結構充填開采基礎理論與地下空間利用構想

馮國瑞,杜獻杰,郭育霞,戚庭野,王澤華,李慶東,李化運,康立勛

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024; 2.山西省綠色采礦工程技術研究中心，山西 太原 030024)

長期以來，煤炭作為我國的主體能源，為國家經濟建設與社會發展作出了不可磨滅的貢獻。但同時煤炭開采引起的環境問題日益凸顯[1]。我國普遍采用垮落法開采，造成上覆巖層大范圍變形與垮落，地表沉陷與建(構)筑物失穩破壞、地下水系失衡破壞、采空區瓦斯不規則積聚、殘留煤炭自燃等環境與安全問題[2-4];開采產生的煤矸石等煤礦固體廢棄物的地面堆積也很大程度的造成了土地占用與環境污染[5]。充填開采作為目前提倡的綠色開采的重要發展方向無疑可以避免以上問題。另一方面許多礦區資源日益枯竭卻存著大量“三下”壓煤等各類遺留煤炭資源[6]。傳統開采“三下”壓煤和控制地表沉陷的方法有部分開采和充填開采，或是兩者的結合[7]。房式開采、條帶開采、柱式開采等傳統的部分開采方法均需留設大量的煤柱，煤炭采出率低，造成資源的大量浪費。而充填開采因其具有采出率高和保護生態環境等優勢，逐漸成為開采遺留煤炭資源和控制地表沉陷的主要手段[8]。可見從長遠角度考慮，充填開采有與生俱來的優勢。但目前充填開采并沒有被廣泛采用，究其本質原因還是受限于造價，引起造價高的主要原因是充填材料需要的體量過大、自然強度指標要求過高。為切實解決這兩個問題，筆者提出結構充填開采并進行相應的研究。

1 煤礦充填開采發展面臨的挑戰

進入21世紀以后，在錢鳴高院士“綠色開采”思想的指導下，諸多學者與企業技術骨干通過研究(似)膏體材料[9-10]、矸石膠結材料[11]、(超)高水材料[12]等多種新型充填材料，研發全部充填、條帶充填[13]、巷式充填[14]、點柱式充填[15]、采空區注漿充填[16]和墩柱充填[17]等多種新型充填技術與裝備，并在我國多個礦區有所應用，對控制巖層移動和地表沉陷也有一定效果，提高了煤炭資源采出率。但真正要實現充填開采在煤礦開采領域的推廣和進一步發展，仍然面臨著嚴峻的現實挑戰:

(1)煤礦固廢比例低，充填成本逐漸增高。煤礦現有充填開采方式大多需要大量的充填材料，而煤礦自身產生的固體廢棄物比例較小，煤矸石產生量僅為煤炭開采量的15%～20%，電廠粉煤灰產生量僅為煤炭燃燒量的20%～30%，總體充填潛力不足50%[18]。隨著充填開采的廣泛推廣應用，可利用的煤礦固體廢棄物不斷減少，已經遠遠不能滿足大體積充填的需求，導致充填成本增加。因此，如何實現煤礦固廢產充平衡、解決充填成本逐漸增高的問題，成為充填開采在煤礦進一步推廣的重中之重。

(2)材料與工藝利弊明顯，充填效率相對低下。現有充填開采可選擇材料與工藝已有很多，但受充填模板易變形、散體材料密實度低、膠結材料泌水率高、充填體早期和長期強度小以及收縮裂化等影響，經常出現充填體形態不規則、接頂效果差、早期頂板下沉量大、后期充填體壓縮量大等現象，使充填開采的頂板巖層控制效果不佳。同時，受充填工藝機械化程度低的限制，充填工作效率相對落后于采煤工作效率，充填工作與開采工作交替進行、相互影響，降低了礦井生產效率和產量[19]。因此，如何優化材料性能和充填工藝、提高充填效率成為充填開采面臨的技術難題。

(3)缺乏采前規劃，地下空間資源被大量浪費。隨著煤炭資源日趨減少和關停礦井的日益增多，煤礦地下空間的合理利用開始被提上日程。現有煤礦地下空間存在著很多廢棄井巷、硐室、非充分采動采空區等可利用地下空間，約占煤礦開采空間的10%～30%，少有的利用也只是煤礦關停后的被動利用[20]。占比煤礦地下空間70%以上的采空區被覆巖垮落與人工充填材料所占據，往往被封閉且無法利用，導致大量煤礦地下空間被浪費。因此，如何在煤礦設計初期就為后期地下空間利用預留建設空間，將地下空間的被動利用變為主動開發，實現煤礦地下空間再利用是充填開采的發展方向。

2 結構充填開采基礎理論

2.1 結構充填開采的概念

結構充填開采(Constructional Backfill Mining,CBM)是為控制地表沉陷，減小環境污染，減少充填材料用量，降低充填成本，根據煤層分布及其圍巖特點，通過采前規劃和固廢資源化，在采空區關鍵位置針對性的布置柱(墩)狀、條帶(墻)狀或十字形、箱形等結構充填體，隨采隨充形成“充填體-直接頂”復合承載結構，有效控制上覆巖層移動變形，同時在煤礦采空區構建出大量長期穩定的地下空間，并根據需求將其加以利用的充填開采方法，簡單的講就是通過因地制宜的“固廢充填材料”、科學分析的“結構充填體”、方便快捷的“結構充填工藝及裝備”，能適應“構造應力和采動應力”并能最大化的“構建出可利用的地下空間”的綠色開采方法。如圖1所示。

結構充填開采方案設計借助于先進的地質構造探測技術與地應力測量技術，獲得礦區巖層分布特征、地質構造類型與范圍、地應力分布規律等，實現礦區地球物理信息透明化[21];根據煤層分布及其圍巖特點，通過理論分析與模擬實驗的方法，研究其圍巖應力與位移變化規律，確定結構充填關鍵位置;針對關鍵位置充填體的力學性能與形態尺寸等參數、直接頂控制方式等進行合理的采前規劃設計，形成“充填體-直接頂”復合承載結構，控制上覆巖層移動和地表沉陷，并形成穩定的地下空間。

結構充填開采是一種充填率低、結構穩定性強、充填效果好的充填開采，其技術理論框架如圖2所示。結構充填的關鍵在于形成穩定的“充填體-直接頂”復合承載結構。充分發揮直接頂的自承能力，使其與充填體和上位關鍵層協同控制巖層移動變形與地表沉陷，并形成大量穩定可利用的煤礦地下空間。同時，合理利用礦區內固體廢棄物，實現煤礦開采的綠色可持續發展。

2.2 結構充填開采關鍵位置確定

結構充填“充填體-直接頂”復合承載結構主要承受兩方面的載荷:地質構造引起的構造應力、開采與充填活動引起的采動應力，如圖3所示。結合礦山壓力控制與地下空間建筑結構設計的需要[22-26]，確定結構充填開采的設計原則。

(1)直接頂不發生破斷，即

(1)

(2)直接頂變形量在結構允許范圍內，即

(2)

(3)充填體抗壓強度足夠大，即

(3)

(4)充填體能長期穩定承載，即

(4)

式中，[Δh1]為直接頂的允許下沉量;q為直接頂所受載荷;b和h分別為充填體的寬度和高度;σ為充填體承受的垂直應力;RT,D和h1分別為直接頂巖層的抗拉強度、撓曲剛度和厚度;[σ]為充填體標準抗壓強度設計值;a,c為空頂區短邊間距和空頂區長邊間距;k為頂板安全系數;γ0,E和ξ0為充填體的重要性系數、彈性模量和彈性特征系數;A為充填體承載面積;e為荷載偏壓量。

將決定結構充填承載結構整體穩定性和控制效果的位置稱為關鍵位置，而控制關鍵位置的變形與破壞是結構充填開采的核心問題。根據結構充填開采的設計原則，確定結構充填關鍵位置應包括:特殊地質構造區、圍巖應力集中區、直接頂最大受力處、直接頂最大變形處和充填體自身薄弱點等。

2.3 結構充填的目標

結構充填開采在控制巖層移動變形與地表沉陷、提高煤炭資源采出率的同時，可以實現以下目標:

(1)高效利用礦區固廢資源，降低充填成本。結構充填通過高效利用礦區煤矸石和其他固體廢棄物，如礦區建筑垃圾、電廠粉煤灰、農作物秸稈、風積沙等，拓寬充填原材料來源，降低充填成本，提高充填材料的工作性能和力學性能，在礦區實現固廢資源化與綠色可持續發展。

(2)改進充填材料與工藝，提高充填效率。結構充填采用具有早強、膨脹等性能的充填材料和必要的頂板控制技術手段，提高充填體有效接頂率，減小充填前期頂底板移近量，形成“充填體-直接頂”復合承載結構，在液壓支架與充填體之間的直接頂下方形成了穩定的空間，提高充填開采頂板巖層控制效果，為下一道充填工序的進行提供足夠的安全作業空間;通過新型機械化充填裝備，實現充填工序與采煤工序在空間和時間上分離，實現充填工序和采煤工序協同推進互不影響;通過提高充填體承載能力，降低采空區充填率，減小充填體后期壓縮量，有效減小充填工作量，提高充填開采效率。

(3)合理進行采充規劃，實現對地下開采空間的再利用。在采空區關鍵位置針對性的布置不同形態的結構充填體，形成穩定的“充填體-直接頂”復合承載結構，發揮直接頂的自承載能力，可將充填率降低到50%甚至25%以下，在采空區形成大量的穩定地下空間(圖4)。尤其在煤層厚度較大時，開采形成的煤礦地下空間會更加可觀。根據礦區需求，通過合理的采充規劃，可以實現對地下開采空間的主動利用。如對采空區間進行標準化建設后用來作為地下博物館、地下實驗室、地下水庫、地下國防設施、地下物資存儲倉庫、地下生活娛樂文化中心等。

圖4 結構充填形成的地下空間Fig.4 Underground space formed by constructional backfill

3 結構充填開采關鍵技術

為達到固廢資源化和地下空間再利用的目的，結構充填開采應解決的關鍵技術問題包括:開發新型固廢充填材料、構建“充填體-直接頂”復合承載結構以及研發井下一體化結構充填系統。

3.1 新型固廢充填材料的開發

現有煤礦充填開采多是基于等效替換煤體的思想而發展起來的，所要求充填材料的強度不高，一般低于3 MPa[25,27];特殊條件下的充填體強度一般也低于6 MPa[18]。但結構充填意在構建一個穩定的 “充填體-直接頂”復合承載結構，實現地下空間再利用。因此，結構充填對材料強度的要求較高，達到10 MPa甚至20 MPa以上。從等效替換充填到結構充填，充填理念的轉變，使得高強度的充填材料成為結構充填開采的基礎保障。

目前煤礦所用的充填材料基本分為4類:矸石固體充填材料、矸石膠結充填材料、(超)高水充填材料、(似)膏體充填材料。在固廢資源化和地下空間再利用的需求下，綜合分析以上4種材料在強度、成本、機械化、環保等方面的優缺點[28-31]，選擇在煤矸石-粉煤灰膏體充填材料的基礎上，通過優化煤矸石骨料形態與顆粒級配、研發新型低成本膠凝材料、開發新型外加劑、發展多種替代原材料等手段，進一步開發新型固廢充填材料。

(1)優化煤矸石骨料形態與顆粒級配。結構充填材料以煤矸石為主要骨料，對煤矸石進行機械破碎后加以利用，其骨料形態和顆粒級配對充填材料的拌和性能、流動性能、強度性能、耐久性能等有著顯著影響，合理的骨料形態和優良的顆粒級配應滿足材料強度、攪拌系統、泵送系統、澆筑系統等各方面的要求[32]。通過測定煤矸石的物化特性，研究煤矸石骨料對充填材料工作性能、力學性能等的影響，優化煤矸石骨料形態，確定煤矸石的最佳粒徑與最優級配[33-34]。

(2)研發新型低成本膠凝材料。水泥是膏體充填材料的常用膠凝材料，因其價格相對較高，大量使用會導致充填成本增加。為降低充填材料成本，需研發新型低成本膠凝材料替代水泥[35]。煤矸石-粉煤灰膏體充填材料使用大量粉煤灰替代水泥作為膠凝材料，在降低充填成本的同時，增加充填材料的和易性、耐久性、耐磨性，降低充填材料的水化熱與徐變，且不易發生堿集料反應[36]。但由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，使充填材料強度發展較慢、早期強度較低。因此，通過機械激發(球磨)、化學激發(增鈉)等手段充分激發粉煤灰的水化反應活化性能，提高粉煤灰的水化反應速率和水化反應程度，提高充填材料的早期強度和長期強度[37-38]。另外，也可通過機械-熱-化學聯合激發煤矸石粉的火山灰活化性能，用作膠凝材料，提高充填體強度，降低充填材料成本。

(3)開發新型外加劑。受地下特殊環境的影響，結構充填為實現地下空間再利用的特殊功能，往往需要充填材料滿足自密實、速凝、早強、膨脹、抗滲、耐腐蝕、抗凍融、防輻射等方面的特殊要求。因此需要開發合適的外加劑，使充填材料滿足結構充填的特殊要求[39-40]。

(4)發展多種替代固廢原材料。隨著充填開采的不斷推廣應用，煤矸石與粉煤灰等煤礦固體廢棄物不斷消耗，可用量將越來越少，因此需要開發新型固廢原材料替代煤矸石與粉煤灰。使用工農業固體廢棄物和生活垃圾代替煤矸石和粉煤灰，在降低充填成本的同時，解決固體廢棄物的存儲處理與環境污染等問題。如:使用廢棄混凝土和廢棄燒結磚等部分代替煤矸石作為膏體充填材料的骨料，以減少煤矸石使用量，同時處理礦區建筑垃圾[41];使用玉米秸稈、麥殼、稻殼等燃燒生成的生物質灰替代水泥和粉煤灰作為膏體充填材料的膠凝材料，在提高材料工作性能和力學性能的同時，處理工農業固體廢物;將廢棄鋼材、廢棄塑料、廢棄紡織物以及農作物秸稈等固體廢棄物制作成纖維添加到充填材料中，在提高充填體韌性和變形性能的同時，處理礦區工農業和生活垃圾。另外，煤礦企業也可因地制宜的選擇尾砂、風積沙、黃土、河沙等材料進行充填采煤[42]。

3.2 “充填體-直接頂”復合承載結構的構建

結構充填通過構建不同形態高強結構充填體和直接頂自承結構，構建“充填體-直接頂”復合承載結構，控制巖層運移并形成穩定的地下空間。

(1)構建不同形態高強結構充填體。在結構充填開采低充填率條件下，體積較小的充填體需要承受較大的地質構造應力和多重采動應力，僅僅依靠充填材料本身的強度難以形成長期穩定的充填結構體，尤其是在充填體大高寬比和形狀不規則的情況下，需采取一定的手段提高充填體的承載能力和抗變形能力。如在充填體表面設置永久模板、鋼筋網等圍護結構，在充填體內部配置受力鋼筋和箍筋等構件(圖5,其中的鋼筋可因地制宜用其他材料等效代替，如廢棄錨桿和廢棄運輸膠帶等)，在結構充填原材料中添加纖維等，可有效提高結構充填體的承載力，限制結構充填體的變形，使充填體形成墩柱狀、條帶狀、十字形、箱形等不同形態的高強結構充填體(圖6)。

圖5 結構充填墩/柱Fig.5 Constructional backfill pillar/column

圖6 形態不規則充填結構體Fig.6 Backfill structure with irregular shapes

圖7 “梁/板-柱/墻”式組合控制結構Fig.7 “Beam/plate-column/wall” type combination control structure

(2)構建直接頂自承結構。煤層上覆直接頂巖層具有一定的厚度和強度，具有一定的自承載能力。因此，通過一定的技術手段保證直接頂完整性，提高直接頂的自承載能力，使其形成穩定的“結構充填體-直接頂”復合承載結構。如在空頂區安設桁架錨索使頂板形成“組合梁/板”，構建出“梁/板-柱”式組合控制結構等(圖7);在頂底板安設錨桿控制頂底板前期變形量，并利用錨桿端頭使充填體與頂底板連接為一體，相互約束水平位移;采用膨脹性結構充填材料或在充填體和直接頂間設置墊塊，使充填體完全接頂，確保上部載荷的有效傳遞等。

3.3 井下一體化結構充填系統的研發

結構充填開采的推廣應用需要機械化結構充填裝備的支持，包括:智能化充填材料制備系統、可視化充填料漿輸送系統、獨立式充填體構筑系統、移動式充填材料澆注系統和立體化充填效果監測系統。

(1)智能化充填材料制備系統。結構充填材料制備系統是在研究固廢原材料的物化性質及其對結構充填材料流變性能、流動性能影響的基礎上，分析得到滿足結構充填要求的材料最佳配比，研究設計適合新型結構充填材料制備的智能化裝備，其主要包括:骨料多級破碎與篩分裝備、新型膠結料制備裝置、充填材料精準配比攪拌裝備與自動化除塵裝置等。如常規工藝破碎的煤矸石以片狀居多，嚴重影響充填材料性能，需研發新型破碎裝置以獲得形態較好的煤矸石顆粒。

(2)可視化充填料漿輸送系統。結構充填料漿輸送系統研究結構充填材料漿體在管道中的輸送特性，分析漿體在管道輸送過程中壓力損失隨漿體濃度、泵送頻率和流速的變化情況以及其流量與流速的關系，設計合理的充填管道直徑和充填泵送壓力[43]。通過壓力監測、電阻率監測(圖8)、超聲波監測、電極監測等手段對管道內的料漿流動狀態進行可視化監測，并對堵管現象進行預測與及時處理，確保料漿的高效輸送。

圖8 充填料漿管道電阻率監測系統示意Fig.8 Schematic diagram of resistivity monitoring system for backfill slurry pipelines1—監測管道;2—法蘭;3—上電極;4—絕緣墊片;5—螺母;6—充填管道;7—下電極;8—恒流源;9—電源;10—單片機;11—信號放大器;12—PC計算機

圖9 垛柱式剛性結構充填模板Fig.9 Stacking column rigid backfill template

(3)獨立式充填體構筑系統。為保證結構充填工作的安全作業、實現充填材料的精準高效填充、以及提高充填體的有效接頂率，在采空區設置獨立式充填體構筑系統。使用永久/臨時支護裝置控制頂板充填前期下沉，并在采空區形成穩定的充填工作區間，為充填工作的安全高效進行提供保障，實現充填與采煤的工序分離;設置條帶(墻)式充填滑模、垛柱式剛性充填模板(圖9)和折疊式柔性充填模板(圖10)等新型獨立式構筑裝置，控制充填體的位置與形狀、保證充填體有效接頂率;通過在頂板設置掛鉤懸吊、在模板內側預先固定等手段在充填體內設置箍筋/鋼絲繩等構件，有效提高充填體固結后的承載能力。

圖10 折疊式柔性結構充填模板Fig.10 Foldable flexible backfill template

(4)充填料漿移動式澆注系統。為實現結構充填的非連續式充填，在井下采用移動式充填泵車，配合井下料漿攪拌運輸車，進行充填材料的澆注工作，形成移動式結構充填非連續澆注系統，精確控制充填材料的使用量，并做到隨充隨停。

(5)充填效果立體化監測系統。為監測結構充填的實施效果，通過在充填體內預埋壓力/變形傳感器、在地面布置地表沉陷監測站，同時使用微震、聲發射、超聲波、電阻率或DIC數字圖像相關技術等無損監測手段，對充填體的穩定性與充填開采覆巖控制效果進行立體化監測[44-46]，并根據監測結果對結構充填方案進行及時的調整與改進。

進一步，因結構充填可實現固廢資源平衡化與地下空間再利用，故可將一體化結構充填系統全部配置在井下硐室與未充填的采空區(圖11)，并布置智能監控系統，通過攝像頭、傳感器等監控設備對整套充填系統進行全方位管理與動態調控，確保各個環節所有設備的正常運行。實現矸石不升井與礦井水再利用、料漿短距離輸送與非連續式充填、井下無人化操作，提高礦井提升與充填開采效率，減少地表環境污染等。

圖11 井下一體化結構充填系統Fig.11 Underground integrated constructional backfill system

4 壓煤資源開采地下空間利用構想

“三下”壓煤資源在我國煤炭資源中的比例較大，占可采煤量的比例超過50%[47]。隨著煤炭資源的不斷開發，“三下”壓煤的比例在進一步增加，具有廣闊的開采前景。尤其是在面臨資源枯竭的礦區，壓煤資源的開采需求更加迫切。因此，根據地面區域發展需求，將“三下”壓煤分為城市下、村鎮和農田下、鐵路(公路)和水體下3種區域類型，分別通過結構充填對其進行壓煤資源開采與地下空間再利用。

4.1 城市下壓煤結構充填開采建設地下綜合體

在煤炭資源富集地區，由于煤炭的大規模開采與人口的聚集，使礦區的城市功能得到了逐步完善并向周邊地區輻射，發展成為煤炭城市(圖12)。由于前期煤礦開采技術的限制，為保證城市地面建筑與設施的安全，在礦區城市下遺留有大量的煤炭資源[48]。隨著煤炭資源的逐漸開發，我國有37座煤炭城市面臨著資源枯竭的問題，如阜新市、撫順市、焦作市、銅川市、孝義市、淮北市、鶴崗市、棗莊市等[49]。由于這些城市的經濟對煤炭資源具有高度依賴性，為維持城市的經濟發展，城市下壓煤資源亟待開發。同時，由于礦區城市主要根據資源開發與利用的需求而修建，其他社會服務功能一般不太完善，生活娛樂設置建設更是不夠充足，城市人民的精神生活需求得不到完全滿足[50]。為實現煤炭城市的可持續發展，煤礦城市應主動將礦區的地下空間資源納入城市整體功能規劃，促進資源枯竭型城市的轉型發展。因此，在結構充填開采思想的指導下，結合礦區城市下壓煤資源開采與城市基礎設施建設的需求，提出城市下壓煤結構充填開采構建城市地下綜合體的設想。

圖12 煤礦城市地下空間綜合體示意Fig.12 Sketch map of underground space complex of coal mine city

城市下壓煤結構充填開采構建地下綜合體是根據礦區城市化建設與壓煤資源開采需求，使用煤礦固體廢棄物和城市建筑垃圾制作結構充填體，實現煤炭城市固廢資源化利用與地面環境保護;使用結構充填體控制地表沉陷，保護地表建筑，并在井下采空區形成穩定的地下空間，為地下綜合體建設提供空間資源;根據城市建設要求，通過不同形態結構充填體將煤層采空區分成獨立的區域，在地下綜合體內建設地下學校、地下圖書館、地下博物館、地下醫院、地下酒店、地下商業街、地下影院、地下休閑廣場、地下健身房等，以滿足煤炭城市人民精神文化生活的需求。該構想既可以減緩煤炭城市資源枯竭的速度，資源化處理煤礦固體廢棄物和城市建筑垃圾，實現煤炭城市經濟與環境的可持續發展;又可以緩解煤炭城市發展面臨的人口增加、土地緊缺、文娛設施不健全等突出問題，實現資源型城市向宜居城市的根本轉變。

4.2 村鎮、農田下壓煤結構充填開采建設地下農業基地

由于我國是農業大國，使得我國大部分富煤礦區處于農村地區，形成了很多煤炭村、鎮(圖13)。這種煤炭村、鎮在行政管理上隸屬于附近的城市，但與市區相距較遠。雖然其煤炭資源豐富，但礦區大部分人員仍然以務農為生。鑒于遷村成本較高，煤炭開采時往往繞過村鎮和農田，使得村鎮農田下留置著大量煤炭資源[51]。據不完全統計，村莊下壓煤約占“三下”壓煤總量的60%。隨著礦區煤炭資源的枯竭和矸石山的日益增多，壓煤資源開采與村鎮、農田保護的矛盾日益突出。因此，在結構充填開采思想的指導下，結合礦區村鎮、農田下壓煤資源開采與改善農民生活水平的需求，提出村鎮、農田下壓煤結構充填構建地下農業基地的設想。

圖13 村鎮、農田下地下農業基地示意Fig.13 Sketch map of underground agricultural base under villages,towns and farmlands

村鎮、農田下壓煤結構充填構建地下農業基地是使用礦區煤礦固體廢棄物和秸稈(灰)等制作結構充填體，實現矸石零地面堆積和農作物秸稈資源化處理，解放礦區農田，保護礦區生態環境;通過不同形狀的結構充填體控制地表沉陷，保護地表村鎮建筑和農田，并在井下采空區形成穩定的地下種植基地(喜陰型經濟作物，如蘑菇、藥材等)、地下住宅和地下糧倉，以滿足礦區農民拓寬經濟來源、擴大生活空間與儲藏生活物資的需求，實現煤炭開采與農業發展的和諧共贏。

4.3 鐵路(公路)、水體下壓煤結構充填開采建設地下儲庫

鐵路、公路是礦區煤炭資源外輸的主要途徑，為保證其安全，其下的煤炭資源開采被嚴格限制。而鐵路、公路的廣泛分布使這些區域具有便捷的交通，有利于物資運輸與儲存(圖14)。同時，我國很多礦區受地表降水與蒸發不平衡的影響，屬于干旱半干旱氣候，尤其是在西北部礦區，季節性缺水嚴重[52]。礦區煤層采動使地下含水層結構受到破壞、地表水流失，地表植被受到破壞，工農業生產和礦區人民生活也受到了影響，急需進行煤礦保水開采，并對雨季集中降水與地下水進行安全高效存儲與合理利用。因此，在結構充填開采思想的指導下，結合干旱半干旱礦區的保水開采與物資存儲的需要，提出了水體、鐵路(公路)下壓煤結構充填構建地下儲庫的構想。

圖14 水體、鐵路(公路)下地下儲庫示意Fig.14 Schematic diagram of underground storage under water body and railway (highway)

水體、鐵路(公路)下壓煤結構充填構建地下儲庫是為保護礦區鐵路(公路)和水資源，通過在采空區關鍵位置布置結構充填體，達到保水采煤和保護地表鐵路(公路)的目的;通過高強結構充填條帶在井下采空區形成穩定的儲水空間，對礦區季節性降水和地下水進行安全高效存儲，防止地表水蒸發和地下水流失;通過防滲結構充填墻將儲水空間劃分成不同的區域，對不同來源的水資源分別進行沉淀、凈化等處理后高效儲存，以滿足礦區枯水期工農業生產及生活用水的需求;在蓄水井底部設置水力發電機建立地下蓄能電站，將勢能轉化為電能加以利用;同時，通過箱形等結構充填體在井下采空區構建地下儲庫，使用礦區便捷的交通進行能源、物資及各類垃圾的安全存儲，以便其在適當的時候被合理處理與利用。通過鐵路(公路)、水體下壓煤結構充填可實現干旱半干旱和生活物資匱乏礦區的生態資源平衡與可持續發展。

5 結 論

(1)分析煤礦充填開采發展面臨的主要挑戰，提出了煤礦結構充填開采的思想，其目標是:高效利用礦區固廢資源、降低充填成本，改進充填材料與工藝、提高充填效率，合理進行采充規劃、實現對地下開采空間的再利用。

(2)根據“充填體-直接頂”復合承載結構承受的載荷，提出結構充填的設計原則為:直接頂不發生破斷且變形量在允許范圍內、充填體強度足夠大且能長期穩定承載，并據此確定了結構充填的關鍵位置。

(3)結構充填開采的關鍵技術包括:開發新型固廢充填材料、構建“充填體-直接頂”復合承載結構、研發井下一體化結構充填系統。

(4)根據壓煤資源的開采需求，提出分別在礦區城市下、村鎮和農田下、水體和鐵路(公路)下進行結構充填開采，建設地下綜合體、地下農業基地、地下儲庫的地下空間再利用構想。

結構充填開采同樣適用于開采條件類似的非煤礦產資源充填開采與地下空間利用。