米级矸石与水混合制备的纯矸石注浆材料作为研究对象，测定不同矿区矸石物理化学性质，研究料浆质量分数与矸石粒径级配等参数对料浆输送性能的影响规律，得到毫米级矸石注浆材料优选配比。其关键科学问题为非均质矸石料浆流动性稳态控制机理，其关键技术问题为毫米级矸石注浆充填材料研发。
围绕料浆高效制备输送，研究矸石料浆长距离输送的稳定控制理论，分析非均质矸石料浆的管路损失，测定矸石料浆工业级环管流动的输送性能，设计矸石料浆高效制备输送系统及输送工艺，开发矸石料浆智能制备输送管控平台。其关键科学问题为非均质矸石料浆流动性稳态控制机理，关键技术问题为矸石料浆高效制备与输送技术。
围绕注浆钻孔时空布局，精准划分嗣后空间岩体结构类型，揭示嗣后空间空隙分布特征，研究嗣后空间空隙演化的时间效应；研究嗣后空间内矸石料浆流动扩散特征，模拟不同因素耦合下矸石料浆扩散形态，给出嗣后空间矸石注浆钻孔间距与注浆时机。其关键科学问题为嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律，关键技术问题为嗣后空间注浆钻孔布局与时效设计方法。
围绕矸石注浆效果评价，建立基于不同料浆充实率的岩层移动模型，分析注浆充填控制岩层移动及地表变形规律；设计电导率成像和钻探窥视综合监测系统，精准分析注浆工程效果；构建注浆与空隙变化综合监测评价体系，开发嗣后空间矸石注浆智能化实时监测与自主反馈平台，实现煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填数据闭环，做到数据实时反馈与工艺自主调控。其关键科学问题为嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理，关键技术问题为矸石注浆充填效果智能监控技术。
4 嗣后空间矸石注浆充填的关键科学问题
4.1 非均质矸石料浆流动性稳态控制机理
矸石料浆是由粉料特征显著的细粒径、骨料特征显著的粗粒径和水混合制备而成，其具有明显的非均质性。以粗粒径矸石为骨料的料浆管道输送阻力损失大，输送过程中不可避免的发生管道内部沉淀、离析和凝固等现象[43]，严重时会发生堵管事故，影响输送效率与安全。在矸石料浆输送过程中，骨料颗粒的悬浮和沉降状态对料浆输送起到至关重要的作用，因此亟需研究非均质矸石料浆流动性稳态控制机理。
针对非均质矸石料浆流动性稳态控制机理，矸石料浆稳定性取决于料浆内部组分的性质、宏观骨料颗粒表面特点和各组分界面的特点，应围绕矸石料浆组成相分析、非均质料浆的流变性能、毫米级矸石的流变模型等进行研究。测试分析细粒径矸石微观形貌、物相组成与化学基团，分析矸石料浆基本组成相，判断细粒径矸石的自由水吸附及悬浮能力；建立非均质矸石料浆流动模型，研究矸石料浆流变特性，确定混合骨料不沉降离析的临界粒径范围，探究料浆质量分数、骨料粒径对料浆屈服应力和表观黏度的影响规律；研究矸石料浆的水平、穿层、垂直管路流动状态，探索矸石料浆流动性能与管路阻力损失影响因素的敏感度关系(图8)，确定影响矸石料浆管道输送的主控因素，实现注浆过程的分时稳压和分区控压目标。
图8 均质流与非均质流的管内阻力损失情况
Fig.8 Internal resistance loss of homogeneous and heterogeneous flow
4.2 嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律
嗣后空间空隙是矸石注浆的主要场所，主要包括采空区顶板垮断后不规则堆积块体间空隙、岩层运移产生的裂缝空隙以及弯曲下沉产生的离层空间等，如图9所示。矸石料浆输送到嗣后空间后，需要在嗣后空间空隙内流通，掌握嗣后空间分布规律及其时间效应对于矸石料浆充分利用嗣后空间至关重要。
图9 嗣后空间形成原理及空隙分布特征
Fig.9 Formation principle and void distribution of subsequent space
针对嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律，主要围绕嗣后空间空隙形态探测方法、嗣后空间空隙结构特征、嗣后空间孔隙率计算模型、嗣后空间时空演化机理等进行研究。通过三维激光扫描和点钻配合等方法，构建嗣后空间三维精细化实体模型，分析嗣后空间形成机理与演化趋势，给出整个嗣后空间空隙结构特征；建立嗣后空间空隙率计算模型，分析各因素影响嗣后空间分布规律，得出嗣后空间空隙的定量化分布特征；构建不同空隙率分布的嗣后空间模型，模拟复杂工况条件下嗣后空间空隙随时间演化规律，为确定合理的注浆时机和注浆位置提供理论基础。
4.3 嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律
矸石料浆在嗣后空间中以多种流动形式运动，其料浆性质随着地层的变化而不断转化，复杂的矸石料浆扩散形式降低了充填效率。矸石料浆在嗣后空间迁移扩散时，矸石料浆的扩散直径、堆积高度、矸石料浆与嗣后空间岩块的相互作用等都影响着充填效率，因此亟需研究嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律。
针对嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律，主要围绕嗣后空间矸石料浆流动扩散特征、矸石注浆扩散影响范围、矸石骨料迁移规律等进行研究。建立嗣后空间矸石注浆扩散相似模型，探明料浆在岩体空隙中流动状态，计算料浆迂曲度与理论扩散路线。研究矸石粒径、注浆压力和空隙率对料浆流动扩散特征的影响规律，分析嗣后空间矸石骨料迁移规律，统计不同粒径的矸石骨料扩散范围，分析矸石骨料与嗣后空间岩块的相互作用。矸石料浆扩散模拟示意如图10所示。
图10 矸石料浆扩散模拟示意
Fig.10 Simulation results of gangue slurry diffusion
4.4 嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理
由于嗣后空间结构特征区别于传统采空区，且矸石注浆充填工艺也异于膏体充填、固体充填等，嗣后空间矸石注浆充填覆岩运动必然与传统充填开采明显不同，因此需要研究嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理。
针对嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理，主要围绕矸石料浆承载压缩特性、嗣后空间矸石注浆充填覆岩运动规律、嗣后空间矸石注浆充填地表沉陷规律等进行研究。测定矸石料浆析水后的力学强度与化学结构，揭示蠕变-渗流-应力耦合作用下矸石料浆性能演化规律；建立嗣后空间矸石注浆充填的等效充实率模型，分析等效充实率影响关键岩层的控制效果，得到关键岩层不破断的临界等效充实率与实际注浆量的等效充实率；对比研究非注浆充填与嗣后空间等效注浆充填覆岩下沉变化规律，如图11所示，分析嗣后注浆充填对关键岩层的控制作用；建立基于等效充实率的地表变形预计模型，研究等效充实率控制采空区上覆岩层移动及地表变形特征，揭示矸石注浆充填地表减沉规律。
图11 非注浆充填与嗣后空间矸石注浆充填覆岩下沉变化对比
Fig.11 Comparison between non grouting filling and subsequent space gangue grouting filling overburden subsidence
5 嗣后空间矸石注浆充填的关键技术问题
5.1 毫米级矸石注浆充填材料研发
注浆材料研发及性能优化是嗣后空间注浆充填的关键所在，需要充分考虑就地取材、性能指标、成本预算等方面。目前注浆材料已经从单纯的水泥浆液发展到粉煤灰-水泥、黏土-水泥、地聚合物等，具有稳定性高、可注性好等优点。但由于水泥、水玻璃等添加剂成本较高、运输距离较远，限制了其在注浆工程中的用量。利用矸石固废制备注浆材料展现出了良好发展前景，不仅能够实现矸石绿色高效处置，而且节约了注浆充填成本。因此，研发矸石基注浆充填材料具有重要意义。
常规破碎矸石制备的纯矸石浆液常面临保水性差、易沉析等问题，难以实现长距离平流输送。由于0.15 mm以下(过100目筛)的细粒径矸石在浆液中能够起到与粉煤灰、水泥等类似的保水悬浮作用，但矸石全部破碎至0.15 mm以下成本高、耗时长，因此，研发了“粗粒径矸石+细粒径矸石”的毫米级矸石注浆充填材料，其中，固料包括粗粒径(大于0.15 mm)和细粒径(小于0.15 mm)2个部分，通过定向提高细粒径矸石的含量优化浆液的稳定性和流动性。毫米级矸石注浆充填材料研发思路如图12所示，细粒径矸石填充在粗粒径矸石之间的空隙，达到一定含量时形成絮网结构，辅助粗粒径矸石在水中悬浮。通过实验研究料浆浓度与矸石粒径级配等因素影响料浆输送性能的规律，根据析水率和塌落扩展度指标，结合矸石材料在单轴侧限压缩条件下的应力应变特性，筛选出优势配比范围，得到析水率低、扩展性好、抗变形能力强的毫米级矸石注浆材料。
图12 毫米级矸石注浆材料研发思路
Fig.12 Research and development ideas of millimeter gangue grouting materials
5.2 矸石料浆高效制备与输送技术
制备输送系统的高效稳定运行是注浆充填效率与质量的重要保障。矸石等原材料经过制备系统形成浆液，随后通过输送系统输送至嗣后空间实现注浆充填。制备系统包括矸石上料、一级破碎、二级破碎、称量配料以及搅拌制浆等模块；输送系统包括输送动力、管路布置等模块。影响料浆制备输送系统设计的因素主要包括制浆站制浆能力、注浆材料性能以及输送距离与路线等。制备输送系统构成复杂，协调联动必须针对可能发生的设备故障、环境变化以及注浆进度进行实时反馈与调整。因此，矸石料浆制备输送系统需要引入智能管控平台，从而实现料浆智能化、连续化、高效化制备与输送。
矸石料浆智能化制备输送管控平台如图13所示，集数据采集、信息处理与智能决策平台于一体。数据采集平台对浆液参数、设备性能、泵送状态等进行实时监测和记录；信息处理平台对采集的各项参数进行分析，针对各项监测指标设置合理的数据阈值，当超过阈值时自动发出预警指示；智能决策平台借助算法流程，通过实时监测注浆管道出口压力与终端压力之间的压力差Pd，当压力差超出阈值后自动决策，及时调控细粒径矸石配比及料浆质量分数，对物料配比进行智能化设计。通过制备输送管控平台的实时监测与智能调控，确保设备运行、浆液制备、管道输送、注浆充填的协调进行。
图13 矸石料浆智能化制备与输送管控平台
Fig.13 Intelligent preparation and transportation control platform for gangue slurry
5.3 注浆钻孔布局及时效控制技术
注浆钻孔布局及时效控制技术是实现嗣后空间最大化利用、提高岩层控制效果的关键所在。钻孔布局与时效设计流程如图14所示，包括钻孔层位、注浆时机、钻孔间距3个关键参数。
图14 嗣后空间注浆钻孔布局与时效设计流程
Fig.14 Layout and time effect design process of subsequent space grouting boreholes
钻孔层位由嗣后空间空隙分布规律确定。煤层回采后覆岩变形、裂隙发育是产生嗣后空间的主要原因，而影响嗣后空间产生与发育的主要因素有煤层开采高度、工作面尺寸、岩性结构、煤层埋藏深度等。研究分析煤层开采后嗣后空间空隙率时空演化规律，判断嗣后空间最大空隙率的产生时间及分布位置，从而确定注浆钻孔位置。例如，地面注浆条件下，将钻孔布置于工作面倾向方向上的中部位置，使料浆兼顾流向工作面两侧空隙率较大的空间；井下注浆条件下，将钻孔布置于垮落带最高处，有利于料浆扩散到空隙率较大的空间。
注浆时机由嗣后空间时间变化效应确定。通过建立基于离散元的嗣后空间空隙率蠕变数值模型，分析嗣后空间随时间变化规律，研究嗣后空间空隙最大时机及其空隙大幅降低时机，确定最佳的嗣后注浆时机。同时，参考邻近相似地质条件下工作面采后地表随时间的下沉曲线，以地表产生大变形导致嗣后空间空隙率衰减的时间作为注浆时机的理论最大值，也可为注浆充填时机提供借鉴。
钻孔间距由嗣后空间矸石料浆流动扩散特征确定。矸石料浆可视为塑性流体中的宾汉姆流体，其在嗣后空间的扩散方式以渗透扩散为主，呈现围绕岩石颗粒的“绕流”。通过宏观力学参数标定矸石料浆的细观分析参数，利用随机块体单元构建嗣后空间矸石料浆迁移扩散离散元模型，研究嗣后空间空隙率、注浆压力和矸石粒径对料浆扩散范围的影响规律。根据料浆扩散范围，结合经验公式与极限分析方法，分析确定特定空隙率、注浆压力与矸石粒径条件下钻孔的最佳间距。
5.4 矸石注浆充填效果智能监控技术
智能监测与控制技术为注浆充填效果的综合评价与实时调控提供了依据。通过监控系统在线实时监测关键设备运行状态及注浆参数，得到各项监测指标的量化数据，并根据参数变化进行及时反馈调控。因此，矸石注浆充填效果监控体系需要引入高清视频监控、远程实时通信、智能化协调控制等技术，确保注浆充填的稳定运行。矸石注浆充填效果智能监控系统如图15所示。嗣后空间矸石注浆充填效果监控包括制浆效果、注浆效果以及空隙变化综合监测评价。其中，制浆效果监控主要包括矸石粒径、料浆质量分数；注浆效果监控主要包括注浆速度、注浆压力、注浆量和矿井水流量等；空隙变化监控主要通过地表变形、覆岩变形对嗣后空间空隙变化与岩层控制效果进行监测评价。此外，还包括制浆、注浆设备运行状态的实时监测，防止设备故障。上述监测指标均集成于在线监测系统，实现对注浆充填效果的综合评价与及时调控。
图15 嗣后空间矸石注浆充填效果智能监控体系
Fig.15 Intelligent monitoring system of subsequent space gangue grouting filling effect
6 工程实践
6.1 红庆河煤矿工程地质条件
红庆河煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，隶属于内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，矿井核定生产能力为800万t/a，矸石年产量约60万t，矸石原处理方式以地面填埋为主，目前已无排矸场地，矸石处置面临重大难题。因此，矿井采用嗣后空间矸石注浆充填方法进行矸石高效处置。3-1801工作面为首个注浆充填工作面，主采煤层为3-1煤，平均厚度5.7 m，煤层埋深659.7 m，工作面面长246 m，推进长度2 775 m。
6.2 嗣后空间矸石注浆工程设计
根据红庆河煤矿矸石源分布及处置需求，料浆制备系统采用地面制备方式，料浆输送系统采用地面垂直输送方式，注浆充填系统采用嗣后注充方式。基于实验室充填料浆输送性能测试，确定料浆的固料质量分数为60%，粗细矸石质量比为0.5∶1.0，其中粗粒径矸石的粒径范围为0.15～2.00 mm，细粒径矸石的粒径范围为0～0.15 mm，矸石料浆制备与输送系统现场设备如图16所示，料浆制备与输送能力不小于100万t/a。根据嗣后空间变形及料浆迁移扩散规律，确定钻孔间距为300 m，3-1801工作面共布置9个钻孔，钻孔深度为522 m，钻孔孔底位于距煤层131 m的中粒砂岩下方。
图16 矸石料浆制备与输送系统现场设备
Fig.16 On-site equipment of gangue slurry preparation and transportation system
6.3 嗣后空间矸石注浆效果实测
红庆河煤矿嗣后空间矸石注浆效果实测主要包括制浆效果、注浆效果以及空隙变化综合监测。在制浆效果监测方面，实测矸石料浆平均质量分数为58%，料浆密度平均约为1.38 g/cm3，矸石粒径小于2 mm；在注浆效果监测方面，平均单孔注浆量为25.0万t(矸石处理量15.0万t)，月均注浆量达8.5万t，满足年处理60万t矸石要求；在空隙变化监测方面，以地表下沉量为指标，3-1801注浆工作面最大地表下沉为298 mm，远小于类似条件垮落法开采工作面，矸石注浆减沉效果明显。
7 结 论
(1)提出了嗣后空间矸石注浆充填技术思路，阐述了嗣后空间矸石注浆充填技术内涵，给出了矸石料浆注充系统空间布局方式，主要包括料浆制备系统布局、料浆输送系统布局与注浆充填系统布局，其中料浆制备系统布局分为地面、井下、地面与井下协同3种布局方式，注浆充填系统布局分为同面采充、异面采充、离层注充、嗣后注充4种布局方式。
(2)提炼了嗣后空间矸石注浆充填的关键科学问题，分析了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等关键科学问题的研究重点。
(3)提出了嗣后空间矸石注浆充填的关键技术问题，分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送技术、注浆钻孔布局及时效控制技术、矸石注浆充填效果智能监控技术等关键技术问题的研究难点。
(4)建成了嗣后空间矸石注浆充填示范工程，给出了红庆河煤矿嗣后空间矸石注浆工程设计，实测矸石料浆平均质量分数为58%，矸石粒径小于2 mm，平均单孔注浆量为17.2万t(矸石处理量10.3万t)，月均注浆量达8.5万t，满足矸石年处理要求。
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