熱電廠爐渣作為煤礦膏體充填材料的配比試驗研究*

Phan Van Viet，王　東

(遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

作為煤礦綠色開采技術的重要組成部分，充填開采是解決“三下”壓煤問題的理想途徑，其中，膏體充填采礦法繼承了一般水力充填中料漿流動性好、易于進行管道輸送的優點，同時又具備膏體材料濃度高、井下不需脫水、充填強度高，地表沉陷控制效果好的優勢，逐步成為充填采礦的主流[1-4]。充填材料是整個充填系統的核心，對充填質量、充填成本以及充填效果起著決定性作用。到目前為止，國內外的煤礦企業采用膏體充填的粗骨料主要是破碎煤矸石，而實踐應用已證明該材料完全滿足膏體充填粗骨料的工藝要求[5-7]。然而，其存在問題是煤矸石雖然是礦山的廢物，可以在礦山就地取材，但需要經加工工序導致充填材料制備系統較為復雜以及初次投資高，導致充填成本占采礦成本的1/3左右[3-11]。為簡化材料制備系統，降低充填成本，尋求適合、能夠直接利用的替代充填材料已成為膏體充填技術領域研究的重要課題。

此外，隨著燃煤火力發電工業的快速發展，熱電廠灰渣(粉煤灰和爐渣)排放量逐年增加，且大部分爐渣主要采用填埋和堆放的處理方式[12-14]。如何采取適當的措施和方法，對爐渣廢棄物實現回收再利用，是有效緩解生態環境壓力的重要途徑。

基于以上分析，本文提出了將熱電廠爐渣替代煤矸石作為膏體充填的粗骨料，通過實驗室試驗，證明了直接利用爐渣滿足膏體充填材料的基本技術要求。若將該材料在工業實際得到成功應用，不僅能解決充填成本高的難題，推動膏體充填技術的進一步發展，而且可以從源頭上治理熱電廠廢渣無序堆積造成的環境污染，實現固體廢物的合理利用，促進煤炭資源綠色開采的發展。

1　爐渣的基本理化特征

熱電廠爐渣的物理性質和化學成分不僅與煤種、煤源有關，同時亦取決于鍋爐的類型、運行條件及排渣方式[12-14]。因此，不同來源爐渣的理化特征存在一定差別。本文以阜新熱電廠爐渣為研究對象，該熱電廠采用循環硫化床燃煤鍋爐，其排出的干爐渣呈黑灰色，顆粒粒度與傳統的破碎煤矸石骨料類似；其松散容重為1 300.7 kg/m3，粒級分布如圖1和表1所示，化學成分如表2所示。

圖1　熱電廠爐渣粒級分布Fig.1　The grain size distribution of bottom ash

表1　熱電廠爐渣和破碎煤矸石的粒級組成

表2　熱電廠爐渣和破碎煤矸石的化學成分含量

通過對比分析爐渣與破碎煤矸石的理化特征可知，2種骨料的主要化學成分差異不大，且爐渣的顆粒級配與破碎煤矸石的基本相似，有利于泵送及管道輸送。更為重要的是，采用爐渣作為膏體充填骨料具有無需破碎、成本低廉、材料來源充足以及安全環保等優勢。

2　爐渣膏體充填材料性能配比試驗

考慮到膏體充填料漿性能和充填體強度對材料可泵性、管道輸送效果以及地表沉陷控制效果具有較大影響，為全面地論證爐渣替代煤矸石作為膏體充填材料的可行性，掌握其性能并確定滿足充填需求的最優配比，本文采用爐渣為粗骨料，粉煤灰為細骨料，32.5號普通硅酸鹽水泥為膠結材料和水配制成膏體充填料漿，進行配比試驗。

2.1　試驗內容與方案

在借鑒煤矸石膏體充填實踐經驗的基礎上[1-11]，建立16組試驗，分別測試不同爐渣/粉煤灰比例、料漿質量濃度、水泥含量對充填材料的坍落度、擴展度、泌水率、抗壓強度等性能參數的影響。具體配比情況見表3。

圖2所示為充填材料性能試驗過程，每一組按具體的配比稱取相應量的水泥、粉煤灰、爐渣，放入攪拌儀器中干拌均勻，加入定量的水后再攪拌均勻，制備好充填料漿后立即測定塌落度和擴展度，然后將料漿裝入50 mm×100 mm尺寸的標準金屬試模制成標準試模若干組然后放入標準養護箱中進行養護，到規定時間后測定膏體的初凝、終凝時間和泌水率，養護至規定齡期取出，用WDW-100E 型壓力試驗機測定各齡期的單軸抗壓強度。

表3　充填材料配比試驗方案

圖2　充填材料性能測試過程Fig.2　The properties filling materials of testing process

2.2　試驗結果及分析

通過室內的一系列試驗獲得了不同配比條件下充填料漿的各性能參數和充填體的各齡期單軸抗壓強度(見表4)，據此可繪制不同材料配比與膏體充填材料性能參數間的關系曲線，進而揭示各因素對材料基本性能的影響，確定最優配比。

1) 不同配比條件下爐渣膏體充填材料坍落度及擴展度的變化規律

圖3(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質量濃度和水泥含量對爐渣膏體充填材料坍落度及擴展度的影響規律。分析可知，加入粉煤灰可顯著提高充填材料的坍落度及擴展度；但是當粉煤灰含量過大時，由于越來越多的水會被粉煤灰吸附使得質量濃度減小，料漿的坍落度及擴展度又呈現逐漸減少的趨勢；在質量濃度為74%條件下，為保持料漿坍落度不小于200 mm，粉煤灰/爐渣比例不宜大于0.79。質量濃度對料漿的坍落度和擴展度影響較為顯著，隨著質量濃度增加，充填料漿的坍落度和擴展度隨之變小，表明質量濃度過大會造成充填料漿輸送困難；為滿足膏體正常泵送需求，坍落度一般應大于200 mm，對應的料漿質量濃度為72%～74%。隨著水泥含量增加，充填料漿的坍落度和擴展呈現緩慢減小的變化趨勢，原因是水泥與水混合形成的水化產物將在料漿中集聚，從而導致了坍落度和擴展度的減小。

表4　爐渣膏體充填材料配比試驗結果

圖3　不同配比與爐渣膏體充填材料坍落度及擴展度的關系曲線Fig.3　The relational curves between slump, slump flow of paste filling and material ratio

2) 不同配比條件下爐渣膏體充填材料泌水率的變化規律

圖4(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質量濃度和水泥含量對爐渣膏體充填材料泌水率的影響規律。分析可知，隨著粉煤灰/爐渣比例的增加，料漿泌水率顯著降低，尤其是當粉煤灰/爐渣比例的變化范圍為 0～0.42，泌水率降低幅度較大。隨著質量濃度升高，料漿泌水率隨之減小，且減小幅度較大。隨著水泥含量的升高，料漿泌水率有規律地降低。

圖4　不同配比與爐渣膏體充填材料泌水率的關系曲線Fig.4　The relational curves between water bleeding rate of paste filling and material ratio

3) 不同配比條件下爐渣膏體充填材料抗壓強度的變化規律

圖5(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質量濃度和水泥含量對爐渣膏體充填材料抗壓強度的影響規律。分析可知，粉煤灰含量對充填體后期(7 d和28 d)強度的影響較為顯著，對早期(1 d)抗壓強度的影響很小；當粉煤灰/爐渣比例的變化范圍為 0～0.42，強度隨著粉煤灰含量的增加顯著增大；當粉煤灰/爐渣比例的變化范圍為 0.42～1.43，強度隨著粉煤灰含量的增加稍有減??；從充填體強度要求出發，最佳的粉煤灰/爐渣比例為 0.42 ，相應的粉煤灰含量為20%。充填體強度隨著質量濃度的增加而增大，而且質量濃度對早期強度的影響大于對后期強度的影響，表明質量濃度對早期強度明顯有利，應在滿足流動性的前提下盡量增加膏體的質量濃度。充填體強度隨著水泥含量增大近線性增大，且非常顯著；由于水泥含量是影響充填成本的主要因素，要選擇適宜的水泥含量以既滿足充填體強度的要求，又能降低充填成本。

圖5　不同配比與爐渣膏體充填材料抗壓強度關系Fig.5　The relational curves between compressive strength of filling material and material ratio

依據煤矸石膏體充填的實踐經驗可知，一般情況下煤矸石膏體充填料漿的坍落度控制在 200～250 mm 之間，泌水率小于 5%，充填體1 d，7 d 和 28 d 的抗壓強度分別在 0.2～0.5，2～3.5，>3.5 MPa 的范圍內[1-11，15-16]。結合本次試驗成果可知，爐渣膏體充填的最佳材料配比為：粉煤灰、爐渣和水泥的質量比為 20∶48∶6，質量濃度為 74%；此時的料漿坍落度和擴展度分別為 215 和 521 mm，泌水率為 3.64%，充填體 1 d，7 d和28 d 的抗壓強度分別為 0.25，2.85和4.79 MPa。因此，爐渣膏體充填的料漿流動性和充填體強度與煤矸石膏體的相比差異不大，說明其各項性能完全符合煤礦一般情況的基本要求。

3　結論

1) 熱電廠爐渣膏體的料漿流動性和充填體強度與煤矸石膏體沒有明顯差異，用其替代傳統的破碎煤矸石膏體粗骨料在技術上可行；爐渣可以直接利用，從而減少加工工序和降低成本，尤其是可解決工業廢料對環境污染問題，是環保、低成本的新型膏體充填材料源之一。

2) 隨著粉煤灰/爐渣比例的增加，充填料漿的坍落度、擴展度和抗壓強度均呈現先較大幅度增加然后又緩慢減小的變化趨勢，而料漿泌水率呈近似負指數規律降低。

3) 隨著質量濃度的增加，充填料漿的坍落度、擴展度及泌水率均隨之顯著變小，但是充填體強度，尤其是早期強度近線性增大。

4) 隨著水泥含量增高，充填體強度增大，泌水率減小，對膏體充填非常有利，但料漿的坍落度和擴展度呈現緩慢減小的變化趨勢，降低料漿流動性變差，不利于管道輸送，同時會導致材料成本增大。

5) 綜合考慮各因素對充填料漿性能和充填體強度的影響規律，確定爐渣膏體的最佳材料配比為：粉煤灰、爐渣和水泥的質量比為 20∶48∶6，質量濃度為 74%，此時的材料初凝和終凝時間分別為3.25 h和8.5 h。

[1]楊寶貴. 煤礦高濃度膠結充填開采技術 [M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2015.

[2]郭惟嘉. 煤礦充填開采技術 [M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2013.

[3]楊寶貴,楊捷. 煤礦充填技術發展趨勢與選用方法 [J]. 礦業研究與開發, 2015, 35(5): 11-15.

YANG Baogui, YANG Jie. Development and selection on filling technology of coal mine [J]. Mining Research and Development, 2015, 35(5): 11-15.

[4]姚維信. 高濃度大流量管輸充填技術與工藝 [M]. 北京: 科學出版社, 2014.

[5]史俊偉, 孟祥瑞, 董羽, 等. 基于地表沉陷控制的膏體充填材料的性能優化研究 [J]. 中國安全生產科學技術, 2017, 13(10): 143-149.

SHI Junwei, MENG Xiangrui, DONG Yu, et al. Study on performance optimization of paste filling material for controlling surface subsidence [J].Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(10): 143-149.

[6]吳金剛, 王公忠, 郭志磊, 等. 矸石膏體充填實驗指標確定 [J]. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2013, 32(8): 1071-1075.

WU Jingang, WANG Gongzhong, GUO Zhilei, et al. Determination of experiment index on coal gangue paste filling [J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2013, 32(8): 1071-1075.

[7]樊海艷, 郭忠平, 黃萬朋. 矸石膠結充填體力學性能實驗研究 [J]. 煤礦開采, 2015, 20(6): 83-86+66.

FAN Haiyan, GUO Zhongping, HUANG Wanpeng. Experiment of mechanics properties of gangue cementing stowing body[J]. Coal Mining Technology, 2015, 20(6): 83-86+66.

[8]張新國, 王華玲, 李楊楊, 等. 膏體充填材料性能影響因素試驗研究[J]. 山東科技大學學報 (自然科學版), 2012, 31(3): 53-58.

ZHANG Xinguo, WANG Hualing, LI Yangyang, et al．Experimental research for influencing factors on properties of paste filling materials[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science), 2012, 31(3): 53-58.

[9]林章鋒, 謝建兵. 充填材料的優化選擇試驗 [J]. 金屬礦山, 2009 (S1): 294-295+304.

LIN Zhangfeng, XIEJianbin. Optimized selection test of filling materials[J]. Metal Mine, 2009 (S1): 294-295+304.

[10]姚囝, 葉義成，王其虎，等. 低強度膠結充填體相似材料配比試驗研究 [J]. 中國安全生產科學技術, 2017, 13(8): 30-35.

YAO Nan, YE Yicheng，WANG Qihu，et al. Study on proportioning tests of low strength similar material for cemented backfill [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(8): 30-35.

[11]趙才智, 周華強, 瞿群迪, 等. 膏體充填材料力學性能的初步實驗 [J]. 中國礦業大學學報, 2004(2): 35-37.

ZHAO Caizhi, ZHOU Huaqiang, QU Qundi, et al. Preliminary test on mechanical properties of paste filling material[J]. Journal of China University of Minning& Technology, 2004(2): 35-37.

[12]戴京平, 陳晨, 李琴, 等. 揚子電廠爐底渣粉磨優化品質的試驗研究 [J]. 粉煤灰綜合利用, 2008(1): 26-28.

DAI Jingping, CHAN Chen, LI Qin, et al. Experimental study on levigating bottom ash drained from yangzi power plant to optimize quality[J]. Fly ash Comprehensive Utilization, 2008(1): 26-28.

[13]張金山, 宋麗萍, 顏春軍. 包頭第三熱電廠爐渣綜合利用研究與實踐 [J]. 礦產綜合利用, 2006(2): 40-43.

ZHANG Jinshan, SONG Liping, YAN Chunjun. Research and practice on slagged ash comprehensive utilization from baotou number 3 power plant [J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2006(2): 40-43.

[14]郭殿波, 朱獻. 電廠爐渣作水泥混合材的研究 [J]. 中國資源綜合利用, 2002(10): 29-30.

GUO Dianbo, ZHU Xian. Study on slag of power plant as cement admixture [J]. China Comprehensive Utilization of Resources, 2002(10): 29-30.

[15]張浩強, 劉音, 王其鋒. 城市建筑垃圾膏體充填性能研究[J]. 礦業研究與開發, 2014, 34(4):37-39+54.

ZHANG Haoqiang, LIU Yin, WANG Qifeng. Study on performance of paste filling with urban construction waste [J]. Minning R & D, 2014, 34(4): 37-39+54.

[16]馮國瑞，賈學強，郭育霞，等. 矸石-廢棄混凝土膠結充填材料配比的試驗研究 [J]. 采礦與安全工程學報, 2016, 33(6):1072-1079．

FENG Guorui, JIA Xueqiang，GUO Yuxia，et al. Study on mixture ratio of gangue-waste concrete cemented paste backfill [J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2016, 33(6):1072-1079.