辽宁工程技术大学鄂尔多斯研究院立足鄂尔多斯市产业发展需求，设立校地科技合作培育项目，重点服务于能源领域，与鄂尔多斯市企事业单位共同提出研究题目。项目聚焦能源绿色开发、安全高效智能开采、资源价值利用等关键技术难题，通过定向对接企业需求，组建科研创新团队，开展产学研协同攻关，助力企业突破技术瓶颈，推动鄂市能源产业技术升级与创新发展，实现“校-院-地”优势互补、合作共赢目标。
本成果来自于2023年校地科技合作培育项目《矸石胶结充填体承载变形特性及覆岩移动控制技术研究》。
一、项目背景
煤炭在我国能源结构中长期占据主导地位，2023年产量达47.1亿吨，消费占比约55.3%，2024年进一步提升至47.6亿吨，2025年48.7亿吨，有力支撑了经济社会稳定运行。然而，传统垮落法采空区处理方式常引发岩层大范围移动、地表沉陷等生态环境问题，造成水土流失、地下水断流、建筑物损毁及居民搬迁等一系列严重后果。同时，煤炭开采产生的大量矸石等固体废弃物，因强度低、遇水易崩解，难以直接用于充填。
神东矿区所产矸石主要组分为强度较低且遇水极易崩解的泥岩和页岩，其强度不能满足矸石胶结充填体的制备要求，因此考虑利用井下胶结充填开采技术就地取材，将煤炭生产过程中排放的矸石、粉煤灰等固体废弃物作为充填材料，通过将破碎矸石作为骨料，辅以粉煤灰、水泥及外加剂，制备高浓度胶结充填料浆，输送至井下充填采空区，形成稳定充填体，既解决了充填材料的供给问题，同时也为解决固体废弃物问题提供了“废弃物资源化处理利用”的新理念，有效支撑上覆岩层、控制地表沉陷。大大减少了固体废弃物对神东矿区环境的污染，化废为宝，是资源与环境协调绿色开采的重要组成部分。
1.矸石胶结充填体尺寸效应与强度演化分析
项目研发团队开展充填体尺寸效应试验、声发射实时监测、损伤本构模型构建、破坏模式智能识别等方面工作，能够有效揭示不同尺寸矸石胶结充填体的强度变化规律与损伤破裂机制，为解决充填开采中充填体强度预测与结构稳定性设计的关键技术难题提供理论依据与模型支撑。
图1 充填开采示意图
图2 矸石胶结充填体声发射测试
2.团队在《Case Studies in Construction Materials》发表高水平SCI学术论文1篇、申请发明专利3项、软件著作权2项，获中国煤炭工业协会科技进步二等奖等奖励2项。
三、工程应用
2023年下半年，项目组与内蒙古神东天隆集团霍洛湾煤矿技术人员深入开展需求对接，系统收集分析矿区地质条件与充填体性能监测数据，完成矸石胶结充填体承载变形特性及覆岩移动控制技术相关研究。2024年6月，团队赴霍洛湾煤矿进行现场交流，对开展充填试验的矿区现场情况进行稳定性效果评价，结果表明，该矸石胶结充填开采技术能够有效支撑采场覆岩结构，提升充填开采设计的科学性，满足煤矿安全高效开采与固废资源化利用的工程需求。
四、行业影响
基于2024年与霍洛湾煤矿的工业性试验成果，项目研发的矸石胶结充填体协同承载与覆岩控制技术体系逐步推广至鄂尔多斯其他矿区，通过井下充填设计、覆岩移动预测与稳定性评价方法的应用，实现矸石胶结充填体力学响应与矿山岩层控制的深度融合，有效解决传统开采方式下的地表沉陷、矸石堆存与“三下”压煤开采难题，推动矿区绿色开采与固废资源化协同发展，为未来智能化充填开采、无人工作面推进提供关键理论与技术基础，助力矿山安全、高效与可持续发展战略目标的实现。
附：科研团队介绍
所在研究团队主要围绕矿山充填开采与岩层控制理论、矿山固体废弃物综合利用等方向开展系统性研究工作。团队成员先后主持及参与国家自然科学基金项目 12 项、国家重点实验室开放基金项目 8 项，主持及承担企业委托课题 40 余项。近年来，团队在《岩石力学与工程学报》《岩土力学》《采矿与安全工程学报》以及《Construction and Building Materials》等国内外重要学术期刊发表论文 80 余篇；授权发明专利 12 项，登记软件著作权 9 项；荣获省部级科学技术奖二等奖 5 项、三等奖 9 项。
