建筑垃圾再生骨料在煤礦膏體充填技術(shù)中的應(yīng)用研究

張浩強(qiáng)

摘 要：基于煤礦膏體充填煤矸石骨料來源不足和建筑垃圾圍城的現(xiàn)狀，提出一條將兩者進(jìn)行有效融合的新思路。首先，對建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料進(jìn)行物理性質(zhì)測試分析和對比。然后根據(jù)礦山膏體配比的實(shí)際情況，研究了不同建筑垃圾骨料摻量的條件下，膏體的各項(xiàng)性能指標(biāo)。結(jié)果表明：建筑垃圾再生骨料的吸水率要強(qiáng)于煤矸石骨料，其余的各項(xiàng)性質(zhì)總體相似;不同摻量配比條件下，建筑垃圾膏體的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足膏體的輸送性能與強(qiáng)度性能，并且建筑垃圾膏體的早期強(qiáng)度要略高于煤矸石膏體。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾;膏體充填;吸水率;再生骨料;抗壓強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.065

1 引言

膏體充填就是將水泥、粉煤灰和礦山產(chǎn)出的煤矸石等固體廢物在地面加工成膏狀漿體，在重力和高密度固體充填泵的共同作用下通過管道輸送至采煤工作面，適時(shí)充填采空區(qū)的新型采礦技術(shù)。膏體充填是“綠色開采”技術(shù)體系的重要組成部分[1-2]。隨著我國采礦技術(shù)水平的提高和對環(huán)境保護(hù)的日益重視，充填開采近年來成為各大科研院所的研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)取得了較好的研究成果。如山東省岱莊煤礦、張趙煤礦，河北省小屯礦等均成功應(yīng)用了膏體充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不遷村采煤，提高了煤炭回采率，并且創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

山東省棗莊市某煤礦是一座現(xiàn)代化的大型礦山，位于棗莊市郊區(qū)，距離市中心大約10km，原煤年產(chǎn)量為120萬t，現(xiàn)積極探索并實(shí)施膏體充填技術(shù)以提高回采率。之前礦山地面有一座矸石山，不僅占用大量的工業(yè)用地，而且對環(huán)境造成很大程度地污染。近年來隨著矸石被再生利用，如制磚、鋪路、制作墻體材料等，目前現(xiàn)有的矸石量已不足以支撐礦山膏體充填的需求，預(yù)計(jì)會在未來的四至六年之內(nèi)就會將現(xiàn)有的約80萬t矸石消耗殆盡。因此，擴(kuò)大膏體充填骨料的來源是礦山面臨的一個(gè)亟需解決的重要問題。據(jù)調(diào)查，2015年棗莊市產(chǎn)生的建筑垃圾約1500萬t，占到城市垃圾總量的60%以上，垃圾圍城的現(xiàn)象給城市環(huán)境造成的壓力越來越大[1]。將建筑垃圾與此煤礦膏體充填技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，一方面可以解決礦山面臨的充填材料來源短缺的問題，另一方面可以緩解建筑垃圾對環(huán)境造成的污染[6-8]。

本文針對建筑垃圾在膏體充填中的應(yīng)用展開研究，包括建筑垃圾再生骨料的物化性質(zhì)，建筑垃圾膏體材料的性能研究等，并推薦建筑垃圾膏體配比參數(shù)、濃度控制等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為礦山膏體充填的順利進(jìn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 建筑垃圾基本特性研究

建筑垃圾具有多種分類，因此其化學(xué)成分一般比較復(fù)雜，主要含有鈣、硅、鋁、鐵等元素，而且各項(xiàng)成分含量的波動(dòng)性較大[9-10]。筆者從礦山附近隨機(jī)抽取建筑垃圾進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，表1為此類建筑垃圾的化學(xué)成分含量。

為了更加有效地對建筑垃圾的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，將其與礦山的煤矸石進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。再生骨料的制備在實(shí)驗(yàn)室通過破碎機(jī)等裝備進(jìn)行，具體流程包括剔除雜質(zhì)、顎式破碎機(jī)破碎、篩分、二級破碎等;煤矸石骨料從礦上直接獲取，并已經(jīng)過二級破碎，如圖1-2所示。按照GB/T14684-2001（細(xì)骨料的相關(guān)試驗(yàn)方法）和GB/T14685-2001（粗骨料的相關(guān)試驗(yàn)方法）對建筑垃圾和煤矸石分別取樣并進(jìn)行基本的物理性質(zhì)測試，測試內(nèi)容主要包括粒徑分布、表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎指標(biāo)、針片狀顆粒含量等。

再生骨料與煤矸石骨料的粒徑分布柱狀圖如圖3所示。從圖中可以得到，兩種骨料的絕大部分介于0.1～13.2mm，僅極個(gè)別粒度達(dá)到20～25mm， 5～25mm占35%～45%，小于5mm部分占55%～65%，符合膏體充填材料制備的要求。

再生骨料和煤矸石骨料的其它性質(zhì)測試結(jié)果如表2所示。

由性質(zhì)測試結(jié)果可知，兩種骨料的性質(zhì)總體比較接近。與煤矸石骨料相比，建筑垃圾再生骨料的吸水率提高了16%～22%，這是因?yàn)榻ㄖ偕橇媳砻嬗袣埩舻乃嗌皾{（或者以碎屑形式存在），具有很強(qiáng)的吸水性。建筑垃圾再生骨料的密度和壓碎指標(biāo)值并沒有太大的變化，但是，有研究表明，再生骨料的壓碎指標(biāo)值是隨著原生建筑體強(qiáng)度的增大而減小的，所以不同來源的建筑垃圾有不同的壓碎指標(biāo)值，相應(yīng)地會對形成的膏體強(qiáng)度有一定影響。

因此，從建筑垃圾再生骨料和煤矸石骨料的物理性質(zhì)對比中初步判斷，將建筑垃圾運(yùn)用到此煤礦中是初步可行的。

3 建筑垃圾膏體配比試驗(yàn)

結(jié)合礦山實(shí)際，試驗(yàn)采用將建筑垃圾與煤矸石按不同比例混合的方法來進(jìn)行相關(guān)研究。參照此煤礦膏體充填的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，膏體材料的具體配比為：水泥：粉煤灰：骨料=1：4：6，質(zhì)量濃度控制在75%～80%，試驗(yàn)所用水泥采用山東山水水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的32.5號普通硅酸鹽水泥，粉煤灰來自山東省濟(jì)寧市岱莊煤礦電廠的Ⅲ級粉煤灰，對膏體材料塌落度、泌水率按照GB/T50080-2002的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對充填體強(qiáng)度的測定，采用YAW-400B型微機(jī)控制恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)。具體的試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

從表中所列試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）礦山在原有的材料配比條件下，各項(xiàng)泵送指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)均能達(dá)到生產(chǎn)要求;

（2）隨著建筑垃圾再生骨料摻量的提高，其需水量增大，濃度呈下降的趨勢，這是因?yàn)?，再生粗骨料和?xì)骨料的吸水率大于煤矸石骨料，使得水分重量的增加;

（3）當(dāng)再生骨料的摻量為骨料總摻量的40%～60%時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到各項(xiàng)最優(yōu)。在試驗(yàn)組A05中，28d的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.56MPa，較礦山原始充填體強(qiáng)度即A01組提高了7.9%;

（4）當(dāng)再生骨料作為部分骨料時(shí)，膏體的各項(xiàng)指標(biāo)基本能滿足各項(xiàng)要求，其前期強(qiáng)度表現(xiàn)較為突出，這是因?yàn)榻ㄖ偕⒎劬哂谢钚阅z凝作用，在前期的水化反應(yīng)中促進(jìn)了膏體的凝結(jié)[11]。

4 結(jié)論

（1）提出以建筑垃圾為礦山的充填骨料，解決充填材料來源短缺的問題，同時(shí)可以緩解城市圍城的環(huán)境壓力;

（2）將建筑垃圾再生骨料與煤矸石骨料的物理性質(zhì)進(jìn)行對比分析，初步論證了再生骨料作為膏體充填料的可行性;

（3）通過膏體配比試驗(yàn)，分析了再生骨料在不同摻量條件下的各項(xiàng)性能，得到建筑垃圾膏體吸水性強(qiáng)，初期抗壓強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。另外，當(dāng)摻量為40%～60%時(shí)，充填體后期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

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