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一、前言
煤炭开发带来了经济和社会繁荣的同时，又造成了一系列影响经济和社会可持续发展的重大问题。
1、生态环境破坏
煤炭开发带来的生态环境问题主要是水土流失、土地荒漠化、地表地下水失衡、环境污染等。产生的主要原因是煤炭采选活动破坏了植被、耕地，改变了生物赖以生存的空气、水、土壤等条件，造成生态破坏、失衡。
2、侵占大量宝贵的土地
煤炭开发需较大的工业场地，据统计，正常情况下每一煤矿井口面积大约20公顷，甚至更多。除露天采掘直接破坏大量土地外，采煤排出的矸石、废渣、尾矿也侵占了大量土地。矿山建设需征收征用土地、砍伐森林，直接破坏植被、农作物及野生动物栖息地，导致绿地面积缩减。
3、安全问题突出
2003年世界煤炭产量约50亿t，煤矿事故死亡总数约8000人。当年中国的煤炭产量约占全球的35%，但事故死亡人数则占近8成。2004年中国煤矿平均每人每年产煤321t，全员效率仅为美国的2.2%、南非的8%，而百万t死亡率则是美国的100倍、南非的30倍。
煤炭开采是典型的高危险、高消耗、高污染的行业，传统的采煤技术存在着煤炭资源浪费与破坏严重、地质环境灾害与生态环境破坏频繁、安全问题突出等诸多问题。欲实现煤炭工业的可持续发展，必须加大科技投入力度，利用先进的科学技术，改造传统的采煤工艺，实现清洁生产。
选择井下合适的膏体充填设备应用于井下采掘，充分借鉴金属矿山，特别是有色金属和贵重金属矿山实行充填采矿法的经验，利用煤矸石作为充填骨料，通过添加胶凝材料和其它外加剂，实现高浓度充填，是解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安矿柱、提高安全开采保障程度和资源回收率的有效手段。
二、矸石固体充填技术可行性分析
冒落区膏体充填在国外已成功应用，也证明了冒落区充填切实可行。煤矿井下冒落区矸石膏体充填成功实施的技术关键在于个方面：一是矸石破碎效果，即破碎矸石的粒度分布；二是膏体充填系统对膏体浓度的适应能力；三是充填对象的选择；四是充填泵的能力。
由试验可知， 12mm 以下的颗粒比重达到95%，最大粒度小于16mm，最大破碎粒度基本能够满足要求。
三、井下固体充填工艺应用
3.1工艺流程
原生矸石经转载到卸载站后（具体矸石运输系统及方式根据矿井实际情况布置），经破碎机破碎后卸至矸粉仓内，将破碎矸石料加入添加水和其它辅料，在搅拌机作用下充分搅拌成膏体状，再经煤矿用输送泵通过管路输送至充填处。
3.2主要充填材料
根据煤矿井下条件，充填骨料主要采用煤矸石。但由于煤矸石块度较大，用于管道输送，必须进行破碎。为提高煤矸石充填料浆输送质量浓度，改善管道输送性能，降低管道磨损，在充填料中加入粉煤灰和复合减水剂。
粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。
减水剂在充填料浆用水量不变的情况下，可显著提高其流动性或在保持其流动性不变的情况下，大量减少其用水量。综合考虑减水率和成本，建议采用水剂复合减水剂。
为加快循环进度，提高充入采场浆体的早期自立能力，加入32.5标号的普通硅酸盐水泥作为胶凝剂。
3.3材料配比
在配制膏体时主要考虑以下几个因素：
1、由于辅助运输压力大，不具备向井下运输粉料的条件，因此实验优先考虑不添加其他粉料条件下配制矸石膏体的可行性，即优先考虑“矸石粉+水”型矸石膏体。
2、膏体料浆的稳定性要好，可泵时间尽量长，满足两次充填之间不清洗管路或少清洗管路的需要。
3、膏体料浆流动性能要满足最大输送距离和泵送压力的要求。
4、针对物料的波动性，尽量扩大膏体配比的范围。
對于“破碎矸石+黄土”型膏体，质量浓度大于82%时，放置24 h 后仍具有较好的流动性，泌水率不超过3.5%，具有较好的长期稳定性，能够满足不清洗管路的需要。
附补充说明：实验室破碎机破碎单个岩块的矸石粒度级配和大型破碎机连续供料条件下的破碎效果存在差异，还需要根据矸石破碎效果进一步优化配比。
3.4管路布置
采用垂直向下输送混凝土，当使用泵送时，在相隔20～30m的不同高度的管路中装入海绵球，以保证泵送顺利。
四、应用结果
本充填技术已经在铜川矿业有限公司下石节煤矿试验成功，实现了矸石不升井、不上山，大大降低了开采成本，缓解了矿井辅助提升的压力和采空区防灭火的压力，实现以矸换煤、绿色开采的目标。
五、建议
为了减小井下矸石对原煤质量的影响、运输的压力和提高以矸换煤效率，特别是在当今强调环境保护，实现可持续发展之路，在井下分离矸石，向采空区充填不仅可以减少运输费用、地面堆积占地费用、地表塌陷、环境治理等费用，而且还减少对环境的污染，同时对于矿山压力的治理起到积极的作用。该技术的应用真正能帮助国内矿山企业走绿色开采、节能减排，可持续健康发展的道路。为矿井绿色开采提供了一种有效的途径，具有极好的推广应用前景。建议对此技术进行推广。
煤炭开发带来了经济和社会繁荣的同时，又造成了一系列影响经济和社会可持续发展的重大问题。
1、生态环境破坏
煤炭开发带来的生态环境问题主要是水土流失、土地荒漠化、地表地下水失衡、环境污染等。产生的主要原因是煤炭采选活动破坏了植被、耕地，改变了生物赖以生存的空气、水、土壤等条件，造成生态破坏、失衡。
2、侵占大量宝贵的土地
煤炭开发需较大的工业场地，据统计，正常情况下每一煤矿井口面积大约20公顷，甚至更多。除露天采掘直接破坏大量土地外，采煤排出的矸石、废渣、尾矿也侵占了大量土地。矿山建设需征收征用土地、砍伐森林，直接破坏植被、农作物及野生动物栖息地，导致绿地面积缩减。
3、安全问题突出
2003年世界煤炭产量约50亿t，煤矿事故死亡总数约8000人。当年中国的煤炭产量约占全球的35%，但事故死亡人数则占近8成。2004年中国煤矿平均每人每年产煤321t，全员效率仅为美国的2.2%、南非的8%，而百万t死亡率则是美国的100倍、南非的30倍。
煤炭开采是典型的高危险、高消耗、高污染的行业，传统的采煤技术存在着煤炭资源浪费与破坏严重、地质环境灾害与生态环境破坏频繁、安全问题突出等诸多问题。欲实现煤炭工业的可持续发展，必须加大科技投入力度，利用先进的科学技术，改造传统的采煤工艺，实现清洁生产。
选择井下合适的膏体充填设备应用于井下采掘，充分借鉴金属矿山，特别是有色金属和贵重金属矿山实行充填采矿法的经验，利用煤矸石作为充填骨料，通过添加胶凝材料和其它外加剂，实现高浓度充填，是解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安矿柱、提高安全开采保障程度和资源回收率的有效手段。
二、矸石固体充填技术可行性分析
冒落区膏体充填在国外已成功应用，也证明了冒落区充填切实可行。煤矿井下冒落区矸石膏体充填成功实施的技术关键在于个方面：一是矸石破碎效果，即破碎矸石的粒度分布；二是膏体充填系统对膏体浓度的适应能力；三是充填对象的选择；四是充填泵的能力。
由试验可知， 12mm 以下的颗粒比重达到95%，最大粒度小于16mm，最大破碎粒度基本能够满足要求。
三、井下固体充填工艺应用
3.1工艺流程
原生矸石经转载到卸载站后（具体矸石运输系统及方式根据矿井实际情况布置），经破碎机破碎后卸至矸粉仓内，将破碎矸石料加入添加水和其它辅料，在搅拌机作用下充分搅拌成膏体状，再经煤矿用输送泵通过管路输送至充填处。
3.2主要充填材料
根据煤矿井下条件，充填骨料主要采用煤矸石。但由于煤矸石块度较大，用于管道输送，必须进行破碎。为提高煤矸石充填料浆输送质量浓度，改善管道输送性能，降低管道磨损，在充填料中加入粉煤灰和复合减水剂。
粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。
减水剂在充填料浆用水量不变的情况下，可显著提高其流动性或在保持其流动性不变的情况下，大量减少其用水量。综合考虑减水率和成本，建议采用水剂复合减水剂。
为加快循环进度，提高充入采场浆体的早期自立能力，加入32.5标号的普通硅酸盐水泥作为胶凝剂。
3.3材料配比
在配制膏体时主要考虑以下几个因素：
1、由于辅助运输压力大，不具备向井下运输粉料的条件，因此实验优先考虑不添加其他粉料条件下配制矸石膏体的可行性，即优先考虑“矸石粉+水”型矸石膏体。
2、膏体料浆的稳定性要好，可泵时间尽量长，满足两次充填之间不清洗管路或少清洗管路的需要。
3、膏体料浆流动性能要满足最大输送距离和泵送压力的要求。
4、针对物料的波动性，尽量扩大膏体配比的范围。
對于“破碎矸石+黄土”型膏体，质量浓度大于82%时，放置24 h 后仍具有较好的流动性，泌水率不超过3.5%，具有较好的长期稳定性，能够满足不清洗管路的需要。
附补充说明：实验室破碎机破碎单个岩块的矸石粒度级配和大型破碎机连续供料条件下的破碎效果存在差异，还需要根据矸石破碎效果进一步优化配比。
3.4管路布置
采用垂直向下输送混凝土，当使用泵送时，在相隔20～30m的不同高度的管路中装入海绵球，以保证泵送顺利。
四、应用结果
本充填技术已经在铜川矿业有限公司下石节煤矿试验成功，实现了矸石不升井、不上山，大大降低了开采成本，缓解了矿井辅助提升的压力和采空区防灭火的压力，实现以矸换煤、绿色开采的目标。
五、建议
为了减小井下矸石对原煤质量的影响、运输的压力和提高以矸换煤效率，特别是在当今强调环境保护，实现可持续发展之路，在井下分离矸石，向采空区充填不仅可以减少运输费用、地面堆积占地费用、地表塌陷、环境治理等费用，而且还减少对环境的污染，同时对于矿山压力的治理起到积极的作用。该技术的应用真正能帮助国内矿山企业走绿色开采、节能减排，可持续健康发展的道路。为矿井绿色开采提供了一种有效的途径，具有极好的推广应用前景。建议对此技术进行推广。