煤炭开采会造成地面塌陷和生态环境破坏，这是毋庸置疑的事实。研究数据表明我国现有23个省(市区)、151个县(市区)分布有采煤沉陷区，采煤沉陷区面积达20 000 km2，部分资源型城市塌陷面积超过了城市总面积的10%，严重影响了矿区群众生产生活、经济发展和社会稳定，已成为影响国计民生的突出问题[1]。
采煤沉陷区治理引起党中央、国务院的高度关注。近年来习近平总书记先后深入徐州市贾汪区和抚顺西露天矿考察采煤塌陷区治理。“开展煤矿充填开采可行性研究”是国务院采煤沉陷区综合治理部际联席会议确定的11项重点工作之一，为掌握煤矿充填开采的现状和存在的问题，探讨推行充填开采技术的可行性，由国家煤矿安全监察局组织，国家煤矿安监局与河北工程大学联合组成课题组进行专题调查研究，力求通过实地调研和分析论证，为落实“因地制宜推广高效充填开采等先进工艺技术，降低采煤沉陷影响”提供科学决策依据。
充填开采是近年发展起来的生态保护性开采技术，采用充填开采防控采煤沉陷并建设生态矿山，涵盖煤矿安全生产、生态环境治理、废弃物利用等多个领域，更多的是侧重社会公益事业，符合生态文明建设和保护环境的发展战略[2-4]。
笔者在全国充填开采可行性调研的基础上，客观分析了我国煤矿充填开采技术的应用现状与存在的问题，以及推广应用制约的因素，为进一步扩大我国充填开采的应用范围，研究我国煤矿充填开采的区域战略、精准模式与政策体系，提供了数据支持和理论依据[5-7]。
1 我国煤矿充填开采技术应用现状
充填开采是从源头防止地表沉陷，实现以最小的生态扰动获取煤炭资源，把对生态环境、水土资源和基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度可控范围之内的有效方法，促进煤炭开采和生态环境协调、共融发展。图1为垮落法和充填开采的对比情况，垮落法采煤开采后上覆岩层垮落，含水层破坏，地表沉陷，建筑物和地表水系受到破坏，而充填开采法用充填体支撑顶板，上覆岩层不垮落，有效地保护了地表生态[8-11] 。
图1 垮落法开采与充填开采对生态破坏对比
Fig.1 Comparison of ecological damage caused by caving mining and filling mining
1.1 我国充填开采技术
目前，我国煤矿应用的充填开采方法与技术主要有固体工作面充填开采、固体巷道充填、膏体工作面充填开采、覆岩离层注浆充填开采和高水材料充填开采等几种方法[12-15] 。
1.1.1 固体充填开采技术
固体充填开采技术分为工作面充填和巷道充填。固体工作面充填开采技术，是将井下采煤、掘进过程中产生的矸石及地面洗选过程中产生的矸石，通过机械破碎后，配以粉煤灰、黄土等辅料，利用连续输送系统将充填材料输送至工作面进行采后直接充填，并用推压密实装置对充填物料推压密实，实现采空区密实充填。目前综合机械化固体工作面充填技术已在河北邢台、开滦矿区，山东新汶矿区，山西阳泉、西山矿区等地推广应用[12-15]。
固体巷道充填开采技术，是将岩巷掘进产生的矸石在井下直接运输、破碎后，由给料机、带式输送机运至充填巷掘进工作面，经矸石胶带抛矸机充填。与其他矸石处理方法相比，具有系统简单、投资小、充填效果好的特点[8-11]。
1.1.2 膏体充填开采技术
工作面膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物，在地面加工制成浆状充填材料，通过专用充填泵加压，利用充填管道将充填物料输送至井下工作面。工作面膏体充填开采技术已经在我国淄博、济宁、峰峰、焦作等矿区开展了应用[8-11]。
覆岩离层注浆充填开采技术也是膏体充填一种形式，是利用煤层开采后覆岩下沉开裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料，减少采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层进一步弯曲下沉，从而达到减缓地表下沉的目的。安徽淮北矿业集团临涣煤矿采用离层注浆充填开采效果显著。
1.1.3 高水充填采煤技术
高水充填开采是将制备好的高水充填材料通过管路输送至工作面采空区充填袋(包)，待凝固后形成固定形状的支撑体，起到支撑顶板的作用。由于其具有流动性好的特点，可以通过地面打孔至采空区进行灌注，也可以通过管路直接输送至采空区，在邯郸、临沂等矿区进行了应用[8-11]。
1.2 煤矿充填开采在我国的应用情况
调查数据表明，截至2018年8月，我国26个分布有煤矿的省份中已采用及拟采用(充填系统施工准备或施工阶段)充填开采的省份有13个，涉及51家矿业集团公司、75座煤矿，我国充填矿井数量总体偏低，充填过或正在充填开采的矿井见表1。
表1 我国充填矿井汇总
Table 1 Summary of China’s filling mines
煤矿名称产能/(Mt·a-1)充填方式(充填材料)煤矿名称产能/(Mt·a-1)充填方式(充填材料)煤矿名称产能/(Mt·a-1)充填方式(充填材料)济宁三矿6.50矸石新阳矿6.00膏体五沟矿0.90矸石安居矿1.50膏体官地矿3.90矸石十二矿1.30矸石孙村矿1.20膏体马兰矿3.60膏体城郊矿5.00超高水赵官矿0.90矸石镇城底矿1.90矸石陈四楼矿4.50超高水翟镇矿1.70矸石余吾煤业7.50高水王村煤业0.15高水盛泉矿0.45矸石巷道王庄矿7.10高水上河煤矿0.60膏体协庄矿1.50矸石巷道东坪煤业1.20矸石、黄土天裕矿0.60膏体鄂庄矿0.90高水东山煤矿1.20矸石寸草塔矿2.40矸石(拟)华丰矿1.20普采矸石曹村矿0.90矸石、黄土布尔台矿20.0矸石(拟)许厂矿3.20膏体金星矿0.60膏体裕兴矿0.60矸石(拟)岱庄矿2.40膏体大庄煤矿1.20高水长城三矿2.00矸石(拟)葛亭矿1.20膏体华晟荣矿1.80矸石棋盘井矿2.40矸石(拟)唐口矿4.80矸石高河矿7.50膏体公格营子2.40膏体(拟)曹庄矿1.20膏体邢东矿1.25高水、矸石攀枝花矿0.45膏体太平矿0.75膏体云驾岭矿1.85矸石巷道兴发矿0.30矸石田庄矿0.90超高水邢台矿1.95矸石发耳二矿0.90矸石(拟)高庄煤业3.00矸石新三矿0.95矸石西马煤矿1.50膏体大兴矿业0.40普采矸石新屯矿0.85膏体晓南煤矿2.10矸石巷道泉兴矿0.45高水羊东矿1.50膏体西露天矿2.60矸石新元矿3.00矸石东庞矿3.90矸石东荣一矿0.90矸石霍尔辛赫4.00矸石唐山矿4.20矸石周源山矿0.75膏体、矸石鸿福矿0.60膏体钱家营矿5.70矸石徐庄煤矿1.80矸石古书院矿3.30膏体刘东矿0.45膏体红石湾矿0.60矸石南阳坡矿0.90矸石界沟矿1.40膏体任家庄矿3.60矸石东曲矿4.00矸石杨庄矿2.10矸石银星一井4.00矸石
我国各省充填矿井数量如图2所示。由图2可知，我国各省充填矿井数量分布不均衡，充填矿井主要集中在华东地区，如山东、山西、河北、河南、安徽等省份;陕西、内蒙古、宁夏充填矿井数目呈现上升趋势，拟充填矿井数目增多;华南地区、东北地区充填矿井零星分布，数量较少。
图2 我国各省充填矿井数量分布
Fig.2 Distribution of filling mines per province in China
多种充填方式在我国不同矿井取得了应用，如图3所示。其中，固体充填方式应用较多，膏体充填、超高水充填也有不少矿井进行了应用。
图3 各种充填方式应用的矿井数量
Fig.3 Number of mines for various types of filling
1.3 我国充填矿井的井型特征
按照煤炭生产能力，我国煤矿分为大型煤矿(≥120万t/a)、中型煤矿(30万t/a<生产能力<120万t/a)、小型煤矿(≤30万t/a)，部分文献又将(≥300万t/a)矿井称为特大型矿井，同时除华南地区外，我国其他省份绝大部分矿井产能均在60万t/a之上。
为便于分析，将我国矿井井型划分为更加细致的区段(≤60万t/a),(60万t/a<生产能力≤120万t/a),(120万t/a<生产能力≤180万t/a),(180万t/a<生产能力≤300万t/a),(300万t/a<生产能力≤500万t/a),(>500万t/a)，我国不同井型充填矿井的数量如图4所示。由图4可知，我国不同井型矿井均存在充填开采的实际需求，不同井型均有充填实例;目前充填开采在中小型矿井及产能≤500万t/a的大型矿井中应用较多;产能>500万t/a的特大型矿井充填实例较少，但有逐步增多的趋势。
图4 不同井型充填矿井数量
Fig.4 Number of filling mines with different productive capacity
我国不同井型矿山充填方式如图5所示。由图5可知，不同井型矿山选用充填方式的倾向性不一，中小型矿井充填开采的优先原则是减少地表沉陷，解放“三下”压煤，延长矿井服务年限;有的煤矿存量矸石及新增矸石的压力骤增，充填开采的优先原则为处理固体废弃物。
图5 不同井型矿井选用的充填方式
Fig.5 Filling methods for different productive capacity mine
调研结果显示，固体工作面充填方式早期加工简单、运输方便，成本低，冀中能源邢台矿充填开采早已达到100万t/a以上生产能力;固体巷道充填方式受巷道掘进水平、支护方式和安全因素影响较大，在特定地区和特殊需求时可以发挥很好的作用;膏体充填工作面受充填泵能力制约，同时膏体凝固需要时间，影响了充填开采的产量，但近几年，随着泵送能力的提高和胶结材料性能的改进，充填能力也在提高。
1.4 我国充填矿井的区域特征
我国充填开采不同区域充填矿井数量如图6所示，由图6可知，目前我国充填矿井主要集中于华东地区、陕蒙甘宁及环保政策强制区——山西，东北地区、华南地区充填开采应用较少，西部生态脆弱区目前无充填矿井。各产煤区以各自的区域经济、地质生态状况、资源禀赋、产业特点、产业政策对充填开采有着不同的需求程度、充填优先原则以及充填方式的选择[2-3]。
图6 我国各产煤区域充填矿井数量分布
Fig.6 Number distribution of filling mines per coal producing area in China
(1)华东地区。
华东地区主要包括河北、河南、山东、安徽、江苏等地。该区人口密集、经济发展迅速、土地资源紧缺，对矿山绿色开采的需求度高。矿井开采面临的搬迁压力巨大，如冀中能源集团邢台矿、邢东矿位于城郊，唐山矿甚至位于城市中心，矿井充填开采的优先原则为控制地表沉陷、处理存量矸石。华东地区煤矿建井早，许多矿井建国初期建井，开采历史长，开滦集团、峰峰集团开采历史百年以上，冀中能源邯矿集团许多老矿井饱受资源枯竭的困扰，充填开采的优先原则为解放“三下”压煤，延长矿井服务年限，如邯矿集团的陶一矿、亨健矿等。
(2)山西省。
山西省煤炭资源丰富、煤种齐全、开采条件好;以大型煤矿为主，生产力水平较高，安全保障程度较高。但是，山西省采空区塌陷极其严重，存量及新增矸石处理难度大、水资源严重匮乏，毗邻京津冀，环保压力巨大。近年来，山西省一系列环保政策密集出台，特别是2018年以来，山西省政府要求矿井消灭矸石山，矿山企业为符合政策要求，对充填开采进行了密集调研，充填开采意愿强烈，如山西省华晟荣煤矿、高河煤矿。山西省煤矿充填开采的优先原则为处理存量及新增矸石、消灭矸石山，以符合山西省的政策要求。
(3)陕蒙宁甘。
陕西、内蒙古、宁夏、甘肃等省(区)以大型煤矿为主，煤炭产量大，矸石量也大，运用充填开采处理矸石具有广阔的应用前景，目前，新增大量的拟充填矿井，该区矿井在高产高效的优先原则下，局部进行充填开采，主要实现处理矸石的目标，如神东煤炭公司布尔台、寸草塔煤矿，神华宁夏煤业有限公司任家庄煤矿、红石湾煤矿。
(4)东北地区。
辽宁、吉林、黑龙江3省煤种齐全，煤质优良;开采历史长、强度大，剩余资源量少，矿山饱受资源枯竭的困扰;规划建设的大型矿井很少，以中小型矿井为主，开采条件较差，随着矿井进入深部开采，灾害加重;采煤沉陷对土地和地面设施的影响较大。东北地区充填开采的优先原则为解放“三下”压煤，延长矿井服务年限，同时为东北地区冲击地压及煤与瓦斯突出等灾害治理提供了新的途径，具有广阔的应用前景。
(5)华南地区。
华南地区煤矿地质条件较为复杂，矿井规模偏小，充填开采多为解放“三下”压煤及消除矿井灾害，充填开采为华南地区冲击地压及煤与瓦斯突出等灾害治理提供了新的途径，具有广阔的应用前景，如:贵州发耳二矿充填开采处理固体废弃物，消除煤与瓦斯突出、煤层自燃及突水威胁。
(6)新疆和青海地区。
新疆和青海煤炭资源丰富、开采条件好，但该区生态环境脆弱、水资源匮乏，环境是该区煤炭生产的主控因素。国家能源局、财政部、国土资源部和环境保护部研究制定了《煤矿充填开采工作指导意见》要求新建煤矿不再设立永久性地面矸石山，西部生态脆弱区是我国充填开采未来的潜在应用区域。
充填矿井生产实践表明，实施充填开采，充填材料充满采空空间，减少了井下采空区水、瓦斯积聚空间，降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤自燃等事故发生可能性。充填开采大量消化矸石，减少地面矸石山占地，消除了矸石山对生态环境的污染;有效遏制地表沉陷，保护地表和地下水资源，避免了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁;实现资源开发与生态环境协调发展，取得良好的生态和社会效益。
2 我国煤矿充填开采推广应用的制约因素
煤矿充填开采能够主动保护地表环境，以最小的生态扰动获取煤炭资源，当控制地表沉陷或保护生态环境对煤炭开采有特殊要求或约束时，应积极采用充填开采，扩大其应用范围。
调研表明，我国充填矿井主要集中于华东地区及晋陕蒙甘宁，但该区域仍有更多矿井面临生态环境破坏、沉陷区治理、地面建筑物保护、矸石山污染等问题，这些问题都可以通过充填开采予以解决。总体来看，选择通过充填开采解决实际问题与坚持长期充填开采的煤矿占比很小，通过调研与深度走访发现，制约充填开采技术推广有技术本身原因、有企业原因，也有政策支持力度原因，需认真分析、研究，并予以解决。
2.1 充填开采投资大、建设周期长
煤矿建设设计之初没有规划井下矸石处理系统，这导致充填开采需要在原建井的基础上增设充填系统，包括充填材料的制备、充填材料的下运、井下充填系统的形成和充填装备等，需要在地面建设矸石储运、投料系统，建设相应的井下矸石运输系统，设备的购置和系统的建设需要一定的资金投入和建设周期，一般在1 a左右，致使充填开采的快速性和时效性受到限制，严重限制了充填开采技术的推广。
2.2 充填开采使原煤生产成本加大
充填开采要将煤矸石充填到采空区，就煤炭生产本身而言必然要增加吨煤成本，充填开采方式吨煤增加成本一般在几十，甚至百元以上，在煤炭品质优良的矿井还能够承受。但有的矿井煤质差、产量受限，利润较低，充填增加的成本使利润空间变小，大大降低了矿井充填开采的积极性，这是一个非常重要的制约因素。
2.3 充填物料短缺不足以成为主采工作面
充填物料目前一般以矸石为主，矸石量约为煤炭产量的20%左右，从调研资料来看，我国矸石堆积量的分布和“三下”压煤量的分布呈相反情况，长途运输矸石用于充填开采，经济上是不可行的。所以，充填开采矸石量的不足，限制了充填开采的规模化和长期性，给煤矿组织生产带来不利因素。
2.4 对主动生态环境保护的认识还有待提高
十八大以来，习近平总书记针对环境保护发表了一系列重要讲话，他指出“要正确处理好经济发展同生态环境保护的关系，牢固树立保护生态环境就是保护生产力、改善生态环境就是发展生产力的理念，更加自觉地推动绿色发展、循环发展、低碳发展，决不以牺牲环境为代价去换取一时的经济增长”，“既要金山银山，也要绿水青山”。
煤炭开采向大自然索取能源，不可避免地会对大自然带来影响，甚至破坏，煤炭企业主动谋求转型升级是保证可持续发展的必由之路，面对绿色发展、环境保护的形势，煤炭企业要提高对煤炭生产和环境保护的关系认识，对环保形势倒逼下的生产转型不能再持观望态度，要未雨绸缪，主动超前谋划，认清眼前利益和长远利益的关系，在煤炭开采的同时主动保护生态环境，使煤炭企业朝着绿色生态的方向发展。
2.5 充填开采技术推广宣传不够深入
调研发现，我国煤矿充填开采自2002年开始巷道充填，陆续进行了综合机械化开采和自动化充填，形成了技术体系。但现在由于技术推广和宣传的力度都存在不足，仍有相当一部分煤炭企业对充填开采的认识还停留在多年前的充填开采设备和工艺层面，对充填效果、吨煤成本、产量仍有质疑，认为充填开采不能作为一种采煤方式，限制了该项技术的推广应用。
经过多年的研究与实践，我国充填采煤技术已经形成理论技术体系，充填开采技术和装备水平已大幅提高，充填开采能力已显著提升。固体充填采煤和充填“空间分开，时间平行”，采充平行作业，河北、山东部分生产矿井已经达到年采充百万吨能力。膏体材料和高水材料充填在材料和运送方式上也有了很大的改观，内蒙古及山东部分煤矿摆脱了泵送的限制，产量大幅度提升。这些进展要进行充分的宣传才有利于充填开采技术的推广应用。
2.6 充填开采激励政策和约束机制力度不够
《关于实施煤炭资源税改革的通知》(财税[2014]72号)和《关于落实资源税改革优惠政策若干事项的公告》(国家税务总局公告2017年第2号)，对依法在建筑物下、铁路下、水体下(以下简称“三下”)通过充填开采方式采出的矿产资源，资源税减征50%。从调研来看，资源税减免政策的支持力度偏小，程序复杂且条件严格，未能成为煤炭企业是否采用充填开采的驱动力。如河北开滦集团唐山矿充填开采至今，已累计置换出煤炭86.1万t，充填矸石110.5万t，但累计享受资源税减免仅180万元左右，每吨煤减免仅2.1元[16]。
《煤矿充填开采工作指导意见》(国能煤炭〔2013〕19号)提出了一系列煤矿充填开采支持政策，包括充填开采可列为重大技术改造、产业升级、生态环保、资源综合利用项目，优先享受有关专项资金支持，充填开采置换出的原煤产量可相应减缴矿产资源补偿费，新建煤矿不允许设立永久性地面矸石山等。调研发现，由于目前矸石充填开采免收矿产资源补偿费实施细则尚未出台，各省减免标准不尽相同，政策执行困难;同时，由于该文件为行政指导行为，不具备强制执行力，不同地区对指导意见的执行力度也不统一。
3 我国充填开采技术的发展
我国首部绿色矿山建设行业标准——《非金属行业绿色矿山建设规范》由自然资源部正式公告发布，于2018-10-01起实施，规范提出:在矿产资源开发全过程中，实施科学有序开采，对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内，实行矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化和矿区社区和谐化的矿山。绿色矿山建设已然成为我国煤炭工业发展的主题，充填开采作为绿色矿山建设的重要技术手段，在我国绿色矿山建设的远景规划中将扮演更加重要的角色，应进一步形成我国煤矿充填开采的区域战略、精准模式、产业政策体系，我国煤矿充填开采未来远景美好[17-18]。
3.1 基于充填开采煤矿生产全过程生态矿山建设
根据煤炭行业的发展现状和生态环境的要求，将能主动保护生态环境的充填开采嵌入到煤炭生产过程中，建井伊始，从地质勘探、矿井设计、煤炭开采、附近城市建设、地面保护、水资源保护、生态再造和恢复全过程统筹，充分利用充填开采，保护地面建筑物和生态环境，根据地面生态环境和地面水系径流方向，以及地面附着物的状况，确定保护范围和保护等级，研究保护方式，统一规划和再造煤炭开采过程中和开采后的地面生态环境，使煤矿开采和生态环境息息相关，把充填开采作为煤矿保护生态环境调节工具，完全按照规划设计要求控制地表沉陷区域和沉陷程度，向“精准地质，统一设计，精准充填，保护环境，保水开采，建设全过程全息智能生态矿山”方向迈进[8-11]。
首先要对煤田地质全程全息采集、分析和解释，利用地质勘探资料和采矿过程揭露的地质信息，动态修正约束条件，动态分析和解释地质构造状况，建立煤矿全过程、全信息地质分析、解释体系，及时反演出准确的能够指导生产的充填工作面地质模型。
研究充填开采的上覆岩层运移规律，不同地质条件、不同充填材料、不同充填密实度、不同时间和区间的上覆岩层演变机理，利用微震技术进行动态监测;为充填开采液压支架设计、充填工艺制定、充填区域确定、精准充填提供理论支撑。
根据地面生态环境和地面水系径流方向，以及附着物的状况，确定保护范围和保护等级，逐步实现井下采煤和地面生态环境统一规划、设计，统一协调井下开采和地面生态环境关系，合理安排充填采煤区域，分配矸石资源，统一规划和再造煤炭开采过程中和开采后的地面生态环境，利用地面现有水系和矿井水，形成新的再生水系，打造新生态环境。煤炭开采不再是生态环境的杀手，而是与环境保护、生态再造互补共生，融为一体，使煤矿开采和生态环境息息相关。
3.2 精准高效密实充填技术工艺体系构建
研究充填开采的诸多影响因素，构建精准高效密实充填技术工艺体系，根据地质模型，研究提出充填质量判据，结合不同充填工艺，实现密实充填率精准控制，对特定区域实施精准充填，最大限度提高充填工效、充填面推进速度，将有助于实现充填工作面高产高效的目标。
对于固体充填，要深入研究散状固体边界限定条件下物理特性，散状固体改变散状特性的机理、条件和工艺，以及改性后的物理特性，保证充填体的快速成型、承载。对于膏体充填，要研究膏体凝固速度的方法和泵送能力的提高，提高产量，降低成本。
研究充填开采条件下液压支架受力状况，建立充填开采液压支架工作阻力选择依据，设计适合智能控制的各种充填方式的液压支架。同时响应国家煤监局煤矿机器人研发公告精神，研究充填开采与被保护对象损伤的边界条件，建立充填过程中充填材料的均布、密实、改性的控制模型和质量判据，完成充填开采的智能控制，最终实现充填机器人化的终极目标。如图7所示。
3.3 “采选充留”一体化精准充填开采技术形成
煤矸石是采煤过程无法避免的伴生物，一部分开拓矸石从副井运到地面，一部分则和原煤一起从主井运出，占用了有限的主副井提升能力，同时也占用了洗选能力。如果在井下完成矸石分选，就地充填，置换煤炭资源，减少矸石运输和洗选过程的能量损耗。再辅以沿充留巷，实现无煤柱开采，形成集“自动化开采、井下矸石分选、井下就近充填、沿空留巷”的“采选充留”一体化精准充填开采技术，这将使得充填采煤工作面全程自动协同控制，大幅度提高生产效率和安全保障水平[8-11]。
研究模块结构的井下煤矸分选技术，要求这种装备体积小，安装灵活，可以安装在井下主运输胶带，也可安装在区域胶带上，将大块矸石选出，统计结果表明，若原煤中粒径50 mm以上矸石选出，则可减少10%以上的矸石升井，经济效果显著。
研究洗煤厂的小型化，智能化，把洗煤厂建到井下，原煤在井下直接入洗，将洗出的矸石和开拓产生的矸石一并充填开采，真正实现煤矿矸石不升井，达到煤矿生产的绿色环保，如图8所示。
图7 精准高效充填开采示意
Fig.7 Accurate and high efficiency filling mining map of the exhibition
图8 “采选充留”一体化技术示意
Fig.8 Schematic diagram of the integrated technology of coal mining,coal preparation,stope filling,roadways retaining
3.4 新型充填材料研发
充填材料是我国煤矿充填开采推广和应用的重要制约因素。煤矿可利用的原煤矸石率约20%左右，煤矿的充填材料来源不足，导致煤矿充填开采规模不能满足需求，严重阻碍了煤矿充填开采技术的大规模推广应用。
破解充填材料不足的难题，首先应研发高效率、高质量、廉价、环保的新型充填材料，这是未来破解煤矿充填开采规模化和高成本难题的重要环节;二是与矿区地表生态治理紧密结合，充分利用地域资源，山区、丘陵地区可利用荒山秃岭废石、河沙作为充填材料,按照生态治理的统一规划，应用充填的方法进行生态治理;三是研发城市建筑垃圾作为充填材料，既解决城市高速发展过程中建筑垃圾带来的困扰，又可以换取煤炭资源;四是利用相邻金属矿山尾矿进行充填，进行生态共建，金属矿山的尾矿不仅量大，而且数量基本稳定，便于工业化利用[8-11]。
3.5 重点发展区域的充填开采
煤矿充填开采能够主动保护地表环境，以最小的生态扰动获取煤炭资源，当控制地表沉陷或保护生态环境对煤炭开采有特殊要求或约束时，应积极采用充填开采，扩大其应用范围;同时，认真研究地质赋存条件、充填物料、充填成本等对充填开采的影响，明确充填开采的适用条件，并提出突破条件限制的技术措施，才能有效地推广充填开采技术。
(1)地表和地下水系区域。
目前，在全国96个国有重点矿区中，缺水矿区占71%，严重缺水矿区占40%。我国每年因煤炭开采形成的废污水占全国总废污水量的25%左右，特别是在富煤贫水的西部生态脆弱矿区，煤炭开采造成了地下水资源大量流失，加剧了水资源短缺的困境和地表生态的退化。山西省因煤炭过度开采导致的水资源破坏面积已占全省国土面积的13%，2015年因煤炭开采造成的直接经济损失以及由此产生的治理费用超过100元/t。因此，地表和地下水系的保护成为生态环境保护的重要组成部分，而充填开采可有效保护地面及地下水系，在这种区域应尽量采取充填开采。
(2)地表建筑区域。
三下压煤中以村庄建筑物下压煤量最大，在村庄密集的平原矿区，每采出百万吨煤炭需迁移约2 000人。迁村难、选址难、费用高、工作难度大、资源损失严重等是开采建筑物下压煤的突出难题。针对不同保护等级的地表建筑物，通过采用充填开采技术，能够精准控制地表的下沉、变形，并辅以建筑物补强措施，降低建筑物受采动的损坏程度，甚至可以做到零损伤，以满足国家标准，将避免地面建筑物破坏和村庄搬迁产生的额外费用。
(3)自然保护区域。
2018年3月，多部委联合印发《“绿盾2018”自然保护区监督检查专项行动实施方案》(环生态函[2018]43号)，组织开展专项行动，重点排查采矿(石)、采砂、工矿企业和保护区核心区缓冲区内旅游开发、水电开发等对生态环境影响较大的活动，对煤炭资源开发提出了更高的要求，充填开采能大幅减小采矿活动对生态环境的影响，是自然保护区内压覆煤炭资源开发的必然技术选择。
(4)矸石固废污染区域。
矸石是煤矿区最主要的固体废弃物污染源，长期以来，煤矸石大量堆积在煤矿工业广场，缺乏有效处理，目前我国煤矸石累计堆积量达45亿t，占地约130 km2，《煤炭工业发展“十三五”规划》中指出，到2020年我国每年将新增矸石7.95亿t。同时，矸石的传统处理方式价格较高，据调研，山西、内蒙古等地区矸石处理费用达到25～50元/t。井下工作面充填开采年处理矸石能力可达100万t，快速有效消灭地面矸石山，使矸石不与大气和降雨接触、减少自燃和淋溶水污染，是清洁、高效处理煤矸石的有效途径。
4 结 语
充填开采技术在资源开发的同时开展沉陷预防和生态保护，从源头上设计并防止开采沉陷的产生，是主动保护生态环境、减少采煤沉陷区的有效途径。
调研表明，目前我国已采用及拟采用充填开采的矿井数量不多，涉及13省(区)、51家矿业集团公司、75座煤矿，但这些矿井都成功实现了控制地表沉陷、解放“三下”压煤、处理固体废弃物、安全生产等目标，达到充填开采综合治理的目的，具有较好的示范意义，同时充填开采延长了矿井寿命，实现了矿区发展与和谐稳定。
充填开采在常规采煤方法和地表生态环境、地面建筑物、井上下水系发生矛盾的时候，可以起到不可替代的作用，在源头上保护生态环境，减少地面沉陷。随着充填开采技术的发展，井下“采选充留”一体化，将实现矸石不升井，并在重点区域实现“精准充填”，为生态环境保护发挥更大的作用。
通过建立充填开采推广机制，加强对新建矿井和老矿井技术改造项目的投入，配套相应的沉陷区和矸石废弃物治理的扶持政策等措施，充填开采技术将会迅速在全国推广，将有效地推进采煤沉陷区治理，产生巨大的社会、经济与环境效益。
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