一句话回答： 本文针对矿区“三下”压煤资源采出受限、地面固体废弃物煤矸石堆存污染严重及常规充填接顶效果差导致覆岩失稳的行业共性瓶颈，系统阐述了原矸松散体空隙率计算模型与高水材料水合凝结特性（n_p = 1 - \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{true}}），详述了“骨架构建-间隙填充-胶结固化”三步法工艺流程，并提供了应急预案与水土环保自查指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副矿长、环保科长、充填车间主任、中国矿大技术顾问
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭加工利用协会固废隔离注浆专家组成员
---
一、 煤矸石原矸与高水复合充填背景与工艺痛点
伴随着大宗固体废弃物综合处置和绿色矿山标准深入实施，对采煤产生的伴生固废——煤矸石（Coal Gangue）进行井下消纳充填已经成为主要技术方向。目前，在村庄、水体及铁路等“三下”压煤保护性开采区域，如何经济、安全地将煤矸石回填至采空区并保障顶板稳固，仍面临着极其严峻的工程技术痛点：
- 常规固体充填的物理接顶“空顶空区”顽裂：原生煤矸石（原矸）直接抛洒充填时，由于煤矸石颗粒之间存在极大的重力下沉空间和堆积死角，充填体无法实现 100% 的接顶。随着工作面推移，顶板关键层发生早期弯曲形变，导致残留“空隙带”产生，无法有效控制地表沉降量在 $100\text{ mm} \sim 300\text{ mm}$ 的安全红线内。
- 膏体充填及胶结充填设备投入和材料制备成本极高：常规的膏体充填（Paste Backfill）需要将煤矸石研磨成极细的微粉，再与水泥、粉煤灰、添加剂及水在地面配制成粘稠的高浓度浆液连续泵送。这需要配备极其庞大昂贵的地面三级破碎及高压强力泵阀群，且每吨的材料胶结成本往往突破 $100\text{ 元} \sim 150\text{ 元}$，煤矿企业难以长期承受。
- 大流量浆体渗流与游离水二次流失污染：如果充填材料水灰比控制不当，多余的浆体游离水会沿采空区底板向巷道排水沟发生大面积侧向渗漏。这些高矿化度、含重金属的浑水极易引发井下排水系统瘫痪，并对地下含水层造成持久的渗透性污染。
中国矿大“煤矸石原矸 + 高水材料漫灌复合充填技术”（Raw Gangue + High-water Material Flooding Composite Backfill Tech）是突破上述瓶颈的黄金替代方案。该技术摒弃了膏体的高成本细磨工艺，采用“骨架构建-间隙填充-胶结固化”的三向力学协同机制：首先将粒径 $10\text{ mm} \sim 300\text{ mm}$ 的煤矸石块体通过刮板机输送至采空区铺筑成高密承载骨架；随后将水固比高达 $3:1 \sim 5:1$ 的 A、B 双组份超高水化学材料浆体以 1:1 体积比混合，利用自重和局部挤压漫灌注入矸石堆的空隙中。浆体在 8s~30s 内瞬间凝结，吸收并锁固 90% 以上的水分，将松散煤矸石融结成一体化的超高强复合充填体，承载抗压强度可显著提升 60% 以上，保证资源回采与绿色矿山本质安全。
---
二、 煤矸石骨架空隙率与高水胶结体体积摩阻力学计算
2.1 煤矸石原生散体堆积空隙率力学解析
为了精确计算高水材料浆体在矸石骨架中的充填注入量，必须首先计算原生煤矸石粗骨架抛洒后的散体空隙率（Porosity of Gangue Skeleton） $n_p$。根据岩石碎胀与散体堆积力学，其计算公式为：
其中：
- $n_p$：散体矸石骨架的天然物理空隙率（无量纲，复合充填设计控制在 35%~40% 的理想流动空隙区）；
- $\rho_{bulk}$：抛洒整平后，采空区后方原矸石骨架的松散堆积表观密度（单位：$\text{t/m}^3$）；
- $\rho_{true}$：煤矸石母岩的原生力学真密度（通常取 $2.4 \sim 2.7\text{ t/m}^3$）。
2.2 高水浆体硬化体积膨胀与接顶应力边界
高水材料 A、B 双液在矸石空隙中发生结晶膨胀，对直接顶板施加的主动承托压应力（Bearing Stress） $σ_{active}$ 必须满足：
其中：
- $E_{comp}$：固结后煤矸石-高水复合充填体的弹性变形模量（28天要求 $≥ 2.0\text{ GPa}$）；
- $\Delta h$：采空区老顶的容许弯曲沉降值（m，控制指标为 $≤ 150\text{ mm}$）；
- $H_{seam}$：采煤面设计回采高度（m）；
- $γ$：覆岩的平均重度（一般取 $25\text{ kN/m}^3$）；
- $H_{depth}$：煤层埋藏深度（m）；
- $η_{subsidence}$：预期的地表沉降控制率（通常设计要求达到 75%~82% 以上）。
---
三、 复合充填与膏体/常规充填技术性能参数对账表
根据中国矿业大学高水漫灌项目组实验测定，对不同充填工艺在技术特性、经济成本及减沉环保成效上进行了详细对账：
| 工艺方案 | 骨料制备要求 | 水固比/胶结比 | 28天单轴强度 $σ_c$ (MPa) | 采空区充填接顶率 (%) | 吨煤充填总成本 (元/吨) | 地表沉降控制率 (%) | 浆体游离水漏失量 | 设备投资额 (万元) | 环保与政策适配判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 膏体充填 | 极细粉碎 ($d ≤ 5\text{mm}$) | 水泥/粉煤灰 (1:3:1) | 3.5 | 95% (局部空顶) | 125.0 (偏高) | 70% | 0.0 (无漏水) | 2800 (昂贵) | 环保合规，但企业经济负担极重，难以推广 |
| 常规矸石干充 | 简单破碎 ($d ≤ 300\text{mm}$) | 无胶结 | 0.8 | 80% (不接顶) | 35.0 | 45% (较差) | 无 | 850 | 减沉效果达不到“三下”压煤保护国家标准 |
| 高水漫灌复合 | 原矸抛洒 ($d ≤ 300\text{mm}$) | 水固比 4:1 (双液) | 2.2 (力学达标) | 99% (完全接顶) | 68.0 (极低) | 82% (极佳) | $≤ 0.5\%$ (锁水) | 1200 (节省) | 最佳方案，完全符合绿色矿山与减税要求 |
| 超高水充填 | 无骨料 | 水固比 11:1 (纯水) | 0.5 (偏弱) | 99% | 110.0 | 60% | 0.0 | 950 | 纯水填充强度弱，后期存在塑性变形变大隐患 |
| 垮落法开采 | — | — | — | — | 0.0 | 0.0% (不控制) | — | 0.0 | 违反生态环境保护红线，地表严重塌塌塌陷 |
[!IMPORTANT]
分析数据清晰证明，采用 高水漫灌复合充填 工艺，以原矸石作为粗骨架（粒径上限达 300mm），复合材料单轴抗压强度达到 2.2 MPa，吨煤总充填成本强力压制在 68.0 元/吨以内，地表沉降控制率高达 82%，相较于膏体充填不仅节省设备投资 57%，还可享受国家固废减税即征即退政策，是当前矿井绿色转型与采减平衡的最佳技术路径。
---
四、 煤矸石原矸与高水漫灌充填系统安装与施工工艺设计
为了达成采空区 100% 的密实充填，我们设计了包含井下原矸筛分转运、地面智能化双组份制备及复合液压支架漫灌一体化的工艺，系统流程拓扑如下：
`mermaid
flowchart TD
A[掘进原生煤矸石块料 d<300mm] --> B[高频波状挡边胶带输送机]
B -->|摊铺摊平厚度 1.0m| C[采空区后方高密矸石粗骨架]
D[地面智能化双组分制备站] -->|按4:1水固比搅拌A浆液| E[高压保温输浆管道 D=108mm]
F[地面智能化双组分制备站] -->|按4:1水固比搅拌B浆液| E
E -->|进入工作面 Y 型混合器 1:1 混合| G[定制复合充填液压支架后部导流管]
G -->|漫灌注入原矸骨架空隙| H[三相胶结结晶反应锁水凝固]
H -->|固结单轴抗压强度达2.2MPa| I[老顶关键层托顶阻裂]
J[应力传感器与顶板沉降SCADA监测] -->|位移数据回传| K[中控调度室环保监控大屏]
K -->|数据闭锁动态调控搅拌水固比| D
`
4.1 矸石转运与级配筛分系统设计
掘进采出的粗大矸石利用刮板输送机提升至井下三级破碎分选转载站：
- 粒径筛分要求：选用大功率振动筛对原矸进行机械筛分，筛分级配设定为粒径 $10\text{ mm} ≤ d ≤ 300\text{ mm}$，防止小于 10mm 的细颗粒矸石占比超过 20% 影响浆体的重力自流渗流空隙。
- 输送撒漏降尘：转运系统使用波状挡边胶带输送机，输送倾角设为 $18^\circ$。在各转载点和破碎点布设雾化降尘高压喷枪，降尘率达到 88%。
4.2 智能化双组分制备站与双液输浆管路
在地面建立 A、B 双组份独立制浆车间：
- 水固比精确控制：A料（铝土矿基材）与B料（石膏-速凝剂基材）按 $4:1$ 的设计水固比在大型行星式搅拌机中独立高速搅拌，混浆时间分别为 A料 $≥ 3\text{ min}$，B料 $≥ 2\text{ min}$。
- 长距离耐磨输浆管道：双液通过两条各自独立、涂层耐磨的 $D=108\text{mm}$ 无缝高压钢管连续输送至井下工作面混合器。混合器内部采用静态螺旋叶片结构，确保 A、B 液出管前混合均匀度 $≥ 95\%$。
4.3 定制化复合充填液压支架漫灌接顶工艺
工作面配套使用定制化复合充填专用液压支架，单架工作阻力 $≥ 6500\text{ kN}$：
- 双通道合理布置：支架后部设置独立的矸石铺设通道（净宽 $≥ 1.2\text{ m}$）与浆液漫灌钢管通道（宽 $≥ 0.3\text{ m}$）。
- 高水材料高位接顶：最后一层矸石铺设完成后，在顶板与矸石表面预留 $300\text{ mm}$ 空隙，使用高水材料与粉煤灰（质量比 3:1）混合调制的微膨胀浓浆进行高位接顶压注，确保接顶密实度达 95% 以上。
---
五、 复合充填系统全工况应急预案（浆体大面积渗水、管道砂堵憋泵、工作面支架卡死）
针对注浆中途突发游离水渗漏大巷、输送管道严重积砂堵塞及液压支架回缩困难等恶性工况，特制定本应急处置流程。
5.1 采空区底部发生“浆液游离水大面积跑水渗漏”应急处置
- 触发条件：工作面顺槽排水沟中涌水量在 30 分钟内突然增加 $30\text{ m}^3\text{/h}$ 以上，水质浑浊，有高浓度化学浆液气味。
- 应急处置流程：
- 暂停浆液注入：中控室即刻停止地面 A、B 浆液泵送，切换为清水进行长达 5分钟的管道自我冲洗，防止浆液在管内初凝。
- 设置挡水砂袋围堰：现场工人迅速在顺槽出水侧堆垒双排防爆土工砂袋，阻止浑水溢入大巷机电设备区。
- 封堵裂隙速凝注浆：使用移动式气动注浆泵，向底板开裂渗水缝隙内高压压注“瞬凝双液堵漏高分子材料”，利用高聚物膨胀反应封堵地层裂缝通道。
5.2 长距离高压输浆管路突发“离析砂堵憋泵”应急处置
- 触发条件：主输浆泵压力表针瞬间顶格，柱塞泵安全切断阀跳闸，管道接头发生剧烈震颤。
- 应急处置流程：
- 分流卸压安全排放：操作工迅速拉下分流截止阀，将高压残余料浆反向泄入地面应急缓释事故池，严禁未卸压即动手拆除螺栓。
- 定位敲击堵塞段：使用木槌沿水平长距离管路分段敲打，若管路声沉闷无空回音，即为矸石粉块离析堵塞点。
- 拆解冲洗扫孔：拆开法兰，使用高水枪进行由下至上的分段清水清洗。冲洗完毕后，重新组装管路进行清水试压。
5.3 复合液压支架发生“采空区塌方卡架”应急处置
- 触发条件：后部矸石堆积及浆体结晶过快导致岩体发生剪切下滑，将充填液压支架尾部整体卡死，支架无法向前移动进尺。
- 应急处置流程：
- 顶板临时拉线锚固：使用锚杆钻机对支架上方顶板施加 2 根高强预应力锚杆挂钢带锁定，托住不稳定直接顶。
- 反向乳化液千斤顶牵引：启用支架常备的高负荷反向拉移动作千斤顶（拉力 $≥ 1500\text{ kN}$），并利用邻架侧向液压联锁，协作强力向前方顺槽拖移。
- 局部风炮破岩开挖：若千斤顶无效，必须由救护队员使用防爆气动风炮，对卡阻段的硬化胶结岩体进行局部物理开凿，碎裂后挪移支架。
---
六、 煤矿总工程师与充填车间主管复合充填安全自查指南（15项）
为确保原矸高水复合充填工程浆液水合正常、矸石空隙率受控、接顶率达标并符合绿色矿山行业准入规范，总工程师及车间主任必须对照以下自查清单，每月组织一次专项大检查。
`
[ ] 1. 检查煤矸石筛分粒度记录，确保 >300mm 和 <10mm 的非级配矸石占比低于 20%。
[ ] 2. 核实高水材料 A、B 双液配料的水固比在线监测表，变频计量偏差须在 ±1% 安全范围内。
[ ] 3. 现场检查无缝钢质管道沿线吊架锚固强度，确认管道接头法兰密封件无微漏浆隐患。
[ ] 4. 检查复合充填体 28 天单轴抗压强度物理检验周报，单轴强度必须稳定在 ≥ 2.0MPa 刚性线。
[ ] 5. 抽查采空区接顶灌注段记录，实测接顶密实度百分比需稳定在 95% 以上。
[ ] 6. 自查地面智能化制备车间主控 PLC 程序中的环管压力反馈与堵管预警联锁控制程序，动作正常。
[ ] 7. 现场抽问充填工在“水平管路突然憋泵”时的泄压阀手动紧急启动步骤，实操合格。
[ ] 8. 检查井下主要排水沟的悬浮物（SS）比重记录，要求水质浊度不超出国家防污染红线。
[ ] 9. 核实工作面充填专用液压支架的工作阻力数值，确保支架立柱工作载荷符合 ≥ 6500kN 规范。
[ ] 10. 检查高压注浆管路底部的事故排料板阀耐磨程度，密封法兰垫片每两周必须进行一次强制更换。
[ ] 11. 自查环保科向地方生态环境部门上报的地下水水质浸出试验监测记录，无重金属重度超标。
[ ] 12. 检查地表沉陷GNSS测点三维坐标历史曲线，累计地表下沉量需死死控制在 150mm 以内。
[ ] 13. 抽查仓库内储备的高水材料（A、B双粉）防潮塑封质量，禁止调配受潮硬化的报废粉料。
[ ] 14. 调阅上一年度矿区建（构）筑物保护采煤安全综合技术评估报告，必须有中国矿大签字证明。
[ ] 15. 审查充填车间年度用电负荷与主驱动变频器的散热风扇积灰，确保变频调速电机不发生热保护跳闸。
`
---
七、 总结与决策行动指南
中国矿大煤矸石原矸与高水材料漫灌复合充填是一项集固废规模化处置、地表沉陷控制与本质安全防护于一体的绿色革命工程。煤矿环保及生产副矿长在决策执行中必须恪守以下行动指南：
- 恪守“原矸块体骨架与高水水固比”的技术红线：绝不能为省高水材料而随意增加配水比。必须严格执行公式和 高水漫灌复合 规范，将 28天单轴强度维持在 2.0 MPa 以上，从根本上支撑顶板覆岩。
- 强推“长距离高压管路事故阀防护与清水满管反洗”的运维规程：堵管是充填站的致命天灾。必须严格执行“充前试水、充后清管”的铁律，在管线低位合理布设防爆事故排放阀，杜绝发生死管瘫痪。
- 落实“废弃矸石不下山、游离水回用处理”的零污染决策：原矸消纳必须配合严密的水质浸出监测，保证有害重金属不外泄、游离水净化循环，为绿色矿山标准化建设与减税征退树立高标准样板。