适用读者： 地方工信与发改委主管、矿区第一责任人（矿长）、党支部书记、安全环保负责人、总工程师、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｜国家“无废城市”试点矿山建设协同推广中心
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神木市作为陕北乃至全国煤炭工业的重镇，面临着极为严峻的生态环境保护红线与“无废城市”建设减排目标。在这一政策框架下，传统的地面覆膜填埋不仅审批路径受阻，更面临着日益高涨的生态损害赔偿隐患。通过技术升级，将地质关键层控沉力学原理与高压浆体泵送技术相结合，构建“破碎研磨—固液连续计量混配—大流量管道重力自流/高压泵送—覆岩隔离注浆/采空区条带充填”的一体化连续工艺，是破解煤矸石消纳难题的本质安全路径。本文深度剖析神木典型矿井的小保当矸石消纳案例，帮助决策层认清井下充填在政治红利、税收免征以及矿区减沉保水开采上的超值综合收益。
一、 神木“无废城市”试点建设政策框架与煤矿刚性指标
神木市在国家十四五及十五五推进“无废城市”试点建设的规划中，被赋予了探索“大宗工业固体废物高值化与井下消纳本质安全技术示范”的核心任务。地方政府和环保局为此出台了多项刚性地方条例，将大宗固废的综合利用率列为煤矿年检与采矿权延续的前置核心指标。
1.1 “无废城市”政策对煤矿的硬性约束指标
根据神木市最新公布的建设方案，到2026年，全市规模以上洗煤厂和煤矿产生的煤矸石综合利用率必须达到 85% 以上，新建及改扩建矿井产生的煤矸石必须实行 “不出井”或“100% 井下回填消纳”。
- 限期整改红线：对于未按要求消纳、超额占用露天土地堆存的煤矿，从2026年起实施资源税差别化税率计征，并暂停其核增产能的审批。
- 生态补偿机制：凡向地表排矸场排放 1 吨煤矸石，矿方需向地方财政额外缴纳 15 至 25 元的“生态环境恢复补偿准备金”。这导致传统露天堆放的经济性彻底丧失。
1.2 从“末端治理”向“源头减量与井下无害化”的思维跨越
在这一刚性约束下，矿方的管理思维必须发生根本性转变：煤矸石不能再被视为“需要被运走掩埋的垃圾”，而应被定义为“实现矿区地表减沉防渗、保水绿色开采的地下回填宝贵矿物材料”。实施井下充填，是煤矿企业响应国家无废城市建设、避免地方环保高频执法的金字招牌。
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二、 神木小保当矿业日处理6000吨矸石智能充填系统解析
在神木本地的无废建设实践中，陕西陕煤小保当矿业有限公司所构筑的“大宗洗选煤矸石地面高效连续制浆—井下多孔覆岩隔离注浆充填系统”堪称行业标杆。该系统实现了日消纳原矸 6000 吨以上，整体消纳成本和智能化水平均处于国际领先地位。
2.1 整体工艺系统空间拓扑结构
小保当的系统设计打破了以往“单孔小流量注浆”的低效模式，采用了“双磨双泵、多孔交替、井地联动”的工艺布局。其整体工艺SCADA拓扑结构如下图所示：
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flowchart TD
A[洗煤厂筛下矸石 ≤50mm] -->|重载胶带输送机| B[地面智能化破碎与球磨系统]
B -->|闭路分级旋流器| C[超细矸石浆体 ≤0.2mm]
C -->|高精度浓度反馈调节器| D[高位连续搅拌储浆大罐 1500m³]
D -->|变频低阻重力自流下井管路| E[井下多通高压配浆分流站]
E -->|定向注浆孔一| F[3号关键层下离层空间A]
E -->|定向注浆孔二| G[3号关键层下离层空间B]
H[井下采动离层应力/隆起传感器] -->|实时防爆以太网回传| I[地面SCADA总控中心]
I -->|自适应算法控制| B
I -->|自适应控制泵送流量| E
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2.2 小保当系统核心运行参数
该系统之所以能实现长周期、大排量的稳定运行，关键在于其对浆液级配与物理参数的精细控制。小保当矿区地表深度一般为 $450\sim 650 \text{ m}$，煤层平均开采厚度 $5.8 \text{ m}$，其主控参数如下：
- 浆体密度：控制在 $1.35 \sim 1.48 \text{ g/cm}^3$；
- 固相质量浓度：稳定维持在 $58\% ± 2\%$；
- 粒径级配控制：粒径 $≤ 0.15 \text{ mm}$ 的超细粉体占比需大于 80%，以保证浆体在直井垂直段不沉降、不发生两相流机械性分离；
- 屈服剪切应力：$τ_0$ 控制在 $18 \sim 28 \text{ Pa}$。
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三、 “破碎—制浆—泵送—充填”全流程闭环工艺设计规范
为了在神木其他中大型矿井中复制这一成功模式，项目必须遵循高标准的物理、力学设计规范，建立闭环工艺控制。
3.1 破碎与超细分级工艺
煤矸石在硬度（莫氏硬度通常在 4.5 到 6.5 之间）和抗压强度上差异较大，若破碎级配不良，大颗粒矸石进入注浆孔，会导致孔口阻力骤增而憋泵。
- 破碎级：一级破碎采用重型颚式破碎机，将洗选矸石块度由 $≤ 300\text{ mm}$ 粗破至 $≤ 50\text{ mm}$；二级采用高剪切双辊式细碎机处理至 $≤ 10\text{ mm}$。
- 研磨级：进入溢流式球磨机进行湿法研磨。规范要求磨矿介质填充率保持在 28% 至 35% 之间，并在出料端配备振动分级筛，筛上大颗粒矸石自动返回球磨机重磨。
3.2 管道输送流体动力学计算与摩阻优化
高浓度浆体在水平耐磨管道内的流动阻力是泵设备选型的力学依据。对于非牛顿塑性宾汉流体，其管道阻力损失（Pipe Friction Loss） \Delta P_f 的计算遵循达西—魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）修正公式：
其中：
- \Delta P_f 为输浆管道的总摩擦阻力损失（\text{Pa}）；
- \lambda 为沿程水力摩阻系数；
- L 为水平输送距离（\text{m}）；
- D 为管道内径（\text{m}，小保当采用特制高强度耐磨合金管，D = 150 \text{ mm}）；
- \rho 为料浆的密度（\text{kg/m}^3）；
- v 为料浆在管道中的平均流速（\text{m/s}，设计经济流速一般为 $1.4 \sim 1.8 \text{ m/s}$，须大于临界沉降流速 $v_c$）；
- τ_0 为宾汉流体极限屈服剪切应力（\text{Pa}）。
在小保当的现场施工中，为了将沿程阻力损失从每百米 $0.45\text{ MPa}$ 优化降至 $0.22\text{ MPa}$，技术团队在制浆过程中引入了适量的聚羧酸型流化剂与稳定剂，并利用井下巷道大落差（直井深度 520m）产生的自重重力势能，成功实现了地表向井下自流输送为主、末端接力泵送为辅的高效低能耗工艺。
3.3 充填工艺过程控制参数表格
在实际运行中，技术人员需要监控多项变量。下表给出了神木小保当项目设计与实际运行的工艺参数对照表：
| 工艺环节 | 控制参数 | 设计基准值 | 实际运行中值 | 控制容许偏差 | 超标危害与调整措施 |
|---|---|---|---|---|---|
| 破碎研磨 | 溢流级细度（-200目占比） | $≥ 75\%$ | 78.5% | $± 3.0\%$ | 细度不足将导致管道加速磨损甚至堵管；调高磨机钢球填充率 |
| 连续制浆 | 搅拌大罐料浆浓度（%） | $62.0\%$ | 60.5% | $± 1.5\%$ | 浓度过低导致地表下陷量增大且失水量大；调节给料粉体秤流量 |
| 重力输送 | 垂直下降段流速 (m/s) | $1.65$ | 1.52 | $± 0.15\text{ m/s}$ | 流速低于 1.2m/s 会发生固相沉降憋管；添加高分子降阻润滑剂 |
| 井下注浆 | 终孔底板注浆压力 (MPa) | $4.50$ | 3.85 | $± 0.50\text{ MPa}$ | 压力超限（>5.5MPa）说明孔底饱裂，需停泵切换备用孔 |
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四、 采空区充填与“生态修复+光伏”地表联合治理模式
在神木多沙、生态脆弱的黄土高原地区，井下充填并不仅仅局限于矸石消纳，更与地表的生态修复与土地增值形成了良性耦合，尤其是正在推广的“地表沉陷充填控制 + 地表植被绿化复垦 + 顶板光伏发电”的三位一体生态模式。
4.1 岩层沉陷控制与地表减压
通过在工作面采空区或覆岩离层中注入煤矸石浆体，采空区上方岩层在破断弯曲过程中的下沉位移量被充填体刚性支撑所抑制。根据小保当地表沉降观测数据，常规不充填工作面最大地表下沉量达 $3200 \text{ mm}$，而实施覆岩注浆充填后，地表下沉量被成功控制在 $260 \text{ mm}$ 以内，降沉率超过 91.8%。
4.2 消除地表裂隙保护水土
地表下沉的大幅减小，直接避免了拉张应力超限引发的地表龟裂纹和宽大沉陷裂缝（通常宽达 $0.5 \sim 1.2 \text{ m}$）。消除了地表裂隙，就保住了神木干旱地区沙地植被的根系水分，并防止了水土流失沙化。
4.3 零沉降高等级光伏园区构筑
由于地表下沉和位移变形降到了毫米级，原本因采煤沉陷无法利用的土地，如今可以直接构筑高标准的地面太阳能光伏发电支架阵列。在光伏板下方种植抗旱紫花苜蓿等植被，既发了“绿色电”，又实现了“复垦田”，构建了无废城市试点的生态闭环体系。
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五、 神木煤矿绿色回填的绿色项目资金扶持与财税减免红利
对于煤矿企业，推行以煤矸石井下充填为主导的绿色开采，绝非只有“投入没有产出”的纯支出。国家和地方在2026年出台了一揽子针对无废城市建设的财政金融补贴与税收减免优惠政策，为企业提供了实实在在的真金白银。
5.1 煤炭资源税减征 50% 政策红利
依据国家税务总局与财政部最新发文，对采用符合标准的井下充填法开采出来的煤炭，减征 50% 的资源税。
- 企业对账：以小保当某工作面为例，年产煤炭 200 万吨，吨煤售价按 650 元计算，资源税税率为 6%。在常规开采下，年缴资源税：
采用井下充填并经地方自然资源与税务部门审核认定后，资源税享受 50% 的减免优惠，每年可为矿井直接省下资源税：
这笔减税金额，足以完全覆盖充填系统的年泵送运行电力与钻孔施工费用，甚至在运行首年即能基本收回制浆站的固定资产折旧。
5.2 环保税全额免征红利
煤矸石在地面露天堆放时，需按每吨 5 元缴纳固体废物环境保护税。小保当系统年消纳处理煤矸石 120 万吨，实现井下无害化填埋处置，每年可免交环保税：
并且彻底杜绝了因大气二氧化硫超标或地下水渗漏超限产生的高额生态环境索赔和行政处罚罚款风险。
5.3 获得国家专项补贴与绿色信贷
- 中央财政固废治理专项资金：小保当矸石充填项目由于在技术上的示范性，2026年成功申请并获批了国家发展改革委“大宗固废综合利用示范项目”专项无偿财政资金补助 800 万元。
- 低息绿色金融债券支持：神木市农商行及建行为小保当发放了年利率仅为 2.85% 的低息“绿色低碳矿山专项贷款” 5000 万元，比常规贷款利率降低了 1.5 个百分点，极大地缓解了矿企前期的固定资产投资压差。
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六、 充填处置过程中的典型安全故障与“闭环应急处置”
在充填和隔离注浆长周期运行中，操作人员必须随时应对各种工程异常，将风险拦截在萌芽状态。
6.1 地面连续搅拌大罐发生成流性“罐内凝结沉淀”故障
- 引发原因：球磨出料浓度过高且搅拌电极突发电气故障停转，浆体在短时间内发生固液分离，重颗粒沉底板结导致排浆口堵死。
- 应急闭环处置规程：
- 切断入料，启动稀释冲洗：调度员接警后，立即关闭前级给料阀，启动紧急大流量清水反冲阀，利用底部切向高压射流喷嘴对沉淀物进行物理打碎。
- 卸载底部安全出料法兰：机械工佩戴高压防喷面罩，使用防爆工具卸开罐底的安全气动阀板，将罐内积存的稠浆排向地表开敞式的防渗排浆坑。
- 加装超声波防板结变送器：在后续大罐改造中，在罐体内壁安装三向超声波液位防结垢探头，通过持续高频声波震荡破坏粉体的电化学凝聚力。
6.2 浆体在垂直井筒段突发“失水凝管”堵塞事故
- 引发原因：在井筒段垂直深度大，重力加速度产生的垂向拉张力导致浆体内水分向上漂移，固相颗粒失水形成机械桥接，将管道中段堵死。
- 应急闭环处置规程：
- 停止注浆，反向排压：主控室联锁紧急关机，关闭直管进料阀，开启排气旁通阀门释放管路余压，防止憋管爆裂。
- 声波测距定位堵点：在管壁上使用手持式高精度超声波管道阻抗测定仪进行敲击扫频，快速测定“管内空腔”与“致密堵塞”的声学阻抗分界线，精准定位堵点位置。
- 管道段分段高压水刀疏通：将堵塞段下方的法兰断开，使用耐磨软管高压水枪（压力 $≥ 15.0 \text{ MPa}$）从下至上进行旋切式逆向水刀疏通。后续运行要求浆液中必须保证最低 1.2% 的膨润土或超细粉煤灰作为保水骨料，提高保水率至 98% 以上。
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七、 总结与矿山长青行动指南
神木“无废城市”试点不仅是神木市转型升级的硬性政治使命，也是陕北煤矿企业摆脱传统粗放型污染模式、实现本质合规和持续盈利的历史机遇。以小保当为表率的智能矸石回填模式，用详实的财务报表和地质控沉数据自证了其巨大的经济学潜力。
对于陕北及神东矿区的决策层，长远行动指南应坚持如下三点：
- 建立洗选与充填协同的信息化“总账本”：将地面制浆站的配料控制与井下综采工作面的推进速度进行 SCADA 系统深度联动，防止“产矸量”与“消纳量”失衡。
- 充分吃透资源税返还与免征优惠：财务与环保部门需一文一核对，确保绿色开采的各项减税红利 100% 落实到矿井财务报表中，以冲抵运行成本。
- 强化充填管道与大罐防爆的本质安全检修：设备无小事，长距离泵送必须将高抗拉磨管壁厚超声波测厚（半月检）作为刚性机电红线，彻底消灭地表溢出和地下凝管隐患。