热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究*

Phan Van Viet，王　东

(辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

0　引言

作为煤矿绿色开采技术的重要组成部分，充填开采是解决“三下”压煤问题的理想途径，其中，膏体充填采矿法继承了一般水力充填中料浆流动性好、易于进行管道输送的优点，同时又具备膏体材料浓度高、井下不需脱水、充填强度高，地表沉陷控制效果好的优势，逐步成为充填采矿的主流[1-4]。充填材料是整个充填系统的核心，对充填质量、充填成本以及充填效果起着决定性作用。到目前为止，国内外的煤矿企业采用膏体充填的粗骨料主要是破碎煤矸石，而实践应用已证明该材料完全满足膏体充填粗骨料的工艺要求[5-7]。然而，其存在问题是煤矸石虽然是矿山的废物，可以在矿山就地取材，但需要经加工工序导致充填材料制备系统较为复杂以及初次投资高，导致充填成本占采矿成本的1/3左右[3-11]。为简化材料制备系统，降低充填成本，寻求适合、能够直接利用的替代充填材料已成为膏体充填技术领域研究的重要课题。

此外，随着燃煤火力发电工业的快速发展，热电厂灰渣(粉煤灰和炉渣)排放量逐年增加，且大部分炉渣主要采用填埋和堆放的处理方式[12-14]。如何采取适当的措施和方法，对炉渣废弃物实现回收再利用，是有效缓解生态环境压力的重要途径。

基于以上分析，本文提出了将热电厂炉渣替代煤矸石作为膏体充填的粗骨料，通过实验室试验，证明了直接利用炉渣满足膏体充填材料的基本技术要求。若将该材料在工业实际得到成功应用，不仅能解决充填成本高的难题，推动膏体充填技术的进一步发展，而且可以从源头上治理热电厂废渣无序堆积造成的环境污染，实现固体废物的合理利用，促进煤炭资源绿色开采的发展。

1　炉渣的基本理化特征

热电厂炉渣的物理性质和化学成分不仅与煤种、煤源有关，同时亦取决于锅炉的类型、运行条件及排渣方式[12-14]。因此，不同来源炉渣的理化特征存在一定差别。本文以阜新热电厂炉渣为研究对象，该热电厂采用循环硫化床燃煤锅炉，其排出的干炉渣呈黑灰色，颗粒粒度与传统的破碎煤矸石骨料类似；其松散容重为1 300.7 kg/m3，粒级分布如图1和表1所示，化学成分如表2所示。

图1　热电厂炉渣粒级分布Fig.1　The grain size distribution of bottom ash

表1　热电厂炉渣和破碎煤矸石的粒级组成

表2　热电厂炉渣和破碎煤矸石的化学成分含量

通过对比分析炉渣与破碎煤矸石的理化特征可知，2种骨料的主要化学成分差异不大，且炉渣的颗粒级配与破碎煤矸石的基本相似，有利于泵送及管道输送。更为重要的是，采用炉渣作为膏体充填骨料具有无需破碎、成本低廉、材料来源充足以及安全环保等优势。

2　炉渣膏体充填材料性能配比试验

考虑到膏体充填料浆性能和充填体强度对材料可泵性、管道输送效果以及地表沉陷控制效果具有较大影响，为全面地论证炉渣替代煤矸石作为膏体充填材料的可行性，掌握其性能并确定满足充填需求的最优配比，本文采用炉渣为粗骨料，粉煤灰为细骨料，32.5号普通硅酸盐水泥为胶结材料和水配制成膏体充填料浆，进行配比试验。

2.1　试验内容与方案

在借鉴煤矸石膏体充填实践经验的基础上[1-11]，建立16组试验，分别测试不同炉渣/粉煤灰比例、料浆质量浓度、水泥含量对充填材料的坍落度、扩展度、泌水率、抗压强度等性能参数的影响。具体配比情况见表3。

图2所示为充填材料性能试验过程，每一组按具体的配比称取相应量的水泥、粉煤灰、炉渣，放入搅拌仪器中干拌均匀，加入定量的水后再搅拌均匀，制备好充填料浆后立即测定塌落度和扩展度，然后将料浆装入50 mm×100 mm尺寸的标准金属试模制成标准试模若干组然后放入标准养护箱中进行养护，到规定时间后测定膏体的初凝、终凝时间和泌水率，养护至规定龄期取出，用WDW-100E 型压力试验机测定各龄期的单轴抗压强度。

表3　充填材料配比试验方案

图2　充填材料性能测试过程Fig.2　The properties filling materials of testing process

2.2　试验结果及分析

通过室内的一系列试验获得了不同配比条件下充填料浆的各性能参数和充填体的各龄期单轴抗压强度(见表4)，据此可绘制不同材料配比与膏体充填材料性能参数间的关系曲线，进而揭示各因素对材料基本性能的影响，确定最优配比。

1) 不同配比条件下炉渣膏体充填材料坍落度及扩展度的变化规律

图3(a)～(c)分别描述了粉煤灰/炉渣比例、质量浓度和水泥含量对炉渣膏体充填材料坍落度及扩展度的影响规律。分析可知，加入粉煤灰可显著提高充填材料的坍落度及扩展度；但是当粉煤灰含量过大时，由于越来越多的水会被粉煤灰吸附使得质量浓度减小，料浆的坍落度及扩展度又呈现逐渐减少的趋势；在质量浓度为74%条件下，为保持料浆坍落度不小于200 mm，粉煤灰/炉渣比例不宜大于0.79。质量浓度对料浆的坍落度和扩展度影响较为显著，随着质量浓度增加，充填料浆的坍落度和扩展度随之变小，表明质量浓度过大会造成充填料浆输送困难；为满足膏体正常泵送需求，坍落度一般应大于200 mm，对应的料浆质量浓度为72%～74%。随着水泥含量增加，充填料浆的坍落度和扩展呈现缓慢减小的变化趋势，原因是水泥与水混合形成的水化产物将在料浆中集聚，从而导致了坍落度和扩展度的减小。

表4　炉渣膏体充填材料配比试验结果

图3　不同配比与炉渣膏体充填材料坍落度及扩展度的关系曲线Fig.3　The relational curves between slump, slump flow of paste filling and material ratio

2) 不同配比条件下炉渣膏体充填材料泌水率的变化规律

图4(a)～(c)分别描述了粉煤灰/炉渣比例、质量浓度和水泥含量对炉渣膏体充填材料泌水率的影响规律。分析可知，随着粉煤灰/炉渣比例的增加，料浆泌水率显著降低，尤其是当粉煤灰/炉渣比例的变化范围为 0～0.42，泌水率降低幅度较大。随着质量浓度升高，料浆泌水率随之减小，且减小幅度较大。随着水泥含量的升高，料浆泌水率有规律地降低。

图4　不同配比与炉渣膏体充填材料泌水率的关系曲线Fig.4　The relational curves between water bleeding rate of paste filling and material ratio

3) 不同配比条件下炉渣膏体充填材料抗压强度的变化规律

图5(a)～(c)分别描述了粉煤灰/炉渣比例、质量浓度和水泥含量对炉渣膏体充填材料抗压强度的影响规律。分析可知，粉煤灰含量对充填体后期(7 d和28 d)强度的影响较为显著，对早期(1 d)抗压强度的影响很小；当粉煤灰/炉渣比例的变化范围为 0～0.42，强度随着粉煤灰含量的增加显著增大；当粉煤灰/炉渣比例的变化范围为 0.42～1.43，强度随着粉煤灰含量的增加稍有减小；从充填体强度要求出发，最佳的粉煤灰/炉渣比例为 0.42 ，相应的粉煤灰含量为20%。充填体强度随着质量浓度的增加而增大，而且质量浓度对早期强度的影响大于对后期强度的影响，表明质量浓度对早期强度明显有利，应在满足流动性的前提下尽量增加膏体的质量浓度。充填体强度随着水泥含量增大近线性增大，且非常显著；由于水泥含量是影响充填成本的主要因素，要选择适宜的水泥含量以既满足充填体强度的要求，又能降低充填成本。

图5　不同配比与炉渣膏体充填材料抗压强度关系Fig.5　The relational curves between compressive strength of filling material and material ratio

依据煤矸石膏体充填的实践经验可知，一般情况下煤矸石膏体充填料浆的坍落度控制在 200～250 mm 之间，泌水率小于 5%，充填体1 d，7 d 和 28 d 的抗压强度分别在 0.2～0.5，2～3.5，>3.5 MPa 的范围内[1-11，15-16]。结合本次试验成果可知，炉渣膏体充填的最佳材料配比为：粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%；此时的料浆坍落度和扩展度分别为 215 和 521 mm，泌水率为 3.64%，充填体 1 d，7 d和28 d 的抗压强度分别为 0.25，2.85和4.79 MPa。因此，炉渣膏体充填的料浆流动性和充填体强度与煤矸石膏体的相比差异不大，说明其各项性能完全符合煤矿一般情况的基本要求。

3　结论

1) 热电厂炉渣膏体的料浆流动性和充填体强度与煤矸石膏体没有明显差异，用其替代传统的破碎煤矸石膏体粗骨料在技术上可行；炉渣可以直接利用，从而减少加工工序和降低成本，尤其是可解决工业废料对环境污染问题，是环保、低成本的新型膏体充填材料源之一。

2) 随着粉煤灰/炉渣比例的增加，充填料浆的坍落度、扩展度和抗压强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势，而料浆泌水率呈近似负指数规律降低。

3) 随着质量浓度的增加，充填料浆的坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小，但是充填体强度，尤其是早期强度近线性增大。

4) 随着水泥含量增高，充填体强度增大，泌水率减小，对膏体充填非常有利，但料浆的坍落度和扩展度呈现缓慢减小的变化趋势，降低料浆流动性变差，不利于管道输送，同时会导致材料成本增大。

5) 综合考虑各因素对充填料浆性能和充填体强度的影响规律，确定炉渣膏体的最佳材料配比为：粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%，此时的材料初凝和终凝时间分别为3.25 h和8.5 h。

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