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充填开采的密实化路径：矸石返井与浆液胶结的工程闭环

中国能源产业发展网发布时间：

2026-10-31 09:52

【中国能源产业发展网原创】【作者：林墨】

山西焦煤汾西矿业金辛达煤业近期的充填实践，把一个容易被忽略的工程事实摆到了明处：充填开采最难的部分在于让充填体与顶板之间形成有效支撑，而不在于把矸石送进采空区。中国煤炭工业协会刊发的中国工程院院士王国法署名文章中，转述兖矿能源的技术体系表述：深部煤炭采选充一体化智能技术的核心是研发井下分选、全采全充、连采连充及靶向注充和双能X射线煤矸成像高精度智能识别分离等技术装备，形成煤炭开采、井下分选、矸石充填的绿色高效模式。这条链路的工程含义是：矸石不再升井堆积，而是在井下完成从产出到消纳的闭环，既解决地面排放问题，又为采空区提供结构支撑。金辛达煤业的公开数据给出了这条闭环的量化边界，充填开采区域可采储量为580万吨，设计生产能力50万吨每年，消耗矸石量约70万吨每年，服务年限约9.7年。

单元密实这个技术命题

金辛达煤业采用的核心技术名称是综合机械化单元密实充填采煤工艺，这个名称中的两个限定词各指一层工程含义。综合机械化指向装备水平，指的是以机械化手段替代人工完成矸石运输与抛填；单元密实则揭示了技术逻辑的关键，即通过分单元、分条带的方式，把矸石充填体压实、胶结，使其与顶板紧密接触，从而形成有效支撑。两个限定词缺一不可——只讲机械化而不讲密实，充填体在顶板来压作用下会迅速失去承载能力；只讲密实而不讲机械化，分单元分条带的施工组织无法在井下工作面的时空条件里实现。

把这条工艺放到采选充一体化的体系里看，密实化的位置就更清楚了。传统采煤只解决一个问题：把煤采出来并且不塌，采空区处理是回填与沉降两件事。充填开采把采空区处理同步变成了顶板支护手段，采空区不再需要承受后期来压，而是由充填体承担。那么充填体的密实度就直接决定了它替代原有支护结构的能力——这正是把密实度作为技术命题而非施工质量指标的根源。支撑强度不低于3兆帕这个指标之所以重要，也在于此：它不是泛泛的强度描述，而是充填体能否承担顶板支护功能这一问题的判定线。

矸石返井的物料链与它的空间约束

工艺流程形成了一个从地面到井下的完整闭环：井下分条带掘进充填巷道后，选煤厂产生的矸石通过溜矸孔返井，经返矸皮带转运至充填巷道，由智能抛矸机进行分层抛填。这条物料链的设计难点在于返井通道的布置。公开资料显示，地面选煤厂矸石仓位置布置下矸孔，与充填返矸辅运巷沟通，形成完整的矸石返井通道；地面制浆站则布置下浆孔，与充填回风联巷沟通，确保浆液输送的连续性。两个孔位不是随便定的，它们分别锚定了矸石下行的起点与浆液上行的终点，两条通道各自占用不同的巷道与风路，意味着任何一条的改造都要牵动通风系统。

抛填环节的技术核心是分层抛填。智能抛矸机的作用并非把矸石倒进采空区就完事，而是控制铺料厚度与摊平程度——分层是密实的前提，因为一次抛填过厚的料层在自重与胶结作用下难以均匀压实，底部空隙会在顶板来压时转化为沉降差。浆液注入的时机与分布同样重要，高压管路注入的浆液需要穿透矸石堆体的孔隙通道，浆液分布不均则会出现局部胶结薄弱区。这里存在一个物理上的两难：注浆量越大，胶结越充分，但浆液停留时间随之延长、离析风险上升，因此制浆速度与灌浆体积比必须与铺料节奏匹配。

试生产阶段的三次参数修正

这套工艺最有价值的技术信息不在于投运结果，而在于试生产阶段的调试记录。针对浆液渗透不均、充填体下部胶结效果差的问题，项目从三个层面展开调试，每一个层面都指向一个具体的物理量。第一层是优化管路布置，将灌浆管路由3趟增至5趟，增加下部灌浆点位，使浆液覆盖更加均匀。这一改动的实质是缩短浆液在矸石堆体中的横向渗流路径——管路趟数决定了注入点的空间密度，注入点越密，浆液到达下部区域的路径越短、越不依赖侧向渗透。第二层是提升制浆能力，将制浆速度由每小时30立方米大幅提升至80立方米，缩短浆液在管路中的停留时间，减少水灰离析。第三层是调整灌浆参数，将灌浆体积比由20%提升至38%，并通过更换滤水材料、提高注浆压力等措施，改善浆液扩散效果。

把这三层修正连起来读，可以看到一个清晰的排障逻辑：先解决浆液到不了的地方，再解决浆液到了却散掉的问题，最后解决浆液量不够的问题。这个顺序不是随意的，它体现了充填工艺中材料流与浆液流之间的主从关系——固相材料的铺放是前提，浆液的渗透与留存是结果。值得注意的是，这三项修正全部指向浆液侧而非矸石侧，而抛矸机与返矸皮带在整个调试过程中没有出现参数调整的记录。这个事实本身说明，在单元密实充填的工艺链上，瓶颈在浆液体系，装备是相对成熟的一环。

从工艺到管理：充填体密实度的工程支撑

充填工艺不是孤立环节，它的密实度需要支护、注浆与监测共同支撑。金辛达煤业在掘进环节应用掘锚一体机二次成巷与锚网索联合支护，以增强成巷效率与围岩稳定性；在充填环节配套智能化采掘装备，结合原位注浆与邻位动压注浆技术，使充填体密实度和整体稳定性得到显著改善。原位注浆与邻位动压注浆这一组合的工程逻辑值得拆开看：原位注浆针对的是充填体与顶板直接接触的界面，邻位动压注浆针对的是邻近采空区活动带来的动压扰动，两者的作用位置与时间窗口不同，组合使用才能覆盖采动压力重新分布的全过程。

这类工艺的推广速度，最终取决于它能否与矿井的日常生产组织无缝咬合。汾西矿业的公开做法显示，充填开采、无煤柱开采、深孔预裂爆破等绿色技术已不再是个别矿井的样板，而是形成了可复制、可推广的技术体系，绿色开采从理念共识走向工艺标配，从井下延伸到设计源头。这一步的意义在于，充填不再是一个需要专门组织的技术项目，而是成为采掘设计的一个约束条件——采区布置要预留充填巷道，采高与层位选择要考虑充填体的形成空间与胶结条件。

源头减量：充填之外的另一半工程

充填技术解决的是矸石产生之后如何处置，源头减量解决的是矸石如何少产生。2026年以来，汾西矿业通过柔性布巷、优化层位与采高累计减矸225.87万吨，以源头减量替代末端治理。把两个数字放在一起看，逻辑就清楚了：柔性布巷与优化层位采高，本质上是在采掘设计阶段减少矸石产出量，把减矸从事后分选搬运的负担转成设计约束的收益。对充填系统而言，源头减量的意义不只是省下一笔处置成本，更在于降低了充填物料的供应波动——充填能力是按峰值物料量配置的，供料端波动越大，系统冗余就得越大。

同类思路在别的矿井上也在推进。兖矿能源兴隆庄煤矿在冲击地压防治上构建了顶板深孔爆破、煤层钻孔卸压、底煤爆破卸压三位一体的综合卸压体系，并推广使用快速充填囊袋、远距离大流量输送注胶装置等先进技术装备，应用微色谱和光纤测温技术强化气体观测预测预报，建立起沿空喷浆堵漏、施工隔离墙、喷洒阻化剂、压注凝胶的标准作业流程。这里的充填囊袋与注胶装置，与金辛达的矸石胶结充填虽非同一技术，但共享一个工程判断：在井下空间受限、作业窗口狭窄的条件下，能就地固化、快速形成强度的材料往往比长距离转运的方案更可行。

对这条技术路线的判断

把充填开采的三个维度放在一起，可以形成几条判断。技术上，单元密实充填的门槛已经不在装备，而在浆液——制浆能力、注浆点位密度、灌浆体积比与停留时间这四个参数的耦合调试，决定了充填体是否真正达到支撑强度。管理上，充填能否规模化，取决于它能否嵌入采掘设计的常规流程，成为与层位、采高、巷道布置同等重要的约束条件，而不是需要专项组织的例外。经济上，580万吨可采储量对应50万吨每年产能、约70万吨每年矸石消耗量与9.7年服务年限，这组数据给出了单矿点的物料平衡边界，也标出了这条工艺的规模化门槛——每年七十万吨的矸石供给能力与对应浆液系统的连续运行能力，是任何一处推广都必须先算清的账。

对技术前景的判断是审慎乐观。充填开采同时解决地压控制与地表沉陷两个问题，这在土地资源紧张的矿区具有不可替代的价值；采选充一体化配合双能X射线煤矸成像识别分离，把矸石分选从地面搬到井下，等于在源头就把充填的原料与不需要的矸石分开。但这条路线的推进速度将受制于两个不易压缩的因素：井下分选装备的识别精度与处理量级，以及浆液体系的可靠性。二者都不是靠一次性投入能解决的，都需要在井下复杂工况中反复磨合、持续调适。这种需要时间沉淀的工艺特性，恰恰决定了它更可能以逐矿点推广的方式铺开，而不是以标准化产品的形式快速复制。

-本文参考资料来源于山西焦煤集团、兖矿能源集团公开信息；中国煤炭工业协会、国家矿山安全监察局公开文件；《山西工人报》、山西工人网等媒体报道。

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林墨