一、開展充填開采的背景
我國“三下”壓煤高達140億噸，東部由于人口密集，“三下”壓煤量已普遍超出可采儲量的50%。
新礦集團建企于1956年，1988年建成山東省內(nèi)首家千萬噸企業(yè)，迄今已有62年的發(fā)展歷史。面對開采強度的增加，優(yōu)勢資源的減少，國家經(jīng)濟戰(zhàn)略的調(diào)整等一些客觀條件，新礦集團也出現(xiàn)了一系列現(xiàn)實問題：
1.老區(qū)礦井資源。新礦集團老礦區(qū)原有的2.34億噸可采儲量，“三下一上”壓煤量1.71億噸，占73%。
2.環(huán)保壓力大。最多時形成了22座矸石山，占地92公頃，歷史最高矸石堆存量4833萬噸。
3.省內(nèi)礦井村莊壓煤地企矛盾凸顯。新礦老區(qū)壓覆村莊143個，省內(nèi)新區(qū)壓覆村莊104個。
總之，新礦集團面臨煤礦開采與生態(tài)環(huán)境保護、社會經(jīng)濟發(fā)展、能源安全保障、社會地區(qū)穩(wěn)定等方面的問題，亟待研究生產(chǎn)方式的變革。
二、自主創(chuàng)新“五充一選”工藝技術(shù)
1.充填方式的演變
自20世紀60年代開始，礦井開采主要采用水砂充填法。
自2004年開始，先后采用原生矸石普采充填技術(shù)、原生矸石綜采充填技術(shù)、地面矸石似膏體自流充填技術(shù)、煤矸石泵送充填技術(shù)、煤矸石低壓風動力充填技術(shù)，至2009年開始采用井下煤矸分離技術(shù)。
2.“五充一選” 工藝技術(shù)
（1）工藝一：原生矸石普采充填技術(shù)
將矸石用運輸機送到普采工作面，利用高速動力拋矸機將其拋到采空區(qū)內(nèi)，拋矸速度可達5 m/s以上；系統(tǒng)生產(chǎn)能力達到了450 t/d，工作面單產(chǎn)1.2萬噸以上。
（2）工藝二：原生矸石綜采充填技術(shù)
充填工藝過程如圖5、圖6、圖7所示。
充填工作面的作業(yè)方式為前面采煤，后面緊跟矸石充填，并有專用裝置進一步壓實。充填能力達到200 t/h，生產(chǎn)能力達到了2000 t/d，年充填矸石可達30萬m3，充填致密度達到90%以上。
（3）工藝三：地面矸石似膏體自流充填技術(shù)
主要技術(shù)要求：
——似膏體混合料：煤矸石、粉煤灰、水泥；
——似膏體質(zhì)量濃度：72%；
——濾水率：3～5%；
——管路內(nèi)徑：120mm。
充填路徑：充填制備站→充填鉆孔→鉆孔繞道→工作面順槽→采空區(qū)。
充填系統(tǒng)：主要分地面漿料制備系統(tǒng)、充填管路輸送系統(tǒng)、采場充填系統(tǒng)三部分。
地面漿料制備系統(tǒng)包括：煤矸石輸送、破碎、篩分、煤矸石喂料倉、粉煤灰倉、攪拌桶等。
（4）工藝四：煤矸石泵送充填技術(shù)
2007年新礦集團在某分公司61303工作面通過泵送充填取得成功，工作面單產(chǎn)1.5萬t左右。具體工藝流程如圖10所示。
（5）工藝五：煤矸石低壓風動力充填技術(shù)
2009年，新礦集團在某礦試驗成功了高檔普采工藝下的風力管道充填技術(shù)。矸石輸送量最大可達120t/h，水平輸送距離可達300-1400m。
（6）工藝六：井下煤矸分離技術(shù)
采用以矸換煤工藝，直接在井下建立煤矸分離系統(tǒng)，煤炭分選率達到96%以上。目前新礦集團已建成六個井下煤矸分離系統(tǒng)。共分為2種形式：一種是原煤篩分系統(tǒng)，一種是淺槽重介分離系統(tǒng)。
三、一體化矸石充填系統(tǒng)
新礦集團在“五充一選”基礎上，形成了“井下原生矸石充填、井下淺槽重介煤矸分離、地面矸石下井回填”于一體的矸石充填系統(tǒng)。實現(xiàn)了“矸石不轉(zhuǎn)移、不升井、不堆山”三項目標。
1.原生矸石充填系統(tǒng)：將采掘工作面源頭產(chǎn)生的矸石通過井下運輸系統(tǒng)運至采煤工作面采空區(qū)內(nèi)充填，實現(xiàn)原矸回填。
2.井下重介淺槽煤矸分離系統(tǒng)：入洗能力最大150噸/小時，每年可選出30萬噸矸石用于井下充填，大幅減少礦井的無效提升運輸量，每年節(jié)約提升運輸費用360萬元以上。
3.地面矸石下井回填系統(tǒng)：將原來堆存于地面的矸石，輸送到井下充填。直投式地面下矸系統(tǒng)，實現(xiàn)了將地面矸石和粉煤灰下井回填。
四、實施充填開采效果
1.壓覆資源大量解放
經(jīng)過10余年的探索和實踐，相繼在15對礦井，90余個工作面推廣應用充填開采工藝，累計以矸換煤產(chǎn)量1600萬噸以上，充填矸石2100萬噸以上。礦區(qū)呆滯資源變?yōu)橛行Э刹少Y源1億噸以上，老區(qū)礦井服務年限延長10年以上，回收率提高10%以上。
2.安全系數(shù)得到提高
提高實施矸石充填技術(shù)，避免了瓦斯爆炸事故，杜絕了煤層自燃發(fā)火事故，防止了突水災害，降低了頂板事故危害。
3.生態(tài)環(huán)境得到有效保護
新礦集團已停運矸石山12座，減少矸石山7座，開采地面下沉系數(shù)僅為0.3，最小值為0.1。
4.取得的技術(shù)成果
通過開發(fā)利用矸石充填技術(shù)，新礦集團已有24項成果獲得上級獎勵，其中，“矸石充填置換煤關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”項目獲國家科學技術(shù)進步二等獎和山東省重大節(jié)能成果獎；“煤礦采場似膏體自流充填工藝”等13項技術(shù)獲得國家發(fā)明專利。
新礦集團先后承擔了12項充填開采技術(shù)標準起草任務。“綜合機械化固體充填采煤方法技術(shù)規(guī)范”（NB/T51002-2012）已正式頒布實施。“拋投式固體充填采煤技術(shù)規(guī)范”、“煤礦充填開采效果評價方法”等8項標準已通過煤礦專用設備標委會的審查。“泵送充填采煤技術(shù)規(guī)范”、“似膏體充填采煤技術(shù)規(guī)范”按計劃正在研究制訂中。
2011年9月，新礦集團被國土資源部、財政部命名為“全國首批礦產(chǎn)資源綜合利用示范基地”。2012年4月，國家能源局在泰安“全國煤礦充填開采現(xiàn)場會”對新礦集團充填開采經(jīng)驗進行現(xiàn)場推廣。2013年6月，國家發(fā)改委批復新礦集團承擔建設“煤礦充填開采國家工程實驗室”。
新礦集團按照工藝產(chǎn)業(yè)化，服務專業(yè)化，設備配套化的模式，從設計、施工、安裝、運行、管理等方面按照保姆式服務打造新礦集團自己的產(chǎn)業(yè)品牌。利用自有專利技術(shù)自行設計制造了“六柱式”充填支架，先后成功在河北、遼寧等省區(qū)的9多個礦井施工充填開采項目18項，簽訂服務合同1.8億余元。
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