绿色开采是我国煤炭开发的必然发展方向。 基于中国煤炭科工集团与国家能源集团主持和参与的科研项目，总结凝练分析了我国井工和露天煤矿绿色开采与生态修复方面取得的研究成果及技术现状。 包括传统井工煤矿采动损害控制技术、基于开采工艺参数优化和覆岩承载结构稳 定性维持的现代源头减损开采技术;露天煤矿生态型优化设计与规划、靠帮开采、沿帮开采与强化内排及生态修复窗口期协同利用等生态减损绿色开采技术;坚硬主控岩层预裂弱化控制导水裂缝 带、顶板含水层控水开采、采动裂隙引导修复及采后导水主通道注浆封堵、分布式地下水库、露天煤 矿采场注浆帷幕等矿区水资源保护技术;多源固废充填开采技术以及 CO2 矿化及粉煤灰资源化利用技术;采煤沉陷区井上下协同治理及功能化利用技术;地表裂缝及沉陷区植被分区修复技术;露 天煤矿土壤改良与提质增容、内排土场生态型地层立体重构、高效粉尘阻控、植物优选保育与联合 修复、景观生态功能提升等技术;煤矿区采动损害协同监测技术，绿色开采的研究与实践表明，我国煤矿已初步形成了以低损害开采、充填开采、保水开采、生态修复等为主的绿色开采理论与技术体 系，为绿色矿山建设与煤炭高质量发展提供了可靠的技术保障。 最后，提出了我国煤炭绿色开采技 术的发展方向和建议。
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我国煤矿绿色开采与生态修复技术发展现状及展望
引言
煤炭作为我国的主体能源，承担着能源安全保障 和支撑新能源发展的重要使命。 煤炭开采在保障我国能源需求的同时，也对矿区生态环境、地下水资源和建(构)筑设施造成损害，如采空区、塌陷区、煤矸石堆积区等产生了环境负效应。 在碳达峰碳中和目标下，我国快速推动煤炭绿色低碳发展，初步构建了煤炭绿色安全智能开发和低碳清洁高效利用的发展格局。 绿色开采是我国煤炭开采发展的必然方向。 一是开采方式向安全、绿色、低碳、智能方向发展，尽 可能降低对生态环境的扰动，实现低损害开采;二是 减少矿井水和固体废弃物排放，同时实现水、固废及 沉陷区土地资源化利用。
绿色开采技术由钱鸣高于2003年首次提出，内容涵盖保水采煤、煤与瓦斯共采、矸石减排、减沉开采与环境修复等方面，基本出发点就是从开采的 角度防止或尽可能减轻煤炭开采对环境和其他资源 的不良影响，基本手段是控制或利用采动岩层破断运动，目标是在采动损害最小的情况下取得最大的资源采出率，实现最佳的经济、环境和社会效益。 王双明从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术 问题、研究思路4个方面系统阐述了煤炭绿色开采理 论与技术，并立足西部煤炭资源开发现实情况，提出 了西部生态脆弱区煤炭减损开采面临的四大关键科 学问题。 基于绿色开采理念和技术，钱鸣高、谢和平、 袁亮、凌文、顾大钊等相继提出了科学开采、精准开采、煤炭资源与环境协调开采、煤-水仿生共采等模式和技术体系，并通过分析开采扰动时系 统受损状态和生态损伤程度，建立适用的绿色开采模式，为西部矿区探索适用的绿色开采解决方案提供有效途径。
围绕采动岩层与地表沉陷控制，国内众多学者从 采场矿压、岩层移动、生态环境 3 个领域分别开展研究，从采动岩体变形空间分带论、采动地表变形空间 形态论、采动地层结构论到采动地层质量评价论，形成了一整套认识、预测、防治、控制矿山采动岩体和地 表变形与破坏的理论体系，形成了条带开采、限厚开 采、协调开采、充填开采、分层间歇开采、覆岩离层注 浆充填开采、采空区垮落带注浆充填开采等特殊开采技术体系。 这些技术不仅适用于传统“三下”开 采，也适用当前生态矿区低损害开采需求。 充填开采 作为低损害开采的主要技术途径，是促进绿色开采技 术发展的重要技术手段，包括矸石固体充填、膏体充 填和高水材料充填技术。 近年来，充填技术主要 聚焦于煤矸石膏体充填、高浓度自流充填技术，研发 了智能连采连充技术，实现了采、充平行作业，提高了矿井回采率。 但目前单个工作面最大充填开采能力仅有100 万 t / a，无法满足高产高效矿井绿色开采需要。 条带开采、限厚开采、协调开采等技术在我国发 展的较为成熟，但是覆岩破坏与地表沉陷控制方法大 多以牺牲回采率、开采效率为代价，具有一定的局限性。 张华兴等基于地表移动规律提出了既控制地 表变形、又提高条带开采宽度的宽条带开采理论，通 过对现代开采技术及充填开采存在问题的分析，提出了适合于高效开采的宽条带充填全柱开采新技术。 戴华阳针对条带开采采出率较低、全采全充成本较高的问题，提出了一种“采-充-留”相结合的部分开采、部分充填、部分煤柱的协调开采方法。 许家 林针对充填开采技术面临的难点与挑战，结合煤 系层状覆岩移动特点和控制要求，研发了基于关键层控制的部分充填采煤技术，包括采空区条带(墩柱) 充填、短壁冒落区嗣后充填和覆岩隔离注浆充填等技 术，并已在工程实践中得到成功应用，为东部矿区建 筑物下压煤开采和西部矿区保水采煤和矸石处理提 供了高效低成本技术。 张吉雄等提出了煤炭资 源“采选充+X” 绿色化开采技术构想，形成了煤炭 “采选充+X”(控、留、抽、防、保)协同生产模式。 张 吉雄等还提出将采矿活动“开采阈限”导致的生 态环境损害约束到“ 生态阈限” 之内的矿山生态环境 低损害开采理念，阐述了集绿色开采、深地开发、智能 采矿、未来矿业等典型代表技术为一体的生态环境低损害开采技术体系。 近年来，李全生等针对开采减损和煤炭产能、资源回收率的具体要求，发展了减 损开采技术，提出了开采参数优化和超大工作面开采减损方法，以及采前预裂改性与采后注浆封堵保水技 术和覆岩承载拱壳结构稳定性维持减损技术。
水资源保护技术是煤炭绿色开采的重要内容。 刘天泉院士团队于 1981 年首次提出关于矿区水 体保护思想的论述。 40 多年来，我国学者围绕水文 地质保障基础、导水裂缝带高度、保水开采工艺等，形成了自然保水、限采保水和水资源再利用三大类保水 开采技术，近年来提出受扰动含水层修复技术、煤水 共采技术、控水开采技术等。 针对西部干旱、半干旱区水资源保护难题，我国首先提出了“导储用” 保护矿井水的技术思路，研发了分布式煤矿地下水库技术，利用煤矿井下采空区存储和利用矿井水资源， 建立了煤矿地下水库理论框架和技术体系。 伴随着绿色开采、充填开采、控水开采、保水开采一系列特 殊采煤技术的成功应用，矿区生态环境得到了有效改善，为煤炭绿色开采奠定了基础。
在矿区生态修复方面，国内外学者综合采用各种 工程技术、生物修复等手段，实现了多生态要素的恢复，初步形成了“ 地形重塑、土壤重构和生态重构” 的 理论框架，形成了露天矿采复一体化技术、高潜水位矿区生态服务功能开发技术。 胡炳南等基于岩层移动控制关口前移、煤矿区采动沉陷预防与损 害治理并重理念，提出实现绿色开采采动沉陷损害防 治的采前优化设计、采中损害控制和采后科学治理三 原则对策;针对采煤沉陷区存量与增量特征，提出东 北、西部、中东部与西南采煤沉陷区存量治理关键技 术和采煤沉陷区建筑复垦关键技术、增量控制关键技 术共 6 方面治理关键技术发展方向。 李全生等形成了生态减损开采与系统修复技术体系，构建了区域 生态安全协调控制模式，实现了煤炭规模开发与生态 修复相协调的技术突破。 提出了“ 减损开采与生态 系统修复”的理念，研发了东部草原区大型煤炭基地 开发系统性生态减损与修复技术，研发了“ 采前生态 化设计—采中减损开采—生态系统修复” 的全生命 周期生态减损开采和生态全要素(水、土、大气、植 被、景观)系统修复技术，构建了露天煤矿生态型开 采理论与技术体系，形成了可推广可复制的露天矿生 态型开采模式。 胡振琪提出了碳中和导向下的矿区土地复垦与生态修复面临的五大技术挑战。 陈浮等从东部平原采煤沉陷区积水污染成因着手，阐明降污固碳协同修复的现实需求，剖析新成湿地降污固碳的关键过程及碳汇形成机制，估算协同修复的潜力，提出协同修复的适应性管理方法和关键技术。
本文基于笔者所在单位取得的科研成果，回顾我国煤炭绿色开采技术的发展历程，介绍井工煤矿和露天煤矿绿色开采技术、矿区水资源保护技术、多源固废高效充填开采技术、煤矿区治理及生态修复技术、 CO2 矿化及资源化利用技术等，并对煤炭绿色开采技术的发展提出展望。
井工煤矿绿色开采技术
1.1传统采动损害控制技术
国外多采用房柱式开采技术达到覆岩及地表减沉的效果，在欧洲主要产煤国家其目的是为了保护地 面建(构)筑物的安全;在美国、澳大利亚等国家是为了保护地面生态环境和地下水资源。 德国、波兰等国家研发的建(构) 筑物、水体下压煤开采地表沉陷控 制技术，大幅减轻了地表沉陷损害，主要包含水砂充 填、膏体充填等技术。 我国于 1953 年在开滦林西矿建成首个地表移动观测站-黑鸭子观测站，开启了我国开采损害及其控制技术的研究。 在吸取国外先进 成果的基础上，经过近 70 a 的开采沉陷规律研究与 长期工程实践，形成了适应我国地质开采特征的采动损害控制技术体系，如图 1 所示。 传统的采动损害控 制技术主要针对含水层(体) 下安全开采，地表 建( 构) 筑物以及铁路和公路等受护体的安全正常使 用，随着生产和社会发展的需要，逐步涉及地下输油输气管线、地表高耸构筑物等压煤开采问题。 主要采用的控制技术有条带开采、限厚开采、充填开 采、离层注浆、跳采全采、协调开采等。 但是当前所有 岩层破坏控制和减损开采方法根本上都是从减少采出空间( 减少扰动) 和改变岩层( 提高抗扰动能力) 特性出发的。
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1.2 现代煤炭减损开采技术
该技术是针对现代化煤矿高强度开采引起损伤程度大和受护对象承受变形能力小的问题，从开采的时空影响范围和程度最大限度控制煤炭开采对覆岩含水层、地表附属物及生态环境损伤程度的开采方法，其技术思路是“ 源头控制、过程优化、要素协同” 。 基于此，提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持、导水主通道控制与封堵技术。
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露天煤矿生态减损绿色开采技术
露天煤矿产能已占全国煤炭总产能的18%，露天煤矿绿色开采是绿色矿山建设的重要组成部分。 近年来，国家能源集团基于露天开采与井工矿开采对 生态环境损伤特征的差异性，针对现有露天煤矿开采对生态影响的特点及其损伤控制难的问题，理论上研究了时效边坡理论、生态累积效应理论和矿区生态文明理论，研发出“ 采前生态化设计—采中生态损伤控制—采后系统性生态修复”的全生命周期协同技术， 从开采工艺选择、设备选型、开采参数及开采程序优 化等方面构建了露天煤矿生态型开采理论与技术体系，形成露天煤矿生态型开采模式。 包含露天煤矿生态型优化设计与规划方法、靠帮开采技术和沿帮排土与强化内排技术。
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3.1 顶板含水层保水开采技术
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多源固废处置与利用技术
煤炭开采、发电、煤化工等工业中产生的矸石、粉 煤灰、炉渣、气化渣等煤基固废存量大(已达百亿 吨)、增量多(15 亿 t/ a 左右)、综合利用率低(50%左 右)，不仅占用大量土地资源，还污染空气、土壤及地表潜水，严重破坏矿区的生态环境，威胁矿区居民的身体健康，已成为制约煤炭绿色低碳、高质量发展的 瓶颈。 利用采煤产生的空间实施井下充填是无害化、资源化、规模化处置利用煤基固废的有效途径。 同时，通过充填实现对采动影响的控制，从根本上改变采空区处理方法，达到减小地表沉陷、保护水资源、解放“三下”压煤的目的。 我国自20世纪50年代起开始研究探索煤矿井下充填技术，解放了包 括河流、村庄、建筑物等压覆的煤炭资源。 近 20 a 来，随着技术不断进步和实践优化，基本形成了固体、(似)膏体材料工作面充填开采(综采、连采)和 采空区冒裂带及离层带矸石浆体充填的基本模式(图 17)，在绿色开采和生态矿山建设方面发挥了重要的示范作用。 从充填工艺角度，主要分 为工作面充填开采和采空区冒裂区及离层带注浆 充填两种方式。 前者是将煤基固废制备的充填材 料输送到井下，随着采煤工作面推进，将充填材料 充入采空区，并通过充填体达到支撑覆岩的作用; 后者是将煤基固废材料破碎后按照一定粒径级配加水制成料浆，通过充填泵与充填管路等设备，输送至煤层开采后形成的冒裂区及离层带空间内，实现矸石井下处置。 充填开采能够提高煤炭采出率， 但充填开采由于其采充比高，充填效率低、充填材料缺乏、充填成本高也直接影响了充填技术的应用，尤其是充填接顶效果、充填体强度以及充填时 机决定了岩层移动控制的效果。
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5.1 井工煤矿生态修复技术
5.1.1 采煤沉陷区井上下协同治理及功能化利用技术
地下煤炭资源经过长期高强度开采形成了大面 积采煤沉陷区。 截至 2017 年，全国 23 个省、151 个 县(市区)沉陷区面积超过 20 000 km2，并以每年超 700 km2的速度递增。 我国积极探索采煤沉陷区治理 模式，不断研发相适宜的治理技术。 采取因地制宜原 则，宜农则农、宜渔则渔、宜建则建。 针对西部生态脆 弱区、中东部平原高潜水位地区等不同地区、不同类 型的沉陷区特点，已初步形成农林复垦、城镇建设、水产养殖和水库蓄水、生态建设和新能源产业等不同的综合治理模式。 中煤科工开采研究院基于开采沉 陷预测理论和控制技术，形成了集“勘查、设计、评 估、施工”为一体的采空区治理成套技术体系，以及沉陷区综合利用井上下协同治理技术体系，图24为采空区注浆治理三维示意。 针对采煤沉陷区作为建 筑用地的技术需求，开发了集“地基稳定性评价+建 筑规划控制+抗变形设计+建筑物加固” 为一体的抗 采动影响设计及加固技术。 通过增加建(构)筑物整 体或局部的强度和刚度，提高建( 构) 筑物抵抗地表 变形的能力;在建( 构) 筑物基础和上部结构上设置 弱面等用以吸收或阻断部分采动引起的地表变形，提高建筑物适应变形的能力，减小房屋结构中的附加应力。 两淮地区开展了采煤沉陷区城镇建设模式实践， 其中淮北矿业集团充分利用煤矸石充填荒废的成片 沉陷区，用于工业项目的建设。 图25为在煤矿采空区上建成建筑面积8.4万 m2、21层、高达 97 m 的现代化办公大楼，目前运营效果良好。
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经过多年的研究与实践，我国煤矿已初步形成 了绿色开采理论与技术体系。 井工煤矿减损开采技术，控水开采、注浆堵水、地下水库等水资源保护与利用技术，充填开采技术，地表采动裂缝修复及采煤沉陷区协同治理技术等已得到广泛应用;露天煤矿 靠帮开采、沿帮开采与强化内排等减损开采技术，采场注浆帷幕矿区水资源保护技术，土壤改良、内排土场地层立体重构技术，植物优选保育与联合修复、景观生态功能提升等技术已取得良好效果;开展了CO2矿化及粉煤灰资源化利用技术研究与试验，为煤炭低碳开发利用提供了新的途径。 上述研究成果对促进煤矿绿色矿山建设与煤炭绿色低碳发展起到重要技术支撑作用。
尽管如此，煤炭绿色开采理论与技术仍有很多难题需要解决，还需持续不断的研究与实践。
(1)煤矿低生态损伤的绿色开采理论与技术体系亟待完善。 当前构建了以部分开采、协调开采、充 填开采、保水开采及煤与瓦斯共采等为主的绿色开采理论与技术体系。 随着煤炭开发重心向西部转移，亟需针对西部生态脆弱区进一步开展低损害开采理论与技术研究，形成矿区采动损伤精准感知、监测、控制技术体系。
(2)研发高效充填开采工艺、技术、材料及装备， 提高充填效率，降低充填成本，满足高效开采的要求。 在充填开采理论方面，加强不同充填开采方式岩层移 动规律与控制理论研究，形成能支撑充填开采技术发展的理论基础;在充填开采工艺方面，根据不同条件 研究形成地面、井下( 工作面、巷道) 立体化，采选充 一体化，充填减量化，采充平行作业等高效充填工艺; 在充填材料方面，除改进目前的固体、膏体及高水材 料外，需要开发高性能、低成本功能性新型充填材料， 并与降碳相结合;在充填装备方面，研发大功率高效输送、充填装备，与固体、膏体材料配套的快速充填液压支架，并逐步实现自动化与智能化，以大幅提高充填生产能力，减少作业人员。
(3)进一步加强地表生态修复技术研究。 开发地表生态减损的开采工艺，从源头控制地表裂缝与地表沉陷。 进一步开发采空沉陷区精细治理技术，露天矿地层重构、土壤改良及植物优选等技术，形成矿山生态环境预警及生态修复关键技术体系，实现采动影 响地表土地的安全高效利用。
(4)研发煤炭与共伴生资源协同开发技术。 煤炭及共伴生能源资源多种多样，包括煤层气、煤成油， 铀、铝、镓、锂等金属，高岭土等非金属矿产。 这些资源长期按种类单一开发的方式，综合效率不高，且造成资源浪费和生态环境损害。 迫切需要开发煤与煤 系共伴生资源综合评价、一体化绿色开采技术，实现 多资源协同、绿色、高效开发。
(5)研发煤矿井下空间利用技术。 我国有大量 的废弃关闭矿井，存在规模巨大的废弃巷道、硐室及 采空区，这些地下空间可再次利用。 研究煤矿地下空间 CO2 封存技术、地下空间压缩空气储能技术、矿井抽水蓄能技术等，实现关闭矿井地下空间资源的绿色 低碳利用。
(6)推进废弃物资源化利用技术发展。 针对煤基废弃物面大量广的特点，研发煤矸石、煤泥、粉煤灰、气化渣等高效利用技术;煤矿地下水、低浓度瓦斯、井下废热等低位热能利用技术;实现煤矿废弃物、 热能的资源化利用。 随着井下充填材料种类增多，亟 待制定充填材料的污染控制和评价标准，满足井下环境要求。
图 1 井工煤矿采动损害控制理论与技术体系
图 2 宽条带与常规条带下沉与水平变形曲线
图 3 协调开采的变形抵消与错距示意
图 4 损伤比与工作面开采参数的关系
图 5 垮落带与离层裂隙带注浆协同成拱技术
图 6 垮落带与离层裂隙带注浆减损效果
图 7 季节性强化靠帮开采示意
图 8 覆岩预裂弱化止裂效果示意
图 9 预裂弱化前后覆岩破坏高度模拟
图 10 顶板含水层控水开采技术示意
图 11 导水主通道引导自修复
图 12 人工注浆封堵导水裂隙带再造含水层示意图
图 13 分布式多层地下水库示意
图 14 露天煤矿“地面水库－近地表含水层－地下水库”立体储水技术
图 15 近地表生态型含水层再造技术
图 16 露天矿注／ 隔水帷幕示意
图 17 煤基固废井下充填技术模式
图 18 综采工作面矸石充填示意
