熱電廠爐渣作為煤礦膏體充填材料的配比試驗(yàn)研究*

Phan Van Viet，王　東

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

作為煤礦綠色開采技術(shù)的重要組成部分，充填開采是解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}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(dòng)性好、易于進(jìn)行管道輸送的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備膏體材料濃度高、井下不需脫水、充填強(qiáng)度高，地表沉陷控制效果好的優(yōu)勢(shì)，逐步成為充填采礦的主流[1-4]。充填材料是整個(gè)充填系統(tǒng)的核心，對(duì)充填質(zhì)量、充填成本以及充填效果起著決定性作用。到目前為止，國(guó)內(nèi)外的煤礦企業(yè)采用膏體充填的粗骨料主要是破碎煤矸石，而實(shí)踐應(yīng)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(jīng)加工工序?qū)е鲁涮畈牧现苽湎到y(tǒng)較為復(fù)雜以及初次投資高，導(dǎo)致充填成本占采礦成本的1/3左右[3-11]。為簡(jiǎn)化材料制備系統(tǒng)，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(shù)領(lǐng)域研究的重要課題。

此外，隨著燃煤火力發(fā)電工業(yè)的快速發(fā)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(dāng)?shù)拇胧┖头椒?，?duì)爐渣廢棄物實(shí)現(xiàn)回收再利用，是有效緩解生態(tài)環(huán)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，證明了直接利用爐渣滿足膏體充填材料的基本技術(shù)要求。若將該材料在工業(yè)實(shí)際得到成功應(yīng)用，不僅能解決充填成本高的難題，推動(dòng)膏體充填技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，而且可以從源頭上治理熱電廠廢渣無序堆積造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)固體廢物的合理利用，促進(jìn)煤炭資源綠色開采的發(fā)展。

1　爐渣的基本理化特征

熱電廠爐渣的物理性質(zhì)和化學(xué)成分不僅與煤種、煤源有關(guān)，同時(shí)亦取決于鍋爐的類型、運(yùn)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(duì)象，該熱電廠采用循環(huán)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(tǒng)的破碎煤矸石骨料類似；其松散容重為1 300.7 kg/m3，粒級(jí)分布如圖1和表1所示，化學(xué)成分如表2所示。

圖1　熱電廠爐渣粒級(jí)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(jí)組成

表2　熱電廠爐渣和破碎煤矸石的化學(xué)成分含量

通過對(duì)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(xué)成分差異不大，且爐渣的顆粒級(jí)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(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

2　爐渣膏體充填材料性能配比試驗(yàn)

考慮到膏體充填料漿性能和充填體強(qiáng)度對(duì)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(yōu)配比，本文采用爐渣為粗骨料，粉煤灰為細(xì)骨料，32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料和水配制成膏體充填料漿，進(jìn)行配比試驗(yàn)。

2.1　試驗(yàn)內(nèi)容與方案

在借鑒煤矸石膏體充填實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[1-11]，建立16組試驗(yàn)，分別測(cè)試不同爐渣/粉煤灰比例、料漿質(zhì)量濃度、水泥含量對(duì)充填材料的坍落度、擴(kuò)展度、泌水率、抗壓強(qiáng)度等性能參數(shù)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(yàn)過程，每一組按具體的配比稱取相應(yīng)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(cè)定塌落度和擴(kuò)展度，然后將料漿裝入50 mm×100 mm尺寸的標(biāo)準(zhǔn)金屬試模制成標(biāo)準(zhǔn)試模若干組然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定時(shí)間后測(cè)定膏體的初凝、終凝時(shí)間和泌水率，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出，用WDW-100E 型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定各齡期的單軸抗壓強(qiáng)度。

表3　充填材料配比試驗(yàn)方案

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

2.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過室內(nèi)的一系列試驗(yàn)獲得了不同配比條件下充填料漿的各性能參數(shù)和充填體的各齡期單軸抗壓強(qiáng)度(見表4)，據(jù)此可繪制不同材料配比與膏體充填材料性能參數(shù)間的關(guān)系曲線，進(jìn)而揭示各因素對(duì)材料基本性能的影響，確定最優(yōu)配比。

1) 不同配比條件下爐渣膏體充填材料坍落度及擴(kuò)展度的變化規(guī)律

圖3(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質(zhì)量濃度和水泥含量對(duì)爐渣膏體充填材料坍落度及擴(kuò)展度的影響規(guī)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(kuò)展度；但是當(dāng)粉煤灰含量過大時(shí)，由于越來越多的水會(huì)被粉煤灰吸附使得質(zhì)量濃度減小，料漿的坍落度及擴(kuò)展度又呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)；在質(zhì)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(zhì)量濃度對(duì)料漿的坍落度和擴(kuò)展度影響較為顯著，隨著質(zhì)量濃度增加，充填料漿的坍落度和擴(kuò)展度隨之變小，表明質(zhì)量濃度過大會(huì)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(yīng)大于200 mm，對(duì)應(yīng)的料漿質(zhì)量濃度為72%～74%。隨著水泥含量增加，充填料漿的坍落度和擴(kuò)展呈現(xiàn)緩慢減小的變化趨勢(shì)，原因是水泥與水混合形成的水化產(chǎn)物將在料漿中集聚，從而導(dǎo)致了坍落度和擴(kuò)展度的減小。

表4　爐渣膏體充填材料配比試驗(yàn)結(jié)果

圖3　不同配比與爐渣膏體充填材料坍落度及擴(kuò)展度的關(guān)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(guī)律

圖4(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質(zhì)量濃度和水泥含量對(duì)爐渣膏體充填材料泌水率的影響規(guī)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(dāng)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(zhì)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(guī)律地降低。

圖4　不同配比與爐渣膏體充填材料泌水率的關(guān)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(qiáng)度的變化規(guī)律

圖5(a)～(c)分別描述了粉煤灰/爐渣比例、質(zhì)量濃度和水泥含量對(duì)爐渣膏體充填材料抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。分析可知，粉煤灰含量對(duì)充填體后期(7 d和28 d)強(qiáng)度的影響較為顯著，對(duì)早期(1 d)抗壓強(qiáng)度的影響很?。划?dāng)粉煤灰/爐渣比例的變化范圍為 0～0.42，強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的增加顯著增大；當(dāng)粉煤灰/爐渣比例的變化范圍為 0.42～1.43，強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的增加稍有減??；從充填體強(qiáng)度要求出發(fā)，最佳的粉煤灰/爐渣比例為 0.42 ，相應(yīng)的粉煤灰含量為20%。充填體強(qiáng)度隨著質(zhì)量濃度的增加而增大，而且質(zhì)量濃度對(duì)早期強(qiáng)度的影響大于對(duì)后期強(qiáng)度的影響，表明質(zhì)量濃度對(duì)早期強(qiáng)度明顯有利，應(yīng)在滿足流動(dòng)性的前提下盡量增加膏體的質(zhì)量濃度。充填體強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度關(guān)系Fig.5　The relational curves between compressive strength of filling material and material ratio

依據(jù)煤矸石膏體充填的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度分別在 0.2～0.5，2～3.5，>3.5 MPa 的范圍內(nèi)[1-11，15-16]。結(jié)合本次試驗(yàn)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(zhì)量比為 20∶48∶6，質(zhì)量濃度為 74%；此時(shí)的料漿坍落度和擴(kuò)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(qiáng)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(dòng)性和充填體強(qiáng)度與煤矸石膏體的相比差異不大，說明其各項(xiàng)性能完全符合煤礦一般情況的基本要求。

3　結(jié)論

1) 熱電廠爐渣膏體的料漿流動(dòng)性和充填體強(qiáng)度與煤矸石膏體沒有明顯差異，用其替代傳統(tǒng)的破碎煤矸石膏體粗骨料在技術(shù)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(yè)廢料對(duì)環(huán)境污染問題，是環(huán)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(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先較大幅度增加然后又緩慢減小的變化趨勢(shì)，而料漿泌水率呈近似負(fù)指數(shù)規(guī)律降低。

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

4) 隨著水泥含量增高，充填體強(qiáng)度增大，泌水率減小，對(duì)膏體充填非常有利，但料漿的坍落度和擴(kuò)展度呈現(xiàn)緩慢減小的變化趨勢(shì)，降低料漿流動(dòng)性變差，不利于管道輸送，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料成本增大。

5) 綜合考慮各因素對(duì)充填料漿性能和充填體強(qiáng)度的影響規(guī)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(zhì)量比為 20∶48∶6，質(zhì)量濃度為 74%，此時(shí)的材料初凝和終凝時(shí)間分別為3.25 h和8.5 h。

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