在當(dāng)前國家“雙碳”戰(zhàn)略持續(xù)推進、安全生產(chǎn)要求不斷深化、資源高效循環(huán)利用已成行業(yè)共識的背景下，礦山發(fā)展理念正逐步由“規(guī)模優(yōu)先”轉(zhuǎn)向“質(zhì)量優(yōu)先”。充填開采技術(shù)作為支撐煤炭行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑，通過將固體廢棄物轉(zhuǎn)化為充填材料，能夠有效消除采空區(qū)、控制頂板災(zāi)害、提升資源回收率，并減少矸石等固廢堆存帶來的占地與環(huán)境污染問題，已成為實現(xiàn)礦山“綠色、安全、高效”發(fā)展的必然選擇。在鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)下方的采空區(qū)進行充填，可以釋放大量工業(yè)與農(nóng)業(yè)用地，真正實現(xiàn)“礦山變青山、采區(qū)變良田”的生態(tài)與經(jīng)濟雙重效益。

今年8月，中國礦山安全學(xué)會在內(nèi)蒙古赤峰主辦了礦山充填開采技術(shù)交流與創(chuàng)新發(fā)展研討會，吸引了來自全國多地的行業(yè)主管部門負(fù)責(zé)人、專家學(xué)者及企業(yè)代表等100余人參會。會議聚焦充填開采關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，探討如何以技術(shù)賦能礦山新質(zhì)生產(chǎn)力，推動礦業(yè)經(jīng)濟實現(xiàn)綠色、可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展。記者通過現(xiàn)場采訪中國礦業(yè)大學(xué)張吉雄教授團隊成員及其他參會代表，并實地考察礦井充填作業(yè)現(xiàn)場，對當(dāng)前三種礦山充填開采主流技術(shù)的研發(fā)進展與實際應(yīng)用情況展開了深入調(diào)查。

固體充填與采煤一體化技術(shù)

固體充填與采煤一體化技術(shù)是針對煤礦開采中面臨的煤矸石排放、“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）壓煤以及土地資源破壞等問題而研發(fā)的綠色開采技術(shù)之一。該技術(shù)通過將煤矸石回填至煤炭開采形成的地下空間，不僅有效解決了矸石占地、環(huán)境污染和土地資源浪費等問題，還有助于緩解因采煤引起的地面沉降。

目前，該技術(shù)已實現(xiàn)井下采煤、煤矸分選與矸石就地充填的一體化運行，直接產(chǎn)出清潔煤炭，構(gòu)建了“采—選—充”閉環(huán)流程。該技術(shù)依托井下選煤硐室，可采用跳汰分選、重介淺槽分選、智能干選及水介質(zhì)全粒級分選等多種分選方式。分選后的矸石可全部用于井下充填，真正實現(xiàn)“矸石不升井，從哪里來回哪里去”的綠色循環(huán)模式。

中國礦業(yè)大學(xué)張吉雄教授團隊成員周楠教授指出，該技術(shù)是在綜合機械化采煤系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了固體充填材料制備系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及充填系統(tǒng)，從而將充填工藝整合進采煤流程。開采設(shè)備由傳統(tǒng)的“三機”升級為“四機”，包括采煤機、刮板輸送機、充填采煤液壓支架以及多孔底卸式充填輸送機。其中，充填采煤液壓支架與多孔底卸式充填輸送機是關(guān)鍵裝備，前者用于提供作業(yè)空間和夯實動力，后者用于運料和落料。值得注意的是，非密實充填工藝不一定依賴多孔底卸式充填輸送機，可采用其他落料方式，但充填采煤液壓支架仍是必備設(shè)備，通常需在支架后部加設(shè)擋板結(jié)構(gòu)。

據(jù)與會專家介紹，該技術(shù)主要適用于對矸石處理需求較大的現(xiàn)代化大型礦井。根據(jù)充填密實程度的不同，可分為非密實充填與密實充填兩種類型。密實充填通過在支架后部加裝夯實機構(gòu)，提高充填體的密實度，從而有效控制頂板下沉與地表沉降；非密實充填則省略夯實環(huán)節(jié)，充填材料自然下落，以大規(guī)模處置矸石為主要目標(biāo)。

在采訪中記者了解到，相較于其他充填開采技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)勢在于，密實充填對頂板與地表控制效果顯著，非密實充填則能高效處理大量矸石。然而，該技術(shù)也存在一定局限性：一方面，密實充填因需進行夯實作業(yè)，工藝較為復(fù)雜，會制約采煤效率；另一方面，受多孔底卸式充填輸送機工況限制，目前難以應(yīng)用于超長工作面（目前最長為260米），制約了其在某些礦井的推廣。

充填開采普遍存在成本高、建設(shè)周期長、影響生產(chǎn)效率等問題，固體充填與采煤一體化技術(shù)亦不例外?！捌涑杀局饕性诔跗谕顿Y，如垂直投料井建設(shè)、充填液壓支架等關(guān)鍵設(shè)備采購。此外，該技術(shù)目前尚難以實現(xiàn)邊采邊充，因需在支架后部完成落料與夯實，以保證充填密實度與處理效率。不過，非密實充填對采煤影響較小，隨著裝備協(xié)同與工藝改進，未來有望實現(xiàn)采充并行。當(dāng)前，該技術(shù)應(yīng)用中的主要難點仍在于提升充填效率?！敝荛硎尽?/span>

據(jù)了解，該技術(shù)已在我國東部地區(qū)和西部地區(qū)煤礦得到廣泛應(yīng)用。東部礦區(qū)因開采深度大、地表建筑密集，西北礦區(qū)則因產(chǎn)能大、矸石處理需求突出，均適宜推廣該技術(shù)。目前，該技術(shù)在礦山充填領(lǐng)域的應(yīng)用比例在5%至40%之間。

• 典型案例 山東能源集團魯西礦業(yè)公司新巨龍公司

近年來，山東能源集團魯西礦業(yè)公司新巨龍公司踐行以“資源不浪費、采煤不見煤、產(chǎn)煤不用煤、產(chǎn)矸不排矸、用水不采水、環(huán)境不破壞、沉陷不減地、土地不荒廢”為核心的“八不”綜合利用模式，積極探索生態(tài)優(yōu)先的綠色開采路徑。

該公司開采區(qū)域地表分布有村莊，存在“三下”壓煤問題，加之井下采用盾構(gòu)機掘進導(dǎo)致矸石產(chǎn)量大，影響了主井提煤效率。為實現(xiàn)綠色、安全、高效開采，新巨龍公司引進了固體充填與采煤一體化技術(shù)，全力建設(shè)采選充一體化工作面。

在2304充填工作面，該公司布置了充填采煤液壓支架、多孔底卸式充填輸送機和矸石轉(zhuǎn)載機，配套建設(shè)分選系統(tǒng)與采充系統(tǒng)，完成了采充工程、留巷工程、分選工程及相關(guān)硐室工程。井下設(shè)有煤矸分離硐室、篩分產(chǎn)品轉(zhuǎn)運硐室、篩分破碎硐室和煤泥水澄清硐室，采用新型跳汰機與水介質(zhì)旋流器協(xié)同進行原煤分選。

為推進技術(shù)落地，該公司組建了由骨干人員構(gòu)成的攻關(guān)小組，聚焦智能化建設(shè)與工藝優(yōu)化。通過研發(fā)充填液壓支架后懸刮板運輸機，實現(xiàn)了沿溜槽方向順向啟閉，將充填材料精準(zhǔn)輸送至各充填點，并將日均充填時間控制在4小時以內(nèi)，大幅提升了充填效率。同時，創(chuàng)新采用拋矸皮帶與超前支架整體式自移機尾，實現(xiàn)工作面及隅角快速靈活拋矸，顯著提高了矸石運輸效率。此外，在下端頭支架底座應(yīng)用萬向旋轉(zhuǎn)伸縮搗實裝置，實現(xiàn)了下隅角全斷面無縫隙充填。

在創(chuàng)建生態(tài)綠色礦山的引領(lǐng)下，新巨龍公司持續(xù)優(yōu)化煤矸分離與矸石充填工藝，成功解放了被壓覆的煤炭資源，資源綜合利用率達到100%。通過實施集約化、精細(xì)化開采策略，實現(xiàn)了“資源不浪費、產(chǎn)矸不排矸”。具體而言，綜放工作面產(chǎn)出的原煤在井下即被分離為煤炭與矸石，煤炭提升至地面，矸石則直接回填至采空區(qū)，既降低了矸石運輸成本，也杜絕了環(huán)境污染。

該公司在一采區(qū)鄰近主運系統(tǒng)處建設(shè)了井下煤矸分離重介淺槽系統(tǒng)，通過洗選工藝將毛煤中的矸石分離出來，經(jīng)破碎后充填至采空區(qū)，實現(xiàn)了100毫米以上矸石不升井，使原煤灰分降低5%，發(fā)熱量提升至5000大卡以上。

新巨龍公司生產(chǎn)技術(shù)科相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“井下煤矸分離系統(tǒng)相當(dāng)于在井下建成了一座小型選煤廠，有效降低原煤矸石含量。目前，我們的采空區(qū)充實率達到63%。固體充填與采煤一體化技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅延長了礦井服務(wù)年限，緩解了主井提升壓力，還消除了矸石對環(huán)境和地表的破壞，推動了礦區(qū)資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?！?/span>

憑借在綠色開采方面的突出成效，新巨龍公司先后榮獲“煤炭工業(yè)節(jié)能減排先進企業(yè)”及“中國最美礦山”等稱號。

單元密實充填開采技術(shù)（連采連充）

單元密實充填開采技術(shù)（連采連充）是一種在長壁工作面運輸巷與回風(fēng)巷之間布置支巷，實現(xiàn)采煤與充填交替并行的連續(xù)開采方法。具體工藝為采煤支巷與充填支巷間隔布置，采煤后立即進行充填，隨后緊貼充填體繼續(xù)采煤，從而實現(xiàn)采煤與充填的平行作業(yè)。該技術(shù)適用于存在“三下”壓煤或邊角煤開采需求的中小型礦井。

該技術(shù)具備全負(fù)壓通風(fēng)、機械化支巷開采與充填同步作業(yè)等特點，不僅能有效處理矸石等固體廢棄物，還能解放“三下”壓覆資源，保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

相較于其他充填技術(shù)，連采連充具備以下優(yōu)點：一是生產(chǎn)效率高，采煤與充填可同步進行，充填過程不會影響正常生產(chǎn)；二是資源回收率高，可有效釋放“三下”壓煤資源；三是安全性好，能有效控制頂板與地表沉降；四是適應(yīng)性強，適用于復(fù)雜地質(zhì)條件與邊角煤回收。

然而，該技術(shù)也存在一定局限性。中國礦業(yè)大學(xué)周楠教授指出：“其缺點主要體現(xiàn)在膠結(jié)材料成本高于矸石，且充填過程對煤層傾角、厚度及頂板穩(wěn)定性有一定要求?！贝送?，該技術(shù)需配套連續(xù)采煤機、充填泵、輸送系統(tǒng)及智能監(jiān)測設(shè)備等，初期投入大，維護成本高。盡管通過資源置換可享受部分稅收減免以降低綜合成本，但在實際應(yīng)用中，仍面臨管道長距離輸送困難、易堵塞、彎管磨損等技術(shù)難點，亟待相關(guān)裝備與工藝的進一步優(yōu)化。

在材料選擇方面，該技術(shù)具備較強靈活性，可使用矸石、河沙、粉煤灰、爐渣等多種固體廢棄物作為充填原料。目前，該技術(shù)在礦山充填領(lǐng)域的應(yīng)用比例在10%至35%之間。

• 典型案例赤峰西拉沐淪（集團）公格營子煤礦

在諸多質(zhì)疑聲中，赤峰西拉沐淪（集團）有限公司公格營子煤礦斥資2億余元研發(fā)單元密實充填開采技術(shù)，不僅成功解決了礦井水患問題，消化了礦區(qū)矸石與粉煤灰，更為區(qū)域生態(tài)保護提供了寶貴經(jīng)驗。

該礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層上方存在兩層強含水砂層，地表分布農(nóng)田與公路。早年采用垮落法管理頂板，導(dǎo)致采出率不足40%，并引發(fā)地表塌陷、采空區(qū)積水、有害氣體積聚等問題，開采成本高、安全壓力大。為扭轉(zhuǎn)這一局面，該礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作，研發(fā)單元密實充填開采技術(shù)，利用固體廢物膏體膠結(jié)進行充填，逐步形成“長壁布置、支巷作業(yè)、密實充填”的作業(yè)模式。充填體及時支撐頂板，有效防止頂板冒落與地表塌陷，杜絕采空區(qū)積水與瓦斯積聚，從根本上改善了作業(yè)環(huán)境安全。同時，該技術(shù)通過精準(zhǔn)控制巖層移動，保護了上覆含水層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了開采過程中的水資源保護。

在充填材料方面，該礦以煤矸石、粉煤灰、礦渣等工業(yè)固廢為主要原料，其研發(fā)的高濃度充填漿體具有不離析、強度均勻、接頂率高等特點，不僅成本低、凝固快，還大幅提高了矸石綜合利用率。該礦充填技術(shù)總工程師馬宗玉表示：“充填材料配比一度是最大難點，過稠易堵管，過稀難凝固。經(jīng)過反復(fù)試驗，現(xiàn)在7天即可達到充填強度要求。”目前，該礦的充填能力達到200立方米/小時，管路輸送距離為2500米。

為確保技術(shù)落地，該礦研發(fā)了智能充填開采系統(tǒng)，包含膏體充填系統(tǒng)、地面矸石破碎子系統(tǒng)、配比攪拌子系統(tǒng)、管路子系統(tǒng)等，實現(xiàn)了骨料加工處理、膏體配比攪拌、膏體泵送的自動控制，以及膏體流量的精確控制?？赏ㄟ^井上生產(chǎn)調(diào)度中心大屏幕實時監(jiān)測井下充填工作面及管路、閘閥運行情況。

在該礦地面充填現(xiàn)場，記者看到，矸石經(jīng)過破碎后與粉煤灰、膠結(jié)材料等一同被運至攪拌泵送車間。站在充填泵車打漿口，可以看到漿體緩緩流出，通過管道奔向井下工作面。整個過程無人操作，只有一名集控操作員坐在電腦前監(jiān)測異常情況。

盡管初期因流程復(fù)雜、影響產(chǎn)量，遭遇工人的抵觸，但隨著充填后巷道穩(wěn)定、隱患減少、產(chǎn)能提升，“不充填不開采，以充定產(chǎn)”已成為全員共識。該礦實施充填開采后綜合效益顯著：采出率提升至95%以上，采空區(qū)充滿率達到100%，充實率達98%以上，解放煤柱壓煤1000余萬噸，延長了礦井服務(wù)年限；涌水量由每小時450立方米降至80立方米，實現(xiàn)了保水開采；累計消納煤矸石、粉煤灰等工業(yè)固廢1085萬噸，實現(xiàn)了地表無下沉，解放周圍農(nóng)田2139畝，顯著改善了礦區(qū)環(huán)境。

采后空間矸石注漿充填技術(shù)

采后空間矸石注漿充填技術(shù)是在完成工作面開采后，將矸石制成料漿注入采后空間，實現(xiàn)矸石的井下高效處置。其中采后空間指煤層開采后，覆巖中形成空隙和裂隙空間的總稱，包括垮落帶、裂隙帶的空隙以及彎曲下沉帶中的離層區(qū)。該技術(shù)適用于具有矸石處置需求、保護含水層的高產(chǎn)高效礦井。

該技術(shù)與單元密實充填開采技術(shù)具有一些相同點：兩項技術(shù)都需要破碎矸石，并加入一定的輔助材料制備成膠結(jié)材料；都能實現(xiàn)采充互不干擾。不同點在于單元密實充填開采技術(shù)只在采空區(qū)域充填，采后空間矸石注漿充填技術(shù)是在采動空間中充填，包含垮落帶、裂隙帶以及離層區(qū)等非壓實區(qū)域，這些空間為矸石注漿充填提供了大量空間。

“該技術(shù)的優(yōu)點為可充分利用采動空間，采充互不干擾，不需要膠結(jié)劑。缺點為采動空間判別準(zhǔn)確度有待提升，受采動的影響可能發(fā)生漏漿跑漿現(xiàn)象。目前，采后空間矸石注漿充填技術(shù)在應(yīng)用過程中存在采動空間判別不準(zhǔn)、受采動裂隙影響發(fā)生漏漿跑漿等難點。相較于其他充填技術(shù)，該技術(shù)的成本較低?！敝荛淌诒硎尽Ｄ壳霸摷夹g(shù)在礦山充填應(yīng)用中的占比在6%至30%之間。

• 典型案例 晉能控股裝備制造集團趙莊二號井

“準(zhǔn)備就緒，開始充填！”在晉能控股裝備制造集團趙莊二號井地面注漿站，隨著操作員一聲令下，備受矚目的覆巖離層注漿充填開采正式啟動。在這里，供料、研磨、攪拌、泵送及充填管路共同構(gòu)成一條智能化的“綠色動脈”，在集控中心的精準(zhǔn)操控下，將煤矸石與粉煤灰按比例研磨形成的漿體，作為“綠色血液”源源不斷輸送到工作面。

近年來，面對資源存量日益減少的挑戰(zhàn)，趙莊二號井積極探索并應(yīng)用覆巖離層注漿充填開采技術(shù)。

圍繞晉能控股集團“積極打造煤炭綠色開采技術(shù)策源地”的要求，趙莊二號井聚焦綠色充填開采領(lǐng)域，大膽探索實踐，將覆巖離層注漿充填開采作為可持續(xù)發(fā)展的突破口，對“三下”壓覆資源和小塊段區(qū)域展開試驗性開采。該礦抽調(diào)技術(shù)骨干成立專班，并與江蘇省第一工業(yè)設(shè)計院股份有限公司、中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司聯(lián)合攻關(guān)，從煤層充填圍巖控制理論等基礎(chǔ)研究入手，逐步推進注漿充填技術(shù)、裝備、工藝及材料研究。

2021年，該礦成功完成覆巖離層注漿試驗工作面的開采。在此基礎(chǔ)上，進一步在全井田推廣應(yīng)用該技術(shù)，并研究以煤矸石球磨替代部分粉煤灰進行注漿的可行性。通過將煤矸石與粉煤灰混合注漿，不僅實現(xiàn)了煤矸石資源化利用，有效降低注漿成本，還解決了矸石外排難題。同時，礦井系統(tǒng)分析試采期間收集的各項數(shù)據(jù)，總結(jié)注水與注漿時機、注漿量與推進速度對地表沉降的影響，據(jù)此優(yōu)化充填系統(tǒng)，提升注漿效率，確保注采比符合要求。

目前，趙莊二號井已應(yīng)用覆巖離層注漿充填技術(shù)順利完成6個工作面的開采，正在推進第7個工作面。累計回收壓覆煤炭資源369萬噸，注入粉煤灰約137.5萬噸，煤矸石約22.3萬噸。近兩年，該礦原煤全部實現(xiàn)充填開采。

該礦注漿項目部主任工程師謝華威介紹：“覆巖離層注漿充填開采技術(shù)僅需建設(shè)地面充填泵站、鋪設(shè)注漿管路并施工地面鉆孔，無需井下工程，有效解決了遷村采煤難度大、成本高等難題，契合我礦高效率、低成本的開采需求。該技術(shù)實現(xiàn)了快速開采與高效充填，且材料綠色無污染?！?/span>

該礦創(chuàng)新覆巖離層注漿充填開采技術(shù)方法，有效掌握關(guān)鍵層判別、注漿層位選擇、注漿時機把握、注漿壓力和擴散范圍控制以及注漿材料選擇等環(huán)節(jié)，形成了一套系統(tǒng)的控制流程和方法，最大限度回收“三下”壓煤資源?！霸摷夹g(shù)的難點在于精準(zhǔn)找到注漿層。為此我們與地測部門密切合作，做實做細(xì)地質(zhì)勘察工作，摸清歷史施工鉆孔位置，近五年來已成功施工20多個鉆孔。”謝華威說。

實施覆巖離層注漿充填開采技術(shù)后，該礦不僅實現(xiàn)矸石置換煤炭，還協(xié)助周邊礦井處理部分矸石，統(tǒng)籌兼顧資源開發(fā)、生態(tài)保護與經(jīng)濟效益。

鏈接

不同煤層賦存條件下的充填技術(shù)應(yīng)用建議

煤礦充填開采受開采條件制約較大，但通過合理的系統(tǒng)與工藝適配，仍能在復(fù)雜條件下應(yīng)用。充填開采需因地制宜，不同條件應(yīng)采取針對性充填方案。

易自燃煤層：充填材料應(yīng)具備阻燃特性，注漿充填封閉采空區(qū)裂隙，減少漏風(fēng)供氧，抑制遺煤自燃。

薄煤層：宜采用巷式充填技術(shù)，充填系統(tǒng)應(yīng)小型化、機械化，適應(yīng)薄煤層作業(yè)空間。

急傾斜煤層：宜采用分段充填，充填體可配備擋墻等設(shè)施，防止采場失穩(wěn)和充填體滑移。

頂板條件差：核心在于及時充填、嚴(yán)密接頂，可選用高濃度膠結(jié)充填材料，需保障充填體強度和接頂率，必要時配合超前支護，充填時序應(yīng)與頂板控制相協(xié)調(diào)。

三軟煤層：可采用下向分層充填或膠結(jié)充填，充填體需具備足夠強度和整體性，防止底鼓和圍巖大變形。

井下涌水量大：適宜選用凝固速度快的膠結(jié)充填材料，配合注漿堵水，防止突水和涌水事故。

沖擊地壓大：充填開采可顯著緩解沖擊地壓，關(guān)鍵在于充填體及時支撐頂板、降低應(yīng)力集中程度，宜采用密實充填。其原理為充填體及時支撐采空區(qū)頂板，能夠顯著抑制覆巖的破斷和劇烈運移，從而降低采場周邊的應(yīng)力集中程度，并改變能量的積聚與釋放方式，從源頭上削弱沖擊地壓的發(fā)生條件。須根據(jù)礦井的具體地質(zhì)條件、應(yīng)力環(huán)境選擇不同的充填方式，并確保充填體有足夠的充實率和可靠的接頂質(zhì)量。

高瓦斯：可以優(yōu)先采用“采選充+抽”技術(shù)，先進行非常規(guī)保護層開采，實現(xiàn)下伏被保護層瓦斯增透卸壓；同時在保護層、被保護層布置瓦斯立體抽采系統(tǒng)進行瓦斯抽采；保護層開采產(chǎn)生的含矸原煤經(jīng)井下煤矸分選系統(tǒng)分選，產(chǎn)生的矸石同步運輸至下伏被保護層充填協(xié)同垮落式工作面進行充填，整體實現(xiàn)高瓦斯低滲透煤層的安全綠色高效開采。

（以上內(nèi)容為編輯結(jié)合礦山充填開采技術(shù)交流與創(chuàng)新發(fā)展研討會材料整理）

作者：劉冰 范君宇版面編輯：劉冰

編輯

來源：中國煤炭報

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