适用读者： 矿企分管生产副总经理、矿长、充填办主任、机电动力科长、选煤厂厂长、充填站现场技术员
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜凉水井煤矿充填工程技术联合攻坚组
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凉水井煤矿作为神东矿区骨干矿井之一，年产原煤达 800 万吨，洗选矸石日均产量达 4000 至 5500 吨。在“无废城市”与“应建必建绿色矿山”政策双重倒逼下，地表排矸场地审批彻底关停，矸石的矿内无害化消纳成为决定矿井是否能持续高产的生命线。本篇复盘报告将客观揭示凉水井充填项目从一期“小流量间歇注浆”向二期“大流量全自动智能连续制浆”工艺演进过程中的技术阵痛，详细展示流体动力学摩阻计算本构及运行设备对比，为行业同行提供最真实的工程数据与决策参考。
一、 凉水井煤矿生产现状与固废消纳初始痛点
凉水井煤矿地表浅部广泛发育萨拉乌苏组含水层，下部主采煤层平均采高 $4.5 \text{ m}$。
- 初期痛点（一期工艺）：一期注浆系统采用传统的“简易搅拌桶加压制浆—小通径直降管道下井”工艺，设计日消纳量仅 1000 吨。在实际运行中，由于搅拌桶剪切力度不足，粗矸石颗粒时常漏网，导致下井弯头处高频憋泵堵管，平均每周停产通管达 3次以上；且由于料浆浓度（$≤ 52\%$）过低，井下失水量巨大，浆体大量窜流至综采工作面，被安监部门多次责令停产整改。一期消纳量严重滞后于洗煤厂产矸速度，地表矸石周转库频频爆仓，成为卡死产能的“绊脚石”。
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二、 日消纳5000吨“双磨双泵”工艺流程与系统改造型式
为彻底扭转被动局面，2025年下半年起，凉水井煤矿联合中矿天智与中国矿大技术专家组，对系统实施了全方位的“双磨双泵、变频重力自流辅助输送”工艺改造。
2.1 升级后的二期工艺流程
- 多级湿法研磨回路：洗选后的矸石（$≤ 150 \text{ mm}$）经振动给料机送入重型颚式破碎机初破至 $≤ 20 \text{ mm}$。随后，均质物料进入两台并联的 $MQG2.4 \times 4.5$ 型溢流式球磨机进行湿法研磨，研磨介质为不同级配的钢球（填充率 32%），研磨过程中在线补充洗煤废水。
- 高效分级旋流回路：球磨出料进入分级砂泵，送入一组并联的旋流分级器。分级器溢流物（中值粒径 $D_{50} ≤ 0.074 \text{ mm}$ 占比大于 82%）作为合格浆料自流进入搅拌大罐；底流粗颗粒自动返回球磨机重磨，形成闭路循环。
- 高剪切双液连续混配搅拌大罐：设有两个有效容积为 $1000 \text{ m}^3$ 的立式连续剪切搅拌大罐。大罐配备变频多层桨叶（转速 $45 \sim 75 \text{ rpm}$），保证大仓储容量料浆的流态稳定，不发生静置离析。
- 高压双缸活塞变频泵送：配有两台并联的工业大流量双缸双作用液压活塞泵，额定排出压力 $10.0 \text{ MPa}$，额定排量达 $180 \text{ m}^3/\text{h}$。利用活塞的刚性推力将高浓度（$62\% ± 1.5\%$）浆体源源不断地泵送入井下多点分流阀箱。
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三、 大流量连续制浆水平管路流体动力学摩阻降计算
在日消纳 5000 吨的高频泵送状态下，必须精确掌握浆体在输浆管路中的水力压降（Frictional Pressure Drop）\Delta P_f，防止工作压力超越活塞泵与管壁的抗拉安全红线。
3.1 宾汉体水平管道沿程摩阻计算公式
大排量下浆体在粗糙管道中的阻力降可由修正的 Buckingham-Reiner 方程进行求解计算：
其中：
- v 为浆体在管道中的平均流速（设计中值取 1.55 \text{ m/s}）；
- D 为输送管道内径（特制超强耐磨钢管，外包高密度聚乙烯护套，内径 D = 150 \text{ mm}）；
- η_p 为料浆的塑性黏度（\text{Pa}\cdot\text{s}，实测稳定维持在 0.18 \sim 0.28 \text{ Pa}\cdot\text{s}）；
- τ_0 为浆液屈服应力（\text{Pa}，通过控制配料级配稳定在 22 \text{ Pa} 左右）；
- τ_w 为管壁切应力（\text{Pa}），与沿程压力降的关系为：
利用该偏微分方程在 SCADA 系统中进行实时数值求解，即可在线反演出当前管路各段的沿程摩阻。若计算得到的局部 \Delta P_f / L ≥ 0.55 \text{ MPa/100m}，系统判定该段管壁有结垢缩径隐患，自动触发高频冲洗。
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四、 改造前后的工艺性能与运营经济对账
凉水井煤矿二期工程改造的成功，直接反映在系统的年处置能力和吨矸处置成本的断崖式下降上。
4.1 改造前后关键工艺指标对比
下表列出了一期与二期系统工艺参数的实测对比：
| 工艺与经济指标 | 一期简易系统 | 二期升级智能双磨双泵系统 | 性能提升幅度与改造收益分析 |
|---|---|---|---|
| 平均日消纳量 (吨/天) | $1200 \text{ 吨}$ | $5200 \text{ 吨}$ | 提升 333%；完全吃掉洗煤厂日产矸石量，实现地表零外排 |
| 料浆稳定质量浓度 (%) | $50\% \sim 53\%$ (易分层) | $60\% \sim 64\%$ (高度均质) | 浓度提高 10个百分点，固结体强度提升 2.5倍，井下涌水量减少 70% |
| 年憋泵堵管事故频率 | 148 次/年 (停机修筑频繁) | 8 次/年 | 堵管率暴跌 94.6%；每年节省清管抢修工期工时费达 120 万元 |
| 平均弯头磨损寿命 (月) | 1.5 个月 (频繁穿孔溢浆) | 12 个月 (内壁超硬陶瓷贴片) | 管道使用寿命延长 8倍，大幅消除井下意外窜水和突浆环境事故风险 |
| 吨矸综合消纳成本 (元/吨) | 48.5 元 | 26.5 元 | 成本降低 45.3%；得益于全自动PLC控制节约人工以及直管重力势能节电 |
4.2 凉水井项目的绿色税收减免与“绿色资产”收益对账
除运行成本下降外，凉水井项目还成功对齐了 2026年多项绿色优惠政策：
- 煤炭资源税减免对账：凉水井年产 800 万吨煤炭中，有 280 万吨源自充填工作面，平均吨煤税基售价 600 元。依据充填减征 50% 资源税政策，年减税金额达：
- 环保税免征：年封存消纳 150 万吨矸石，按 5 元/吨免除环保税，年节省 750 万元。
- 综合对账结论：二期项目总投资 4800 万元，在运行第 10 个月即通过税收返还与运行费节省实现了全部投资回本，使矸石充填从“环保成本包袱”变为了矿井的“利润倍增器”。
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五、 二期系统日常监测主控参数速查表
为保证双磨双泵大流量输送的力学安全，制浆站与井下阀组操作规程规定了以下日常巡检参数指标：
| 监测位置 | 主控物理量（传感器） | 工艺设计标准 | 额定报警上限 | 数据检测精度 | 报警三级响应程序 |
|---|---|---|---|---|---|
| 球磨机排料口 | 超细旋流分级器压力 | $0.15 \sim 0.25 \text{ MPa}$ | $≥ 0.35 \text{ MPa}$ | $± 0.01\text{ MPa}$ | 压力超限说明给矿浓度大，PLC 自动调大给水旁通阀稀释 5% |
| 活塞泵出口阀箱 | 泵送瞬态脉动压力 | $3.0 \sim 6.0 \text{ MPa}$ | $≥ 8.5 \text{ MPa}$ | $± 0.1\text{ MPa}$ | 瞬态压力超限，启动泄压安全卸荷电磁阀，浆体直通地面应急池 |
| 搅拌大罐仓 | 料浆仓储液位高度 | $2.0 \sim 8.5 \text{ m}$ | $≥ 9.0 \text{ m}$ (溢流预警) | $± 0.05\text{ m}$ | 液位超限，SCADA自动限速前级球磨进料，并启动2号泵双泵分流井下 |
| 直井底阀箱 | 井下多分流管分配动压 | $2.0 \sim 4.5 \text{ MPa}$ | $≥ 5.5 \text{ MPa}$ | $± 0.1\text{ MPa}$ | 压力超限说明孔底岩层阻力大，自动切换至相邻空闲定向孔注浆 |
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六、 连续泵送运行典型工程异常与“机电机理整改”预案
在日处理 5000 吨的高负荷下，设备的高频冲磨不可避免，必须建立科学的异常整改检修预案：
6.1 水平输浆管道在变径折角弯头处发生“穿孔溢浆”事故
- 引发原因：浆体在高流速（$≥ 1.8 \text{ m/s}$）和高压力（$≥ 5.0 \text{ MPa}$）下，矸石硬质砂岩微粒对管道折角弯头内壁形成强烈的“气蚀与水力剪切冲刷磨损”，导致弯头壁厚在 2个月内由 12mm 磨穿，浆体高速喷出。
- 应急闭环整改规程：
- 紧急停泵截流：中控 SCADA 检测到流量变送器数据异常（进出口流量不平衡），在 15秒内一键切断液压泵，开启反冲水阀冲洗管内料浆，降低管壁残压为零。
- 地表污染隔离：环保突击队迅速使用吸浆材料和防渗土工膜封堵泄漏点下方的冲沟，防止矸石浆体沿雨水沟流入矿区绿化绿化带。
- 整改防磨弯头工艺：拆除破损弯头，升级安装“内衬超硬碳化硅自蔓延耐磨陶瓷复合弯头”（莫氏硬度 9.0）。在管网布置上，将原 $90^\circ$ 直角弯头全部整改为 2个并联的 $45^\circ$ 大弯弯头（弯曲半径 $R ≥ 1.5 \text{ m}$），从流体力学上减缓液流对管壁的冲击角，消除局部湍流气蚀磨损。
6.2 工业液压活塞泵突发“安全起跳溢流憋泵”事故
- 引发原因：井下注浆钻孔底部遇到断层带岩层挤压变形，导致注浆裂隙通道闭合，孔口反压瞬间飙升突破液压系统溢流阀安全设定值（$8.5 \text{ MPa}$），液压油路旁通溢流，主泵憋停。
- 应急闭环整改规程：
- 开启旁通泄压：中控联动关闭注浆孔井口截止阀，开启旁通释压阀，将水平管路内残存浆液排入底板低压自流槽，彻底释放管路弹性积蓄压力。
- 开启地面应急调和循环：使活塞泵与地面搅拌大罐构成“内循环”低压自流泵送，保持管路内料浆处于动态流动状态，严防停泵引发静置沉降结管。
- 注浆孔层位定向分支施工：调用定向钻机对发生岩层变形的注浆孔进行“侧钻定向分支孔”施工，分支点向上跳跃 5米，绕过断层剪切变形带，重构孔底流体运移通道。
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七、 总结与大宗固废消纳矿井长青指南
凉水井煤矿矸石充填系统日消纳突破 5000 吨的成功复盘，证明了在中大型高产矿井中，只要技术路径正确（球磨级配分级+高位搅拌+大流量活塞大泵），大宗矸石井下消纳不仅技术可行，更能创造丰厚的税收返还经济净产出。
对于有志于实施大宗固废井下充填的矿业集团，长远行动指南应牢牢抓好以下三条机电与生产管理主线：
- 把好矸石“粒径级配”第一关：球磨机的出料旋流分级器筛网是保证管道不发生机械堵塞的命脉，必须将其纳入每周一的强制检修换新卡片中。
- 充分论证水平沿程摩阻与弯头水力流动阻力降：系统扩容（如日产量由 1000吨升至 5000吨）时，切忌盲目加大高压泵扬程，而应通过管径增粗（如由 100mm 增至 150mm）、采用长半径弯头等流体力学阻力降手段实现低阻安全输浆。
- 强化充填数据与资源税减免台账的数字审计：将充填SCADA的“单孔累计注浆吨数”与地磅单、洗煤厂电表计量及减税申报单深度绑定，用无可辩驳的数字化证据锁死企业合规利润，实现长青发展。