适用读者： 煤矿矿长、总工程师、选煤副总、机电副总、充填科长、机电科长
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、 煤矸石升井排放痛点与井下原位“采-选-充”一体化构想
传统煤矿生产模式中，大量煤矸石随主煤流提升至地面，经过洗选后再将矸石运往地面矸石山压占土地，或者再次通过地面管路打入井下充填采空区。这种“井下采出 $\rightarrow$ 地面提升 $\rightarrow$ 地面洗选 $\rightarrow$ 再次下井充填”的循环运输模式存在极大弊端。
1.1 传统矸石升井与二次充填的三大瓶颈
- 主井提升与辅助运输资源浪费：煤矸石无效提升占用主井 15%~25% 的提升能力，增加了电能与设备磨损。
- 地面洗选与二次下井能耗过高：矸石由井下运至地表洗选后，再通过地面泵站打入井下，增加了二次转运损耗与管路阻力。
- 地面矸石山环保与安全隐患：地面堆存矸石极易引发自燃、扬尘与淋溶水污染，面临严厉的生态环保处罚。
1.2 井下原位“采-选-充”闭环体系设计
通过在井下大断面硐室布置高精度X射线智能干选机/动筛跳汰机，原煤在井下直接完成“煤与矸石”的高效分离。选出的块状与粉状矸石无需升井，直接进入井下高剪切破碎制浆系统，制成高浓度膏体后，通过就近高压泵输送至相邻采空区充填。
---
二、 井下智能X射线/动筛分选与高剪切膏体制浆流变力学
井下原位充填的核心在于分选效率与高浓度膏体的快速均质化制备。
2.1 X射线智能干选与粒径控制
井下X射线智能干选机利用不同密度物质对X射线的衰减系数差异，在 0.05 秒内识别煤与矸石，并通过高压气喷嘴将矸石精准击落。
$$\rho_{gangue} \ge 1.80 \, \text{g/cm}^3, \quad \rho_{coal} \le 1.40 \, \text{g/cm}^3$$
分选出的矸石进入井下双齿辊破碎机，被破碎至 $\le 15\text{mm}$ 的最佳颗粒级配分布，保证后续泵送管道的低阻力特性。
2.2 井下受限空间高剪切膏体流变模型
在井下狭窄硐室环境下，膏体必须在短时间内完成高效搅拌。膏体在管路中的流变特性服从Herschel-Bulkley 黏塑性模型：
$$\tau = \tau_0 + K \cdot \left(\frac{d\gamma}{dt}\right)^n$$
式中 $\tau$ 为管壁剪切应力，$\tau_0$ 为膏体的屈服应力（要求控制在 $100 \sim 180\text{Pa}$），$K$ 为稠度系数，$n$ 为流变指数（$n < 1$ 时表现为假塑性剪切稀化特性）。
2.3 井下原位分选与制浆工艺参数对比表
| 参数项目 | 传统地面洗选+地面泵送 | 井下原位X射线+井下就近泵送 | 优化效益评估 |
|---|---|---|---|
| 矸石提升量 (万吨/年) | 60.0 | 0.0 (完全原位) | 释放主井提升能力 20% |
| 输送管路距离 (km) | 4.8 (地面至井下深部) | 0.8 (井下硐室至采区) | 沿程阻力下降 83.3% |
| 浆体屈服应力 $\tau_0$ (Pa) | 220 (防止长距离离析) | 120 (易于泵送) | 泵送压力由 18MPa 降至 6.5MPa |
| 系统综合电耗 (kWh/t) | 18.5 | 8.2 | 节约电耗 55.7% |
| 矸石回收充填率 (%) | 88.0% | 98.5% | 提升 10.5 个百分点 |
---
三、 井下硐室充填站就近泵送与变频输送SOP工艺
由于井下空间受限，硐室布局、防尘防爆以及管路变频输送必须严格遵循自动化 SOP 规范。
[步骤01：井下原煤X射线智能分选] --> [步骤02：矸石双级破碎与沉降分级] --> [步骤03：井下高剪切连续搅拌制浆] --> [步骤04：充填泵变频就近压入采空区]3.1 井下硐室系统空间布局规范
- 硐室防爆与通风：分选硐室与制浆硐室须设独立风路，配备双套防爆高压除尘系统，粉尘浓度控制在 $4\text{mg/m}^3$ 以下。
- 给料与仓储自动化：采用高板料给料机与垂直立式螺旋仓，储料容量满足工作面 6 小时连续充填需求。
- 高压充填泵组冗余设计：配备“一用一备”充填工业泵，最大泵送压力达 16MPa，流量实现 $80 \sim 180\text{m}^3/\text{h}$ 变频无级调速。
3.2 变频输送与防堵管 SOP 施工标准
- 启动前润管洗管：启动充填泵前，先泵送 2m³ 减阻润滑砂浆，确认管道压力表读数平稳在 1.5MPa 以内。
- 高固相连续加料：开启 PLC 自动化加料系统，按水固比 1:3.2 自动称量投料，保持高剪切搅拌机转速 $280\text{rpm}$。
- 管路压力实时对账：泵送过程中，沿线每 200m 压力传感器监测压力梯度。若压力突增 1.0MPa，自动降低泵送频率并注入高压压稀浆。
- 停机水洗清洗规范：停机前泵送 300L 海绵隔离球，高压水冲洗管路直到出口流出清水为止。
---
四、 原位分选充填能耗对账与系统稳定性评估
井下原位分选充填系统极大地改善了煤矿整体运行能耗结构。
4.1 传统模式与原位分选模式全生命周期能耗对比
下图展示了两种模式在不同处理量下的每吨矸石综合处理能耗（kWh/t）演化曲线：
实测数据表明，随着年处理量的增加，井下原位采-选-充系统的吨矸石能耗稳定保持在 8.2 kWh/t 左右，相比传统模式降低了 60.0%，年节约电费支出达 600 万元以上。
---
五、 大型井下原位分选充填脱敏工程实践
在某年产 800 万吨的特大型智能矿井，井下布置了首套年处理 80 万吨矸石的井下原位干选与高压膏体充填系统。
5.1 工程实施关键数据总结
| 考核指标项目 | 井下原位分选充填系统实施前 | 系统实施后实测数据 | 改善幅度与收益 |
|---|---|---|---|
| 井下矸石原位入充率 (%) | 0.0% | 99.1% | 实现矸石零升井 |
| 主井有效提升产能 (万吨/年) | 640 | 720 | 提升能力增加 80 万吨 |
| 井下就近泵送距离 (m) | 3500 | 650 | 缩短 81.4% |
| 充填体 28d 抗压强度 (MPa) | 4.8 | 6.2 | 强度提升 29.1% |
| 综合减碳效益 (tCO₂/年) | - | 14,500 | 获得国家绿色矿山碳减排补贴 |
该矿通过成功运行井下原位“采-选-充”一体化系统，年释放主井提升能力 80 万吨，直接增加销售收入近 4.8 亿元，成为全国“矸石不出井”示范样板工程。
---
常见问题解答 (FAQ)
Q1：井下硐室空间狭小，高压X射线干选机的防护安全如何保证？
答： 井下智能干选机采用了“三重铅板防辐射铠甲”与自动安全联锁装置。干选机四周装有 10mm 铅防护罩，外部辐射剂量低于 0.5 $\mu\text{Sv/h}$，完全符合国家辐射防护标准（远低于天然背景辐射）。一旦硐室检修门打开，X射线源在 0.01 秒内自动切断电源。
Q2：井下破碎矸石产生的粉尘会不会引发煤尘爆炸风险？
答： 系统采取了“湿式全封闭破碎+负压高压微米级水雾除尘”双重安全措施。破碎机全封闭运行，内部充入微正压惰性湿雾，阻断粉尘悬浮；硐室出口配备防爆干式过滤除尘器，确保硐室作业区粉尘浓度长期达标。
---
井下原位分选充填系统设计准备资料清单
在推进井下原位“采-选-充”项目可研与设计时，请准备以下核心台账：
- [ ] 井下大断面分选硐室围岩地质稳定性与支护设计图
- [ ] 原煤中矸石密度分布曲线与X射线智能干选可选性试验报告
- [ ] 矸石破碎级配与高浓度膏体流变特性能耗测试报告
- [ ] 井下硐室独立通风系统与防爆高压除尘设计图纸
- [ ] 井下高压充填泵组与变频输送自动化 PLC 控制逻辑
- [ ] 碳减排量化核算与绿色矿山申报对账表
---
Description: 煤矸石井下原位分选与膏体高压就近充填系统集成设计