适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产科长、防冲/地测科长、水文地质专家
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、 水文威胁下保水采煤与充填体的水理耐久性瓶颈
在我国西部大旱半干旱矿区（如陕北榆林、神木，宁夏宁东，内蒙古鄂尔多斯），水资源极其珍贵。然而，在煤炭开采过程中，随着综采工作面推进，顶板垮落裂隙波及上覆岩层，极易导致第四系风积沙含水层或侏罗系砂岩含水层的水源沿导水裂隙带（Hf）快速泄入井下，造成宝贵的地下水资源大量流失（跑水）。
更严重的是，在部分水文地质条件复杂的矿区，工作面下方可能发育有奥陶纪灰岩等高承压强含水层。当底板隔水层由于采动应力发生剪切破断时，高压地下水会沿断裂通道瞬间涌入综采工作面，造成极具破坏性的底板突水灾害，威胁井下一线作业安全。
为了实现“保水采煤”并控制突水风险，充填开采（尤其是高浓度矸石-粉煤灰浆体胶结充填）已成为行业公认的技术手段。然而，许多煤矿在实施充填开采后面临着充填体水理物理耐久性衰变的严峻瓶颈：
- 高承压水长期浸泡下的强度衰减（软化效应）：胶结充填体在地下长期暴露并被矿井水浸泡后，水分子会沿其毛细孔隙渗透，促使晶体结合水流失或水化产物溶解，导致充填体承载刚度和单轴抗压强度大幅缩水。若其软化系数偏低，充填体将快速脆化甚至崩解泥化，丧失承载作用，引发顶板大范围异常沉降。
- 高压水侵蚀下的渗透系数超限（漏水失效）：如果浆体配比不当，骨料离析导致其孔隙率过大。当受到高压地下水（水力压强 $≥ 3\text{ MPa}$）的长期剪切冲刷时，充填体的稳态渗透系数会迅速恶化，使充填体退化为弱透水层，无法起到防水隔离墙的作用，地下水依然会漏失或窜入巷道。
- 酸性或碱性矿井水下的化学溶蚀剥落：部分矿井水含有高浓度的硫酸根离子（SO_4^{2-}）或酸性游离离子。这些化学离子与充填体内部的氢氧化钙发生化学反应，生成膨胀性的石膏和二次钙矾石，引起体积非均匀膨胀和骨料剥落剥蚀，加速了充填体结构的坍塌。
因此，研发和掌握充填体渗透系数与软化系数的测试方法，设计出高耐温、高抗渗、抗侵蚀的水理配方，是水文受威胁矿区保水采煤的核心任务。
二、 充填体水理性质的物理力学特征与数学模型
2.1 软化系数（Softening Coefficient）的定义与力学本质
软化系数是衡量充填体或岩石在水饱和状态下抵抗强度衰减的能力。其定量表达式为：
式中：f_{saturated} 为试件在完全吸水饱和状态下的单轴抗压强度（MPa）；f_{dry} 为试件在干燥状态下的单轴抗压强度（MPa）。
对于用于防水承载或保水采煤的隔离充填体，其软化系数 η_{softening} 必须大于等于 0.82。若 η_{softening} < 0.70，则该充填体属于易软化、水稳性极差材料，严禁用于充填挡水墙。
2.2 多孔充填介质的高压三轴渗流模型
充填体内高压水的渗流流速 v 可以由结合了孔隙压力的三轴达西定律描述：
式中：K_{permeability} 为渗透系数（cm/s）；\partial h / \partial x 为水力梯度。
在高应力三轴围岩压力作用下，充填体受压变形，其孔隙率 φ 随围压 σ_3 的增大呈指数级减小：
根据此物理特征，渗透系数 K_{permeability} 与围压的力学关系可建立为：
式中：K_0 为无应力下的初始渗透系数；α, n 为材料特性的试验拟合常数。该公式揭示了，在井下地压压实后，充填体的抗渗透性能会自发提升，但前提是充填体本身不能在饱和状态下发生剪切破坏。
以下为充填体试件水化、高压三轴装样及微观阻水机理解析的工作流：
充填体标准试件制备
采集井下充填体岩心或制备 $Phi 50 imes 100 ext{mm}$ 的标准圆柱形胶结试件进行初期养护
饱和含水状态常压标定
使用真空饱和装置对试件进行强制饱和，测定吸水率及自由状态下的初始孔隙体积
软化系数与强度特性测定
开展饱和抗压强度与干燥抗压强度对比试验，计算软化系数（设计值需 $eta ge 0.82$）
三轴柔性壁渗透试验装样
将饱和试件封装于乳胶套内，置于渗透试验仪中，施加设计设定的围压（3-8 MPa）
稳态高渗透水头压注
以高精泵控注水产生轴向水力梯度，测定不同渗流阶段的稳态渗透系数（$K le 10^{-7} ext{cm/s}$）
水热化产物扫描与阻水评价
通过 SEM 扫描水化硅酸钙（C-S-H）及钙矾石结晶形貌，定量论证其长期抗溶蚀阻水性能
从流程步骤可以看出，利用柔性壁三轴高压渗透仪可以有效模拟井下围压和渗透压双重高压环境，从而测定材料在真实服役状态下的防渗边界。
三、 水水理物理性能测试方法与参数对账表
为了验证不同胶凝配方的长期阻水性能，试验室及地测防冲科需要执行标准的检测规范。
3.1 充填体抗渗阻水性能控制对账表
| 测试性能指标 | 设计合格阈值 | 试验室测定方法与设备 | 阻水防冲安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 饱和状态软化系数 | η_{softening} ≥ 0.82 | \Phi 50 \times 100\text{ mm} 试件饱水/干燥抗压对比，压汞试验仪 | 防止地下水长期浸泡软化导致承载失效，控制顶板沉降 |
| 稳态渗透系数 | K ≤ 1.0 \times 10^{-7}\text{ cm/s} | 柔性壁三轴高压渗透试验仪（围压 5 MPa，水压 3 MPa） | 保证充填体对高压含水层的水压阻断作用，实现零漏水 |
| 吸水膨胀率 | ≤ 1.5\% | 自由膨胀率测量仪，飽水24h膨胀位移测定 | 避免充填体过度膨胀导致围岩剪切破坏及底板产生底鼓 |
| 孔隙率分布 | φ ≤ 8\%，且毛细孔占有率< 5\% | 扫描电镜（SEM）图像处理及高压压汞法（MIP） | 截断连续毛细水流动通道，将水分离散化，实现长效耐酸蚀 |
| 溶蚀析出阻抗 | 浸出液 pH 处于 6.5 \sim 9.0 | 电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS） | 限制氢氧化钙等可溶碱离子的流失速度，提高老化寿命 |
| 胶结料吨煤成本 | 42 \sim 55\text{ 元/立方} | 财务运营吨成本对账表（含火山灰废渣利用） | 优化配方，大量利用粉煤灰降低水泥用量，实现环保盈利 |
四、 充填防突水屏障发生跑浆窜浆应急处置 SOP
在回填注浆保水施工中，极易发生浆液漏失（跑浆跑水）、突发堵管以及充填挡水墙结构破断突水的险情。必须在地面泵送及井下设置联动保护SOP：
SOP 1：井下充填密闭挡水墙突发高压漏水（突水先兆）
- 触发条件：挡水密闭墙观测孔水压在 10分钟 内由 0.2 MPa 飙升至 $≥ 1.5\text{ MPa}$，且墙体表面出现渗水和拉剪裂缝。
- 处置流程：
- 人员撤离与报警：防冲班长即刻下达撤人指令，拉响该工作面突水声光警报，撤出巷道底板低洼区所有人员。
- 应急减压泄水：打开挡水墙侧方的专用应急泄水阀，降低墙体背部的高压水静压力，防止挡水墙瞬时整体垮塌。
- 地面紧急加压注浆：地面制浆泵站立即启动，向挡水墙后方的空腔打设“快凝高早强浆体”（添加 5% 水膏及 3% 促凝剂），利用高压浆液快速结晶封堵透水裂隙。
- 井下打设钢管锁死：救援队在挡水墙外侧打设双排工字钢承载钢架，锁死墙体，并在钢架与墙体间注化学发泡浆液封密。
SOP 2：注浆输送管路磨损拉稀（管路沉降堵塞）
- 触发条件：输送泵压力变送器显示压力波幅异常变大，泵送阻力急剧升高，出料口浆体流速骤降。
- 处置流程：
- 管路紧急放空：地面中控工关闭配料阀门，切换为清水吹扫，将高压浆液吹入备用集浆井。
- 冲洗主管路：开启大功率扫气扫水阀，注入高压空气和清水，进行气水混合强力吹扫。
- 物理拆管疏通：若吹扫不通，说明已经沉浆堵管。地测科及泵送班利用超声波测厚仪沿管路排查，锁定堵管管段（通常在底板拐弯直角处），进行物理拆管清淤。
五、 内蒙古鄂尔多斯保水开采充填挡水墙实践
5.1 工程与水文灾害背景
内蒙古鄂尔多斯某大型斜井煤矿，设计产出 800 万吨/年。主采煤层平均埋深 520 米，其上方发育有高富水的侏罗系中统直罗组粗砂岩含水层。煤层与含水层之间只隔有平均 18 米的黏土质隔水层。
工作面推进期间，由于导水裂隙带最大发育高度达到了 24 米，直接穿透了黏土隔水层，导致顶板突水涌水频繁。工作面日均涌水量高达 680 m³/h，煤炭生产多次因淹面被迫停产。同时，水中的泥沙进入排水系统磨损水泵，每年用于水处理和清淤的费用达 4500 万元。
5.2 抗渗透充填体挡水墙设计
针对该矿水害瓶颈，总工程师主持实施了采空区抗渗阻水胶结充填挡水墙项目：
- 胶结配方优化：弃用传统纯水泥浆，选用“原矸砂磨细粉 + 活性粉煤灰 + II级高炉矿渣 + 碱性激发剂”。
- 施工工艺：沿工作面顺槽切眼方向，每隔 50 米构筑一道厚度达 2.5 米的混凝土密闭墙。从顺槽向密闭墙后方空腔压注高致密料浆。
- 水理测试标定：每天在井下对固结 28天的充填体进行三轴取心，送往实验室测定软化系数和稳态渗透率。
5.3 改造前后水害与经济指标对比
项目平稳运行一年后，水文地质科对各项监测台账进行了详细对账：
| 对账指标 | 充填挡水墙实施前 | 充填挡水墙实施后 | 改善提升效果 |
|---|---|---|---|
| 工作面平均涌水量 | 680 m³/h (高位运行) | 42 m³/h (极微量淋水) | 顶板涌水量降低 93.8% |
| 充填体28d渗透系数 | 4.5 \times 10^{-5}\text{ cm/s} | 2.8 \times 10^{-8}\text{ cm/s} | 抗渗性能提升 1600 倍 |
| 饱和状态软化系数 | 0.62 (极易泡软垮塌) | 0.86 (高水稳承载能力) | 软化抗性提升 38.7% |
| 地表含水层水位下降量 | 累计下沉 12.8 m | 累计下沉 0.4 m (稳定) | 保水开采目标完美达成 |
| 年涌水排水及清沙电费 | 3800 万元/年 | 280 万元/年 | 年直接电费节支 3520 万 |
| 原矸消纳利用率 | 0% | 92.4% (井下直接回填) | 地面实现矸石零堆存 |
实验测试证明，由于细磨矸石和矿渣微粉中含有大量的活性二氧化硅和氧化铝，在碱性激发下发生二次水化反应，生成的 C-S-H 凝胶将充填体内部原有的大孔径（$>100\text{ nm}$）毛细孔全部转变为微细孔（$<10\text{ nm}$），使游离的地下水失去了渗流通道，建立了高水稳性的地下抗渗大坝。
六、 保水充填系统申报技术资料清单
若矿井需编制保水开采可研报告或进行防水充填墙专项安全设计，水测科及防冲科必须准备以下基础勘察资料：
- [ ] 矿井充水因素分析及水文地质图：包含工作面顶底板含水层的等水位线图、富水性分区图。
- [ ] 采空区顶板覆岩裂隙带高度模拟与计算书：基于导水裂隙带计算标准（如《三下规程》）算得的 Hf 高度。
- [ ] 充填材料配合比水理试验报告：包括不同龄期下饱水抗压强度、干燥抗压强度及对应的软化系数对账表。
- [ ] 含水层水质化学成分报告：检测矿井水 pH 值、硫酸根离子、氯离子等腐蚀性有害成分浓度。
- [ ] 密闭墙力学稳定性计算书：验算在最大静水压力和覆岩动载荷叠加下挡水墙的拉剪抗裂承载刚度。
七、 常见问题 FAQ
Q：为什么常规的煤矸石充填体饱水后容易发生泥化软化？
A：因为常规充填如果仅用水泥作为胶结料，矸石的粒径通常未经过分级粗细配比，矸石颗粒间存在大量的松散空隙。水分子进入后会溶解水化产物（如氢氧化钙），并削弱颗粒间的范德华力；同时，原矸中如果含有较多的黏土矿物（如蒙脱石、伊利石），吸水后会发生剧烈膨胀剥落，导致材料泥化和剪切刚度断崖式下降。
Q：三轴高压渗透测试仪的柔性壁与刚性壁试验有什么区别？
A：常规的刚性壁渗透仪在施加高水压时，水流很容易沿着试件侧壁与刚性金属筒壁之间的缝隙流出，产生严重的“测壁旁漏”，导致测得的渗透系数偏大。而柔性壁三轴仪使用高弹性乳胶套将试件包裹，并通过液压施加侧向围压，使乳胶套紧紧贴合试件外表面，能够完全杜绝旁漏，测得的才是充填体本身的真实稳态渗透系数。
Q：保水充填墙长期承受高压水浸泡，其安全性寿命能维持多久？
A：根据我们与中国矿业大学做的加速老化溶蚀试验，在优化了骨料级配并添加了抗溶蚀改性剂后，充填体的水化网络能够有效锁住游离钙离子。其后期溶蚀速率极低，在承载围压作用下，其阻水屏障安全服役寿命可达 70 年以上，可满足绝大多数矿井从回采到闭坑的保水防灾全周期技术需求。
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。
专注于干旱半干旱区保水采煤方案设计、水文受威胁矿井突水治理、采空区矸石高压胶结隔水墙技术推广。
依托中国矿业大学高水平水动力学与岩石力学重点实验室，为煤矿集团量身定制保水防灾一体化充填可行性研究。
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*声明：文中技术参数与案例数据已进行安全脱敏。由于水害危险性极大，各矿井具体阻水墙厚度与配方设计必须通过水文地质资质单位的专项力学与水动力学安全计算。*