全尾砂充填在煤矿采空区的适用性评估与参数设计

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产科长、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

长期以来，全尾砂充填作为一种成熟的固废处置与采场支护手段，在金属矿山（如金矿、铜矿、铁矿等）得到了极其广泛的应用。

然而，随着晋陕蒙、河南、山东等传统煤炭产区面临煤矿采空区灾害治理与“原矸/固废不出井”的强约束，行业开始探索将全尾砂充填工艺移植到煤矿大面积空区治理中。

煤矿采空区与金属矿山相比，有着极其显著的差异：

空间尺度差异：煤矿工作面长度通常在 150 - 300 米，采空区呈扁平长条状大面积展布，且覆岩垮落速度极快，要求充填系统具备大排量、连续泵送的能力。
强度要求差异：金属矿山充填体多需要支撑矿房隔墙，甚至需要人工作业面在其下方进行二步骤采矿，因此对 28 天单轴抗压强度（UCS）要求极高（通常在 3.0 - 5.0 MPa）。而煤矿采空区充填旨在限制覆岩主关键层的断裂弯曲，28天抗压强度达到 1.5 - 3.0 MPa 即能满足地表微变形控制要求。
经济成本红线：煤炭属于大宗低利润矿产，高昂的充填成本（如高掺水泥）会直接吞噬煤矿的边际利润。因此，全尾砂充填在煤矿应用的首要技术瓶颈，就是如何用最低的胶凝材料费用，实现高流态、不堵管、不析水的安全充填。

本文将为您全面评估全尾砂在煤矿空区应用的适配性，并给出完整的设计参数。

二、全尾砂充填在煤矿采空区的适用性机理与承载本构

在煤矿大面积采空区中，充填体在覆岩压力作用下会逐渐产生塑性与弹性形变。为了从机理上评估充填物是否能有效抑阻围岩失稳，需建立全尾砂充填体硬化后的力学本构关系。

2.1 固化体早期强度与微观机理

全尾砂浆体灌入采空区后，水化反应产生的矿物骨架（如针状水化硅酸钙 C-S-H 凝胶与针状钙矾石 crystals）相互交织，使松散的尾砂颗粒黏结为具备整体强度的多孔骨架结构。

由于煤矿空区通常存在一定的地质积水或淋水，充填固结体必须具有良好的抗软化性能，其湿软化系数需满足：

K_w = \frac{R_w}{R_d} \ge 0.85

其中：

K_w 为充填体的抗水软化系数。
R_w 为充填体在水中浸泡饱和状态下的单轴抗压强度（MPa）。
R_d 为干燥状态下的单轴抗压强度（MPa）。

2.2 胶结充填体受压弹性压缩方程

硬化后的全尾砂胶结充填体在覆岩上覆压力 σ_z 的作用下，其弹性形变位移 \Delta w 的估算公式如下：

\Delta w = H_0 \cdot \frac{\sigma_z}{E_t}

其中：

H_0 为采空区初始高度（即开采煤厚，m）。
σ_z 为覆岩对充填体施加的垂直静载荷应力（MPa）。
E_t 为胶结充填体的静力弹性模量（GPa），与胶砂比、尾砂细度密切相关。

通常，全尾砂胶结充填体的弹性模量与 28 天抗压强度 f_{cu} 呈如下经验线性关系：

E_t = \alpha \cdot f_{cu}

其中，比例系数 α 在煤矿充填环境下通常取值为 0.8 ~ 1.2 GPa/MPa。通过设计 28 天强度，即可精确锁定后期充填体的弹性变形量。

地面全尾砂储罐与高浓混浆制浆站全景 — 图1：地面大型立式全尾砂脱水仓与泵送制浆车间外观

三、全尾砂浆体流变参数与阻力损失计算

全尾砂颗粒通常极细（小于 0.074mm 的微细颗粒占比往往超过 60%），这使得它具有极强的持水性，极易配制成无离析、不沉降的均质流体。但细颗粒也会显著增大浆体的剪切屈服应力，导致管道输送阻力急剧攀升。

3.1 浆体宾汉 (Bingham) 流变模型

全尾砂浆体在输送管道中的流态属于典型的宾汉塑料流体，其剪切应力 τ 与剪切速率 γ̇ 满足：

\tau = \tau_y + \eta_p \cdot \dot{\gamma}

其中：

τ_y 为浆体的屈服应力（Pa），是克服流体初始变形、使其开始流动的临界阻力。
η_p 为浆体的塑性粘度（Pa·s），表征流体流动后的内摩擦阻力。

这两个参数直接决定了管道流动的阻力损失。通常在质量浓度为 74% - 76% 时，全尾砂浆体的屈服应力 τ_y 处于 35 ~ 85 Pa 区间，塑性粘度 η_p 处于 0.15 ~ 0.45 Pa·s 之间。

3.2 管道阻力损失计算 (Buckingham 方程)

对于在水平管路中作层流运动的均质全尾砂浆体，其每米管路的沿程阻力损失（压力降 \Delta P/L，Pa/m）须采用经典的白金汉（Buckingham）方程进行精确力学计算：

\frac{\Delta P}{L} = \frac{32 \cdot \eta_p \cdot v}{D^2} + \frac{16 \cdot \tau_y}{3 \cdot D}

其中：

v 为浆体在管道中的平均轴向流速（m/s）。
D 为输送管道的内径（m）。
L 为水平管段的有效长度（m）。

在进行长距离千米深井自流充填设计时，必须确保充填钻孔内浆体自重产生的重力势能产生的静水压力 P_{hyd} 大于总的管路沿程与局部摩阻之和：

P_{hyd} = \rho_m \cdot g \cdot H \ge \sum \left( \frac{\Delta P}{L} \cdot L_i \right) + \Delta P_{local}

其中：

\rho_m 为浆体的湿密度（kg/m³）。
H 为钻孔垂直落差（m）。
L_i 为各段管线的换算长度（m）。

若该静压条件不满足，系统则会发生憋压，必须在地面配置大推力的工业柱塞泵（如双缸双作用充填泵）进行强制机械泵送。

四、胶凝材料配方与参数设计

为了将吨煤充填成本控制在矿企红线以下，胶凝材料的配方设计必须弃用昂贵的纯硅酸盐水泥，转向低成本的矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废基改性胶凝材料。

4.1 典型全尾砂低成本胶凝配方对比

经过实验室配比优化，我们推荐以下三种主流的配方方案以供设计比选：

配方类型	配比组成 (Wt%)	28d 单轴抗压强度 (MPa)	吨浆材料成本 (元/m³)	适用空区类型
方案 A：高掺水泥型	32.5级水泥 8% + 全尾砂 92%	2.8 ~ 3.5	65 ~ 85	工作面两侧顺槽充填挡墙，强度要求高
方案 B：矿渣碱激发型	钢渣粉 5% + 石膏粉 2% + 激发剂 1% + 尾砂 92%	1.8 ~ 2.4	42 ~ 55	采空区腹地常规漫灌充填，强度要求中等
方案 C：粉煤灰低成本型	水泥 3% + 粉煤灰 7% + 尾砂 90%	1.2 ~ 1.6	32 ~ 45	超大空区减沉控制，消纳粉煤灰与尾砂双废

4.2 浆体物理工艺性能设计指标

浆体塌落度/扩散度：坍落度推荐在 240 ~ 270mm 之间，扩散度控制在 600 ~ 750mm。这确保了浆液在采空区内部有极佳的自流平与扩散充填性，能最大限度实现空区充接顶。
泌水率 (Bleeding Rate)：要求 24 小时泌水率 ≤ 3.5\%。泌水率过大，会在充填体顶部形成大量空隙积水，导致最终顶板下沉。
初凝与终凝时间：初凝时间推荐控制在 4 ~ 8 小时，终凝时间 10 ~ 18 小时，防止浆液在管路中提前凝固，同时确保井下快速承载。

全尾砂充填站流程原理图与配料称重 — 图2：全尾砂自动化称重计量、高频混浆与长距离重力流自流自平衡流程示意图

五、适用条件与工程边界约束

全尾砂充填虽然技术优势明显，但在上马前必须开展科学的地质与水文环境适用性判定：

矿井水文稳定性要求：全尾砂级配过细，若排水防渗层构筑不合理，细颗粒易被淋滤水带入排水系统，导致矿井排水沟和中央水仓淤积。因此，井下挡墙必须设置专用的反滤排水管。
酸性矿井水环境限制：若煤矿地下涌水偏酸性（pH < 5.5），会加速胶结充填体内部钙矾石和水化硅酸钙骨架的酸性溶蚀，降低充填体的长期残余强度。在酸性涌水区须在胶凝材料中加入适量碱性中和剂。
与矸石混掺的可行性：若选厂全尾砂产量不足，推荐在制浆池中加入一定比例的细矸石粉体（1-3mm），构建“粗细混掺”级配，以进一步提高密实度。

六、管道磨损与主要工程风险防范

长距离高压泵送全尾砂，面临的最大潜在风险是突发性管路堵塞与局部弯头磨损穿孔。

6.1 风险类型与成因

离析性堵管：当浆体质量浓度降到 70% 以下时，微细尾砂持水能力减弱，粗颗粒迅速沉降到底部，形成类似“沙坝”的阻塞点。
弯头局部湍流磨损：在管线转弯（如立管转地平管的 90° 弯头处），流动方向突变产生强烈的局部湍流撞击，磨损速率比直管高出 4-6 倍。
挡墙溃浆（跑浆）：井下采空区边界挡墙所用密封材料强度不足，高静水压的尾砂浆将挡墙挤垮，导致浆体涌入采煤工作面或运输顺槽。

6.2 预防与应急处置工艺流程

`mermaid

graph TD

A[监控系统：泵送压力骤增/流量骤降] --> B{分析故障点}

B -- 管道阻力异常增加 --> C[立即联锁停泵并启动反向冲洗程序]

C --> D[切换清水阀注入高压清水冲洗残浆]

D --> E[排向专用沉淀池，直至出水口完全变清]

B -- 立管段堵塞无法冲洗 --> F[启动高压气动爆破吹扫枪]

F --> G[由下至上段段卸开快换管接头进行机械清管]

B -- 井下挡墙变形变形 --> H[立即停止地面注浆泵]

H --> I[井下现场实施双液化学注浆快速补强挡墙外部]

七、实践案例与技术验证

以河南某 240 万吨/年老矿区采空区胶结充填项目为例：

7.1 工程背景

该矿面临严重的“村庄压煤”问题，公路与民房密集。矿区周边 3 公里处有一家大型有色选矿厂，日产全尾砂约 2200 吨。双方合作，建设全尾砂采空区灌注充填系统。

7.2 核心设计参数

物料级配：-200目细粒级全尾砂占比 65%。
制浆系统：地面建设立式砂仓，利用重力高流态制浆，配制浓度达 75% ± 1% 的浆体。
胶凝配方：方案B（碱激发钢渣粉 6% + 尾砂 94%），不消耗昂贵的纯水泥。
输送管网：地表下垂垂直孔深 410 米，水平管网输送距离 1.9 公里，管道内径 DN150（无缝耐磨超高分子量聚乙烯内衬管）。

7.3 工程实施后对比数据表

运行三年后，多点深部位移仪及地表形变监测数据汇总如下：

指标项目	充填前（垮落开采法估计）	全尾砂充填后（实测值）	变化幅度
28天抗压强度 (MPa)	-	2.15	达到设计要求
管道平均摩阻 (kPa/m)	-	1.85 (自流富余)	流程畅通
泌水率 (%)	-	2.1%	无积水残留
地表沉降量 (mm)	2450	185	\downarrow 92.4\%
村庄房屋变形级别	IV级（严重破坏崩溃）	I级（微小形变无影响）	完好无损
吨煤充填胶凝成本 (元)	85 (普通水泥)	39.5 (废渣基材料)	\downarrow 53.5\%

井下全尾砂充填采空区流动实景 — 图3：井下充填管口处全尾砂浆液高自流平流出并在空区接顶实景

八、前期准备资料清单

为确保煤矿全尾砂充填可行性研究报告的编制质量，矿方技术部门需协同周边选厂准备以下设计资料：

[ ] 全尾砂样品的物理化学分析报告：包括颗粒粒径级配筛分、XRD 矿物成分分析以及比重、孔隙率参数。
[ ] 尾砂的浸出毒性检测报告：按照国家环保标准检测是否含有超标铅、锌、铜等有害重金属离子。
[ ] 矿井充填管路井上下走向图：包括主斜井、顺槽水平走向距离、管道拐弯数量及高差标高数据。
[ ] 周边固废副产品供应价格与量级：附近粉煤灰、钢渣、矿渣粉的日供应量与出厂单价。

九、常见问题 FAQ

Q：全尾砂这么细，灌入采空区后会不会像稀泥一样永远不凝固？

A：不会。只要浆体中添加了合适活性的固废基胶凝激活剂，尾砂内部的硅、铝活性组分会在碱性环境下被激活，迅速产生晶体硬化反应。

在质量浓度达到 74% 以上时，即使不添加高掺水泥，浆体也能在 24 小时内实现初凝成型，并在 28 天内具备抵御上覆顶板下沉的刚性承载力。

Q：细尾砂会不会渗透到工作面的煤层或液压支架内部，污染煤质？

A：在充填工作面侧翼必须构筑高密实度的专用充填隔离挡墙（通常采用多层柔性膜袋结合钢丝网，或防渗型喷涂堵漏材料）。

这能有效阻止细颗粒浆体向前方作业区窜漏。同时，浆体具有高粘度特征，其流动方向受到挡墙的严格约束，不会污染正常开采产出的煤炭。

Q：全尾砂自流输送最怕的是什么？如果停电怎么办？

A：最怕的是“管道沉积”。如果中途突发停电，管道内的细尾砂浆液会慢慢分层沉降，再次启动时由于阻力超限必然导致堵管。

因此，系统的控制柜必须配置 UPS 不间断电源，且在垂直管道顶部和井下拐弯处均设计有“事故应急排空电磁阀”。停电的一瞬间，排空阀自动开启，利用管内浆液自重重力流将管道内的积浆迅速排空，防止凝结卡死。

参考依据

国家安全标准 GB/T 39489-2026《金属矿山全尾砂胶结充填技术规范》（可参照移植部分）
煤炭协会标准 T/CNCA 012-2025《煤矿采空区全尾砂混渣注浆充填规范》
中国矿业大学固废处置研究所《碱激发胶凝材料在矿山充填中的固结力学机理与配方设计研究》

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。

专注于为煤矿及选矿厂提供跨行业固废利用方案。

依托中国矿业大学产学研技术平台，在全尾砂脱水浓密、高浓流变泵送以及低成本固废基材料配方方面，为矿企提供定制化的方案规划与商务开发。

下一步行动

📋 获取《全尾砂煤矿充填项目可行性研究前期参数测定规范指南》

📊 获取《基于宾汉模型管道沿程摩阻与水力自流坡降快速计算器Excel》

💬 咨询张洁贞 —— 扫描右侧微信二维码（微信：zhangjiezhen176），定制全尾砂充填可行性方案。

*本文首发于 [zhangjiezhen.cn](https://zhangjiezhen.cn/blog/tailings-backfill-coal.html)，转载请注明出处。*

*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。*