煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系与工程实践

张吉雄，张 强，巨 峰，周 楠，李 猛，张卫清

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116; 3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤炭资源是我国的主体能源，在当前及未来相当长一段时间内不会改变[1]。但长期以来，煤炭资源的大规模开发对生态环境造成了严重的破坏，导致地表沉降、地下水资源破坏、矿区环境损伤等，资源绿色化开采需求尤为迫切。随着浅部煤炭资源的长期持续高强度开采以及中东部地区煤炭资源的日渐枯竭，导致煤炭开采深度逐渐加大，以及接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状，形成“压缩东部、限制中部和东北部、优化西部”的全新煤炭生产格局。深部与西部开采成为煤炭工业发展与资源开发中的新常态。深部开采面临的矸石排放、复杂开采环境等问题，西部开采面临的生态脆弱矿区环境保护等问题，成为当前煤炭行业发展的主要矛盾。

国家一直十分重视资源开采与环境保护的协调发展，在21世纪初就提出“绿色矿山”理念[2]，组织签订《绿色矿山公约》[3]，通过《中国矿业联合会绿色矿业公约》[4];随后著名采矿工程专家钱鸣高院士提出绿色开采[5]概念，并给定绿色开采技术体系;最近国家“十三五”规划纲要作出“大力推进绿色矿山和绿色矿业发展示范区建设”[6]的统筹部署，到十九大主席报告提出全党全国贯彻绿色发展理念[7]。因此，建设绿色矿山、发展绿色矿业、推行绿色开采[8]势在必行，必须从创新开采方法的源头来实现近零生态损害开发、近零污染物排放利用[9]的绿色化开采自主创新之路。

充填开采技术在岩层失稳防控、采动诱导灾变治理、煤矸石等固废减排、地表沉陷控制及煤炭资源采出率提高等方面具有显著的技术优势[10]，是煤矿绿色化开采的核心技术;逐渐发展成熟的煤矸井下分选技术进一步拓展了绿色化开采的发展方向。

针对我国煤炭资源的开发现状与发展趋势，笔者所在团队于2001年研究矸石地面排放带来的环境问题及矸石井下处理技术;2008年开始矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用[11]的研究工作;2012年获得国家技术发明二等奖[12]，形成了固体充填采煤技术;2014年基于矿井实现绿色开采、资源开发与环境协调发展的现实需求，分析了实施煤矸井下分离的紧迫性与意义，提出井下煤矸分离与充填采煤系统设计的基本原理[13];2015年构建了采选充一体化集成系统，并建立现场工程示范;2016年成功研发“采选抽充采”集成型煤与瓦斯绿色共采技术[14];2017年在总结分析深部充填开采面临主要技术难题的基础上，提出深部煤炭资源采选充绿色化开采构想，并初步形成深部煤炭资源采选充绿色化开采的系列理论与技术体系[15];2018年8月，基于煤矸分选与井下就地充填的研究主题获批国家重点研发计划深地资源勘查开采重点专项立项。

本文将在上述研究的基础上，系统地提出煤炭资源“采选充+X”的绿色化开采新理念。

1 “采选充+X”绿色化开采技术内涵

1.1 “采选充+X”概念与框架

为了从开采方法的源头实现低生态环境损害开采，基于煤层安全开采、煤炭高效开采、地下水环境保护、地表沉陷控制、矸石近零排放及瓦斯近零排放的工程需求，研发了“采选充+X”绿色化开采技术。采选充是指实现少矸开采、煤矸分选与矸石充填一体化，而X具体指的是岩层移动主动控制(控)、沿空留巷(留)、瓦斯抽采(抽)、灾害防治(防)及保水开采(保)等。

基于“采选充+X”绿色化开采技术的基本内涵，形成了采选充+控、采选充+留、采选充+抽、采选充+防、采选充+保等多种形式的关键技术(图1)，在井下进行煤炭开采、煤矸分选、矸石就地充填的同时，一并实现与工程需求所对应的地表沉陷控制、坚硬顶板控制、采场矿压控制、生态环境保护、资源高效回收、伴生资源共采、顶板灾害防治、隔水岩层控制、矿区固废处理及矿井产能提升等多重目标，从而构建“采选充+X”绿色化开采技术体系。

图1 “采选充+X”技术框架Fig.1 Technical framework of mining-dressing-backfilling+X

1.2 “采选充+X”的演化历程

煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系是以充填采煤技术为核心而建立起来，该体系的构建起始于2000年初，然而事实上充填开采在国际上已有数百年的发展历史，其最早起源于金属矿山开采中，煤矿充填开采技术的发展也已有半个世纪，但由于无法克服实施充填所需的空间、通道和动力等技术难点，制约了充填开采技术在煤矿中的发展。直到2004年，中国矿业大学成功开发出了具有完全独立自主知识产权的综合机械化固体充填采煤技术与成套装备，历经近20 a的发展，通过4代技术演变，最终形成了现代绿色化的煤矿“采选充+X”新格局，部分应用煤矿如图2所示。具体过程:

第1代，2002—2008年，该阶段主要针对煤矸石大量地表排放带来了十分严重的安全与环境问题，研发目标为矸石减排。矸石井下处理的充填技术得到快速发展，成功应用于许厂煤矿、泉沟煤矿、邢台煤矿、兴隆庄煤矿等。

第2代，2008—2012年，充填技术已不能满足采煤工作面高生产效率的要求，该阶段研发目标转变为开发高效绿色化的采充技术。在五沟煤矿、平煤十二矿、杨庄煤矿、花园煤矿和济三煤矿等矿井建立了与现代化系统相匹配的采充一体化技术，有效推动了充填开采技术的发展。

第3代，2012—2016年，深部开采势在必行，尤其在东部资源枯竭型矿区更加严重，该阶段研发目标为煤矿充填开采面临的深部开采的低环境损伤问题。结合矸石井下分选及就地充填的工程需求，采选充一体化在综合机械化充填采煤技术快速发展的基础上从蓝图变成了现实，并成功应用于我国唐山煤矿、翟镇煤矿等，实现了矸石零排放和岩层移动地表沉陷有效控制的低环境损伤目标。

第4代，2016年以后，低生态环境损害成为该阶段的主要研发目标，采选充一体化技术不断延伸至提高煤炭资源采出率的无煤柱沿空留巷、无保护层高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯开采、坚硬顶板灾害防控和水资源保护性开采等技术领域。在我国翟镇煤矿、平煤十二矿等矿井成功应用，初步构建了低生态环境损害的“采选充+X”绿色化开采体系。

2 “采选充+X”绿色化开采技术

根据地表沉陷控制、资源高效回收、伴生资源共采、顶板灾害防治、隔水岩层控制等工程需求，研发的“采选充+X”绿色化开采核心技术包含采选充+控、采选充+留、采选充+抽、采选充+防、采选充+保等多种形式。

图2 “采选充+X”技术发展历程Fig.2 Development history of mining-dressing-backfilling+X

2.1 “采选充+控”绿色化开采技术

我国传统的煤炭开采造成了大面积的地面塌陷和严重的生态破坏，同时还有坚硬顶板灾害、高强开采下的强矿压显现等系列问题，如何实现煤炭资源的绿色化开采成为煤矿亟待解决的重大工程难题。“采选充+控”技术在解决上述工程问题上有着显著的优势。

“采选充+控”技术是指在采选充技术基础上，结合关键岩层的主动控制而形成的集成技术。其技术原理(图3):通过布置少矸化的煤炭开采系统、煤矸分选系统以及充填采煤系统，实现煤矸分选与就地充填，同时，通过充填方法的优选、充填工艺的科学实施、岩层位态准确设计以及充填效果的有效保障等手段，实现不同工程需求对应控制对象的不同控制要求。

图3 “采选充+控”原理Fig.3 Schematic of mining-dressing-backfilling+control

“采选充+控”绿色化开采技术的设计工艺流程:首先布置少矸化的煤炭开采系统;然后根据分选要求选择合适的井下煤矸分选方法;再根据矿井地质、生产条件、岩层控制等要求选择合适的充填方法;根据矸石排放要求和控制指标利用理论计算、模拟和实验反算充实率;再由充实率确定充填工艺、分选工艺;最终通过充实率控制指标反馈调节充填工艺及分选工艺参数。

该技术具有以下技术优势:适用的工程类型多样，可以是针对地表沉陷的关键层控制，可以是针对坚硬顶板动力灾害的顶板破断控制，还可以是弱化矿压显现的采场矿压控制等。

“采选充+控”绿色化开采技术的实施仍需要解决一些难点:① 技术的适用性:我国煤层赋存地质条件复杂，针对不同控制目标所运用的控制方法存在差异，需要建立更加普适性的控制方法来实现“采选充+控”技术对于多种地质条件的适应性。② 技术的保障条件:该技术实现的保障在于对关键岩层运动的准确控制，需要针对不同的控制对象并结合具体工程条件建立更加具体和系统化的岩层控制理论。

“采选充+控”绿色化开采技术的关键设备包括充填采煤关键设备、井下煤矸分选设备以及充实率控制设备。其中充填采煤设备有采煤机、刮板输送机、充填采煤液压支架、多孔底卸式输送机及压实机构等;分选设备由具体分选方法确定，一般分为重力分选法、跳汰分选法和重介质分选法等相关设备;充实率控制设备包括顶板动态监测仪、充填体应力监测设备以及充采质量比监控设备等。

“采选充+控”绿色化开采技术在“三下”开采、坚硬顶板动力灾害防控、采场矿压弱化控制及生态环境保护等方面具有显著的技术优势与工程应用前景。

2.2 “采选充+留”绿色化开采技术

为了减少区段间的煤柱损失，近年来我国各矿区都在条件适宜的工作面推广无煤柱沿空留巷开采技术。采空区密实充填后，采场矿压明显弱化，为实施沿空留巷提供了有利的条件。

“采选充+留”绿色化开采技术是指在采选充技术基础上衍生的集处理矸石、提高煤炭资源采出率和控制工作面端头矿压为一体的开采技术，其技术原理(图4)为:将沿空留巷技术有效衔接在采选充系统内，在充填采煤过程中实施沿空留巷。在实施采选充的同时，实现了无煤柱沿空留巷开采，既实现矸石无废排放，又有效提高了资源的采出率。

图4 “采选充+留”技术原理Fig.4 Mining-dressing-backfilling+retain technical principle

“采选充+留”绿色化开采技术的设计工艺流程为:根据煤矿的生产能力，确定充填工作面的矸石充填物料需求量以及确定井下煤矸分选系统的能力;同时布置少矸化的煤炭开采系统;以及确定煤矸分选工艺;最后根据分选工艺和生产条件，并行实施充填采煤工艺和沿空留巷工艺。

该技术具有以下技术优势:① 该技术是采选充一体化技术的延伸，形成采选充留开采方法完整的工艺循环，提高了煤炭资源的采出率，实现了无煤柱开采;② 该技术能控制工作面端头及两巷超前矿压，由于充填体支撑作用，该技术能控制工作面端头及两巷超前矿压。

“采选充+留”绿色化开采技术的实施仍需要解决的难点:充填沿空留巷工作面采充留一体化工艺的快速实施与整体的效率有待提升。

“采选充+留”技术的关键设备包括充填采煤关键设备、煤矸分选设备和实施沿空留巷关键设备等。

“采选充+留”技术在深部无煤柱充填开采及采掘接替紧张矿井的采掘接替缓解等方面具有显著的技术优势与工程应用前景。

2.3 “采选充+抽”绿色化开采技术

随着煤炭生产规模的日益扩大，矿井开采水平不断延伸，高瓦斯低透气性煤层的比例逐步扩大，对于不具备开采保护层条件的煤层，如何解决新形势下的卸压增透及提高矿井瓦斯抽采率，实现煤与瓦斯高效安全共采，同时深部矿井产生的矸石等固体废弃物的提升严重制约煤炭的提升，如何实现矸石零排放，实现煤及伴生资源的绿色开采，成为该类矿井的重大难题。

“采选充+抽”绿色化开采技术是采选充技术+瓦斯卸压抽采技术的集成，是一种针对不具备常规煤层保护层[16-18]的高瓦斯低透煤层开采技术，其技术原理(图5)为:首先进行非常规保护层开采，实现下伏被保护层瓦斯增透卸压;同时在保护层、被保护层布置瓦斯立体抽采系统进行瓦斯抽采;保护层开采产生的高含矸率原煤经井下煤矸分选系统分选，产生的矸石同步运输至下伏被保护层充填协同垮落式工作面进行充填，整体实现深部高瓦斯低渗透煤层的安全绿色高效开采。

图5 “采选充+抽”技术原理Fig.5 Mining-dressing-backfilling+extraction technical principle

“采选充+抽”绿色化开采技术的设计工艺流程(图6)为:根据地质条件，选择距被保护层煤层上方合理间距且含有薄煤线的岩层作为保护层进行卸压开采;并布置分选硐室，用于分选保护层的高含矸率原煤;随后在保护层、被保护层设计瓦斯立体抽采系统进行瓦斯抽采;根据主采面产能要求、岩层控制要求以及充填能力要求确定充填段长度，根据顶板垮落高度、应力影响范围等确定过渡段长度，从而整体确定协同工作面的开采参数。

该技术具有以下技术优势:① 实施非常规保护层开采，进行瓦斯卸压增透，拓展了保护层开采技术，解决了不具备常规煤层保护层的高瓦斯低渗透煤层的增透卸压难题;② 杜绝了矸石地面排放造成的环境污染问题，以及缓解千米矿井辅助运输压力，节约辅助运输成本;③ 研发的垮落协同充填式开采技术，可解决传统纯固体充填难以保障主采面产能的难题;④ 整体实现高瓦斯低透气性煤层的安全绿色高效开采，实现煤与瓦斯共采。

图6 “采选充+抽”技术设计流程Fig.6 Design flow chart of mining-dressing-backfilling+extraction technology

“采选充+抽”绿色化开采技术的实施仍需要解决以下难点:① 对于一些瓦斯含量高、渗透率低、抽放率低的煤层，卸压增透的难度更大;② 非常规保护层的科学设计问题，包括层位选择、上保护层或下保护层设计、瓦斯立体抽采系统、卸压效果检验等;③ 被保护层实现矸石处理的同时，主采面工作面的产能必然受到影响。

“采选充+抽”技术的关键设备在采选充的基础上，增加了瓦斯抽采设备，适用于深部高瓦斯低渗透煤层的安全高效开采。

2.4 “采选充+防”绿色化开采技术

我国西部矿区初期主要采用柱式开采方法，通过在采空区内留设大量煤柱来控制顶板，虽然采后能保持顶板及煤柱暂时稳定，但在上覆岩层长期重力载荷作用下，极易发生失稳，造成采空区顶板大面积冒落，引发矿区地震、采空区飓风、地表突然塌陷、山体崩塌、滑坡及泥石流等顶板灾害及其衍生地质灾害，严重威胁矿区安全，制约了煤炭资源与生态环境的协调发展。

基于此，本文提出了以采选充技术为主体，并结合采空区顶板灾害防治技术的集成型的“采选充+防”绿色化开采技术(图7)，其技术原理为:在井下布置煤矸分选系统，用于分选工作面回采的煤炭资源，并将分选矸石运输至充填泵站，制成充填料浆后泵送至柱式开采工作面的采空区，充填柱式采空区间，利用充填体的支撑力分担煤柱所受压力，与煤柱喷浆加固及顶板加强支护等防治措施相结合，维护煤柱与顶板的稳定，从而防止采空区顶板灾害的发生;在此基础上，可以在保证顶板稳定的前提下，逐步以充填体代替煤柱支撑顶板，从而实现柱式采空区煤柱回收的目的。

图7 “采选充+防”技术原理Fig.7 Mining-dressing-backfilling+prevention technical principle

“采选充+防”绿色化开采技术的设计工艺流程为:根据煤炭资源采出量、煤质等分选要求选择合适的分选方式;根据工作面地质条件，结合煤岩体力学特性测试，计算煤柱极限破坏强度，确定充填体强度要求，并设计采空区煤柱及顶板加固方案;然后进行材料配比优化，测试胶结充填材料的力学特性，确定充填材料最优配比;随后分析充填体龄期强度增长规律，进行数值模拟分析，得出充填与煤柱回收循环步距;计算充填回收煤柱后回收区前方应力变化规律，确定煤柱加固区范围及加固措施;回收采空区煤柱并将回收煤炭资源运至分选硐室;监测采后充填体及顶板稳定性，确定顶板安全系数并选择合适的防治措施进一步加固。

该技术具有以下技术优势:① 利用充填料浆固结形成的充填体代替煤柱支撑顶板，消除了煤柱失稳自燃、顶板灾害、矿区地震等安全隐患，极大程度的提高了工作面安全系数;② 通过充填采空区后，减小采空区预留煤柱数量，提高煤炭资源采出率。

“采选充+防”绿色化开采技术的实施仍需要解决以下难点:① 开采初期留设的煤柱不规则，煤柱稳定性评估困难;② 充填材料成本高;③ 通常采用连采机和梭车进行回采，回采速度慢，连续性较差。

“采选充+防”绿色化技术的关键设备包括地面充填材料制备设备和井下选充设备，地面设备有:材料存储设备、配料机、搅拌机和充填泵;井下选充设备有:煤矸分选设备、破碎机、连采机等。

“采选充+防”在西部矿区柱式开采法(房柱式采煤法、巷柱式采煤法、旺格维利采煤法等)采空区顶板灾害防治及煤柱回收方面具有显著的应用前景。

2.5 “采选充+保”绿色化开采技术

据相关统计资料显示，我国47.5%以上的重点煤矿煤炭开采受地表水源、地下水源及老空区积水威胁，矿井突水已成为继瓦斯灾害之后的第二大煤矿灾害。随着我国煤炭资源开发战略的转变，西部生态脆弱矿区与中东部深地煤炭资源保水开采问题将变得愈加突出。一方面受第四系富水性含水层及厚风积沙覆盖层等特殊开采地质条件影响，西部矿区浅埋煤炭资源开采过程中，极易引发含水层结构破坏、水土流失、突水溃沙等地质灾害，加重当地水资源短缺与生态环境脆弱;另一方面受深部复杂开采环境影响，中东部深地矿区隔水关键岩层在渗流场、温度场、裂隙场、应力场耦合作用下，围岩易发生大变形破坏，引发强突水灾害。在此背景下，本文提出了“采选充+保”绿色化开采技术。

“采选充+保”绿色化开采技术是指以采选充一体化为基础，与保水开采技术相结合，以消除矿井水害威胁和保护矿区水资源为目标的一种集约化绿色开采技术(图8)，其技术原理为:工作面采出的原煤于井下进行分选，分选出的矸石运送至需要保水开采的工作面进行采空区充填，使其作为永久承载体支撑顶底板的岩层，减少防水煤柱尺寸或者帷幕注浆规模，从而有效控制隔水关键层的裂隙萌生与发育，抑制突水通道的形成，使其不发生系统渗流失稳。因此，在相同的开采条件下，“采选充+保”技术能够有效的减小防水煤柱的尺寸和帷幕注浆的规模，从而能够提高回采上限和降低施工成本，实现煤矸石井下处理与含水层的安全保护，维护矿区水资源生态体系的良性循环，达到井下煤炭分选、矸石处理及保水采煤的整体目标。

“采选充+保”绿色化开采技术的设计工艺流程为:首先确定导水裂隙带发育的影响因素、分析导水裂隙带最大发育高度和深度;然后计算开采高度和充采比;随后确定防水煤柱尺寸和帷幕注浆规模;接着布置少矸化的煤炭开采系统、并根据分选要求选择合适的井下煤矸分选方法，根据矿井地质、生产条件、岩层控制要求选择合适的充填方法;最后通过工程实测和覆岩破坏监测反演计算开采高度和充采比以及防水煤柱尺寸和帷幕注浆规模。

该技术具有以下技术优势:由于充填体有效支撑作用，减小了防水煤柱尺寸和帷幕注浆规模，能够提高回采上限和降低施工成本。该技术将充填采煤技术与保水采煤技术有效融合，其技术创新与基础理论的深入研究契合国家能源发展战略的重大需求，能够有效解决西部水资源短缺生态脆弱矿区及中东部深地矿区水体下及承压含水层上煤层的安全开采问题，具有广泛的应用前景。

“采选充+保”绿色化开采技术的实施仍需要解决一些难点:① 我国不同矿区工程地质和水文地质条件具有差异性和复杂性，含(隔)水岩层的赋存特征具有明显差异性，进而导致充填方法与充填材料的选择也不尽相同，因此对“采选充+保”技术的广泛适用性提出了更高要求。② 采用“采选充+保”技术，需要增加充填物料制备、输送，充填设备购置等成本，从一定程度上限制了技术的应用性。

“采选充+保”绿色化开采技术的关键设备与“采选充+控”应用范围类似。该技术在我国缺水的西北矿区及东部进入深部开采的矿区具有很好的应用前景。

3 绿色化开采技术工程实践

3.1 “采选充+控”工程实践

开滦集团唐山矿业分公司地处唐山市中心，密集建筑物下压煤量(5层煤)占矿井剩余可采储量的比例高达79.7%，同时矿井地面年排放的80万t煤矸石带来了严重的生态环境破坏问题。

为解决上述问题，采用了“采选充+控”技术，在井下建立跳汰法大流量煤矸分离系统，分选出来的矸石经带式输送机输送至采空区充填，采用四柱支撑式充填采煤液压支架实现采空区机械化充填，通过充采比的严格控制及现场监测反馈进行岩层移动与地表沉陷的有效控制。该技术已在唐山矿业公司T3281N和T3282N工作面进行了工程实践。该项研究得到了“十二五”国家科技支撑计划(2012BAB131303)的支持。

“采选充+控”绿色化开采技术取得较好的成果:① 实现了“三下”压煤的成功开采，解放了大量的煤炭资源;② 实现了地面矸石处理，消耗了大量废弃矸石。通过采用该项技术，唐山矿业分公司采区采出率提高了40%以上，延长了矿井服务年限，实测地面最大下沉控制在Ⅰ级变形范围以内，确保了地表建筑群的安全使用，取得了良好的经济效益和社会效益。

3.2 “采选充+留”工程实践

新汶矿业集团翟镇煤矿面临建筑物下压煤问题严峻、固体废弃物地面排放造成环境污染与破坏、地质条件复杂、开采深度不断加大，运输提升压力明显等诸多工程难题。为解决上述问题，研发了深部“采选充+留”技术，将井下所有采面及掘进面的煤流在井下进行煤矸分离，分离出来的矸石在井下充填面进行就地充填;同时在充填面实施矸石袋垒砌矸石墙的充填沿空留巷技术，实现无煤柱充填开采。具体在7202E工作面进行了工程实践(埋深546.1～606.8 m，地表对应建(构)筑物为村庄、公路、农田以及流经矿区的河流等)。

通过实施“采选充+留”绿色化开采技术:一是避免了矸石由主井提升到地面拣选后再由副井下井充填造成的浪费，同时提高了主井提升的原煤煤质;二是实施了矸石井下就地无煤柱沿空留巷充填技术，处理了矸石，减少了煤柱留设，创造了显著的经济效益。

3.3 “采选充+抽”工程实践

平煤集团十二矿己15煤层，埋深1 005～1 166 m。己15煤原始瓦斯含量高达15.3 m3/t，瓦斯压力1.78 MPa，透气性系数仅0.078 m2/(MPa2·d);己15煤上覆己14煤层赋存不稳定，煤厚仅0.5 m。主采己15煤层开采面临四大技术难题:① 开采深度超过1 100 m，辅助提升困难、严重影响正常生产;② 瓦斯含量高，渗透率及抽放率低，潜在危险严重，安全开采受到严峻挑战;③ 上覆己14煤层赋存不稳定，不具备常规保护层开采条件;④ 矿井主要开采“三下”压煤，无法保障煤炭产量。

为解决上述问题，研发了深部“采选充+抽”技术[19-21]，将己14煤层的己1431030工作面作为非常规保护层进行开采，产生的高含矸率原煤直接井下煤矸分选，矸石充填至被保护层己1531010充填协同垮落式工作面;同时在保护层、被保护层中布置瓦斯立体抽放系统(图9)进行瓦斯抽采，通过采动影响增加被保护层瓦斯的透气性，提高瓦斯抽放率，实现低透气高瓦斯煤层及瓦斯的安全高效共采。

图9 瓦斯立体抽采系统Fig.9 Three-dimensional gas drainage system

通过实施“采选充+抽”绿色化开采技术:一是实现了矸石井下分选与矸石就地充填的无固废生产，实现低生态损害的绿色开采;二是实施立体化瓦斯抽放系统，瓦斯压力降幅达80.0%，回采期间，被保护层己1531010工作面抽采率达66.0%，实现高瓦斯低渗透煤层安全开采;三是实施了垮落式协同充填工艺，确保处理矸石的主采面220万t/a的产能要求，实现深部煤炭高效开采。同时，创造了煤矸分选系统分选矸石而导致煤质提升产生的煤质提升效益、节省了煤炭地面分选的成本和煤流矸石辅助提升成本以及立体抽采的瓦斯进行地面发电而节省的电费等显著经济效益。

4 “采选充+X”发展构想

未来“采选充+X”绿色化开采技术的发展方向并不局限于采选充+控、采选充+留、采选充+抽、采选充+防、采选充+保等方面，应更多地与我国高速发展的工业、农业、能源和环境等行业高度融合起来，发挥其在工业固体废弃物处理、智能化开采、功能材料研发及伴生资源开采等方面的潜力，进一步创新与发展“采选充+X”绿色化开采技术体系。

(1)”采选充+处“绿色化开采技术。

全国工业固体废弃物在2017年排放量达到29.4亿t，但综合利用率仅为48%，若不加妥善处置剩余的工业固体废弃物，将会严重污染大气、水体和土壤等环境，危害人体健康。而采选充技术可为工业固体废弃物在井下处理提供良好的空间，既能实现工业固体废弃物井下有效处理，又能控制岩层移动与地表沉陷，实现采选充+工业固体废弃物处理。但工业固体废弃物种类繁多，甚至包括腐蚀性、放射性等有毒有害废物，因此，在井下进行充填处理必须解决以下难题:① 工业固体废弃物的井下运输问题，解决易于腐蚀破坏运输设备的难题;② 工业固体废弃物的封存与固化，防止有毒有害物质的迁移与释放。

(2)“采选充+智”绿色化开采技术。

《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》提出到2030年实现煤炭智能化开采，《煤炭工业发展“十三五”规划》明确提出加快煤炭绿色安全无人开采关键技术攻关。由此可见，智能化开采可实现煤炭资源的安全高效开采，是煤炭工业技术革命和升级发展的必然要求。目前充填开采单工作面最大生产能力约为150万t/a，并且与传统垮落法相比，增加了井下分选系统和井下充填需要的人员，因此，采选充+智可进一步实现充填工作面的无人化和自动化以及井下分选系统的智能化，从而提升采选充技术的整体效率。但采选充+智技术需要解决以下关键问题:① 研发智能化采煤与充填装备及控制系统，实现采煤与充填智能化;② 发展模块化的井下分选模式，开发完全智能化的井下分选集控系统。

(3)“采选充+功能材料研发”绿色化开采技术。

深部资源开采逐渐成为资源开发新常态。但开采深度每增加100 m，地温将平均升高3 ℃，尤其在开采深度达到1 000 m后，地温普遍高于40 ℃，严重制约着煤炭资源安全与高效开采。而对于深部充填开采，充填材料的功能必将由传统的支撑顶板向蓄能、降温等功能性方向转变，以应对深部资源开采的高地温环境所引发的一系列难题。采选充+功能材料研发可实现在采选充一体化的基础上，丰富传统材料的应用范围，扩展充填材料的功能性。但目前关于地热利用型功能材料方面的研究还尚处于起步阶段。因此，采选充+功能材料研发绿色化开采技术未来需解决以下关键问题:① 研究吸热-蓄能型充填材料，建立充填材料内部热能提取方法;② 研发充填材料内部热能提取装置，确定装置的热能提取范围。

(4)“采选充+伴生资源”绿色化开采技术。

我国煤系共伴生矿产资源丰富，种类繁多，品质优良，分布广泛，具有较高的开采价值。其中，煤系地层共伴生矿产资源多是以煤层夹矸、顶板、底板或单独成层的方式存在，传统的开采方法不能兼顾煤系共伴生资源的共同开发与利用。因此，将研发采选充+伴生资源绿色化开采技术，即结合现有采选充技术，可直接开采煤炭及煤系地层共伴生资源，利用煤矸洗选系统，对煤系共伴生矿产资源进行分选，将分选后煤及有用矿产资源运至地面，而矸石与废石在井下就地充填，实现采选充+伴生资源开采。但煤系共伴生资源存在形式较多，开采系统较为复杂，因此，在煤系共伴生资源开采中需要重点解决以下难题:① 需要根据不同的伴生资源设计不同的井下分选系统，实现煤系共伴生资源的高效分选;② 构建采选充+伴生资源开采一体化体系，研发相应的开采工艺、装备等。

5 结 论

(1)绿色化开采势在必行，但面临全新的机遇与挑战，提出的“采选充+X”技术可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供了可靠的技术支持。

(2)“采选充+X”开采的基本构想是将井下采煤、分选和充填作为一个整体。根据不同矿井不同工程需求，创新相关技术工艺，形成了“采选充+控”、“采选充+留”、“采选充+抽”、“采选充+防”、“采选充+保”等为代表的系列“采选充+X”开采技术，实现了煤炭及伴生资源的安全、高效及绿色开采。

(3)煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术已应用于多个矿井，后续将继续着力于煤炭资源绿色化开采的研究主题，深入研究X所隐含的更多内涵，构建系统化全面化的煤炭资源“采选充+X”绿色化开采理论与技术体系，真正从创新开采方法的源头实现低生态环境损害的煤炭绿色化开采自主创新。

致谢论文得到开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司、山东泰山能源有限责任公司翟镇煤矿、平顶山天安煤业股份有限公司十二矿等多家单位的大力支持，在此一并表示感谢！