适用读者： 煤矿矿长、总工程师、安环负责人、防冲/地测科长
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、行业痛点与背景
随着我国煤炭开采向深部及生态脆弱区延伸，传统的“粗放型”开采模式面临极高风险。特别是在晋陕蒙等核心煤炭产区，矿区地表多为湿陷性黄土塬或风积沙地貌，生态系统极易因地下开采塌陷而发生不可逆破坏。当前矿企面临的痛点主要体现在三个层面：
- 环保红线与固废消纳：煤矸石山作为历史遗留的重大污染源，不仅存在扬尘和自燃隐患，其渗滤液中含有的重金属离子更是地下含水层的潜在杀手。中央环保督察已明确指出，新建煤矿必须落实“原矸不出井”或“无废消纳”，固体废物违规堆存将面临高昂处罚。
- “三下”压煤盘活与地表减沉控制：建筑物下、铁路下、水体下（统称“三下”）锁死了我国数以百亿吨计的优质煤炭资源。若采用常规崩落法开采，会引发严重的地表沉降与建构筑物开裂，经济赔偿与纠纷成本常令企业难以承受。
- 顶板动力灾害治理：采深突破800米甚至上千米后，覆岩层间积聚的巨大弹性能极易诱发强烈的冲击地压或冒顶灾害。常规的被动防冲手段（如大直径卸压钻孔、爆破卸压等）存在局限性，难以从源头上阻断应力集中与能量聚积。
因此，寻求一种集“高固废消纳、高效减沉控制、低成本运营”于一体的充填技术方案已成为各大煤炭集团总工程师的首要任务。
二、组合充填的承载机理与技术原理
单一的充填技术往往难以同时兼顾“效果”与“成本”。例如，膏体充填（自下而上）虽然能够提供极高的早期刚性支撑，实现对地表沉陷的极致控制，但由于其水泥等胶凝材料用量大、制浆系统复杂，导致其吨煤充填成本高昂（通常在80-120元/吨），限制了其在整条采煤线上的全面推广。
相反，覆岩隔离注浆充填（自上而下）利用地表长钻孔向岩层关键层下方的“自然离层空间”灌注廉价的低浓度矸石浆液，其材料成本极低（吨煤通常在25-35元左右），且不占用井下采掘接续。然而，离层空间的形成与存续具有强烈的时效性，若关键层跨距过大发生破断，浆液便会流失，导致减沉率衰减。
【组合充填的核心思想】
将两者有机结合：在工作面后方切眼或关键构造区构筑局部的高强度膏体充填体作为“刚性防线”，利用其极高的承载力稳固关键层，抑制其初次断裂和剧烈破断；在此基础上，在关键层上覆的离层发育区进行地面隔离注浆，消纳海量矸石浆液并控制地表宏观变形。
2.1 协同承载力学模型
组合充填体的整体支护承载力可以用下式进行量化估算：
其中：
- P_{total} 为组合系统对上覆岩层的总支撑力（MPa）。
- P_{c} 为井下膏体充填物硬化后的弹性承载力（MPa）。
- P_{g} 为覆岩离层注浆浆体在憋压状态下对覆岩的劈裂反支撑力（MPa）。
膏体充填体硬化后的弹性承载力可表达为：
其中：
- E_{c} 为膏体充填体的弹性模量（GPa）。
- \varepsilon_{c} 为充填体的轴向应变。
- h_{f} 为设计采空区充填高度（m）。
- m 为煤层开采厚度（m）。
- η 为最终充填率（接顶率，%）。
覆岩离层注浆的劈裂反支撑力受浆液流动阻力与憋压压力控制。根据关键层弯曲理论，离层空间内的稳定注浆压力 P_{g} 需满足：
其中：
- σ_{t} 为关键层的极限拉应力（MPa）。
- σ_{v} 为注浆层位处的垂直覆岩自重应力（σ_{v} = γ H）。
- K_{f} 为围岩阻裂韧度常数（MPa）。
三、工艺流程与关键工艺参数设计
组合充填工艺是一个复杂的跨系统工程，涉及井下泵送系统与地面制浆注浆系统的衔接配合。其主要工艺步骤及关键工艺控制点如下：
3.1 总体工艺流程
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graph TD
A[地质物理参数测定] --> B[关键层判别与离层空间定位]
B --> C{工艺方案比选}
C -->|高应力/减沉红线区| D[井下采空区构筑膏体充填体]
C -->|低承载/一般覆岩区| E[地面长钻孔隔离注浆]
D --> F[工艺衔接与注采协同调度]
E --> F
F --> G[动态压力与位移监测]
G --> H[接顶率与减沉效果验证]
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- 井下刚性支撑区构筑：在综采工作面后方空区，利用快速挡墙技术隔绝出充填区域，利用充填泵经下料管将高固相膏体（浓度78%~82%）漫灌充填采空区，在工作面后方形成宽度为 W_{c} 的永久膏体条带。
- 地面离层区追踪注浆：在采煤机向前推进的过程中，当覆岩进入弯曲下沉阶段、关键层下部开始出现层间离层时，通过地面预先施工的定向排孔，向离层空腔内部注入浓度为62%~68%的矸石细料浆。
3.2 级配与浆体流变特性参数
为保证膏体和隔离注浆浆液的高效稳定输送，颗粒级配与流动性能必须严格控制：
| 工艺环节 | 控制参数项 | 推荐控制指标 | 工艺控制目的 |
|---|---|---|---|
| 膏体充填 | 骨料矸石粒径 | ≤ 15\text{ mm} | 防止输送泵缸体拉伤与管路卡堵 |
| 水泥/胶凝剂配比 | 8% ~ 12% （占干料比） | 确保3天早期强度 ≥ 1.5\text{ MPa} | |
| 浆体塌落度 | 200 mm ~ 240 mm | 保证自流流动性与良好的自流平性能 | |
| 隔离注浆 | 研磨细度 | -200\text{目} （<0.074\text{ mm}） ≥ 75\% | 提高浆液稳定性，防止在管道内离析沉降 |
| 浆体悬浮稳定性 | 2小时析水率 ≤ 5\% | 保持浆液在长孔中的扩散性，防止快速沉降 | |
| 宾汉塑性屈服应力 τ_{0} | 15 ~ 35 Pa | 降低超长管道的沿程压力降与摩擦阻力 |
四、适用条件与工程边界约束
组合充填是一项高度定制化的技术，并非所有地质条件的矿井都能直接套用。项目设计阶段必须针对以下指标进行可行性符合判定。
4.1 适用判定指标体系
- 上覆岩层物理力学性质：
- 必须发育有厚度大、强度高（单轴抗压强度 ≥ 60\text{ MPa}）且不易瞬间垮落的坚硬砂岩层作为主关键层。
- 关键层与开采煤层之间必须有足够的垫层厚度（一般要求垫层厚度大于煤厚的3.5倍，即约10-25米），以防离层注浆时浆液直接下渗溃入采煤面。
- 地质构造复杂度：
- 矿界内落差大于煤厚的断层不宜多于2条。断层发育会破坏覆岩的完整性，形成不可控的泄水和跑浆通道。
- 煤层倾角应小于15°，过大的倾角会导致采空区膏体在自流平阶段向低处严重聚积，难以实现均匀接顶。
- 水文地质环境：
- 需测定开采区上覆主含水层的分布与静水压，若含水层直接紧贴采空区，则在膏体挡墙设计时需采用双倍安全系数，确保施工安全。
五、经济分析与投资回收期
为了向煤矿决策层（矿长和财务总工）提供清晰的商务账本，以下对年消纳100万吨煤矸石的组合充填项目进行生命周期成本测算。
5.1 投资构成测算（以陕北某500万吨/年矿井为例）
- 基建一次性投资：
- 地面洗选研磨破碎站（颚式破碎机+球磨机+给料仓）：约 1,200 万元。
- 地面与井下双环冗余制浆泵送站（含高压柱塞泵）：约 850 万元。
- 地面定向钻孔与千米垂直管路施工：约 650 万元。
- 自动化PLC中控与数字孪生监测系统：约 200 万元。
- 基建总投资：约 2,900 万元。
- 吨原煤折算运营成本：
- 每吨煤炭开采产生的矸石比例约为15%。按消纳吨矸石成本折算，其运营成本构成如下：
- 电费与水费：4.5 元/吨矸石。
- 胶凝材料费（膏体区域使用）：18.5 元/吨矸石。
- 设备折旧与耐磨管件更换费：6.0 元/吨矸石.
- 人工劳务与技术服务费：5.5 元/吨矸石。
- 折合吨矸石综合处理成本：34.5 元/吨矸石。
- 折合吨原煤增支：约 5.18 元/吨原煤。
5.2 收益与投资回收期估算
组合充填带来的经济增效路径主要包括：
- 盘活“三下”压煤资源：若置换出压煤资源 500 万吨，按吨煤净利润 120 元计算，可创造直接经济效益达 6 亿元。
- 减免环保固废税：煤矸石固体废物环境保护税为 25 元/吨。年处置 100 万吨矸石即可直接免缴环保税 2,500 万元/年。
- 免缴地表下沉补偿金：避免塌陷区农田、公路和高压线铁塔的损坏赔偿，预计可节约 800 - 1,500 万元/年。
- 投资回收期：在不考虑压煤置换仅计算环保税与塌陷费减免的情况下，项目投资回收期为 1.25 年。
六、主要工程风险与防范/应急处置流程
组合充填系统处于高地应力、高注浆压力的极端工程环境中，必须建立严密的故障防范与标准应急处置SOP。
6.1 跑浆与窜浆风险（Grouting Runaway）
- 定义与危害：地面钻孔下行的高压浆液沿断层、隐伏裂隙或封孔不严的井筒套管，瞬间漏失到邻近巷道或回采工作面，造成淹井或设备损毁。
- 防控措施：
- 地面钻孔封口深度必须穿越风化带，下沉到稳定基岩下方不小于15米，且全孔管段必须采用“水泥砂浆封堵+环氧树脂”双重注浆法。
- 设定极限注浆憋压值为静水压力的1.5倍。
- 标准应急处置SOP流程：
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A[监控发现：压力骤降且流量异常增大] --> B[一键暂停：立即切断主注浆泵电源]
B --> C[通知响应：通知井下回采面巡检工核查溢浆点]
C --> D{溢浆性质判别}
D -->|断层漏失| E[调浆：配浆比例切换为高水速凝浆液]
D -->|工作面窜浆| F[改道：改注入其他安全孔, 井下构筑砂袋挡墙]
E --> G[憋压重凝：低速小压力推注, 封堵通道]
F --> G
G --> H[复查：压水试验检验裂隙气密性, 确认安全后恢复]
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6.2 管路磨损与突发性堵管（Pipeline Clogging）
- 定义与危害：高压浆体在大流量长距离输送时，因料流速低于临界沉降流速会导致颗粒在管底沉淀，引发整根输送管道堵塞。
- 临界沉降流速计算公式（Durand方程修改版）：
其中：
- V_{L} 为管内防止沉降的最低临界流速（m/s）。
- F_{L} 为与浓度和颗粒分布相关的修正系数（一般取1.1-1.3）。
- g 为重力加速度。
- D 为管道内径（m）。
- \rho_{s}, \rho_{w} 分别为骨料密度与水密度。
- d_{50} 为骨料中位粒径。
- 堵管应急处置流程：
- 压力联锁跳闸：当中控SCADA系统监测到泵口压力超过额定工作压力25%（或达到 10 MPa 限值）时，自动触发系统卸压阀。
- 反冲洗介入：关闭浆料阀，切换至高压水阀，启动高压柱塞泵以 1.5 倍设计流量冲洗管道 20 分钟，将沉降物冲至井下安全硐室蓄水池。
- 机械纠偏：若水洗无效，立即启动高压清管器（PIG系统），通过管道内注入弹性胶球，在气压推动下清除附着硬块。
七、实践案例与技术验证
7.1 陕西某神木千万吨级矿井组合充填项目
该矿井设计采深为 450 - 620 米，主采 3-1 煤层，平均厚度达 6.2 米，上覆萨拉乌苏组强含水层。地表有省道和自然保护区，环保要求原矸不外排。
#### 7.1.1 工艺配置方案
- 井下充填段：在切眼及断层附近工作面采用膏体条带充填。
- 膏体配比：矸石占比 72%，粉煤灰 18%，胶凝剂 10%。水固比 1:1.35。
- 地面注浆段：在萨拉乌苏组含水层下方关键层离层区布设了 4 口定向主注浆孔。
- 实施周期：2024 年 3 月至 2025 年 6 月。
#### 7.1.2 新旧指标对比数据分析
经过一整年的动态监测与实测，新旧技术路线的运行指标对照如下表所示：
| 监测技术指标项 | 实施前（传统垮落法） | 实施后（组合充填技术体系） | 优化效果幅度评估 |
|---|---|---|---|
| 地表最大累计下沉量 | 4,200 mm | 114 mm | 降低 97.28%（地表无破坏） |
| 年产煤矸石外排量 | 88 万吨 | 0 万吨 | 实现 100% 固废井下绿色消纳 |
| 煤炭资源回收率（煤柱） | 68% | 91.5% | 提高 23.5%（盘活了建筑物下压煤） |
| 吨煤炭综合水耗 | 1.84 m³/t | 0.42 m³/t | 减少 77.17%（大部分矿井水回用制浆） |
| 冲击地压微震频次 | 42 次/月 | 2 次/月 | 降低 95.23%（应力集中得到根本释放） |
| 综合运行利润总额 | -8,200万元/年 (含罚款赔偿) | +4,800万元/年 (免税及多采煤) | 扭亏为盈，年净增效超 1.3 亿元 |
八、前期准备资料清单
为使项目能顺利通过省级煤炭管理部门与环保厅的安全及环评审批，煤矿总工程师需牵头准备以下第一手设计输入资料：
- [ ] 矿山水文地质及工程地质勘察报告：需包含三维地震勘探成果图及至少5个垂直勘探孔的柱状图。
- [ ] 覆岩力学实验性质数据：提供主关键层砂岩的抗拉、抗压强度，剪切模量与泊松比。
- [ ] 近三年采掘接续大纲及图纸：需明确回采工作面的推进速度、长宽跨度及巷道标高。
- [ ] 矸石及混合矿物样品的理化测试：包括XRD晶体衍射图谱（检测黏土矿物成分如蒙脱石比例）及重金属毒性浸出报告（防范污染地下水）。
九、常见问题 FAQ
Q：覆岩注浆会不会因为压力过大直接压垮井下液压支架？
A： 不会。注浆压力在设计阶段已经通过上限憋压公式进行了硬限绑定。同时，浆液是在综采工作面后方 100 - 150 米的采空区离层空间进行灌注的，此时采空区已由垮落煤岩和膏体条带支撑，注浆压力的水平传递会被有效阻隔，无法对前方的移动式液压支架产生剪切推力。
Q：研磨细度对管道磨损有什么影响？
A： 矸石的研磨细度决定了浆液的固体体积浓度与均匀度。当粒径过大时，沙粒容易产生重力沉积，形成“滑动床层”，使钢管壁发生严重的机械切削磨损。研磨细度达到 -200\text{目} ≥ 75\% 后，浆体呈现塑性流体特征，磨损率可比砂石混合料降低 60% 以上。
Q：如果注浆孔在打孔阶段遭遇破碎带塌孔，如何补救？
A： 采用“随钻随注”或“套管跟进”工艺。当发现塌孔阻力增大时，立即拔出钻具，通过钻孔泵入膨胀型快干膨润土浆液固壁，待浆液达到初凝强度（约4小时）后重新扫孔下钻。
参考依据
- 团体标准 T/ZGME 001-2026《煤矸石覆岩隔离注浆充填技术规范》
- 《煤炭井下浆体充填与地表微变形控制技术规程》（国家能源局安全标准）
- 中国矿业大学岩石力学国家重点实验室《深部开采应力场转移与围岩组合承载力学机理研究》
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。
专注于为陕蒙晋煤炭集团提供原矸不出井、采空区膏体漫灌及覆岩定向孔隔离注浆的技术方案比选与商务模式开发。
依托中国矿业大学产学研科技平台，致力于协助矿企突破安全环保红线，实现可持续智能化绿色转型。
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*本文首发于 [zhangjiezhen.cn](https://zhangjiezhen.cn/blog/paste-overburden-combined.html)，转载请注明出处。*
*声明：文中工艺设计与性能参数均经过工程脱敏处理，具体施工参数必须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*