矿山绿色开采是可持续发展战略下的一种新型生产方式。自1992年联合国环境与发展会议提出绿色矿山开采生产后，这种生产方式在世界上许多国家和组织中得到了逐步推广。在我国，政府积极开展矿山绿色开采，并与“十五”规划一起纳入日程。矿山绿色开采是指将整个预防措施应用于生产过程、产品和服务中，以解决传统末端处理的弊端。在这种情况下，从健康经济标准来看，绿色开采就是清洁开采，煤矿生产要求煤炭企业关注煤炭产品的全生命周期，实施安全生产过程控制，从煤炭资源的开采设计、加工和利用等方面，控制废弃物污染的排放。这可以将煤炭加工、运输和煤炭资源利用过程中对环境的不良影响降至最低。同时，应考虑伴生矿产的综合利用，尽可能降低资源成本，获得最大的经济效益[286]。
为了有效减轻覆岩破坏和沉陷，进而防治含水层下煤层开采突水的发生，许多开采方法已得到了广泛研究，在我国主要有分层开采、条带开采和充填开采等。在这些开采方案中，条带开采和充填开采是减轻覆岩破坏和防治松散层下开采矿井工作面遭受地下水灾害的两种最有效的方法。其中条带开采作为一种局部开采方法，主要用于建筑物、铁路和水体下的采煤，由于其实用性而被经常使用。由于煤层被分成若干条带，剩余的煤柱可以提供临时或永久性支撑，以维持和支撑覆岩。因此，煤柱的设计和稳定性是与煤柱非弹性或非有效宽度有关的两个最复杂的问题。以往的研究表明，影响支撑煤柱稳定性的因素有水平地应力与垂直地应力之比、工作面宽度、岩体强度等级、覆岩厚度、地质地层岩性和煤层开采方法。
充填开采是许多采矿方法中的一种重要方法，是解决许多开采岩层稳定性问题的一个重要途径，是绿色采矿的基本要求。充填开采是指为了处理或履行某些工程功能而被放入地下开采的空隙中的任何废料。当矿山计划使用充填时，需要考虑填料类型、输送系统和填料来源。此外，填料的应用将导致地面和地下基础设施的增加，最终导致运营成本的整体增加。目前常用的充填方法主要有三种：干式充填、水力充填和膏体充填。干式充填是指通过人工、重力或机械设备将充填材料如石料、砾石、土壤、工业固体废弃物等运输到可压缩的充填体中的技术。通常根据粒度分布规律，通过破碎、筛分和机械力混合来制备的原料。水力充填是以水为输送介质，输送山砂、河砂、破碎砂、尾矿或水淬渣等水工充填材料的技术。膏体充填是将水与骨料混合搅拌而成的水泥浆装胶结物，凝固以后有一定的强度，通过管道或者借助机械输送到工作面。在中国，矿山开采会产生不同类型的废弃物，如尾矿、煤矸石和污泥等。干式充填和水力充填通常用于废石、碎石和砂石的处理，而膏体充填通常是废渣回收的最佳方案。然而，工业废料的储存在世界各地仍呈累积趋势。在这种情况下，清洁高效的矿山充填技术引起了世界各国科学家和决策者的关注[287]。
充填开采在矿山开采生产中占有重要地位，是许多地下矿山日常生产的关键环节之一。其主要作用是改善覆岩的稳定性，减少废矿石、尾矿的堆积。它还有其他优点，例如减少露天采矿废物的处理，从而减少甚至消除一些与采矿废物管理有关的问题，如尾矿坝溃决或酸性矿井排水。为了确保安全和经济的充填体设计，充填体的强度必须足够高，至少使其在相邻采场开采期间能保持稳定。
由于生产需要不同，我国充填采矿法主要有水力充填法、煤矸石充填法和膏体充填采矿法三种。水力充填是指将两种或多种不同的物料混合在一起，通过管道输送到采空区。同时，混合液固化形成支护体，支撑上覆岩层，实现沉降控制。其中骨料主要由铝酸盐或添加剂组成，胶结料由石膏、石灰、黏土组成。骨料和胶结料都加入一定量的水中制成浆液，在以1∶1的比例混合后，该浆液材料将在30分钟内凝固。然而，这种材料固化后，水很容易流失，同时失去支撑能力。因此，这种充填方法只能在新采区进行全范围的充填。与之相比，煤矸石回填是指煤矸石破碎后，通过皮带运抵工作面，然后将废矸石通过刮板输送机运至位于液压支架下的充填区域。接下来通过出料口落煤，经捣固设备压缩，实现采空区内的绿色开采。这种技术虽然牢固，但处理难度大，控制沉降效果相对较差。因此，这种充填方法只能在没有刚性要求的情况下使用[288]。
膏体充填采矿法是将煤矸石等固体采矿废弃物破碎加工后，与粉煤灰、胶结材料和水按一定比例混合的采煤方法。搅拌后，浆体可凝固。膏体浆液经注浆泵和重力通过管道输送至膏体充填面，及时有效地填满采空区。这种方法一方面可以保护地表建筑物，另一方面可以提高煤矿开采的安全性和煤炭资源的回收率。这种方法还利用了煤矸石和粉煤灰等膏体废料，其中，煤灰主要来自火力发电厂。煤矸石是煤炭生产或巷道地下开挖过程中产生的岩块。胶凝材料主要分为两大类：以炉渣、钢渣等工业废渣为原料生产，或者与普通水泥、自然资源以及复合材料混合而成适用于地下矿山充填采矿的添加剂。(www.xing528.com)
膏体充填开采中，可以直接在地面钻探，膏体充填物通过钻孔管道输送，与采空区混合，从而减小覆岩的变形破坏和地表沉降。在这种情况下，采空区顶部形成了平衡应力拱，岩层的自重使拱门弯曲下沉。随着充填的进行，采空区上方的上覆岩层在膏状充填体的支撑下逐渐成为上覆岩层梁。膏体充填体压缩后，其承载能力达到原岩的应力状态。充填体的压缩范围与充填区的可压缩范围相同。然后，膏状充填体转化为岩体的一部分，支撑上覆岩层，防止其变形或损坏。最终实现了控制覆岩变形地表沉降的目的。
膏体充填采矿为上覆岩层支护和控制地表沉陷提供了一种新的途径。膏体充填技术符合煤矿工艺要求可持续发展政策，减少环境污染，提高资源回收率。此外，膏体充填采矿技术在许多方面减少了采矿环境的污染。开采技术减少了煤炭开采后的地表下沉。因此，采矿活动对地表环境的影响减小。由于采用固体废弃物回填，解决了固体废弃物占用土地的问题，减少了对环境的破坏。该开采技术的实施，可有效防止水损害、瓦斯涌出和岩爆，从而改善井下工作面条件。此外，该技术还可提高资源回收率，提高绿色开采水平；减少采矿活动对地表建筑造成的损害，使采矿更能为当地居民所接受；减少采矿所需的材料或时间，缩短采矿对地表环境的影响时间，减少对环境的破坏。膏体充填技术不需要借助于地下措施，并且可以在不改变目前开发的采矿系统的情况下实施，能有效实现管理采矿作业与环境保护相结合。这项技术可以帮助控制地层移动和地表沉降，为发电厂产生的粉煤灰和煤矿产生的煤矸石提供地下储存。因此，有利于保护环境，保护地下水资源。
膏体充填开采在我国已经实施了40多年。然而，2006年第一个采用膏体充填开采的煤矿是太平煤矿[289]，该矿成功地开采了厚松散含水层和薄基岩之下的煤层，通过顶板控制降低地表沉陷、改善覆岩对环境的损害，如图7-3所示。此外，太平煤矿取得了显著的经济效益、环境效益和安全效益，膏体充填开采法是解决建筑物下采煤，且不需要地面村庄转移的有效途径。膏体充填开采中使用的膏体充填材料通常由粉煤灰、砂、水泥等组成，膏体充填体是膏体充填技术的核心组成部分，人们对其早期和长期强度、抗压、流动和蠕变等性能进行了大量的研究。结果表明，膏状充填体具有较高的早期强度，在低围压下即可发生应变硬化。
图7-3 膏体充填开采示意图
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