大掺量粉煤灰在煤矿充填中的试验研究

近年来，煤炭开采引发的地表塌陷与生态环境问题日益突出，煤矿充填开采技术成为实现安全、绿色开采的重要途径。传统充填材料存在固结性能差、成本高等问题，而大掺量粉煤灰作为充填骨料，不仅可改善料浆离析泌水现象，还能实现固废资源化利用。基于某煤矿充填工程实践，系统研究了大掺量粉煤灰充填材料的工作性能、力学性能与环境安全性。结果表明，无论是大掺量粉煤灰作为充填骨料，还是采用粉煤灰+煤矸石作为充填骨料，浆体和易性、试样强度和特征重金属浸出浓度均满足矿山充填要求，且试样后期强度持续增长。大掺量粉煤灰作为充填材料，具备良好的工程应用前景｡

近年来，煤炭开采过程中形成的采空区所引发的地面塌陷与生态环境破坏问题日益突出，不仅显著降低了地表层稳定性，甚至严重威胁地表建筑安全。煤矿充填开采作为一种新兴的生态保护性开采技术，融合了安全生产、生态修复与废弃物资源化利用等多重目标，可有效控制顶板下沉与围岩移动，显著减缓地表压力。

当前，中国矿山充填开采技术的研发与应用重点逐步转向深部矿体、“三下”矿体及其他复杂难采矿体。然而，传统开采回填工艺复杂、投资成本高，且传统水泥基充填材料存在固结性能差、易离析泌水等缺陷。胶凝材料胶结充填技术由此成为应对上述挑战的有效途径。

在煤矿膏体充填中，对缺少矸石资源的煤矿，如果主要采用粉煤灰作为充填骨料，不仅可改善矸石浆体易离析分层的现象，还能拓宽骨料来源。肖崇春等研究指出，灰砂比对充填料浆流变特性具有显著影响。王立宁等研究表明，石灰与粉煤灰以1：4配比时可满足矿山充填要求。刘瑞成等[5]开展了粉煤灰-矿渣微粉复合胶凝材料的早期强度激发试验。庞建勇等测试了大掺量超细粉煤灰水泥基注浆材料的物理力学性能。游少洋等以赤泥为主要原料制备煤矿充填材料，并探讨了粉煤灰掺量对其力学行为的影响。高永涛等发现，井下充填新型胶凝材料在早期强度与流动性方面优于传统水泥材料，应用效益显著。刘钧源等基于高阳镇房屋受损治理工程，证明矸石-粉煤灰充填技术能有效抑制地表塌陷并保护生态。

在材料研发方面，崔锋等发明了一种煤电固废高浓度自流充填材料，具备早期强度高、后期强度增长明显和流动性好的特点。朱敬闯等提出以粉煤灰为主(20%~33%)、协同多源固废制备充填浆料的方法。马英等开发出粉煤灰掺量达40%~70%的无熟料粉煤灰复合胶结料。

尽管已有研究对粉煤灰细度与配合比对材料强度及流动性的影响进行了广泛探讨，但针对大掺量条件下充填浆体综合性能的系统评估仍较少。因此，基于某煤矿充填工程实践，以当地粉煤灰等固废资源作为骨料，重点研究大掺量粉煤灰充填材料的工作性能、力学性能及环境安全性，以期为相关工程应用提供科学依据。

  1.试验原料及试验方法  

▼ 1.1试验材料

试验原材料为粉煤灰、煤矸石、矿渣硅酸盐P·S·A32.5和生石灰。其中，粉煤灰取自煤矿周边电厂，采用X射线荧光光谱仪(XRF)对粉煤灰进行化学成分分析，结果见表1.粉煤灰X射线衍射分析(XRD)结果如图1所示。粉煤灰主要由SiO2和Al2O3组成，CaO含量为15.97%，根据GB/T 1596-2017.试验粉煤灰属于高钙灰，且SO3含量4.75%，大于上限要求(3.50%)，在采用水泥作为充填胶凝材料时，需关注后期强度变化。

参考GB/T 1596—2017技术要求，对充填用粉煤灰进行检测，胶砂配比对扩展度及用水量试验影响结果如表2所示。同时，经检测粉煤灰的需水量比X=97%，达到了标准中Ⅱ级粉煤灰(≤105%)的要求。

煤矸石取自充填煤矿，采用XRF对煤矸石进行化学成分分析，结果如表3所示，XRD分析结果如图2所示。煤矸石以硅铝矿物为主，SO3含量为1.38%，属于低硫型煤矸石，Fe2O3含量为6.46%，属于次高铁含量范畴。破碎后的煤矸石颗粒级配中小于4.75 mm的约占90%，颗粒细度更接近砂，因此再次进行筛分试验，结果见表4.煤矸石细度模数为2.89,属于中砂。

P·S·A 32.5水泥全称是矿渣硅酸盐32.5水泥，属于通用硅酸盐水泥的一类，在民用市场应用广泛，水泥性能受矿粉质量和掺量影响较大。

▼ 1.2试验方法

测定泌水率首先按一定配比制备充填料浆，将搅拌均匀的充填浆体装入量筒内盖上玻璃板，每隔1~2 min对其上部清水与下部沉淀液体之间的刻度差进行计算直至达到稳定标准为止，按照泌水率=析出清水体积(mL)/1000 mL进行计算，以百分数表示。浆液的水灰比越小，泌水率越小，析水时间越长。坍落度与扩散度是表征充填料浆流动性能的关键定量指标，测定方法依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)。通常，坍落度值越大，表明料浆的流动性能越优，流动阻力也越小。浸出试验依据《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》(GB 18599-2020)中相关规定进行测试。

  2.试验结果与分析  

不同掺量粉煤灰对充填料浆在不同龄期的抗压强度变化影响、离析泌水程度影响、流动性影响不同。结合煤矿煤矸石和粉煤灰的供应情况以及矿山充填需求进行配比试验，配置不同配合比的充填料浆，每组试验同时进行泌水率和坍落度的测试，并针对典型配比开展XRD检测分析其水化产物。后针对充填强度及流动性试验结果，对典型配比进行重金属浸出试验。

▼  2.1抗压强度试验

按表5配比制备充填材料，测试试样不同龄期的抗压强度。60%充填浓度下，1#试样水泥用量占整个料浆质量的6%左右，可以满足自流充填;2#试样减少水泥用量至4.8%，掺加1.2%生石灰，对后期28 d强度有利，但7 d强度稍较低，为0.77 MPa。以1#和2#试样为基础，提高充填矿浆质量浓度至65%，由3#～4#试样可知，早期强度提升明显，且后期强度大于5 MPa。如果不用煤矸石，如5#试样，增加胶凝材料用量至12%，7d强度达到1 MPa，28d强度为5.67 MPa，但成本较高;6#~10#试样，不使用煤矸石，粉煤灰掺量提高至54%~55%，在60%或65%的料浆浓度下，工作性能良好，除早期强度稍低外，后期强度在2~3 MPa，能够满足矿山的充填需求。

▼ 2.2泌水率测试

试验浆体24h泌水率测试照片见图3.测试结果见表6.试样泌水率≤5%，表明浆体析水较少，料浆在管道中不宜离析。

▼ 2.3坍落度测试

充填材料中掺入粉煤灰，料浆和易性较好，对65%较高充填浓度下的3#、4#、7#、8#试样进行坍落度测试，结果如表7所示。

由表7可知，坍落度皆达到了220 mm，属于大坍落度范畴，坍落扩展度在380 mm×400 mm和400 mm×400 mm，流动性较好。

▼ 2.4长龄期强度

考虑到充填采用的是高钙粉煤灰，且硫酸盐含量超标，在掺加P·S·A水泥和生石灰的前提下，水化环境一直处于高碱状态，存在后期形成膨胀性水化产物氢氧化钙(Ca(OH)2.CH)和钙矾石(Ca6Al2(SO4)3(OH)22·26H2O，AFt)的可能性，CH和AFt的形成会导致固相体积增加，试样有膨胀破坏的风险，因此，对7#和8#配比试样，进行长龄期强度试验，结果见表8。

由表8可知，7#和8#试样在90d试验龄期内强度持续增长，90d较28d分别增长32%和43%，未见倒缩。

▼ 2.5浸出测试

针对充填强度及流动性试验结果，选择7#和8#固化试样(28 d龄期)进行重金属浸出试验，特征污染物浓度数据见表9。

由表9可知，试样浸出液中的特征重金属浓度均未超过《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)最高允许排放浓度。

▼ 2.6水化产物

选择有代表性的7#和8#试样，进行XRD分析，结果如图4所示。由图4可知，除充填骨料自带的SiO2.试样水化产物主要是水化硅酸钙(简称C-S-H)、氢氧化钙(Ca(OH)2.CH)和钙矾石(AFt)，符合水泥基材料正常水化后形成的水化产物，另外，试样形成强度的主要贡献者是水泥水化生成的胶凝性水化产物C-S-H，因是无定形状态，在图谱上并不明显，以馒头峰的形式存在，且与SiO2有重合;除胶凝材料自带CH外，水泥水化也会产生CH，在图上的峰位较为明显;AFt来自水泥水化以及材料中的硫元素氧化后形成的硫酸盐在碱性环境参与反应，离子反应方程如下。

▼ 2.7综合分析

粉煤灰由大小不同的颗粒组成，颗粒的化学组成和物理形状决定了粉煤灰的需水量，而需水量决定了充填浆体的和易性[20]，试验采用的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其坍落度和泌水试验表明其满足煤矿充填需求，浆体和易性满足要求。

试验采用的高钙粉煤灰不仅CaO含量高，而且又经过高温煅烧，可能会存在f-CaO(游离氧化钙)，f-CaO呈过烧状态，遇水反应后固相体积增长约98%，因此不宜用于水泥和混凝土的掺合料，但是作为煤矿充填的骨料，有可能是适合的。f-CaO的膨胀发生在密实硬化的混凝土材料中，会因为膨胀导致开裂，进而带来强度下降;对充填而言，在65%充填浓度下，充填体的孔隙率远高于混凝土结构，适度的膨胀在有侧限的情况下可以密实充填结构，对强度是有利的。

粉煤灰的化学成分主要是SiO2和Al2O3.因为有高温下熔融体快速冷却的过程，大部分都形成了玻璃体，而粉煤灰的化学活性主要来源于玻璃体。在碱性化合物存在的情况下，粉煤灰中的Si—O—Si—O与Si—O—Al—O的共价键断裂，这将使得玻璃体发生部分解体，形成[SiO4]4-四面体聚合度较小的聚集体，这样的结构相对于三维网络结构就比较容易被激发，特别是被碱性化合物激发，形成C—S—H等胶凝性水化产物，包裹煤矸石，最终形成具备一定强度的充填体。此外，对高钙粉煤灰而言，在水泥/水泥+生石灰(CaO)的碱性激发下，Ca2+的存在，可以让共价键(Si—O—Si、Si—O—Al)形成的网络更容易受到破坏，形成大小不等的聚合体，进而形成C—S—H等胶凝性水化产物。Ca2+作为网络结构的调整离子，Ca2+的增加相应增加了C—S—H等胶凝性水化产物，xCa2+(aq.)+xHSiO3-(aq.)+xOH-(aq.)→xCaO·SiO2·H2O，进而提高了充填试样的强度，这也是利用生石灰取代15%水泥的8#配比试样，90 d强度高于单纯使用水泥的7#试样约13%的主要原因。

采用的粉煤灰硫酸盐含量较高，AFt属于膨胀性产物，形成过程固相体积增加1倍以上，在充填浆体仍处于塑性阶段时，可协同胶凝性产物C—S—H一起为早期强度提供支持，但在硬化形成强度后，如果再大量生成，会破坏已硬化充填体，结合XRD图谱可知，AFt形成量较为适合，对强度无不利影响。

  结语  

(1)不添加煤矸石，只采用粉煤灰作为充填骨料时，在料浆和易性、抗压强度和环境安全性等方面都能满足矿山需求。

(2)无论是采用粉煤灰或是粉煤灰+煤矸石作为充填骨料，都可以满足矿山的充填需求。

(3)胶凝材料采用P·S·A 32.5水泥或者P·S·A32.5水泥+生石灰的模式，可以满足充填强度要求，掺加石灰对后期强度较为有利。

(4)采用高钙粉煤灰的充填体后期强度持续增长，对强度无不利影响。

来源：《现代矿业》作者：朱凯，徐波，赵吉旭，王祎晨，邓晓轩