以矸换煤、矸石零排放，是中国绿色矿山建设的核心目标之一。中国矿业大学杨康、张强教授团队在国际学术期刊《Applied Sciences》发表了一项里程碑式研究成果，首次系统提出了基于“感知—决策—执行”全闭环智能架构的煤矿固体充填采煤新模式。该成果针对传统固体充填采煤技术生产效率低、用人多、成本高的痛点，从地面到井下全链条部署六大核心子系统，成功实现了井下跳汰机智能分选(排矸含煤率<4%)与工作面智能充填的协同闭环，将工作面月产量翻倍、充填效率提升50%，标志着中国在全球煤矿绿色智能充填开采领域实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越。

绿色智能充填的双重困境

固体充填采煤技术在固废处置、“三下”压煤开采和动力灾害控制方面显示出显著优势。然而，该技术的大规模推广应用长期受制于三大瓶颈：生产效率低、单位生产成本高和劳动强度大。传统固体充填采煤技术存在自主作业程度低、自适调控能力不足等核心瓶颈，智能化水平偏低，严重影响其应用效果与推广范围。与此同时，传统的矸石充填在矸石分选精度和效率上同样难以满足智能充填工作面对充填质量和效率的双重要求，亟需通过系统性智能化升级实现技术跨越。

四大智能化子系统精准解构充填全链条

该研究团队通过文献综述、理论分析与现场实测相结合的方法，首次提出了基于“地面—投料—井下分选—工作面”全链条的智能化架构，构建了以“感知—决策—执行”为核心的闭环节能控制架构，配备了六大核心子系统。其中，四大关键智能子系统的技术突破构成了本研究的核心创新支柱。

1. 地面矸石智能预处理系统：源头把关、流程数字化

传统的地面充填物料准备环节长期自动化程度低、粉尘重、人为干预多。该研究团队自主研发的地面矸石智能预处理系统，集成了自动驾驶车辆冲洗、转载点智能喷雾抑尘、输送过程中的动态计量以及给料系统自适应调节四大功能。该系统不仅实现了物料来源的完全数字化与透明化，更从源头上杜绝了扬尘污染，为井下工序的稳定运行提供了坚实的“第一道门槛”。

2. 井下跳汰机智能分选系统：排矸含煤率<4%，解锁“无废”矿井之钥

井下矸石就地分选是绿色充填开采的关键一环。研究团队成功研发井下跳汰机智能分选系统，跳汰频率可智能调节、床层厚度可智能测控、风量可智能配比。这一核心子系统实现了两大颠覆性效果。其一，分选精度革命性提升：系统将排矸含煤率稳定控制在4%以下，达到了国际公认的井下排矸先进水平，有效避免了煤炭资源的浪费。其二，打通“矿井循环”闭环：配合地面—井下矸石垂直投料系统的满仓报警和料位调节功能，真正实现了矸石不升井、不出地面的绿色开采核心目标，从根源上消解了地面矸石山对生态环境的长期危害。

3. 工作面固体智能充填系统：月产翻倍、效率提升50%

团队构建了基于PLC控制与PID算法相耦合的充填工作面全闭环智能调控架构。工程实践数据显示，该系统将工作面月产量提升1倍，充填效率提高50%，同时每班作业人员减少8至10人。这一显著成效主要得益于采充工序的自动组织、夯实机构干涉状态的智能判别以及充填参数的实时感知与决策优化，使充填效率与综采作业效率之比大幅缩短，成功破解了传统充填采煤“采充失衡”的根本性矛盾。

4. 智能充填效果与矿压监测系统：矿压可控、地表零沉降

智能充填的最终目的是实现岩层移动与地表沉陷的有效控制。系统集成的充填效果智能监测平台与矿压反馈网络，通过实时监测充填体承载力与顶板活动，实现了工作面的精确矿压控制和地表变形精准预测。工程实践表明，工作面矿压加权系数仅为1.12，地表沉陷被精准控制在国家一级建(构)筑物保护标准的允许范围以内。这从本质上解决了传统充填开采中“充填设计凭经验、地表沉降不可控”的行业难题。

重构煤炭工业绿色智能开采的全球逻辑

该研究成果的突破意义远超单个工作面或单座煤矿的效益提升，它将从三个战略维度深刻重塑煤炭工业的未来图景。

第一，建立煤炭开采的“闭环生态”工业范式。 该技术通过井下矸石的智能分选与原位充填，构建了“以矸换煤、矸石零排放”的完整闭环体系，标志着煤炭开采不再是简单的资源消耗过程，而是固废消纳与资源置换的循环工业。这一模式彻底破解了煤矿矸石地面堆放这一困扰我国数百座大型矿山数十年的生态顽疾。

第二，攻克“三下”压煤大规模安全开采的技术壁垒。 我国东部大量优质煤炭资源长期被城镇、水体、铁路等建筑物所压覆。该技术通过智能化的精准充填与顶板控制，将地表下沉控制在级限标准以下，为巨量“三下”煤炭资源的经济、安全、绿色开发提供了被严格工程验证的成套方案，为国家能源安全提供了重要的技术储备。

第三，定义全球智能绿色矿山的“中国标准”。 该成果已构建起覆盖“地面预处理—井下分选—工作面充填—矿压监测”全链条的智能化标准架构，并将六大核心子系统在不同充填模式下的配置方案与关键技术框架系统化。中国在这一领域已率先完成从“机械化”到“智能化”的关键跨越，为全球煤炭工业的可持续转型输出了一份可推广、可复制的“中国方案”。

该技术的模块化、可复制性优势意味着其在各类生产和地质条件下的煤矿均具备极高的适配潜力。研究团队指出，随着充填开采中图像识别、机器学习等前沿技术的深度嵌入(如矸石体积可视化预测与智能充实率控制)，以及智能充填支护机器人的全工序自驱作业能力的实现，煤矿充填开采即将进入“完全无人化、全流程自适应”的智慧矿山新阶段，为碳中和目标引领下煤炭行业的绿色低碳转型提供关键的战略技术支撑。