粉煤灰-矿渣基充填材料的物性分析及经济性评价

朱小军

【摘 要】 为了节约矿山充填成本，考虑使用粉煤灰-矿渣代替充填材料中普通硅酸盐水泥作为胶凝材料。本文采用室内试验方法，测试充填材料单轴抗压强度、料浆流动性，依据市场价格评价经济效益。结果表明：当充填材料质量浓度大于71%，砂胶比为1∶7时，粉煤灰-矿渣胶结充填材料强度均大于2.0MPa，扩展度均大于220mm，具有良好流动性，且每吨粉煤灰-矿渣胶结充填材料充填成本较水泥基充填材料降低25%，具有良好的经济效益。

【关键词】 充填成本;充填材料;单轴抗压强度;流动性;经济效益

【中图分类号】 TD823.7 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）03-0001-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

煤炭开采过程中会引起地表沉陷、村庄迁移、采矿垃圾堆放占用土地面积、破坏地下水等系列问题。充填开采在我国逐步推广，有效地解决了上述系列问题。但是充填成本制约了充填开采的推广，充填材料作为充填开采的关键因素，充填料浆必须有足够流动性，保证能够通过充填管道由地面输送到井下，充填材料在服务期内必须保证有足够的强度，保证煤矿安全生产。国内外学者在保证充填材料性能的条件下针对降低充填成本做了大量的研究，覃星朗等以月山铜矿为背景，对比分析了全尾砂胶结充填体和水泥胶结充填体的单轴抗压强度性能，结果表明有效提高了强度，且减少了胶凝材料的用量，有效降低了充填成本。黄笃学等在司家营铁矿南区自主研发了以矿渣为原料的充填材料，试验结果表明可以保证充填需求且降低了充填成本。巴蕾等在金川矿区研究将铜渣掺入充填材料，试验研究结果表明充填成本降低了40.6%。梁峰等以正交试验研究掺入铜渣、矿渣对充填成本的影响，结果表明成本降低35.49%。徐艳方等研究在充填材料内掺入大红山铁矿尾砂后强度变化及成本效益，结果表明可以满足充填需求，且有效降低充填成本。

本文借鉴国内外的研究经验，拟采用粉煤灰-矿渣代替普通硅酸盐水泥作为矿山胶结充填材料，采用室内试验法测试充填材料的单轴抗压强度和流动性，与水泥基尾砂充填材料对比分析，结合充填成本在采矿中的占比以及市场价格，评价其经济效益。

1试验材料及配比设计

1.1试验原材料

试验中粉煤灰取自石家庄市固废公司，粒度在2～48μm。矿渣是炼铁后余留物资，经凉水冷却后提取，且有多种化学成分，具有较强的活性。尾砂取自唐山市某固废公司，采用100mm×100mm×100mm立方体试件，24小时后拆模，标准养护28天，测试单轴抗压强度，用新拌料浆测试扩展度。

1.2配比设计

材料配比如表1所示。

1.3试验设备

本文采用100mm×100mm×100mm铁制模具，扩展度试验采用标准坍落度筒，按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行扩展度试验，单轴抗压强度采用YAW-200B微型控制电子压力试验机。

2试验结果分析

2.1单轴抗压强度

采用压力试验机测试标准养护28天后粉煤灰-矿渣胶结充填材料与水泥基尾砂充填材料的单轴抗压强度，试验结果如图1所示。

由图1可以发现，粉煤灰-矿渣胶结充填材料与水泥基尾砂充填材料的单轴抗压强度随着质量浓度的增加逐渐增加，是由于质量浓度增加提高了充填材料的密实度，减少了试件内部的孔隙裂缝。在同一质量浓度时，胶砂比越小，试件的单轴抗压强度越小，在同一胶砂比时，充填材料的质量浓度越大，试件的单轴抗压强度越大。

对比两种充填材料的单轴抗压强度变化规律，可以发现，当胶砂比大于1∶5时，水泥基充填材料的单轴抗压强度高于粉煤灰-矿渣胶结充填材料，但差距呈现逐渐减小的趋势。当充填材料质量浓度为69%、71%、73%、75%时，砂胶比为1∶3时，水泥基充填材料的单轴抗压强度分别为粉煤灰-矿渣胶结充填材料的1.69倍、1.56倍、1.44倍、1.42倍。砂胶比为1∶5时，水泥基充填材料的单轴抗压强度分别为粉煤灰-矿渣胶结充填材料的1.29倍、1.11倍、1.13倍、1.10倍。同时由图1可以发现，充填材料的质量浓度越大，胶砂比越小，粉煤灰-礦渣胶结充填材料的单轴抗压强度越高，且相比于水泥基充填材料，原材料的用量也相对降低，说明粉煤灰-矿渣作为胶结材料的固结性要强于普通硅酸盐水泥作为胶凝材料。

单轴抗压强度作为充填材料的重要指标，服务于矿山建设时，不同部位对强度的要求是存在差别的，龄期为28天时，采空区普通部位要求强度大于1.5MPa，采空区基础部位要求强度大于2.0MPa，最重要的接顶部位，要求充填材料的强度大于2.5MPa。由图1可以发现，对于接顶部位强度需求，当质量浓度为73%时，胶砂比为1∶3时，粉煤灰-矿渣充填材料可满足;质量度为75%时，胶砂比大于1∶5时，粉煤灰-矿渣充填材料均可满足。对于基础部位强度需求，当质量浓度大于71%时，不同砂胶比粉煤灰-矿渣充填材料均满足要求，而当砂胶比大于1∶5时，水泥基材料强度不满足普通部位强度需求。因此，考虑材料用量及强度需求，粉煤灰-矿渣胶结充填材料效果要优于水泥基充填材料。

2.2充填料浆流动性

以扩展度表征充填材料的流动性，依据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试充填材料的扩展度，扩展度越大，表征充填材料的流动性越好。试验结果如表2所示。

由表2可以发现，大多充填材料均可满足扩展度大于200mm的流动性需求，且可以发现粉煤灰-矿渣胶结充填料浆的扩展度要大于水泥基充填材料，说明流动性强度水泥基充填材料，是由于粉煤灰呈现圆球形态，在充填材料流动过程中会起到滚动作用，这是一种形态效应，这种形态会大幅度提高充填材料的流动性。

3经济评价

据统计充填开采过程中充填成本约占30%以上，而作为关键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给采矿行业带来巨大的经济压力，制约了充填开采的推广。

为了评价粉煤灰-矿渣胶结充填材料的经济效益，拟考虑30万吨/a进行设计，拟投资4500万元建设矿井，现有流动资金500万元，按照2020年全国原材料平均价格，核算粉煤灰-矿渣胶结充填材料成本，详见表3所示。

根据表3，综合实际生产中多种因素，计算得到每生产1吨粉煤灰-矿渣胶结充填材料需要花费232.5元，按照硅酸盐水泥售价，可确定每生产1吨水泥基充填材料需要花费310元，由此发现，1吨粉煤灰-矿渣胶结充填材料较水泥基充填材料成本降低25%，具有较好的经济效益。

以表3经济成本为依据，以满足基础部位强度为评价标准，确定充填材料质量浓度为73%，核算充填成本，计算结果如表4所示。

根据表4计算结果可以发现，粉煤灰-矿渣胶结充填材料充填成本较水泥基充填材料明显降低，降低12.8元/m3，降低了19.6%。因此，考虑充填材料强度、流动性和经济效益，粉煤灰-矿渣胶结充填材料用于充填开采具有一定优势。

4结论

考虑满足充填强度需求，当充填材料质量浓度大于71%，砂胶比为1∶7时，粉煤灰-矿渣胶结充填材料均满足基础部位强度需求，较水泥基充填材料相比具有明显优势。

考虑具有良好流动性能，粉煤灰-矿渣胶结充填材料扩展度均大于200mm，且均大于水泥基充填材料扩展度，具有良好的流动性。

考虑充填经济效益，每吨粉煤灰-矿渣胶结充填材料充填成本较水泥基充填材料降低25%，具有良好的经济效益。

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