适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副总、机电副总、充填车间主任、环保固废主管

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｜中国矿业大学固废资源化利用与膏体充填采煤科研团队技术合作支持

一、行业痛点与技术瓶颈：大宗固废堆存与长距离膏体输送“堵管磨损”危机

煤矿开采和洗选过程中产生的大宗固体废弃物——煤矸石与电厂粉煤灰，长期堆存占用土地、污染地下水并存在自燃排毒严重环保隐患。

利用“煤矸石 + 粉煤灰 + 胶凝剂”制备结构致密、不离析、不沉淀的膏体泵送回填井下采空区，是实现“无废开采”与“绿色矿山”的终极方案。但在千米深井与超长工作面（输送距离 $2000 \sim 3500\text{m}$）工程实践中，普遍面临三大工程瓶颈：

  1. 颗粒级配失衡导致输送阻力激增与爆管：煤矸石若破碎粒径过粗（$>20\text{mm}$），沿管道滑移时在局部弯头与变径处极易发生颗粒离析沉降、骨料卡咬，引发恶性堵管甚至高压爆管；
  2. 细粒级粉煤灰不足导致膏体脱水沉淀：若小于 $20\ \mu\text{m}$ 的细微颗粒含量不足，混合物无法包裹粗骨料形成具有润滑效果的致密柱状流动层（Plug Flow），浆料在停泵 10 分钟内即发生固液离析分层；
  3. 高浓度泵送磨损大导致管道寿命极短：膏体质量浓度高达 $78\% \sim 82\%$，若流变参数控制不当，管道沿程摩擦阻力损失超过 $3.5\text{ kPa/m}$，导致工业充填泵长期超负荷运行，耐磨无缝钢管使用数月即磨穿报废。
洗选煤矸石 + 电厂粉煤灰 + 特种水泥胶结料
  ↓ 传统级配不均：大颗粒沉淀离析、管道阻力过大（频繁堵管爆管）
基于富勒（Fuller）最大密实度级配理论优化：
  ├── 粗骨料（破碎煤矸石 0~15mm，连续级配）：提供充填体宏观抗压骨架
  ├── 细骨料（电厂粉煤灰 200 目）：吸附水分形成致密悬浮微观润滑网络
  └── 高效减水减阻剂（掺量 0.3%~0.5%）：打破絮凝结构，大幅压降屈服应力
调配质量浓度 78%~81%、坍落度 220~240mm 的高流动性均质流体
实现 3000m 超长距离稳定自流/泵送，28d 固化强度 ≥6.5 MPa

因此，开展煤矸石-粉煤灰膏体充填材料颗粒级配优化、流变特性测试与管道水力输送参数精细化设计，是总工程师确保全矿充填系统长期连续稳定运行的核心工程前提。

二、宾汉流变力学与管流水力学模型：屈服应力、塑性黏度与阻力计算方程

膏体充填料浆属于典型的高浓度非牛顿流体，在管流剪切流动中遵循经典宾汉（Bingham）塑性流变模型。

1. 宾汉流体剪切应力与本构流变方程

在管道内流动时，膏体剪切应力 $\tau$ 与剪切应变速率 $\dot{\gamma}$ 满足：

$$\tau = \tau_0 + \eta_p \cdot \dot{\gamma} \quad (\tau \ge \tau_0)$$
$$\dot{\gamma} = 0 \quad (\tau < \tau_0)$$

式中：$\tau_0$ 为膏体的动态屈服剪切应力（$\text{Pa}$，反映启动流动所需的最小推力）；$\eta_p$ 为塑性黏度（$\text{Pa}\cdot\text{s}$）。

  • 优化控制目标：通过优化粉煤灰掺量与添加剂，将膏体屈服应力控制在 $\tau_0 = 80 \sim 150\text{ Pa}$，塑性黏度控制在 $\eta_p = 1.2 \sim 2.5\text{ Pa}\cdot\text{s}$，使其既具备足够的抗剪强度支撑粗矸石不沉降，又具备优良的流变流动性。
煤矸石粉煤灰膏体级配与管道输送阻力模型图
图2：富勒连续颗粒级配曲线、宾汉流体管道柱状流动（Plug Flow）速度剖面与沿程阻力损失梯度图

2. 管道水力阻力损失（Buckingham 方程）与临界流速计算

在内径为 $D_{pipe}$ 的水平无缝充填钢管中，宾汉流体的单位长度水力摩擦阻力损失梯度 $i_{loss}$（$\text{Pa/m}$）遵循白金汉（Buckingham）方程：

$$i_{loss} = \frac{\Delta P_{loss}}{L} = \frac{16}{3 D_{pipe}} \tau_0 + \frac{32 v_{flow}}{D_{pipe}^2} \eta_p$$

为保证粗颗粒在管道内不发生重力沉降堆积，管道实际充填流速 $v_{flow}$ 必须略大于不沉降极限临界流速 $v_{critical}$：

$$v_{flow} \ge v_{critical} = \sqrt{\frac{g D_{pipe} (\rho_{paste} - \rho_{water})}{\rho_{paste}} \cdot C_{settle}}$$

在工业管道内径 $D_{pipe} = 150 \sim 180\text{mm}$ 条件下，最佳经济运行流速设计为 $v_{flow} = 1.2 \sim 1.8\text{ m/s}$。

三、煤矸石粉煤灰膏体配合比与工程性能参数表

中矿天智与中国矿业大学固废充填团队确立的优化级配配比体系：

关键组分与性能指标 超长距离泵送型 (输送 >2500m) 常规距离自流/泵送型 (1000~2000m) 采空区密实硬化型 (充填接顶) 工程控制要求与物理意义
破碎煤矸石掺量 (重量比) $55\% \sim 60\%$（最大粒径 $\le 12\text{mm}$） $60\% \sim 65\%$（最大粒径 $\le 15\text{mm}$） $65\% \sim 70\%$ 连续级配，$<5\text{mm}$ 细料占比 $\ge 40\%$
电厂粉煤灰掺量 (重量比) $30\% \sim 35\%$（细度 200 目） $25\% \sim 30\%$ $20\% \sim 25\%$ 提供丰富胶体微粒，吸附游离水形成润滑膜
特种胶凝剂/水泥掺量 $8\% \sim 10\%$（P.O 42.5 水泥） $7\% \sim 9\%$ $8\% \sim 12\%$ 激发火山灰反应，保证充填体早期与后期强度
膏体质量浓度 ($C_w$) $78.0\% \sim 80.5\%$ $79.0\% \sim 81.5\%$ $80.0\% \sim 82.5\%$ 处于膏体高浓度临界区，泌水率 $<2.0\%$
坍落度与扩展度 坍落度 $220 \sim 240\text{mm}$，扩展度 $\ge 500\text{mm}$ 坍落度 $200 \sim 220\text{mm}$ 坍落度 $190 \sim 210\text{mm}$ 保证长距离输送自润滑，无卡管阻滞
沿程阻力损失梯度 $1.8 \sim 2.5\text{ kPa/m}$ $2.2 \sim 3.0\text{ kPa/m}$ $2.8 \sim 3.8\text{ kPa/m}$ 显著降低充填工业泵扬程与电机能耗
充填体固化抗压强度 3d $\ge 2.5\text{ MPa}$，28d $\ge 6.5\text{ MPa}$ 3d $\ge 2.0\text{ MPa}$，28d $\ge 5.5\text{ MPa}$ 28d $\ge 8.0\text{ MPa}$ 满足采空区顶板支撑与保水减沉刚度要求
井下充填顺槽高压无缝输送管路巡检现场
图3：充填工程技术人员在井下充填大巷检查高压耐磨无缝管路法兰密封与压力传感器读数

四、核心充填制备与流变测试装备配置

膏体连续搅拌机与工业级柱塞充填泵特写
图4：地面双轴卧式连续强力搅拌机、大排量工业充填柱塞泵与旋转流变仪特写
设备系统名称 规格型号 核心功能与技术指标 性能与耐磨指标
双轴卧式强力搅拌机 JS-2000 矿用连续制浆机 强制剪切打散胶体团聚，毫秒级均质化拌合 搅拌容量 $2.0\text{ m}^3$，拌合均匀度 $\ge 98\%$
重型工业充填柱塞泵 HBMG-140/120 充填泵 输出高达 $12.0\text{ MPa}$ 压力长距离输送膏体 输送排量 $140\text{ m}^3/\text{h}$，泵送距离 $\ge 3500\text{ m}$
旋转流变仪与坍落度筒 RS-CPS 工业旋转流变仪 测定膏体动态屈服应力 $\tau_0$ 与塑性黏度 $\eta_p$ 剪切速率范围 $0.01 \sim 1000\text{ s}^{-1}$，精度 $\pm 1\%$
双金属复合耐磨无缝钢管 $\Phi 159\text{mm} \times 12\text{mm}$（高铬内衬） 抵抗高压高浓度粗骨料长期高速冲刷磨损 淬火硬度 HRC $\ge 62$，使用寿命 $\ge 150$ 万立方米

五、工程案例复盘与实战对账：陕北神木某矿矸石粉煤灰膏体充填项目

以下结合神木市某年产 300 万吨大型综采矿井 1102 工作面（开采 3-1 煤层，地面建设年处置 100 万吨固废充填站）膏体充填与管道输送项目进行深度对账。

总工程师与固废充填专家组在技术审查会
图5：中国矿业大学充填科研专家团队与煤矿总工程师在矿区调度室核定充填管道压力与配比参数

1. 固废消纳与开采任务

  • 固废消纳痛点：矿井年产煤矸石 60 万吨、周边电厂年产粉煤灰 40 万吨，堆存费用高达 3500 万元/年，面临极高环保督察压力；
  • 充填技术挑战：从地面充填制备站到 1102 综采充填工作面，管道输送全长达 $2850\text{ m}$（垂直落差 260m，水平距离 2590m），以往试充填曾发生 3 次严重卡管爆管事故；
  • 优化方案实施：引入富勒连续级配理论，优化煤矸石破碎（$<12\text{mm}$）与粉煤灰配比（矸灰比 $65:35$），添加 $0.4\%$ 专用减阻保水剂，控制浆体浓度为 $79.5\%$、坍落度 $230\text{mm}$。

2. 输送优化与工程实施对账（工程总额：92.0 万元）

神木某矿煤矸石粉煤灰膏体充填长距离输送工程（合同总额：920,000 元）
  ├── 煤矸石与粉煤灰全组分级配优化、流变性能实验室测试与配合比设计：220,000 元
  ├── 2850m 充填管网水力水锤计算、减阻缓冲弯头改造与管道压力在线监测：420,000 元
  └── 采空区连续泵送充填 12 万 m³、充填体强度钻孔取芯检测与出具 CMA 验收报告：280,000 元

3. 运行成效与综合经济效益

  1. 实现 2850m 超长距离稳定输送：优化后管网实测沿程阻力损失由 $3.6\text{ kPa/m}$ 骤降至 $2.1\text{ kPa/m}$，主充填泵出口工作压力稳定在 $5.8\text{ MPa}$，连续充填 6 个月未发生任何一次堵管爆管事故；
  2. 消纳固废与保护地表：累计安全消纳煤矸石 18 万吨、粉煤灰 10 万吨，节约固废处置税费超 1200 万元；
  3. 充填体强度达标：采空区钻孔取芯实测 28d 抗压强度达到 $7.2\text{ MPa}$，顶板最大下沉量仅 $38\text{mm}$，地表实现零裂缝，成功创建省级绿色矿山标杆示范工程。

六、矿长与总工膏体充填迎检自查清单

总工程师在组织绿色矿山充填验收与安监环保迎检时，必须核验以下 6 项核心内容：

  • 煤矸石与粉煤灰膏体充填配合比设计与 CMA 检测报告：具备国家认定资质机构出具的流变参数、泌水率与 28d 强度检验报告。
  • 充填管道长距离水力计算书与管网安装图：标明管径、管壁厚度、沿程阻力损失梯度（$\le 2.5\text{ kPa/m}$）与总工批复设计。
  • 每日充填制浆运行与固废消耗台账：各班次煤矸石用量（$\text{t}$）、粉煤灰消耗（$\text{t}$）、水泥量与充填体积（$\text{m}^3$）记录单。
  • 充填管路压力在线监测与预警日报表：沿线各关键节点压力变送器实时读数、压降梯度变化与反冲洗记录。
  • 采空区充填接顶密实度与围岩位移监测单：采空区充填面接顶率（$\ge 95\%$）与顶板下沉量连续观测档案。
  • 充填管路紧急排空与防堵管应急处置预案：突发停电或停泵时快速气水联合反冲洗管路的应急规程。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：为什么膏体充填必须严格控制粉煤灰的细度与掺量？

    答： 煤矸石属于粗骨料，颗粒表面粗糙且比重大，在管道内流动时极易沉降卡咬；而粉煤灰（细度 200 目，粒径 $<75\ \mu\text{m}$）颗粒呈微观微珠状球体。适量的粉煤灰不仅在粗矸石颗粒之间起到“滚珠轴承”般的润滑减阻作用，而且微细粉煤灰颗粒具有极强的保水能力，能够将游离水紧密锁在胶体网络中，防止膏体在千米长距离输送过程中发生离析“脱水沉淀”，是实现膏体不分层、不堵管的关键核心组分。

    Q2：如何解决充填停机时管道内残留膏体凝固堵管的问题？

    答： 必须建立“气水联动双向强力反冲洗系统”：在地面充填泵出口与井下各水平管段设置高压冲洗三通与自动快开排空阀。一旦系统发出停机或故障报警，控制系统在 3 分钟内自动切换为高压清水泵（压力 $8 \sim 12\text{ MPa}$）向管道注入高压冲洗水，并在管尾施加高压压缩空气，将管道内残存膏体在 15 分钟内彻底冲刷排入采空区，保证管壁内壁绝对洁净光滑。

    Q3：膏体充填配合比优化与流变测试全周期需要多长时间？

    答： 煤矸石与粉煤灰原材料取样与物化分析需 2~3 天，不同级配正交试验与流变力学测试需 3~4 天，标准抗压强度养护与数据回归建模需 7~28 天（可提前出具 3d/7d 早期评估），全流程通常在 10~15 个工作日 内即可交付正式配合比设计与管网阻力优化报告。

    参考依据与标准规范

    1. GB/T 35056-2018《煤矿充填开采技术规范》（国家强制标准）
    2. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
    3. GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
    4. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（国家能源局）
    5. 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
    6. JC/T 2152-2012《矿用充填材料技术要求》

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，山西及内蒙古各大煤矿企业。

    充填技术与材料研发深度依托 中国矿业大学固废资源化利用与膏体充填采煤科研团队，具备国家法定资质认证。

    承接业务范围：

    • 煤矸石、粉煤灰、炉渣固废制备高浓度膏体充填材料配合比优化与流变测试；
    • 采空区膏体长距离管道泵送水力计算、管网防堵管设计与充填站建设总包；
    • 充填采煤保水减沉可行性论证、覆岩沉陷控制评价与地表形变监测；
    • 矿井瓦斯等级鉴定、通风阻力测定与重大灾害综合风险评估。

    矿方下一步行动指引

    📋 获取《煤矸石粉煤灰膏体充填试验取样规范与委托资料清单》

    📊 获取《膏体管道长距离输送水力计算书与沿程阻力损失核算表》

    💬 咨询张洁贞——添加微信：zhangjiezhen176，电话：+86 139 3815 5869，一对一沟通充填站规划与配合比优化。

    本文首发于 zhangjiezhen.cn，转载请注明出处。

    声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井膏体充填工程需结合固废物理特性与充填运距专项设计。