粉煤灰-礦渣基充填材料的物性分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

朱小軍

【摘 要】 為了節(jié)約礦山充填成本，考慮使用粉煤灰-礦渣代替充填材料中普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，測(cè)試充填材料單軸抗壓強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性，依據(jù)市場(chǎng)價(jià)格評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明：當(dāng)充填材料質(zhì)量濃度大于71%，砂膠比為1∶7時(shí)，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料強(qiáng)度均大于2.0MPa，擴(kuò)展度均大于220mm，具有良好流動(dòng)性，且每噸粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料充填成本較水泥基充填材料降低25%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】 充填成本;充填材料;單軸抗壓強(qiáng)度;流動(dòng)性;經(jīng)濟(jì)效益

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD823.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）03-0001-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì)引起地表沉陷、村莊遷移、采礦垃圾堆放占用土地面積、破壞地下水等系列問(wèn)題。充填開(kāi)采在我國(guó)逐步推廣，有效地解決了上述系列問(wèn)題。但是充填成本制約了充填開(kāi)采的推廣，充填材料作為充填開(kāi)采的關(guān)鍵因素，充填料漿必須有足夠流動(dòng)性，保證能夠通過(guò)充填管道由地面輸送到井下，充填材料在服務(wù)期內(nèi)必須保證有足夠的強(qiáng)度，保證煤礦安全生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在保證充填材料性能的條件下針對(duì)降低充填成本做了大量的研究，覃星朗等以月山銅礦為背景，對(duì)比分析了全尾砂膠結(jié)充填體和水泥膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度性能，結(jié)果表明有效提高了強(qiáng)度，且減少了膠凝材料的用量，有效降低了充填成本。黃篤學(xué)等在司家營(yíng)鐵礦南區(qū)自主研發(fā)了以礦渣為原料的充填材料，試驗(yàn)結(jié)果表明可以保證充填需求且降低了充填成本。巴蕾等在金川礦區(qū)研究將銅渣摻入充填材料，試驗(yàn)研究結(jié)果表明充填成本降低了40.6%。梁峰等以正交試驗(yàn)研究摻入銅渣、礦渣對(duì)充填成本的影響，結(jié)果表明成本降低35.49%。徐艷方等研究在充填材料內(nèi)摻入大紅山鐵礦尾砂后強(qiáng)度變化及成本效益，結(jié)果表明可以滿(mǎn)足充填需求，且有效降低充填成本。

本文借鑒國(guó)內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，擬采用粉煤灰-礦渣代替普通硅酸鹽水泥作為礦山膠結(jié)充填材料，采用室內(nèi)試驗(yàn)法測(cè)試充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性，與水泥基尾砂充填材料對(duì)比分析，結(jié)合充填成本在采礦中的占比以及市場(chǎng)價(jià)格，評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)效益。

1試驗(yàn)材料及配比設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)中粉煤灰取自石家莊市固廢公司，粒度在2～48μm。礦渣是煉鐵后余留物資，經(jīng)涼水冷卻后提取，且有多種化學(xué)成分，具有較強(qiáng)的活性。尾砂取自唐山市某固廢公司，采用100mm×100mm×100mm立方體試件，24小時(shí)后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，用新拌料漿測(cè)試擴(kuò)展度。

1.2配比設(shè)計(jì)

材料配比如表1所示。

1.3試驗(yàn)設(shè)備

本文采用100mm×100mm×100mm鐵制模具，擴(kuò)展度試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒，按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)，單軸抗壓強(qiáng)度采用YAW-200B微型控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1單軸抗壓強(qiáng)度

采用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料與水泥基尾砂充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料與水泥基尾砂充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨著質(zhì)量濃度的增加逐漸增加，是由于質(zhì)量濃度增加提高了充填材料的密實(shí)度，減少了試件內(nèi)部的孔隙裂縫。在同一質(zhì)量濃度時(shí)，膠砂比越小，試件的單軸抗壓強(qiáng)度越小，在同一膠砂比時(shí)，充填材料的質(zhì)量濃度越大，試件的單軸抗壓強(qiáng)度越大。

對(duì)比兩種充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠砂比大于1∶5時(shí)，水泥基充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度高于粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料，但差距呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)充填材料質(zhì)量濃度為69%、71%、73%、75%時(shí)，砂膠比為1∶3時(shí)，水泥基充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別為粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料的1.69倍、1.56倍、1.44倍、1.42倍。砂膠比為1∶5時(shí)，水泥基充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別為粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料的1.29倍、1.11倍、1.13倍、1.10倍。同時(shí)由圖1可以發(fā)現(xiàn)，充填材料的質(zhì)量濃度越大，膠砂比越小，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度越高，且相比于水泥基充填材料，原材料的用量也相對(duì)降低，說(shuō)明粉煤灰-礦渣作為膠結(jié)材料的固結(jié)性要強(qiáng)于普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料。

單軸抗壓強(qiáng)度作為充填材料的重要指標(biāo)，服務(wù)于礦山建設(shè)時(shí)，不同部位對(duì)強(qiáng)度的要求是存在差別的，齡期為28天時(shí)，采空區(qū)普通部位要求強(qiáng)度大于1.5MPa，采空區(qū)基礎(chǔ)部位要求強(qiáng)度大于2.0MPa，最重要的接頂部位，要求充填材料的強(qiáng)度大于2.5MPa。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于接頂部位強(qiáng)度需求，當(dāng)質(zhì)量濃度為73%時(shí)，膠砂比為1∶3時(shí)，粉煤灰-礦渣充填材料可滿(mǎn)足;質(zhì)量度為75%時(shí)，膠砂比大于1∶5時(shí)，粉煤灰-礦渣充填材料均可滿(mǎn)足。對(duì)于基礎(chǔ)部位強(qiáng)度需求，當(dāng)質(zhì)量濃度大于71%時(shí)，不同砂膠比粉煤灰-礦渣充填材料均滿(mǎn)足要求，而當(dāng)砂膠比大于1∶5時(shí)，水泥基材料強(qiáng)度不滿(mǎn)足普通部位強(qiáng)度需求。因此，考慮材料用量及強(qiáng)度需求，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料效果要優(yōu)于水泥基充填材料。

2.2充填料漿流動(dòng)性

以擴(kuò)展度表征充填材料的流動(dòng)性，依據(jù)GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試充填材料的擴(kuò)展度，擴(kuò)展度越大，表征充填材料的流動(dòng)性越好。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，大多充填材料均可滿(mǎn)足擴(kuò)展度大于200mm的流動(dòng)性需求，且可以發(fā)現(xiàn)粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填料漿的擴(kuò)展度要大于水泥基充填材料，說(shuō)明流動(dòng)性強(qiáng)度水泥基充填材料，是由于粉煤灰呈現(xiàn)圓球形態(tài)，在充填材料流動(dòng)過(guò)程中會(huì)起到滾動(dòng)作用，這是一種形態(tài)效應(yīng)，這種形態(tài)會(huì)大幅度提高充填材料的流動(dòng)性。

3經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

據(jù)統(tǒng)計(jì)充填開(kāi)采過(guò)程中充填成本約占30%以上，而作為關(guān)鍵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給采礦行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，制約了充填開(kāi)采的推廣。

為了評(píng)價(jià)粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料的經(jīng)濟(jì)效益，擬考慮30萬(wàn)噸/a進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬投資4500萬(wàn)元建設(shè)礦井，現(xiàn)有流動(dòng)資金500萬(wàn)元，按照2020年全國(guó)原材料平均價(jià)格，核算粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料成本，詳見(jiàn)表3所示。

根據(jù)表3，綜合實(shí)際生產(chǎn)中多種因素，計(jì)算得到每生產(chǎn)1噸粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料需要花費(fèi)232.5元，按照硅酸鹽水泥售價(jià)，可確定每生產(chǎn)1噸水泥基充填材料需要花費(fèi)310元，由此發(fā)現(xiàn)，1噸粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料較水泥基充填材料成本降低25%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

以表3經(jīng)濟(jì)成本為依據(jù)，以滿(mǎn)足基礎(chǔ)部位強(qiáng)度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定充填材料質(zhì)量濃度為73%，核算充填成本，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料充填成本較水泥基充填材料明顯降低，降低12.8元/m3，降低了19.6%。因此，考慮充填材料強(qiáng)度、流動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)效益，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料用于充填開(kāi)采具有一定優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)論

考慮滿(mǎn)足充填強(qiáng)度需求，當(dāng)充填材料質(zhì)量濃度大于71%，砂膠比為1∶7時(shí)，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料均滿(mǎn)足基礎(chǔ)部位強(qiáng)度需求，較水泥基充填材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

考慮具有良好流動(dòng)性能，粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料擴(kuò)展度均大于200mm，且均大于水泥基充填材料擴(kuò)展度，具有良好的流動(dòng)性。

考慮充填經(jīng)濟(jì)效益，每噸粉煤灰-礦渣膠結(jié)充填材料充填成本較水泥基充填材料降低25%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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