在當前國家“雙碳”戰略持續推進、安全生產要求不斷深化、資源高效循環利用已成行業共識的背景下，礦山發展理念正逐步由“規模優先”轉向“質量優先”。充填開采技術作為支撐煤炭行業綠色轉型的關鍵路徑，通過將固體廢棄物轉化為充填材料，能夠有效消除采空區、控制頂板災害、提升資源回收率，并減少矸石等固廢堆存帶來的占地與環境污染問題，已成為實現礦山“綠色、安全、高效”發展的必然選擇。在鄉村城鎮或工業園區下方的采空區進行充填，可以釋放大量工業與農業用地，真正實現“礦山變青山、采區變良田”的生態與經濟雙重效益。

今年8月，中國礦山安全學會在內蒙古赤峰主辦了礦山充填開采技術交流與創新發展研討會，吸引了來自全國多地的行業主管部門負責人、專家學者及企業代表等100余人參會。會議聚焦充填開采關鍵技術的創新與應用，探討如何以技術賦能礦山新質生產力，推動礦業經濟實現綠色、可持續和高質量發展。記者通過現場采訪中國礦業大學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現場，對當前三種礦山充填開采主流技術的研發進展與實際應用情況展開了深入調查。

固體充填與采煤一體化技術

固體充填與采煤一體化技術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的綠色開采技術之一。該技術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，該技術已實現井下采煤、煤矸分選與矸石就地充填的一體化運行，直接產出清潔煤炭，構建了“采—選—充”閉環流程。該技術依托井下選煤硐室，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“矸石不升井，從哪里來回哪里去”的綠色循環模式。

中國礦業大學張吉雄教授團隊成員周楠教授指出，該技術是在綜合機械化采煤系統基礎上，增加了固體充填材料制備系統、輸送系統及充填系統，從而將充填工藝整合進采煤流程。開采設備由傳統的“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鍵裝備，前者用于提供作業空間和夯實動力，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備，通常需在支架后部加設擋板結構。

據與會專家介紹，該技術主要適用于對矸石處理需求較大的現代化大型礦井。根據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，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節，充填材料自然下落，以大規模處置矸石為主要目標。

在采訪中記者了解到，相較于其他充填開采技術，該技術的優勢在于，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，該技術也存在一定局限性：一方面，密實充填因需進行夯實作業，工藝較為復雜，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、建設周期長、影響生產效率等問題，固體充填與采煤一體化技術亦不例外。“其成本主要集中在初期投資，如垂直投料井建設、充填液壓支架等關鍵設備采購。此外，該技術目前尚難以實現邊采邊充，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，隨著裝備協同與工藝改進，未來有望實現采充并行。當前，該技術應用中的主要難點仍在于提升充填效率。”周楠表示。

據了解，該技術已在我國東部地區和西部地區煤礦得到廣泛應用。東部礦區因開采深度大、地表建筑密集，西北礦區則因產能大、矸石處理需求突出，均適宜推廣該技術。目前，該技術在礦山充填領域的應用比例在5%至40%之間。

• 典型案例 山東能源集團魯西礦業公司新巨龍公司

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

該公司開采區域地表分布有村莊，存在“三下”壓煤問題，加之井下采用盾構機掘進導致矸石產量大，影響了主井提煤效率。為實現綠色、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，全力建設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載機，配套建設分選系統與采充系統，完成了采充工程、留巷工程、分選工程及相關硐室工程。井下設有煤矸分離硐室、篩分產品轉運硐室、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旋流器協同進行原煤分選。

為推進技術落地，該公司組建了由骨干人員構成的攻關小組，聚焦智能化建設與工藝優化。通過研發充填液壓支架后懸刮板運輸機，實現了沿溜槽方向順向啟閉，將充填材料精準輸送至各充填點，并將日均充填時間控制在4小時以內，大幅提升了充填效率。同時，創新采用拋矸皮帶與超前支架整體式自移機尾，實現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用萬向旋轉伸縮搗實裝置，實現了下隅角全斷面無縫隙充填。

在創建生態綠色礦山的引領下，新巨龍公司持續優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、精細化開采策略，實現了“資源不浪費、產矸不排矸”。具體而言，綜放工作面產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，既降低了矸石運輸成本，也杜絕了環境污染。

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

新巨龍公司生產技術科相關負責人表示：“井下煤矸分離系統相當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，我們的采空區充實率達到63%。固體充填與采煤一體化技術的成功應用，不僅延長了礦井服務年限，緩解了主井提升壓力，還消除了矸石對環境和地表的破壞，推動了礦區資源與環境的協調發展。”

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

單元密實充填開采技術（連采連充）

單元密實充填開采技術（連采連充）是一種在長壁工作面運輸巷與回風巷之間布置支巷，實現采煤與充填交替并行的連續開采方法。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采煤，從而實現采煤與充填的平行作業。該技術適用于存在“三下”壓煤或邊角煤開采需求的中小型礦井。

該技術具備全負壓通風、機械化支巷開采與充填同步作業等特點，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，保護礦區生態環境。

相較于其他充填技術，連采連充具備以下優點：一是生產效率高，采煤與充填可同步進行，充填過程不會影響正常生產；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；四是適應性強，適用于復雜地質條件與邊角煤回收。

然而，該技術也存在一定局限性。中國礦業大學周楠教授指出：“其缺點主要體現在膠結材料成本高于矸石，且充填過程對煤層傾角、厚度及頂板穩定性有一定要求。”此外，該技術需配套連續采煤機、充填泵、輸送系統及智能監測設備等，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，但在實際應用中，仍面臨管道長距離輸送困難、易堵塞、彎管磨損等技術難點，亟待相關裝備與工藝的進一步優化。

在材料選擇方面，該技術具備較強靈活性，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，該技術在礦山充填領域的應用比例在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2億余元研發單元密實充填開采技術，不僅成功解決了礦井水患問題，消化了礦區矸石與粉煤灰，更為區域生態保護提供了寶貴經驗。

該礦地質條件復雜，煤層上方存在兩層強含水砂層，地表分布農田與公路。早年采用垮落法管理頂板，導致采出率不足40%，并引發地表塌陷、采空區積水、有害氣體積聚等問題，開采成本高、安全壓力大。為扭轉這一局面，該礦與中國礦業大學合作，研發單元密實充填開采技術，利用固體廢物膏體膠結進行充填，逐步形成“長壁布置、支巷作業、密實充填”的作業模式。充填體及時支撐頂板，有效防止頂板冒落與地表塌陷，杜絕采空區積水與瓦斯積聚，從根本上改善了作業環境安全。同時，該技術通過精準控制巖層移動，保護了上覆含水層結構，實現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、礦渣等工業固廢為主要原料，其研發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。經過反復試驗，現在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。

為確保技術落地，該礦研發了智能充填開采系統，包含膏體充填系統、地面矸石破碎子系統、配比攪拌子系統、管路子系統等，實現了骨料加工處理、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。可通過井上生產調度中心大屏幕實時監測井下充填工作面及管路、閘閥運行情況。

在該礦地面充填現場，記者看到，矸石經過破碎后與粉煤灰、膠結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測異常情況。

盡管初期因流程復雜、影響產量，遭遇工人的抵觸，但隨著充填后巷道穩定、隱患減少、產能提升，“不充填不開采，以充定產”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，延長了礦井服務年限；涌水量由每小時450立方米降至80立方米，實現了保水開采；累計消納煤矸石、粉煤灰等工業固廢1085萬噸，實現了地表無下沉，解放周圍農田2139畝，顯著改善了礦區環境。

采后空間矸石注漿充填技術

采后空間矸石注漿充填技術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。該技術適用于具有矸石處置需求、保護含水層的高產高效礦井。

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

“該技術的優點為可充分利用采動空間，采充互不干擾，不需要膠結劑。缺點為采動空間判別準確度有待提升，受采動的影響可能發生漏漿跑漿現象。目前，采后空間矸石注漿充填技術在應用過程中存在采動空間判別不準、受采動裂隙影響發生漏漿跑漿等難點。相較于其他充填技術，該技術的成本較低。”周楠教授表示。目前該技術在礦山充填應用中的占比在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成一條智能化的“綠色動脈”，在集控中心的精準操控下，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，趙莊二號井積極探索并應用覆巖離層注漿充填開采技術。

圍繞晉能控股集團“積極打造煤炭綠色開采技術策源地”的要求，趙莊二號井聚焦綠色充填開采領域，大膽探索實踐，將覆巖離層注漿充填開采作為可持續發展的突破口，對“三下”壓覆資源和小塊段區域展開試驗性開采。該礦抽調技術骨干成立專班，并與江蘇省第一工業設計院股份有限公司、中煤地生態環境科技有限公司聯合攻關，從煤層充填圍巖控制理論等基礎研究入手，逐步推進注漿充填技術、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。在此基礎上，進一步在全井田推廣應用該技術，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，礦井系統分析試采期間收集的各項數據，總結注水與注漿時機、注漿量與推進速度對地表沉降的影響，據此優化充填系統，提升注漿效率，確保注采比符合要求。

目前，趙莊二號井已應用覆巖離層注漿充填技術順利完成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僅需建設地面充填泵站、鋪設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。該技術實現了快速開采與高效充填，且材料綠色無污染。”

該礦創新覆巖離層注漿充填開采技術方法，有效掌握關鍵層判別、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節，形成了一套系統的控制流程和方法，最大限度回收“三下”壓煤資源。“該技術的難點在于精準找到注漿層。為此我們與地測部門密切合作，做實做細地質勘察工作，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后，該礦不僅實現矸石置換煤炭，還協助周邊礦井處理部分矸石，統籌兼顧資源開發、生態保護與經濟效益。

鏈接

不同煤層賦存條件下的充填技術應用建議

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

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

薄煤層：宜采用巷式充填技術，充填系統應小型化、機械化，適應薄煤層作業空間。

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

頂板條件差：核心在于及時充填、嚴密接頂，可選用高濃度膠結充填材料，需保障充填體強度和接頂率，必要時配合超前支護，充填時序應與頂板控制相協調。

三軟煤層：可采用下向分層充填或膠結充填，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，關鍵在于充填體及時支撐頂板、降低應力集中程度，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生條件。須根據礦井的具體地質條件、應力環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量。

高瓦斯：可以優先采用“采選充+抽”技術，先進行非常規保護層開采，實現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進行瓦斯抽采；保護層開采產生的含矸原煤經井下煤矸分選系統分選，產生的矸石同步運輸至下伏被保護層充填協同垮落式工作面進行充填，整體實現高瓦斯低滲透煤層的安全綠色高效開采。

（以上內容為編輯結合礦山充填開采技術交流與創新發展研討會材料整理）

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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