宁夏灵武矿区高矿化度矿井水对充填浆体性能的影响与对策

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 煤矿总工程师、充填站长、水处理技术科长、胶凝材料研发员、环保总监

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、行业痛点与西北高盐地质背景

在我国西北煤炭基地（如宁夏灵武矿区、内蒙古鄂尔多斯西部及陕北榆林部分区域），随着开采深度的不断增加，地下涌水的水质呈现出高矿化度、强侵蚀性的典型特征。灵武矿区主要开采延安组煤层，其地下水流经石膏及含盐地层，导致矿井水中总可溶性固体（TDS）含量居高不下，部分矿井涌水的 TDS 甚至高达 $8000 \sim 15000\text{ mg/L}$。

与此同时，这些矿区面临着极具约束力的双重红线：

环保“零排放”红线：高矿化度矿井水若直接排放到地表，会造成土地盐碱化与地表水体严重污染。然而，如果采用常规的反渗透（RO）膜法进行深度脱盐净化，不仅每吨水的处理成本高达 $8 \sim 15$ 元，还会产生大量的难利用高浓缩卤水，处置难度极大。
矸石不出井与绿色矿山建设：随着国家环保督察对地面矸石山治理的常态化，利用矿井水配制煤矸石浆体实施井下采空区充填或覆岩注浆，成为消纳这“两大固液废弃物”的理想途径。

然而，当直接使用这种富含 $SO_4^{2-}$、$Cl^-$、$Na^+$、$Ca^{2+}$ 和 $Mg^{2+}$ 的高矿化度矿井水配制充填料浆时，现场往往会遇到极其棘手的工艺故障。最典型的问题是料浆从地面向井下输送的数千米管网中频繁发生“异常假凝”导致堵管；或者充填体在井下固结数月后，发生局部剥落、微裂隙发育甚至刚度大幅度衰减的力学灾害。因此，系统研究高盐水对充填浆体性能的干扰机制，并提出相应的配方对抗策略，是保障项目平稳运行的生命线。

图2：高矿化度水对水泥水化和浆体粘度影响与耐盐改性阻盐配方原理图

二、高矿化度离子对水化反应与流变特性的侵蚀机制

当高矿化度矿井水介入普通硅酸盐水泥（OPC）与煤矸石、粉煤灰混合的充填浆体中，会破坏原有的化学平衡，具体表现在以下微观反应过程：

1. 硫酸盐侵蚀与早期“假凝”机理

普通硅酸盐水泥中含有大量的铝酸三钙（$C_3A$），在与淡水接触时，$C_3A$ 迅速与石膏水化生成钙矾石（AFt）。然而，在高浓度 $SO_4^{2-}$ 矿井水环境中，外源性的硫酸根离子会引起水化反应速率突变：

\text{C}_3\text{A} + 3\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O} + 26\text{H}_2\text{O} \rightarrow 3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{CaSO}_4 \cdot 32\text{H}_2\text{O}\ (\text{AFt})

过量且超前生成的针状钙矾石晶体在数分钟内于料浆中交织成网状骨架，宏观上表现为料浆流动性断崖式下跌（坍落度在一刻钟内损失可达 $50\text{ mm}$ 以上），这即是现场管道泵送极易引发的“物理假凝”堵管现象。

2. 中后期双重析晶胀裂与强度退化

在充填体进入采空区固结 $28\sim 90\text{ 天}$ 后，残留于孔隙水中的硫酸根和钙离子会继续水化结晶，生成二水石膏（$\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$）与二次钙矾石。这两种晶体的体积相比原水化反应物增大了 $1.5\sim 2.2$ 倍。

根据微观力学膨胀理论，晶体生长产生的结晶压公式可表示为：

P_{crystal} = \frac{R \cdot T}{V_m} \ln\left(\frac{IAP}{K_{sp}}\right)

*其中，$R$ 为气体常数，$T$ 为绝对温度，$V_m$ 为结晶相的摩尔体积，$IAP$ 为离子活度积，$K_{sp}$ 为结晶物质的溶度积。*

当孔隙局限空间内的结晶压 $P_{crystal}$ 超过了充填体中后期基体的极限抗拉强度 $σ_t$（高固相矸石充填体早期抗拉强度一般仅为 $0.2 \sim 0.5\text{ MPa}$）时，充填体内部就会产生沿晶界向外发育的微观应力裂隙。微裂隙相互贯通，宏观上表现为充填体中后期强度不增反降，刚度软化。

3. 氯离子对水化产物稳定性的干扰

高浓度的 $Cl^-$ 离子具有极强的扩散和渗透能力。它会与水泥中的铝酸盐水化产物反应，生成弗里德尔盐（Friedel's salt, $3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot \text{CaCl}_2 \cdot 10\text{H}_2\text{O}$）。这种盐的生成一方面会抢夺本应生成稳定 AFt 的铝源，另一方面其本身稳定性较差，在地下温湿度交替或后期地压扰动下极易分解，释放出游离的氯离子，进一步加速基体的溶蚀作用。

图4：实验室混凝土标准恒温恒湿养护箱及试块抗盐侵蚀测试仪

三、耐盐改性配方设计与试验参数

针对上述侵蚀病害，中国矿业大学固废充填与灾害防治课题组通过大量实验室物理化学测试，研发出了面向高盐水质的耐盐专用低浓度胶凝体系。

1. 改性材料设计

基体材料切换：采用活性矿渣粉（GGBFS，主要由硅酸钙和铝酸钙组成，含极低的自由铝酸盐）替代部分普通硅酸盐水泥。矿渣粉水化产生的二级 C-S-H 凝胶具有极强的物理吸附作用，能锁定大量的游离 $SO_4^{2-}$ 和 $Cl^-$。
活性铝基阻盐剂（ARG）：ARG 的核心成分为纳米级改性硅铝酸盐。它能主动吸收水溶液中的游离硫酸根，在水泥大量水化前，提前反应生成一种不可逆的惰性晶体包覆在水泥颗粒表面，阻断后续的盐水水化途径。
螯合凝结稳定剂（CCS）：这是一种含有大量羟基和羧基的多元螯合聚合物，能够选择性地与水溶液中的 $Ca^{2+}$ 和 $Mg^{2+}$ 离子形成稳定的螯合环，阻碍钙矾石晶核的早期核化生长，从而将浆体的初凝时间精准延缓 $4 \sim 6\text{ 小时}$。

2. 改性充填浆体配比试验设计

以下是在灵武某典型矿井水水质（总 TDS 为 $11200\text{ mg/L}$，其中 $SO_4^{2-}$ 浓度为 $4800\text{ mg/L}$，$Cl^-$ 浓度为 $3200\text{ mg/L}$）条件下的流变及强度试验参数对比表：

参数指标	推荐设计区间	说明
粗集料级配	煤矸石：$0 \sim 15\text{ mm}$ 连续级配，$<0.2\text{ mm}$ 细粉占比 $≥ 15\%$	保证浆体骨架堆积密度，减少管道分层沉降
细集料	II 级粉煤灰，活性指数 $≥ 75\%$	润滑泵送并填充骨料微孔
耐盐胶凝组分	矿渣水泥 (P.S 42.5) + ARG 阻盐剂 ($4\%$) + CCS 缓凝剂 ($0.15\%$)	克服高浓度硫酸盐侵蚀
料浆质量浓度	$74\% \sim 78\%$	平衡管路阻力损失与最终固结强度
初凝时间	$6.5 \sim 8.0\text{ 小时}$	保证在数千米管路中的安全停留与输送时间
28天抗压强度	$≥ 5.2\text{ MPa}$	满足采空区直接承载围岩、控制关键层沉降刚度要求
90天抗压强度	$≥ 7.5\text{ MPa}$	后期结晶压释放期强度不倒退，安全富余度高

图3：灵武矿区井下水取样及富盐矿井水矿化度在线检测现场

四、抗盐改性充填系统施工工艺流程

制浆与泵送工艺的平稳运转是实现“高盐水消纳+矸石固结”的前提，整体工艺流程分为地面制备系统、垂直管网输送及井下充填分区三大部分：

+------------------+ +------------------+ +-------------------+ | 原矸储存与筛分 | --> | 破碎段 (0-15mm) | --> | 立式高剪切搅拌机 | +------------------+ +------------------+ +-------------------+ ^ | (加入高盐水+耐盐胶结料) +------------------+ +------------------+ | | 高盐矿井水沉淀 | --> | 阻盐剂预混合池 | --------------+ +------------------+ +------------------+ | v +------------------+ +------------------+ +-------------------+ | 井下采空区膜袋 | <-- | 井下管网输送 | <-- | 工业双缸柱塞泵 | +------------------+ +------------------+ +-------------------+

1. 水质沉淀与阻盐剂活化

地面高矿化度矿井水首先进入大型调节沉淀池，去除悬浮物（SS），防止堵塞注浆泵阀。水流流向制浆搅拌机前，在活化罐内与 ARG 阻盐剂快速预混合，使阻盐活性粒子充分游离分散。

2. 高固相定量配料制浆

矸石仓和粉煤灰仓下方的定量皮带秤将固相骨料送入立式高速剪切搅拌机。同时，抗盐胶结料及预混水按设定的水灰比和级配流量由 PLC 自动化控制系统精密投放。高剪切搅拌能使抗盐改性聚合物在浆体中均匀铺展。

3. 长距离高压输送与流量监测

制备好的料浆经过双缸工业柱塞泵（最大泵送压力 $12\text{ MPa}$）注入主管路。在井口和井下关键管道节点上布设非接触式电磁流量计与高精度压力传感器，实时监控浆体在管道中的水力学流动状态。

图5：矿区水处理与胶凝料研发团队在实验室论证抗盐阻蚀化学反应式

五、长距离泵送高盐料浆堵管故障应急处置 SOP

在实际泵送过程中，若出现设备临时断电或因配方执行偏差造成料浆在管路中发生“异常凝结”，为防止料浆在管内发生不可逆结硬、导致整条管路报废，必须严格执行以下应急处置 SOP：

1. 监测与警报触发

当地面泵送控制中心显示进口压力传感器数值突然大幅度攀升（例如在 $30\text{ 秒}$ 内由常规的 $4.5\text{ MPa}$ 跳升至 $≥ 10.0\text{ MPa}$）且流量计读数接近归零时，说明管路局部已发生料浆淤积或超前凝结。系统立即自动停机，并向地面值班室和井下巡检队长发出声光警报。

2. 系统紧急泄压与隔离

操作员瞬间按下“紧急停泵键”，主活塞停止往复。同时，迅速手动或通过电控阀门开启泵口前方的“溢流泄压阀”，将管道内高压积存的废浆排向应急放浆池，避免整条垂直管道因高压发生爆管伤害事故。

3. 反向水力冲洗与定位疏通

如果确认局部堵塞点位于井下平巷段，则立即起用地面专用大流量高压高盐水反冲洗泵（最大出口压力 $≥ 15.0\text{ MPa}$），使用洁净矿井水从管道另一端进行反向脉冲推压冲洗，直至管内堆积的料浆全部从泄浆孔中冲出。

4. 人工管卡拆卸物理疏通

若反向水力推压 $3\text{ 次}$ 后，压力依旧不降，判定浆体已在弯头或变径处假凝。井下检修班必须根据分布式压力传感器定位的堵塞区段，迅速携带防爆工具拆除对应的快速管卡。使用防爆高压风水枪对拆开的管道内部结块浆料进行物理剔除，直至管路畅通后重新卡紧并试压复原。

图6：地表工业广场生态灌溉与富盐涌水生态化循环消纳科技园区

六、工程应用与技术经济分析

1. 现场消纳高盐水经济价值测算

以高盐矿井水井下充填消纳替代“反渗透膜脱盐+蒸发结晶”为例，其经济及环保对比效益极其可观。

膜处理高盐水综合成本：约 $32 \sim 45\text{ 元/m}^3$（含电耗、超滤/反渗透膜片折旧及结晶盐外运填埋费）。
充填消纳吨水成本：折合材料改性及泵送费用仅为 $12 \sim 18\text{ 元/m}^3$。
吨煤效益：对于一个年涌水量为 $120\text{ 万 m}^3$ 的高盐矿井，若有 $60\%$ 的矿井水（$72\text{ 万 m}^3$）直接用于矸石及粉煤灰料浆制备注入地下，年可直接省去脱盐及盐泥处置费用达：

\text{年节约费用} = 72\text{ 万 m}^3 \times (38\text{ 元/m}^3 - 15\text{ 元/m}^3) = 1656\text{ 万元}

2. 材料建站投资估算

地面制备站一次性投资：包含矸石双级破碎机、粉煤灰储存仓、高剪切搅拌池及 PLC 自动化总控系统，整体建设基建资金约为 $1500 \sim 2200\text{ 万元}$。
折旧与吨煤运营费：分摊折旧后，吨矸石浆料在地下充填的综合折算成本为 $45 \sim 60\text{ 元}$（包含改性阻盐剂费用，不计提采煤增产及免税增量）。

七、实践案例与技术验证

1. 宁夏灵武矿区某典型矿井高盐消纳示范项目

宁夏灵武矿区某大型动力煤矿井（设计产能 500万吨/年），其井下涌水高盐高硬，硬度（以 $\text{CaCO}_3$ 计）高达 $1800\text{ mg/L}$，$\text{SO}_4^{2-}$ 浓度达 $5200\text{ mg/L}$。地面矸石排矸量大，面临环保督察整改停产风险。

建设方案：项目采用地面“两段式”原矸破碎级配制浆法，利用未脱盐的富盐矿井水作为主搅拌水源。胶结料选用 42.5级矿渣硅酸盐水泥，ARG 阻盐剂配比为水泥质量的 $4.2\%$，CCS 缓凝剂掺量为 $0.12\%$。
运行参数与效果监测：
地面柱塞泵出口泵送压力稳定在 $4.8 \sim 6.2\text{ MPa}$。
输送管网总长 $4.2\text{ 公里}$（含垂直落差 $380\text{ 米}$），料浆从配制到工作面充填口平均用时 $45\text{ 分钟}$，未发生一次初凝假凝堵管事故。
采空区充填体固结 $28\text{ 天}$ 平均单轴抗压强度达 $5.5\text{ MPa}$，固结 $90\text{ 天}$ 后强度升至 $8.1\text{ MPa}$ 且无任何开裂龟裂迹象。
环保成效：年安全消纳矸石 $45\text{ 万吨}$，回用高盐矿井水 $38\text{ 万立方米}$，实现矿井“水-固”双废协同安全零排放处置。

八、前期立项可研资料收集核对表

项目开展可行性研究与初步方案编制前，矿方技术部门需协同收集以下现场物理化学基础参数：

[ ] 高盐矿井水质全成分分析报告：需包含 TDS、pH值、硬度以及 $SO_4^{2-}$、$Cl^-$、$Na^+$、$Ca^{2+}$、$Mg^{2+}$ 离子的季平均及年峰值浓度（需提供第三方资质报告）。
[ ] 充填物料样性质分析：准备原矸石样品（约 $20\text{ kg}$，用于级配破碎与重金属/氟离子浸出毒性毒理分析）、粉煤灰级配及活性指数报告。
[ ] 采空区/工作面接续平面图：未来 3 年的采掘接续图，需包含煤层厚度、倾角、采煤上限高度以及工作面长宽走向参数。
[ ] 围岩岩石力学参数报告：顶底板及关键层岩心的物理力学参数（包含单轴抗压强度、抗拉强度、剪切弹模及围压曲线）。

九、常见问题 FAQ

Q：矿井水中的高浓度氯离子会不会锈蚀穿透充填管道？

A：充填输送钢管的磨损主要是粗集料矸石对管壁的物理冲刷剥蚀（物理磨损），而电化学锈蚀（化学腐蚀）在碱性浆液中处于次要地位。高盐水配制的浆液 pH 值通常在 $11.5 \sim 12.5$ 强碱性区间，钢管内壁处于钝化保护状态。对于长期磨损区域，建议使用复合陶瓷防腐耐磨弯头或加厚无缝锰钢管。

Q：使用抗盐配方后，井下充填体强度会不会像普通水泥一样发生中后期倒退？

A：不会。普通水泥因为含有大量 $C_3A$，会在高盐水刺激下不断生成二次钙矾石引起结晶开裂和强度倒退。而本抗盐改性配方大量掺加活性矿渣粉，水化生成的主要是高密度的 C-S-H 凝胶，且 ARG 阻盐剂提前反应切断了后续硫酸根离子的攻击通道，因此中后期（90天到360天）强度会平稳上升并保持在设计刚度区间。

Q：高盐矿井水配制的矸石浆液如果渗漏到其他正常含水层，会造成饮用水污染吗？

A：不会。首先，充填层位设计上均在导水裂隙带上限之上，有完整的红土防渗层隔离；其次，高盐矸石料浆固化后的渗透系数极低（渗透率 $K < 10^{-8}\text{ cm/s}$），已形成密实的结晶防渗阻壁，浆液中的离子极难向外界水体迁移扩散。

参考依据

团体标准 T/ZGME 002-2026《高矿化度矿井水制备充填浆体水力学安全输送标准》
《清洁水与固废安全控制管理法案》（国家环保总局/矿安局）
宁夏回族自治区绿色矿山建设规范（2025年修订版）有关高盐水零排放处置细则

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。

长期服务于陕西北部、内蒙古鄂尔多斯及宁夏灵武等西北大型产煤区，专注高盐矿井水协同煤矸石充填消纳、采空区下塌陷应急固结及智能矿山数字化调度系统。依托中国矿业大学产学研技术资源，帮助企业编写合规、高效的绿色矿山申报与固废减免税方案。

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*声明：文中技术参数与案例数据经脱敏处理，具体工程应用须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*