适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副总、充填开采科长、选煤厂长、洗选与环保主管

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｜中国矿业大学矿山充填开采与环境保护重点实验室技术合作支持

一、行业痛点与国家战略：矸石山环境重负与三下压煤开采瓶颈

煤矸石是煤炭开采与洗选过程中排放量最大的工业固体废弃物。

在陕西榆林神木、府谷，山西晋中、吕梁以及内蒙古鄂尔多斯等大型煤炭生产基地，矿井普遍面临日益严峻的“双重发展约束”：

  1. 地面排矸征地难、环保税负沉重：国家对地面新建矸石山审批实施极其严格的一票否决制度，每吨矸石环保税及堆存占地费高达数十元，且露天矸石山自燃释放高浓度 $\text{SO}_2$ 与粉尘，环保督察风险极高；
  2. 井下无效提升能耗巨大：原煤含矸率普遍在 $15\% \sim 30\%$，将大量无热值重质矸石提升至地面，不仅白白消耗数百万元主井提升电费，还加剧了提升系统的机械磨损与拥堵；
  3. “三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤严重：传统垮落法开采导致上覆地表剧烈塌陷、房屋开裂、地下含水层疏干破坏，大量优质煤炭资源被永久封存无法动用。
采煤机割煤 + 掘进产生高含矸原煤（含矸率 15%~30%）
  ↓ 传统粗放模式：矸石提升至地面堆积成山（环保重罚 + 巨额电耗）
实施“井下连选连充”绿色智能开采模式
  ├── 井下建设重介浅槽/智能干选排矸硐室（原矸就地分离，不升井）
  ├── 分离矸石破碎级配 + 胶凝剂 + 矿井水制备高浓度膏体（质量浓度 78%~82%）
  └── 高压泵送至采空区进行 100% 密实充填（充实率 ≥95%，控制地表沉陷 ≤50mm）

因此，构建煤矸石井下原位分选与高浓度胶结充填开采一体化系统，是大型现代化矿井实现“矸石零升井、不迁村采煤、水资源保护”的绿色低碳必由之路。

二、膏体流变力学与采空区支撑模型：管道输送阻力与地表沉陷方程

高浓度胶结充填浆体属于典型的宾汉（Bingham）非牛顿塑性流体。

1. 膏体高压管道水力输送流变阻力方程

充填膏体在管道内的沿程阻力损失 $i_m$（$\text{Pa/m}$）遵循白金汉（Buckingham）流变积分公式：

$$i_m = \frac{16}{3 D_{pipe}} \tau_0 + \frac{32 \eta}{D_{pipe}^2} v_{pipe}$$

式中：$D_{pipe}$ 为输送管道内径（$\text{m}$）；$\tau_0$ 为膏体的初始屈服切应力（$\text{Pa}$，通常控制在 $100 \sim 250\text{ Pa}$）；$\eta$ 为膏体塑性粘度（$\text{Pa} \cdot \text{s}$）；$v_{pipe}$ 为管道内浆体流速（$\text{m/s}$，经济流速 $1.2 \sim 1.8\text{ m/s}$）。

煤矸石井下分选与膏体充填工艺全流程图
图2：煤矸石井下重介浅槽智能分选、破碎级配制浆与采空区高压充填全流程工艺图

2. 采空区充实率与地表最大下沉量控制模型

充填开采后地表最大下沉值 $W_{max}$ 受充实率 $\eta_{fill}$ 与顶板初始下沉量控制：

$$W_{max} = q_{subs} \cdot M \cdot \cos\alpha \cdot (1 - \eta_{fill}) + \Delta W_{compress}$$

式中：

  • $M$ 为煤层开采采厚（$\text{m}$）；
  • $q_{subs}$ 为传统垮落法地表下沉系数（通常为 $0.70 \sim 0.85$）；
  • $\alpha$ 为煤层倾角；
  • $\eta_{fill}$ 为采空区充填接顶充实率（优质工程达 $\ge 95\%$）；
  • $\Delta W_{compress}$ 为充填体在长期覆岩高应力下的压缩变形量（$\Delta W \le 3\% \sim 5\%$）。

工程效果：当采厚 $M = 3.0\text{m}$，充实率 $\eta_{fill} = 96\%$ 时，地表最大下沉量 $W_{max} \le 45\text{ mm}$，建筑物地表变形指标达到国家最高等级 Ⅰ 级保护标准（微受影响，无需搬迁）。

三、高浓度充填材料物理力学配比参数表

高浓度胶结充填材料主要由破碎煤矸石（骨料）、粉煤灰（减摩细集料）、矿渣复合胶凝剂（早强固化剂）与矿井水按精细比例混合制成：

关键材料成分与性能 高强结构型配比 (采空区骨架) 标准承载型配比 (工作面密实) 经济回填型配比 (远端充实) 控制与设计意义
破碎矸石骨料掺量 $65\% \sim 70\%$（粒径 $<15\text{mm}$） $70\% \sim 75\%$（粒径 $<20\text{mm}$） $75\% \sim 80\%$（粒径 $<25\text{mm}$） 最大化消纳井下排矸，构建高刚度骨架
粉煤灰减摩剂掺量 $18\% \sim 22\%$ $15\% \sim 18\%$ $12\% \sim 15\%$ 滚珠效应润滑流体，降低管道输送摩阻
专用矿渣胶凝剂 $10\% \sim 12\%$ $8\% \sim 10\%$ $5\% \sim 7\%$ 提供水化硅酸钙（C-S-H）胶结强度
浆体质量浓度 $78\% \sim 82\%$ $76\% \sim 80\%$ $74\% \sim 78\%$ 确保不泌水、不分层离析、高充实接顶
坍落度与流动扩展度 坍落度 $220 \sim 240\text{mm}$ 坍落度 $230 \sim 250\text{mm}$ 坍落度 $240 \sim 260\text{mm}$ 保证长距离自流或低泵压平稳输送
8h 早期初凝抗压强度 $\ge 1.5\text{ MPa}$ $\ge 1.0\text{ MPa}$ $\ge 0.6\text{ MPa}$ 支架后方快速固化自立，阻断采空区漏风
28d 极限单轴抗压强度 $6.5 \sim 10.0\text{ MPa}$ $4.5 \sim 6.5\text{ MPa}$ $2.5 \sim 4.5\text{ MPa}$ 长期有效支撑覆岩上覆数千米地应力
井下综采充填面支架后方注浆现场
图3：充填采煤技术人员在专用充填液压支架后方操作高压注浆管实施采空区密闭接顶充填

四、核心充填与分选装备配置清单

井下重介浅槽分选机与大扭矩搅拌机特写
图4：井下硐室内配备的重介质浅槽排矸机、高剪切双卧轴搅拌机与充填工业泵组特写
系统模块 核心设备名称 规格型号与技术参数 工业运行功能
井下分选模块 矿用重介质浅槽分选机 槽体处理能力 $300 \sim 600\text{ t/h}$，入料粒度 $13 \sim 200\text{ mm}$ 准确分离原煤中的大块矸石，分选效率 $\ge 98\%$
矸石破碎模块 井下防爆双齿辊破碎机 2PGC-450 型，破碎能力 $200\text{ t/h}$，出料粒度 $\le 15\text{ mm}$ 将硬质大块矸石精确粉碎至可输送级配骨料
膏体制备模块 双卧轴高剪切连续搅拌机 JS-1500 强化型，电机功率 $2 \times 45\text{ kW}$ 快速强制剪切均化骨料、胶凝剂与水，产能 $120\text{ m}^3/\text{h}$
高压输送模块 矿用高压充填工业泵 HBT-80/16 活塞式充填泵，最大出口压力 $16\text{ MPa}$ 将高浓度膏体经 $\Phi 159\text{ mm}$ 管道远距离泵送至工作面
支护充填模块 充填式掩护型液压支架 ZC-4800 型专用支架，配备后伸缩梁与自移挡矸帘 隔绝采掘空间与充填空间，实现采充平行连续作业

五、工程案例复盘与经济效益对账：山西晋中某大型煤矿连选连充项目

以下结合晋中矿区某年产 240 万吨矿井（主采 9 号煤层，平均采厚 3.2m）井下连选连充工程进行深度对账。

矿长总工与充填开采专家方案评审会
图5：中国矿业大学充填专家组与煤矿总工程师在矿区调度室审查地表沉陷控制与排矸对账表

1. 工程背景与关键技术难点

  • 痛点：矿井工业广场受限于山地狭窄，原地面矸石山库容耗尽，每年产生洗选矸石 45 万吨无处堆放，外运处置成本高达 45 元/吨（年支出超 2000 万元）；
  • 压煤困境：井田上方分布有 2 个行政村庄（民房 380 栋），压煤量达 850 万吨，村庄搬迁补偿预算超 2.2 亿元；
  • 综合方案：井下掘设分选充填硐室，采用“井下重介排矸 + 高浓度膏体充填（充实率 95.5%）”连选连充工艺。

2. 投资造价与综合经济效益对账

山西某矿连选连充项目综合经济效益对账表：
  ├── 建设总投资：井下硐室开拓、分选与搅拌充填系统设备投资共计 3,850 万元
  ├── 年节省排矸处置费与环保税：消纳矸石 45 万吨/年，年直接节约资金 2,025 万元
  ├── 年节省主井提升电耗与磨损：少提矸石 45 万吨，年节约主井提升电费 360 万元
  ├── 解放三下压煤销售收益：年开采压煤 60 万吨，新增销售收入 3.6 亿元（净利超 9000 万元）
  ├── 避免村庄搬迁资金投入：节约一次性搬迁赔偿资金 2.2 亿元
  └── 地表沉陷观测成效：开采 2 年地表最大下沉量仅 38 mm，房屋地表无任何裂缝，实现零迁村开采

六、矿长与总工充填开采迎检自查清单

总工程师在组织充填工程验收与绿色矿山安监迎检时，必须核验以下 6 项核心内容：

  • 充填开采专项安全技术措施与地质规程：包含充填开采地表沉陷预计、防顶板突水与集团公司批复文件。
  • 高浓度充填材料力学化验合格单：实验室出具的膏体 8h、24h、28d 抗压强度、坍落度与泌水率检测报告。
  • 采空区充实率与接顶质量检测台账：采用钻孔窥视仪与激光测距仪实测的采空区充填饱满度记录（$\ge 95\%$）。
  • 井下充填管路压力与流量监控记录：充填工业泵出口压力、管道沿程阻力及充填方量每日在线运行曲线。
  • 地表岩层移动与建构筑物沉陷观测网：地测科每半月一次的地表沉陷水准测量成果表与位移变形分析单。
  • 井下分选硐室安全与防尘消防规程：分选硐室粉尘浓度监测（$<4\text{ mg/m}^3$）与独立通风系统达标证明。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：煤矸石井下原位分选相比地面分选有哪些突出优势？

    答： 核心优势包括：① 彻底杜绝无效提升：矸石直接在井下分离，不占用宝贵的主立井提升机能力，大幅降低提升能耗与设备磨损；② 消除地面环境污染：矸石零升井，免除地面建矸石山征地、扬尘污染及自燃火灾风险；③ 降低充填运输成本：就地制浆就地充填，避免了矸石“先提上井、再搅拌下井”的双向长距离反复转运。

    Q2：高浓度充填膏体在管道长距离输送中如何防止堵管？

    答： 必须严格实施“防堵管四重保障”：① 严格骨料级配：矸石最大粒径严格控制在管道内径的 $1/4 \sim 1/5$ 以下（$<20\text{mm}$），杜绝卡管；② 添加超细粉煤灰：利用微细球形粉煤灰降低流体剪切粘度；③ 维持经济流速：管道流速维持在 $1.2 \sim 1.8\text{ m/s}$，防止固体颗粒沉降；④ 停充高压水洗清管：每次充填停机前必须进行不少于 10 分钟的高压清水反洗排空。

    Q3：高浓度充填开采能否完全保证地面建筑物不产生裂缝？

    答： 可以。只要充填接顶充实率保持在 $95\%$ 以上，且充填体 28d 抗压强度达到设计要求（$\ge 5.0\text{ MPa}$），上覆坚硬岩层基本顶仅会产生微小的均匀弯曲下沉，而不会发生断裂垮落。地表的倾斜变形（$\le 2.0\text{ mm/m}$）与曲率变形（$\le 0.1 \times 10^{-3}/\text{m}$）均完全处于国家规范允许的房屋完好安全范围内。

    参考依据与标准规范

    1. GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
    2. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
    3. GB/T 35056-2018《煤矿充填开采技术规范》
    4. 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
    5. AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
    6. GB 50451-2008《煤矿水文地质勘探规范》

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，山西及内蒙古各大煤矿企业。

    工程设计与充填技术研发深度依托 中国矿业大学矿山充填开采与环境保护重点实验室，具备国家法定资质认证。

    承接业务范围：

    • 煤矸石井下原位智能分选（重介浅槽/干选）与硐室开拓工程总承包；
    • 高浓度胶结膏体充填开采系统设计、制浆站集成与充实率监测；
    • “三下”压煤开采地表沉陷预计、建筑物保护评价与方案论证；
    • 矿井瓦斯等级鉴定、煤自燃标志气体测定与重大灾害综合评估。

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    声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井充填工程需结合地质赋存与采掘系统专项论证。