适用读者： 煤矿矿长、总工程师、安环负责人、充填实验室主任、防冲/防治水科长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 为什么必须关注充填体的长期稳定性？
随着“无废城市”与“无废矿山”国家生态战略的深入推行，利用煤矸石等矿固废进行井下充填开采，已经成为各大煤炭集团盘活受限资源、消化海量固废、规避环保税的标配工艺。
然而，在充填站建设并运行后，很多矿井在充填体进入服役期后遭遇了以下严峻的力学与环境降解问题：
- 恒载应力下的蠕变失稳：工作面推过后，上覆岩层的自重荷载会完全转移到充填体上。充填体并不是“一成不变”的刚性体，在长期恒定高围压作用下，它会发生持续几个月甚至几年的蠕变变形。如果充填体的蠕变抗力不足，在后期会发生“渐进性压碎折断”，导致地表发生二次大面积沉陷，彻底破坏保护煤柱的留设初衷。
- 高硫矿井水对充填体的化学溶蚀：我国西北和西南部分矿区地下水矿化度极高（尤其是富含硫酸根离子和偏酸性的矿井水）。化学离子会侵入充填体内部孔隙，与水泥或粉煤灰胶结物发生反应，使强度支柱——水化硅酸钙（C-S-H）凝胶发生脱钙、降解和溶蚀流失，造成充填体后期强度的“断崖式衰减”。
- 重金属离子的长期浸出毒性风险：充填体内部的煤矸石含有微量重金属（如铅、铬、镉等）。如果充填体在酸性矿井水浸泡下发生结构性溃散，这些有毒重金属会加速溶出并随地下水迁移，从而触碰国家保护地下水源的环保生态“红线”。
因此，系统研究充填体随龄期增加的力学、水理与化学劣化规律，研发高耐久性耐磨耐腐蚀配方，是保障矿井长治久安和顺利通过环保督察的核心技术安全网。
二、 核心机制与龄期规律算法
2.1 充填体三阶段蠕变特性与力学本构
充填体在恒应力下的蠕变变形曲线表现出明显的阶段性，其力学本构模型通常可以用西原模型（Nishihara Model）进行描述。其应变 r(t) 随时间演化的过程可表达为：
其中：
- E_1 为瞬时弹性模量（MPa）；
- E_2、η_1 为描述粘弹性蠕变阶段的粘弹模量与粘性系数；
- σ_s 为材料的蠕变极限长期强度（MPa）；
- η_2 为描述加速蠕变阶段的塑性粘性系数。
当上覆岩层转移的恒定应力 σ_0 大于蠕变极限 σ_s 时，充填体在经历前两阶段（减速蠕变、恒速蠕变）后，最终会在中后期不可逆地进入加速蠕变阶段（即上式中第三项随时间线性激增），导致突然性失稳压碎。
2.2 化学溶蚀水动力学扩散机制
地下水酸性环境对胶结体骨架的侵蚀属于溶解-扩散物理化学过程。其钙离子溶出扩散系数可用修改后的 Fick 第二定律表达：
其中：
- C_{Ca} 为充填体内部孔隙液中的钙离子浓度（mol/L）；
- D_e 为有效孔隙扩散系数（m²/s），随充填体密实度增加而减小；
- R_{chemical} 为酸性水与水化硅酸钙凝胶发生中和分解反应的速率。
当外部酸性水持续输入时，平衡向右移动，坚硬的 C-S-H 凝胶降解为无强度的二氧化硅凝胶，导致充填体多孔化、骨架崩塌。
2.3 “水泥承重墙遇酸雨”类比
我们可以把采空区里的充填体类比为“一堵长期立在地下室、被酸雨不断浇淋的承重墙”。
矸石粗颗粒是墙里的砖头，水泥胶结物则是砌墙的水泥沙浆。
- 蠕变：如果压在墙顶上的大楼太重，墙体在十几年里会被慢慢压得“变矮、变胖”（蠕变变形）。如果变矮的速度没有停下来的趋势，墙最终会像脆饼干一样被压得粉碎。
- 溶蚀：地下室里如果常年积满含酸性化学成分的脏水，这些水就会像“慢毒药”一样渗透进墙缝里，把水泥砂浆里的胶水成分一点点融化带走（溶蚀作用）。砖头之间没有了胶水，整堵墙就会变成一堆烂泥，轻轻一碰就垮掉。
- 防护：我们要做的，就是在水泥砂浆里加入活性矿粉（如钙矾石增强剂），并给墙体外表刷上一层高抗渗的“雨衣”（密封隔离层），让酸水进不去。
三、 充填体在不同龄期与水质下的抗压强度演化数据
基于实验室三轴压力试验与浸泡化学模拟，我们系统总结了矸石胶结充填体从 3天 早期强度到 360天 长期服役龄期的演化规律：
3.1 充填体抗压强度随龄期与环境演化表
| 养护龄期 (d) | 标准清水养护强度 (MPa) | 高硬度高硫矿井水 (pH=6.5) 强度 | 酸性含重金属矿井水 (pH=4.0) 强度 | 强度衰减率 (%) | 对应微观结构演化 |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 d | 1.8 ～ 2.5 | 1.8 ～ 2.4 | 1.5 ～ 2.0 | 5% ～ 15% | 水泥矿物开始水化，形成针状钙矾石 |
| 28 d (国标) | 5.5 ～ 8.0 | 5.2 ～ 7.5 | 4.2 ～ 5.8 | 8% ～ 25% | C-S-H凝胶大量生成，骨架初步密实 |
| 90 d | 7.8 ～ 10.5 | 7.5 ～ 9.8 | 5.5 ～ 7.2 | 10% ～ 30% | 晶体发育完全，强度达到长期峰值 |
| 180 d | 8.2 ～ 11.2 | 7.8 ～ 9.5 | 4.8 ～ 6.5 | 15% ～ 40% | 中性环境无变化；酸性水使胶结物解聚 |
| 360 d | 8.5 ～ 11.5 | 8.0 ～ 9.2 | 3.8 ～ 5.5 | 20% ～ 55% | 酸性水溶蚀后孔隙率增加 45% |
四、 提高长期稳定性的材料配方与施工 SOP
针对龄期演化规律和溶蚀痛点，我们设计了一套“活性材料增强-渗透通道隔绝”的提升方案与施工 SOP：
4.1 稳定性提升工艺流程图
矸石骨料粉碎与分级
将掘进矸石进行多级破碎并优化骨料级配，提高充填密实骨架强度
活性辅助胶凝材料掺入
掺入超细粉煤灰与水淬高炉矿渣，激发火山灰效应，替代水泥节约成本
添加抗侵蚀专用外加剂
加入防水改性剂和微量引气减水剂，极大地削弱强酸性水的渗透溶蚀
制浆站变频高浓度搅拌
精密控制加水量，使制备的充填材料坍落度稳定在合理区间
带压憋压井下管路输送
高压无离析泵送，高致密性地压入工作面充填腔体
水化反应与沉实固结
胶结浆液发生水化生成水化硅酸钙凝胶网络，大量结晶排出富余泌水
充填体孔隙率低于 8%
在围压和结晶填充下，密实度快速提高，使得游离毛细管通道彻底闭合
微孔防水防酸密封屏障建立
酸性矿井水无法渗透，从源头上阻断可溶性离子的析出通道，实现超长稳定性
4.2 施工规范要求
- 矸石物料分级：煤矸石必须进行两段式破碎筛分，控制最大粒径小于 8mm，小于 0.2mm 的微细级配占比必须大于 35%，以提供最优的高密堆积密实度。
- 配方优化设计：常规配比中应引入活性粉煤灰（占胶凝材料的 40%～50%）和超细高炉矿渣（GGBS，占 20%），利用其二次火山灰反应，消耗游离氢氧化钙，生成更耐腐蚀的改性 C-S-H 凝胶。
- 掺加外加剂：在制浆阶段，按固相重量的 1.2% 掺入防渗抗裂膨胀剂（AEA）和抗硅酸盐化学侵蚀剂，大幅降低充填体硬化后的渗透系数。
- 分层憋压施工：分次连续注入采空区，当注浆接近饱和时，强行持压 4.5～6.0 MPa 维持 45 分钟，强行将充填体内部的自由水挤出（泌水固结），将硬化后的充填体内部孔隙率压至 8% 以下，彻底阻断地下水侵入通道。
五、 工程边界条件与负面限制清单
为确保充填体不会发生大面积解聚垮塌，设计时必须排除以下高危因素：
5.1 地质与水文约束
- 矿井水酸碱度下限：地下水 pH 值必须 ≥4.5。当遇到超强酸性矿井水（pH ＜4.0）或硫酸根离子浓度超过 4000 mg/L 时，禁止采用普通硅酸盐水泥充填配方，必须采用高抗硫铝酸盐水泥或特种无碱激发胶结料。
- 恒压荷载上限：设计长期服役围压必须低于充填体单轴抗压强度（UCS）的 60%。如果采空区荷载超过 12 MPa，则必须通过增加预留煤柱或提高充填体内水泥用量（从 8% 提至 12%），防止充填体落入加速蠕变破裂区间。
5.2 负面限制清单
- 严禁大粒径未筛分矸石直接充填：未经过破碎机筛分的块矸（粒径 ＞50mm）绝对禁止灌注。由于大块矸石之间存在骨架空隙，会形成水流通道，加速内部溶蚀和重金属淋滤。
- 严禁无防水帷幕在断层带注浆：在导水断层破碎带附近，严禁使用非改性普通浆体。必须提前在断层侧钻设帷幕孔注入防水双液化学料，隔离富水带。
六、 长期失稳风险与现场应急 SOP
6.1 风险一：地表监测发现二次沉降率激增（蠕变超限）
- 表现特征：地表 GPS 连续站回传数据显示，工作面推过半年后，累计沉降值持续以每天 2-3mm 的速度增加，斜率无放缓趋势。
- 现场处置 SOP：
- 二次补充高压注浆：在受影响区域地表，重新钻设斜向注浆孔，穿透原已固结的充填体，灌注高渗透性超细水泥和高水固凝材料，将充填体与顶板之间的蠕变空隙重新填满并持压。
- 增设井下柔性支撑：在井下采空区外围顺槽，构筑密集的高强钢木混合垛架支护，提高整体力学阻抗。
6.2 风险二：矿井水回水重金属离子超标（固化失败）
- 表现特征：井下排水沟检测台账显示，铅、铬等重金属离子浓度超过环保限值（GB 3838-2002 Ⅲ类水质标准）。
- 现场处置 SOP：
- 阻断受污染水源：立刻建立井下隔离密闭墙，将漏水区域的回水流道强行截流引入专用集水井，避免其流入主排水仓。
- 添加脱毒化学材料：地面制浆站调整配方，在浆体中添加固重金属特效螯合剂（如二硫代氨基甲酸盐，DTC），在水化过程中强行将重金属离子螯合晶格化，降解浸出毒性。
七、 实践案例与技术验证
7.1 工程背景
以山西晋北某高硫高瓦斯千万吨级矿井（经脱敏处理）为例：
- 环境水质：采空区地下水呈弱酸性（pH = 5.8），硫酸根离子浓度高达 3200 mg/L，地温 42°C。
- 早期问题：项目一期采用常规煤矸石浆体配合 7% 的普通 32.5 级水泥进行覆岩注浆。运行 2 年后，地测科在采空区进行钻孔取心，发现充填体发生严重脱钙碎裂，抗压强度由 28d 龄期的 6.2 MPa 衰减至仅有 2.4 MPa，地表省道公路出现局部波浪状变形。
7.2 配方升级与复合耐久设计
技术团队将胶凝体系升级为“耐酸抗溶蚀复合胶结体系”：
- 配方设计：
- 胶凝材料：45% 矿渣超细粉 + 35% 优质粉煤灰 + 20% 高抗硫特种水泥。
- 添加剂：掺加占固相重量 1.5% 的活性纳米二氧化硅，提升微孔致密性。
- 养护龄期实测强度对比数据：
7.3 实测效果
- 抗酸溶蚀测试：在 pH = 4.0 的模拟矿井水中持续浸泡 360天，新配方的强度保持率高达 91%，渗透系数被长期锁定在 1.2 \times 10^{-7}\text{ cm/s} 以下，重金属浸出液浓度降低了 94%，完全满足国家环保及结构长期安全红线要求。
八、 长期稳定性管理与实验室台账清单
在充填体投入井下服役前，充填实验室主任需按标准完成以下实验自查并建立台账：
8.1 长期稳定性自查与试验台账清单
- [ ] 高压三轴蠕变试验记录：本日制备的充填试件是否在模拟围压（如 8 MPa）下进行了不少于 72 小时的蠕变试验，斜率是否收敛？
- [ ] 矿井水 pH 与离子成分季报表：最近 3 个月地下水硫酸根离子和酸碱度是否有异常波动？
- [ ] 28天/90天强度对照样留存：每班注浆是否在地面留存了标准养护和井下浸水养护的对照抗压试件（每批不少于 6 组）？
- [ ] 微孔渗透率分析台账：采用压汞仪（MIP）测定的硬化体 28d 平均孔径是否小于 50nm？
- [ ] 重金属浸出毒性检测报告：按 GB 5085.3-2007 标准进行的矸石浸出试验报告是否归档盖章？
九、 常见问题 FAQ
Q：既然充填体强度随时间有衰减，我们能通过直接增加水泥用量来解决吗？
A：这是一个常见的“高成本误区”。盲目将水泥掺量提高到 15% 以上，不仅会让充填吨成本飙升一倍以上，而且水泥过量会导致高压浆体硬化过程放热剧烈，内部容易产生温度拉张裂缝，反而增加了地下水溶蚀的微通道。正确的做法是通过粉煤灰和矿渣的“火山灰效应”进行复配，利用其二次水化填充微孔，用低成本、高致密来实现高耐久。
Q：高地温深部矿井对充填体的蠕变有什么加速效应？
A：温度每升高 10°C，充填体粘弹性变形速率（蠕变变形量）会增加 1.5～2.0 倍。深部矿井（采深 ＞800 米）由于高地热（＞40°C），水化反应极快导致早期强度高，但在高地应力长载下，其粘塑性流动会加剧。因此，在深部高地温矿井中，设计充填长期强度安全系数应从常规的 1.5 提高到 2.0～2.2。
Q：矸石充填体真的能在井下存放 50 年不崩溃吗？
A：是的。天然的岩石也是由矿物晶体胶结而成的。如果我们的配方生成了足够多的长链水化硅酸钙（C-S-H）和结构稳定的钙矾石晶体，且充填后采空区实现完全密闭隔绝空气，其物理力学和化学状态就会进入稳态，能够保障 50至100年 的长期结构稳定性，完全满足闭矿后的地质安全期。
参考依据
- 中华人民共和国国家标准 GB/T 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》
- 中华人民共和国国家标准 GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》
- 中国矿业大学国家重点实验室《深部矿井固废充填体渗流-应力-化学耦合耐久性研究》
- 团体标准 T/ZGME 001-2026《煤矸石覆岩隔离注浆充填技术规范》
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，煤矿绿色充填与智能化解决方案顾问。长期服务陕西榆林、神木、府谷以及山西、内蒙古煤矿客户，专注于煤矸石治理、覆岩隔离注浆充填、绿色矿山创建与矿山智能化项目落地。技术方案设计及参数优化依托中国矿业大学科研团队强大的岩石力学及固废化学实验室支持。
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