煤矿充填开采关键技术与发展方向研究

谢红光

国能神东煤炭集团有限责任公司察哈素煤矿  017209

摘要：在煤炭行业绿色转型与固废综合治理的政策背景下，充填开采作为解决煤矿“三下”压煤开采、地表塌陷、矸石污染等问题的核心绿色技术，已从可选工艺转变为矿山开采标配技术。本文结合国内煤矿充填开采工程实践，系统梳理了膏体充填、矸石原位充填、高水充填等主流关键技术的工艺原理、应用优势与适用场景，分析了当前充填开采存在的成本偏高、智能化程度不足、固废消纳能力有限等行业痛点。

关键词：煤矿；充填开采；关键技术；固废利用；智能化；发展趋势

0 引言

我国煤炭资源赋存条件复杂，多数矿区存在建筑物、铁路、水体下压煤问题，传统垮落法开采易引发地表塌陷、地下水流失、矸石堆积污染等生态问题，同时大量呆滞煤炭资源无法高效开采，严重制约煤矿可持续发展。随着“无废城市”建设、煤炭绿色开采等政策落地，国家明确要求煤矿推进煤矸石、尾砂等固废井下消纳，充填开采技术迎来强制普及、政策赋能的全新发展阶段。

1 煤矿充填开采核心关键技术

1.1 膏体胶结充填技术

膏体胶结充填是当前应用最广泛、控沉效果最优的主流技术，以矿井矸石、电厂粉煤灰、炉渣等固废为骨料，搭配低碳胶凝材料与矿井水，制备无泌水、不分层、可长距离泵送的膏体料浆，通过管道自流或泵压输送至采空区充填固结。该技术充填密实率可达98%以上，地表下沉系数可控制在0.08以内，能有效防控地表变形，保护地面建构筑物与水体资源。

工程实践表明，膏体充填可将煤炭资源回收率从传统开采的40%提升至85%以上，同时实现煤基固废规模化井下消纳，彻底消除地面矸石山污染。该技术适配大型千万吨级矿井、生态敏感矿区、三下压煤密集矿区，缺点是初期系统投资较高，工艺管控精度要求严苛，需配套智能化配比与输送系统保障运行稳定性。

1.2 矸石原位充填技术

矸石原位充填属于低成本简易充填技术，依托井下破碎、分选设备，将原生矸石就地加工处理，直接充填至采空区冒落空隙，无需复杂制浆工艺，系统建设周期短、运行成本低。该技术摒弃地面转运流程，实现矸石“不出井、就地消纳”，大幅降低固废处置与运输成本，适配中小型矿井、薄煤层矿井及固废处置压力适中的矿区。

相较于膏体充填，矸石原位充填充填体密实度相对较低，减沉效果有限，主要用于固废消纳与常规顶板管控，不适用于地表高精度保护的核心矿区，是煤矿充填开采普及阶段的基础适配技术。

1.3 高水充填技术

高水充填技术采用特种速凝胶凝材料，制备含水率95%以上的高流动性料浆，通过双管道输送至采空区快速凝结成型。该技术充填系统简单、输送距离远、无堵管风险，无需大量固体骨料，可解决矸石储量不足矿区的充填开采需求，且施工效率高，对井下采掘作业干扰小。

但高水充填体终凝强度低、压缩性大，地表沉陷控制效果弱于膏体充填，充填成本偏高，仅适用于低应力、无大规模固废处置需求、以顶板临时支护为主要目标的矿井场景。

1.4 覆岩离层注浆充填技术

覆岩离层注浆充填属于岩层内部减沉技术，通过地面钻孔向煤层开采后形成的覆岩离层空间注浆充填，支撑上位岩层、抑制地表下沉。该技术无需干扰井下采掘作业，投资低、施工便捷，可作为辅助充填工艺，与采空区充填技术协同应用，进一步提升地表生态保护效果，多用于老旧矿井生态修复与轻微沉陷治理工程。

2 煤矿充填开采技术应用现状与现存问题

2.1 技术应用现状

当前我国煤矿充填开采已进入政策强制普及阶段，山西、内蒙古等能源大省明确十五五末充填开采矿井占比超10%的发展目标，资源税减征、绿色矿山补贴等经济激励政策全面落地，倒逼老旧矿井完成充填系统改造。从应用场景来看，城市下压煤、生态敏感矿区已实现充填开采全覆盖，普通矿井逐步配套简易充填系统，形成“重点矿区强制充填、常规矿区逐步普及”的发展格局。

在工程实践中，大型矿井普遍采用智能化膏体充填工艺，中小型矿井以矸石原位简易充填为主，深井、冲击地压矿井采用分层协同充填技术，形成了分类适配的技术应用体系。同时，煤基固废闭环利用模式逐步成熟，多数矿井实现矸石、粉煤灰、矿井水一体化井下消纳，绿色开采成效显著。

2.2 现存核心问题

一是规模化推广成本偏高。传统胶凝材料能耗高、单价贵，部分矿井充填系统设备老旧、自动化程度低，人工与运维成本居高不下，导致中小矿井充填开采盈利性较弱，制约技术全面普及。二是智能化水平不足。多数矿井充填作业仍依赖人工管控，料浆配比、充填速率、管道监测精度较低，堵管、充填不接顶等问题频发，采充协同效率偏低。

三是特殊场景适配性欠缺。高寒矿区存在充填体强度不足、管道冻堵问题，千米深井冲击地压防控、CO₂封存一体化技术尚未全面落地，多层煤群矿区立体充填工艺有待优化。四是固废消纳能力有限，多数矿井现有充填系统处理规模无法匹配矿井固废产出量，固废处置缺口依然存在。

3 煤矿充填开采未来发展趋势

3.1 充填材料低碳负碳化，实现固废全资源化利用

低碳负碳充填是行业终极发展方向，未来将全面淘汰高能耗水泥材料，推广矿渣、钢渣、煤渣基低碳胶凝材料，降低充填吨成本。依托谢和平院士提出的CGIF负碳充填技术，构建“煤矸石+CO₂+低碳胶凝材料”充填体系，实现井下CO₂永久封存，打通煤炭开采碳中和路径。同时完善固废分级分选、井下原位破碎技术，实现矸石、粉煤灰、气化灰渣等全煤基固废100%井下消纳，彻底根除地面固废污染问题。

3.2 作业流程智能无人化，提升开采精准高效性

依托5G、物联网、数字孪生与AI技术，搭建采充一体化智能管控平台，实现制浆、配比、输送、充填、监测全流程自动化调控，将料浆浓度、灰砂比控制精度提升至±0.5%，实现管道故障自预警、自诊断。推广架后无人充填机器人、自动筑墙装备，实现人机彻底分离，消除高危作业安全隐患。同时结合透明地质数据，AI动态调整充填参数，形成“预测-充填-修正”的主动防控模式，大幅提升充填精准度与作业效率。

3.3 工艺适配精细化，分层规模化推广应用

未来将形成差异化工艺适配体系，大型千万吨矿井推广采充并行膏体密实充填工艺，中小型矿井普及低成本原矸高速充填技术，深井灾害矿井应用立体分层充填工艺，高寒矿区配套低温抗冻专用充填成套技术。通过模块化充填站设计、井下原位破碎简化系统，大幅降低充填系统投资与运维成本，破解“充填成本高、回本慢”的规模化瓶颈。

4 结论

充填开采是煤炭行业绿色低碳转型的核心技术，膏体充填、矸石原位充填、高水充填等关键技术的迭代完善，有效解决了煤矿固废污染、资源浪费、生态破坏、灾害频发等行业难题，为绿色矿山建设提供了核心支撑。当前我国煤矿充填开采已进入规模化普及阶段，但仍存在成本偏高、智能化不足、特殊场景适配性弱等问题。

参考文献

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