矿山变青山，采区变良田

在当前国家“双碳”战略持续推进、安全生产要求不断深化、资源高效循环利用已成行业共识的背景下，矿山发展理念正逐步由“规模优先”转向“质量优先”。充填开采技术作为支撑煤炭行业绿色转型的关键路径，通过将固体废弃物转化为充填材料，能够有效消除采空区、控制顶板灾害、提升资源回收率，并减少矸石等固废堆存带来的占地与环境污染问题，已成为实现矿山“绿色、安全、高效”发展的必然选择。在乡村城镇或工业园区下方的采空区进行充填，可以释放大量工业与农业用地，真正实现“矿山变青山、采区变良田”的生态与经济双重效益。

今年8月，中国矿山安全学会在内蒙古赤峰主办了矿山充填开采技术交流与创新发展研讨会，吸引了来自全国多地的行业主管部门负责人、专家学者及企业代表等100余人参会。会议聚焦充填开采关键技术的创新与应用，探讨如何以技术赋能矿山新质生产力，推动矿业经济实现绿色、可持续和高质量发展。记者通过现场采访中国矿业大学张吉雄教授团队成员及其他参会代表，并实地考察矿井充填作业现场，对当前三种矿山充填开采主流技术的研发进展与实际应用情况展开了深入调查。

固体充填与采煤一体化技术

固体充填与采煤一体化技术是针对煤矿开采中面临的煤矸石排放、“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）压煤以及土地资源破坏等问题而研发的绿色开采技术之一。该技术通过将煤矸石回填至煤炭开采形成的地下空间，不仅有效解决了矸石占地、环境污染和土地资源浪费等问题，还有助于缓解因采煤引起的地面沉降。

目前，该技术已实现井下采煤、煤矸分选与矸石就地充填的一体化运行，直接产出清洁煤炭，构建了“采—选—充”闭环流程。该技术依托井下选煤硐室，可采用跳汰分选、重介浅槽分选、智能干选及水介质全粒级分选等多种分选方式。分选后的矸石可全部用于井下充填，真正实现“矸石不升井，从哪里来回哪里去”的绿色循环模式。

中国矿业大学张吉雄教授团队成员周楠教授指出，该技术是在综合机械化采煤系统基础上，增加了固体充填材料制备系统、输送系统及充填系统，从而将充填工艺整合进采煤流程。开采设备由传统的“三机”升级为“四机”，包括采煤机、刮板输送机、充填采煤液压支架以及多孔底卸式充填输送机。其中，充填采煤液压支架与多孔底卸式充填输送机是关键装备，前者用于提供作业空间和夯实动力，后者用于运料和落料。值得注意的是，非密实充填工艺不一定依赖多孔底卸式充填输送机，可采用其他落料方式，但充填采煤液压支架仍是必备设备，通常需在支架后部加设挡板结构。

据与会专家介绍，该技术主要适用于对矸石处理需求较大的现代化大型矿井。根据充填密实程度的不同，可分为非密实充填与密实充填两种类型。密实充填通过在支架后部加装夯实机构，提高充填体的密实度，从而有效控制顶板下沉与地表沉降；非密实充填则省略夯实环节，充填材料自然下落，以大规模处置矸石为主要目标。

在采访中记者了解到，相较于其他充填开采技术，该技术的优势在于，密实充填对顶板与地表控制效果显著，非密实充填则能高效处理大量矸石。然而，该技术也存在一定局限性：一方面，密实充填因需进行夯实作业，工艺较为复杂，会制约采煤效率；另一方面，受多孔底卸式充填输送机工况限制，目前难以应用于超长工作面（目前最长为260米），制约了其在某些矿井的推广。

充填开采普遍存在成本高、建设周期长、影响生产效率等问题，固体充填与采煤一体化技术亦不例外。“其成本主要集中在初期投资，如垂直投料井建设、充填液压支架等关键设备采购。此外，该技术目前尚难以实现边采边充，因需在支架后部完成落料与夯实，以保证充填密实度与处理效率。不过，非密实充填对采煤影响较小，随着装备协同与工艺改进，未来有望实现采充并行。当前，该技术应用中的主要难点仍在于提升充填效率。”周楠表示。

据了解，该技术已在我国东部地区和西部地区煤矿得到广泛应用。东部矿区因开采深度大、地表建筑密集，西北矿区则因产能大、矸石处理需求突出，均适宜推广该技术。目前，该技术在矿山充填领域的应用比例在5%至40%之间。

• 典型案例 山东能源集团鲁西矿业公司新巨龙公司

近年来，山东能源集团鲁西矿业公司新巨龙公司践行以“资源不浪费、采煤不见煤、产煤不用煤、产矸不排矸、用水不采水、环境不破坏、沉陷不减地、土地不荒废”为核心的“八不”综合利用模式，积极探索生态优先的绿色开采路径。

该公司开采区域地表分布有村庄，存在“三下”压煤问题，加之井下采用盾构机掘进导致矸石产量大，影响了主井提煤效率。为实现绿色、安全、高效开采，新巨龙公司引进了固体充填与采煤一体化技术，全力建设采选充一体化工作面。

在2304充填工作面，该公司布置了充填采煤液压支架、多孔底卸式充填输送机和矸石转载机，配套建设分选系统与采充系统，完成了采充工程、留巷工程、分选工程及相关硐室工程。井下设有煤矸分离硐室、筛分产品转运硐室、筛分破碎硐室和煤泥水澄清硐室，采用新型跳汰机与水介质旋流器协同进行原煤分选。

为推进技术落地，该公司组建了由骨干人员构成的攻关小组，聚焦智能化建设与工艺优化。通过研发充填液压支架后悬刮板运输机，实现了沿溜槽方向顺向启闭，将充填材料精准输送至各充填点，并将日均充填时间控制在4小时以内，大幅提升了充填效率。同时，创新采用抛矸皮带与超前支架整体式自移机尾，实现工作面及隅角快速灵活抛矸，显著提高了矸石运输效率。此外，在下端头支架底座应用万向旋转伸缩捣实装置，实现了下隅角全断面无缝隙充填。

在创建生态绿色矿山的引领下，新巨龙公司持续优化煤矸分离与矸石充填工艺，成功解放了被压覆的煤炭资源，资源综合利用率达到100%。通过实施集约化、精细化开采策略，实现了“资源不浪费、产矸不排矸”。具体而言，综放工作面产出的原煤在井下即被分离为煤炭与矸石，煤炭提升至地面，矸石则直接回填至采空区，既降低了矸石运输成本，也杜绝了环境污染。

该公司在一采区邻近主运系统处建设了井下煤矸分离重介浅槽系统，通过洗选工艺将毛煤中的矸石分离出来，经破碎后充填至采空区，实现了100毫米以上矸石不升井，使原煤灰分降低5%，发热量提升至5000大卡以上。

新巨龙公司生产技术科相关负责人表示：“井下煤矸分离系统相当于在井下建成了一座小型选煤厂，有效降低原煤矸石含量。目前，我们的采空区充实率达到63%。固体充填与采煤一体化技术的成功应用，不仅延长了矿井服务年限，缓解了主井提升压力，还消除了矸石对环境和地表的破坏，推动了矿区资源与环境的协调发展。”

凭借在绿色开采方面的突出成效，新巨龙公司先后荣获“煤炭工业节能减排先进企业”及“中国最美矿山”等称号。

单元密实充填开采技术（连采连充）

单元密实充填开采技术（连采连充）是一种在长壁工作面运输巷与回风巷之间布置支巷，实现采煤与充填交替并行的连续开采方法。具体工艺为采煤支巷与充填支巷间隔布置，采煤后立即进行充填，随后紧贴充填体继续采煤，从而实现采煤与充填的平行作业。该技术适用于存在“三下”压煤或边角煤开采需求的中小型矿井。

该技术具备全负压通风、机械化支巷开采与充填同步作业等特点，不仅能有效处理矸石等固体废弃物，还能解放“三下”压覆资源，保护矿区生态环境。

相较于其他充填技术，连采连充具备以下优点：一是生产效率高，采煤与充填可同步进行，充填过程不会影响正常生产；二是资源回收率高，可有效释放“三下”压煤资源；三是安全性好，能有效控制顶板与地表沉降；四是适应性强，适用于复杂地质条件与边角煤回收。

然而，该技术也存在一定局限性。中国矿业大学周楠教授指出：“其缺点主要体现在胶结材料成本高于矸石，且充填过程对煤层倾角、厚度及顶板稳定性有一定要求。”此外，该技术需配套连续采煤机、充填泵、输送系统及智能监测设备等，初期投入大，维护成本高。尽管通过资源置换可享受部分税收减免以降低综合成本，但在实际应用中，仍面临管道长距离输送困难、易堵塞、弯管磨损等技术难点，亟待相关装备与工艺的进一步优化。

在材料选择方面，该技术具备较强灵活性，可使用矸石、河沙、粉煤灰、炉渣等多种固体废弃物作为充填原料。目前，该技术在矿山充填领域的应用比例在10%至35%之间。

• 典型案例赤峰西拉沐沦（集团）公格营子煤矿

在诸多质疑声中，赤峰西拉沐沦（集团）有限公司公格营子煤矿斥资2亿余元研发单元密实充填开采技术，不仅成功解决了矿井水患问题，消化了矿区矸石与粉煤灰，更为区域生态保护提供了宝贵经验。

该矿地质条件复杂，煤层上方存在两层强含水砂层，地表分布农田与公路。早年采用垮落法管理顶板，导致采出率不足40%，并引发地表塌陷、采空区积水、有害气体积聚等问题，开采成本高、安全压力大。为扭转这一局面，该矿与中国矿业大学合作，研发单元密实充填开采技术，利用固体废物膏体胶结进行充填，逐步形成“长壁布置、支巷作业、密实充填”的作业模式。充填体及时支撑顶板，有效防止顶板冒落与地表塌陷，杜绝采空区积水与瓦斯积聚，从根本上改善了作业环境安全。同时，该技术通过精准控制岩层移动，保护了上覆含水层结构，实现了开采过程中的水资源保护。

在充填材料方面，该矿以煤矸石、粉煤灰、矿渣等工业固废为主要原料，其研发的高浓度充填浆体具有不离析、强度均匀、接顶率高等特点，不仅成本低、凝固快，还大幅提高了矸石综合利用率。该矿充填技术总工程师马宗玉表示：“充填材料配比一度是最大难点，过稠易堵管，过稀难凝固。经过反复试验，现在7天即可达到充填强度要求。”目前，该矿的充填能力达到200立方米/小时，管路输送距离为2500米。

为确保技术落地，该矿研发了智能充填开采系统，包含膏体充填系统、地面矸石破碎子系统、配比搅拌子系统、管路子系统等，实现了骨料加工处理、膏体配比搅拌、膏体泵送的自动控制，以及膏体流量的精确控制。可通过井上生产调度中心大屏幕实时监测井下充填工作面及管路、闸阀运行情况。

在该矿地面充填现场，记者看到，矸石经过破碎后与粉煤灰、胶结材料等一同被运至搅拌泵送车间。站在充填泵车打浆口，可以看到浆体缓缓流出，通过管道奔向井下工作面。整个过程无人操作，只有一名集控操作员坐在电脑前监测异常情况。

尽管初期因流程复杂、影响产量，遭遇工人的抵触，但随着充填后巷道稳定、隐患减少、产能提升，“不充填不开采，以充定产”已成为全员共识。该矿实施充填开采后综合效益显著：采出率提升至95%以上，采空区充满率达到100%，充实率达98%以上，解放煤柱压煤1000余万吨，延长了矿井服务年限；涌水量由每小时450立方米降至80立方米，实现了保水开采；累计消纳煤矸石、粉煤灰等工业固废1085万吨，实现了地表无下沉，解放周围农田2139亩，显著改善了矿区环境。

采后空间矸石注浆充填技术

采后空间矸石注浆充填技术是在完成工作面开采后，将矸石制成料浆注入采后空间，实现矸石的井下高效处置。其中采后空间指煤层开采后，覆岩中形成空隙和裂隙空间的总称，包括垮落带、裂隙带的空隙以及弯曲下沉带中的离层区。该技术适用于具有矸石处置需求、保护含水层的高产高效矿井。

该技术与单元密实充填开采技术具有一些相同点：两项技术都需要破碎矸石，并加入一定的辅助材料制备成胶结材料；都能实现采充互不干扰。不同点在于单元密实充填开采技术只在采空区域充填，采后空间矸石注浆充填技术是在采动空间中充填，包含垮落带、裂隙带以及离层区等非压实区域，这些空间为矸石注浆充填提供了大量空间。

“该技术的优点为可充分利用采动空间，采充互不干扰，不需要胶结剂。缺点为采动空间判别准确度有待提升，受采动的影响可能发生漏浆跑浆现象。目前，采后空间矸石注浆充填技术在应用过程中存在采动空间判别不准、受采动裂隙影响发生漏浆跑浆等难点。相较于其他充填技术，该技术的成本较低。”周楠教授表示。目前该技术在矿山充填应用中的占比在6%至30%之间。

• 典型案例 晋能控股装备制造集团赵庄二号井

“准备就绪，开始充填！”在晋能控股装备制造集团赵庄二号井地面注浆站，随着操作员一声令下，备受瞩目的覆岩离层注浆充填开采正式启动。在这里，供料、研磨、搅拌、泵送及充填管路共同构成一条智能化的“绿色动脉”，在集控中心的精准操控下，将煤矸石与粉煤灰按比例研磨形成的浆体，作为“绿色血液”源源不断输送到工作面。

近年来，面对资源存量日益减少的挑战，赵庄二号井积极探索并应用覆岩离层注浆充填开采技术。

围绕晋能控股集团“积极打造煤炭绿色开采技术策源地”的要求，赵庄二号井聚焦绿色充填开采领域，大胆探索实践，将覆岩离层注浆充填开采作为可持续发展的突破口，对“三下”压覆资源和小块段区域展开试验性开采。该矿抽调技术骨干成立专班，并与江苏省第一工业设计院股份有限公司、中煤地生态环境科技有限公司联合攻关，从煤层充填围岩控制理论等基础研究入手，逐步推进注浆充填技术、装备、工艺及材料研究。

2021年，该矿成功完成覆岩离层注浆试验工作面的开采。在此基础上，进一步在全井田推广应用该技术，并研究以煤矸石球磨替代部分粉煤灰进行注浆的可行性。通过将煤矸石与粉煤灰混合注浆，不仅实现了煤矸石资源化利用，有效降低注浆成本，还解决了矸石外排难题。同时，矿井系统分析试采期间收集的各项数据，总结注水与注浆时机、注浆量与推进速度对地表沉降的影响，据此优化充填系统，提升注浆效率，确保注采比符合要求。

目前，赵庄二号井已应用覆岩离层注浆充填技术顺利完成6个工作面的开采，正在推进第7个工作面。累计回收压覆煤炭资源369万吨，注入粉煤灰约137.5万吨，煤矸石约22.3万吨。近两年，该矿原煤全部实现充填开采。

该矿注浆项目部主任工程师谢华威介绍：“覆岩离层注浆充填开采技术仅需建设地面充填泵站、铺设注浆管路并施工地面钻孔，无需井下工程，有效解决了迁村采煤难度大、成本高等难题，契合我矿高效率、低成本的开采需求。该技术实现了快速开采与高效充填，且材料绿色无污染。”

该矿创新覆岩离层注浆充填开采技术方法，有效掌握关键层判别、注浆层位选择、注浆时机把握、注浆压力和扩散范围控制以及注浆材料选择等环节，形成了一套系统的控制流程和方法，最大限度回收“三下”压煤资源。“该技术的难点在于精准找到注浆层。为此我们与地测部门密切合作，做实做细地质勘察工作，摸清历史施工钻孔位置，近五年来已成功施工20多个钻孔。”谢华威说。

实施覆岩离层注浆充填开采技术后，该矿不仅实现矸石置换煤炭，还协助周边矿井处理部分矸石，统筹兼顾资源开发、生态保护与经济效益。

链接

不同煤层赋存条件下的充填技术应用建议

煤矿充填开采受开采条件制约较大，但通过合理的系统与工艺适配，仍能在复杂条件下应用。充填开采需因地制宜，不同条件应采取针对性充填方案。

易自燃煤层：充填材料应具备阻燃特性，注浆充填封闭采空区裂隙，减少漏风供氧，抑制遗煤自燃。

薄煤层：宜采用巷式充填技术，充填系统应小型化、机械化，适应薄煤层作业空间。

急倾斜煤层：宜采用分段充填，充填体可配备挡墙等设施，防止采场失稳和充填体滑移。

顶板条件差：核心在于及时充填、严密接顶，可选用高浓度胶结充填材料，需保障充填体强度和接顶率，必要时配合超前支护，充填时序应与顶板控制相协调。

三软煤层：可采用下向分层充填或胶结充填，充填体需具备足够强度和整体性，防止底鼓和围岩大变形。

井下涌水量大：适宜选用凝固速度快的胶结充填材料，配合注浆堵水，防止突水和涌水事故。

冲击地压大：充填开采可显著缓解冲击地压，关键在于充填体及时支撑顶板、降低应力集中程度，宜采用密实充填。其原理为充填体及时支撑采空区顶板，能够显著抑制覆岩的破断和剧烈运移，从而降低采场周边的应力集中程度，并改变能量的积聚与释放方式，从源头上削弱冲击地压的发生条件。须根据矿井的具体地质条件、应力环境选择不同的充填方式，并确保充填体有足够的充实率和可靠的接顶质量。

高瓦斯：可以优先采用“采选充+抽”技术，先进行非常规保护层开采，实现下伏被保护层瓦斯增透卸压；同时在保护层、被保护层布置瓦斯立体抽采系统进行瓦斯抽采；保护层开采产生的含矸原煤经井下煤矸分选系统分选，产生的矸石同步运输至下伏被保护层充填协同垮落式工作面进行充填，整体实现高瓦斯低渗透煤层的安全绿色高效开采。

（以上内容为编辑结合矿山充填开采技术交流与创新发展研讨会材料整理）

作者：刘冰 范君宇版面编辑：刘冰

编辑

来源：中国煤炭报

声明：本文系转载自互联网，请读者仅作参考，并自行核实相关内容。若对该稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与铁甲网联系，本网将迅速给您回应并做处理，再次感谢您的阅读与关注。