粉煤灰-礦渣基充填材料的物性分析及經濟性評價

朱小軍

【摘 要】 為了節約礦山充填成本，考慮使用粉煤灰-礦渣代替充填材料中普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。本文采用室內試驗方法，測試充填材料單軸抗壓強度、料漿流動性，依據市場價格評價經濟效益。結果表明：當充填材料質量濃度大于71%，砂膠比為1∶7時，粉煤灰-礦渣膠結充填材料強度均大于2.0MPa，擴展度均大于220mm，具有良好流動性，且每噸粉煤灰-礦渣膠結充填材料充填成本較水泥基充填材料降低25%，具有良好的經濟效益。

【關鍵詞】 充填成本;充填材料;單軸抗壓強度;流動性;經濟效益

【中圖分類號】 TD823.7 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0001-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

煤炭開采過程中會引起地表沉陷、村莊遷移、采礦垃圾堆放占用土地面積、破壞地下水等系列問題。充填開采在我國逐步推廣，有效地解決了上述系列問題。但是充填成本制約了充填開采的推廣，充填材料作為充填開采的關鍵因素，充填料漿必須有足夠流動性，保證能夠通過充填管道由地面輸送到井下，充填材料在服務期內必須保證有足夠的強度，保證煤礦安全生產。國內外學者在保證充填材料性能的條件下針對降低充填成本做了大量的研究，覃星朗等以月山銅礦為背景，對比分析了全尾砂膠結充填體和水泥膠結充填體的單軸抗壓強度性能，結果表明有效提高了強度，且減少了膠凝材料的用量，有效降低了充填成本。黃篤學等在司家營鐵礦南區自主研發了以礦渣為原料的充填材料，試驗結果表明可以保證充填需求且降低了充填成本。巴蕾等在金川礦區研究將銅渣摻入充填材料，試驗研究結果表明充填成本降低了40.6%。梁峰等以正交試驗研究摻入銅渣、礦渣對充填成本的影響，結果表明成本降低35.49%。徐艷方等研究在充填材料內摻入大紅山鐵礦尾砂后強度變化及成本效益，結果表明可以滿足充填需求，且有效降低充填成本。

本文借鑒國內外的研究經驗，擬采用粉煤灰-礦渣代替普通硅酸鹽水泥作為礦山膠結充填材料，采用室內試驗法測試充填材料的單軸抗壓強度和流動性，與水泥基尾砂充填材料對比分析，結合充填成本在采礦中的占比以及市場價格，評價其經濟效益。

1試驗材料及配比設計

1.1試驗原材料

試驗中粉煤灰取自石家莊市固廢公司，粒度在2～48μm。礦渣是煉鐵后余留物資，經涼水冷卻后提取，且有多種化學成分，具有較強的活性。尾砂取自唐山市某固廢公司，采用100mm×100mm×100mm立方體試件，24小時后拆模，標準養護28天，測試單軸抗壓強度，用新拌料漿測試擴展度。

1.2配比設計

材料配比如表1所示。

1.3試驗設備

本文采用100mm×100mm×100mm鐵制模具，擴展度試驗采用標準坍落度筒，按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行擴展度試驗，單軸抗壓強度采用YAW-200B微型控制電子壓力試驗機。

2試驗結果分析

2.1單軸抗壓強度

采用壓力試驗機測試標準養護28天后粉煤灰-礦渣膠結充填材料與水泥基尾砂充填材料的單軸抗壓強度，試驗結果如圖1所示。

由圖1可以發現，粉煤灰-礦渣膠結充填材料與水泥基尾砂充填材料的單軸抗壓強度隨著質量濃度的增加逐漸增加，是由于質量濃度增加提高了充填材料的密實度，減少了試件內部的孔隙裂縫。在同一質量濃度時，膠砂比越小，試件的單軸抗壓強度越小，在同一膠砂比時，充填材料的質量濃度越大，試件的單軸抗壓強度越大。

對比兩種充填材料的單軸抗壓強度變化規律，可以發現，當膠砂比大于1∶5時，水泥基充填材料的單軸抗壓強度高于粉煤灰-礦渣膠結充填材料，但差距呈現逐漸減小的趨勢。當充填材料質量濃度為69%、71%、73%、75%時，砂膠比為1∶3時，水泥基充填材料的單軸抗壓強度分別為粉煤灰-礦渣膠結充填材料的1.69倍、1.56倍、1.44倍、1.42倍。砂膠比為1∶5時，水泥基充填材料的單軸抗壓強度分別為粉煤灰-礦渣膠結充填材料的1.29倍、1.11倍、1.13倍、1.10倍。同時由圖1可以發現，充填材料的質量濃度越大，膠砂比越小，粉煤灰-礦渣膠結充填材料的單軸抗壓強度越高，且相比于水泥基充填材料，原材料的用量也相對降低，說明粉煤灰-礦渣作為膠結材料的固結性要強于普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。

單軸抗壓強度作為充填材料的重要指標，服務于礦山建設時，不同部位對強度的要求是存在差別的，齡期為28天時，采空區普通部位要求強度大于1.5MPa，采空區基礎部位要求強度大于2.0MPa，最重要的接頂部位，要求充填材料的強度大于2.5MPa。由圖1可以發現，對于接頂部位強度需求，當質量濃度為73%時，膠砂比為1∶3時，粉煤灰-礦渣充填材料可滿足;質量度為75%時，膠砂比大于1∶5時，粉煤灰-礦渣充填材料均可滿足。對于基礎部位強度需求，當質量濃度大于71%時，不同砂膠比粉煤灰-礦渣充填材料均滿足要求，而當砂膠比大于1∶5時，水泥基材料強度不滿足普通部位強度需求。因此，考慮材料用量及強度需求，粉煤灰-礦渣膠結充填材料效果要優于水泥基充填材料。

2.2充填料漿流動性

以擴展度表征充填材料的流動性，依據GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試充填材料的擴展度，擴展度越大，表征充填材料的流動性越好。試驗結果如表2所示。

由表2可以發現，大多充填材料均可滿足擴展度大于200mm的流動性需求，且可以發現粉煤灰-礦渣膠結充填料漿的擴展度要大于水泥基充填材料，說明流動性強度水泥基充填材料，是由于粉煤灰呈現圓球形態，在充填材料流動過程中會起到滾動作用，這是一種形態效應，這種形態會大幅度提高充填材料的流動性。

3經濟評價

據統計充填開采過程中充填成本約占30%以上，而作為關鍵因素的充填材料占充填成本的75%左右，如此高昂的充填成本給采礦行業帶來巨大的經濟壓力，制約了充填開采的推廣。

為了評價粉煤灰-礦渣膠結充填材料的經濟效益，擬考慮30萬噸/a進行設計，擬投資4500萬元建設礦井，現有流動資金500萬元，按照2020年全國原材料平均價格，核算粉煤灰-礦渣膠結充填材料成本，詳見表3所示。

根據表3，綜合實際生產中多種因素，計算得到每生產1噸粉煤灰-礦渣膠結充填材料需要花費232.5元，按照硅酸鹽水泥售價，可確定每生產1噸水泥基充填材料需要花費310元，由此發現，1噸粉煤灰-礦渣膠結充填材料較水泥基充填材料成本降低25%，具有較好的經濟效益。

以表3經濟成本為依據，以滿足基礎部位強度為評價標準，確定充填材料質量濃度為73%，核算充填成本，計算結果如表4所示。

根據表4計算結果可以發現，粉煤灰-礦渣膠結充填材料充填成本較水泥基充填材料明顯降低，降低12.8元/m3，降低了19.6%。因此，考慮充填材料強度、流動性和經濟效益，粉煤灰-礦渣膠結充填材料用于充填開采具有一定優勢。

4結論

考慮滿足充填強度需求，當充填材料質量濃度大于71%，砂膠比為1∶7時，粉煤灰-礦渣膠結充填材料均滿足基礎部位強度需求，較水泥基充填材料相比具有明顯優勢。

考慮具有良好流動性能，粉煤灰-礦渣膠結充填材料擴展度均大于200mm，且均大于水泥基充填材料擴展度，具有良好的流動性。

考慮充填經濟效益，每噸粉煤灰-礦渣膠結充填材料充填成本較水泥基充填材料降低25%，具有良好的經濟效益。

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