高永涛1，张梦1，季毛伟2，周喻1，商玉洁1

(1.北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083;2.烟台安达环保科技有限公司， 山东烟台市 265700)

摘要：为解决水泥作为矿山充填胶凝材料生产能耗高、成本大的问题，针对梁家煤矿充填开采，以脱硫石膏、水泥、矿粉、激发剂为原材料进行正交试验研究，研究煤矿新型胶凝材料最优配比，并开展了新型胶凝材料与水泥的强度对比试验和充填试验。结果表明:梁家煤矿新型充填胶凝材料最优配比为脱硫石膏∶水泥∶激发剂∶矿粉=6∶4∶3∶37，最优配比下充填体3d、7d、28d强度分别可达到3.16MPa、4.65MPa、5.52MPa;相同胶砂比条件下新型胶凝材料试块抗压强度分别是水泥试块强度的1.8倍、1.31倍和1.26倍，确定了采用新型胶凝材料减量化17%进行充填试验，充填试验证明新型胶凝材料具有比传统水泥材料更好的早期强度和流动性，可以替代水泥用于充填开采，具有良好的经济效益和社会效益。

关键词：煤矿;充填开采;新型胶凝材料;正交试验;早期强度

0 引言

矿山充填采矿实施过程中，充填材料占据了大部分成本。一般而言，采用胶结充填采矿法回采的矿山，其充填成本占采矿总成本的25%~40%，而充填材料中胶凝材料的成本高达50%~80%[1-4]。作为建筑行业传统材料的水泥，是最早应用于充填采矿的胶凝材料。但由于水泥生产具有高能耗和高污染性，随着“双碳”战略的深入实施与环境治理成本的上涨，水泥价格不断攀升。因此，采用新工艺、新技术，在不降低充填体强度的情况下，降低水泥单耗或寻求水泥的替代品，持续降低充填材料成本，是充填开采技术的主攻方向和矿山生产中实现降本增效的重要环节[5-6]。

近年来，部分专家以矿山新型胶凝材料的开发为背景开展了大量研究，并取得了一系列成果。通过对这些研究进行梳理，发现新型胶凝材料研究方向主要为非全固废胶凝材料(水泥、石灰等非固废作为激发剂与具有潜在火山灰活性的固废制备的胶凝材料)和全固废胶凝材料。其中非全固废胶凝材料研究成果有:李胜辉等[7]针对中观铁矿尾砂，开展以熟料和脱硫石膏为激发剂的矿渣基胶凝材料研究，并利用新型胶凝材料进行不同胶砂比试验，最终确定适用于不同步骤采矿的充填材料配比。王永定等[8]针对黄土坡铜锌矿尾砂，开展粉煤灰- 矿渣基新型胶凝材料研究，分别针对粉煤灰40%和45%掺量确定新型胶凝材料的两种优化配比。刘冲昊等[9]以赤泥、粉煤灰为主要胶凝材料，并掺入适量激发剂(石灰和脱硫石膏，确定了赤泥基胶凝材料的最优配比。吴立波等[10]采用拜耳法赤泥、粉煤灰、水泥为试验材料，确定充填的最优配比。全固废胶凝材料研究成果有:杜惠惠等[11]利用承德钒钛矿渣、钢渣和脱硫石膏制备全固废胶凝材料，研究了不同矿渣掺量和不同温度对试块的强度影响，并对其水化机理进行了阐述。李立涛等[12]以超细尾砂为骨料开展全固废胶凝材料配比研究，确定以脱硫石膏、钢渣微粉、粉煤灰、矿渣微粉为原料的胶凝材料最优配比。梁峰等[13]针对思山岭铁矿超细全尾砂，以本溪钢铁公司矿渣、钢渣和脱硫石膏为原料，确定了适用于思山岭铁矿阶段嗣后充填采矿法的钢渣基全固废胶凝材料。上述研究成果在一定程度上促进了新型胶凝材料的发展，但是这些研究绝大多数是基于金属矿山的以选矿尾砂为骨料的研究，而对于煤矿充填，使用水泥作为胶凝材料依然较为普遍，如裕兴煤矿，充填材料主要是矸石、粉煤灰和水泥，充填配比为矸石∶粉煤灰∶水泥=5∶2∶1，料浆质量浓度为74%~76%[14]。孙村煤矿采用的煤矸石似膏体充填配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶4∶15[15]。太平煤矿作为我国第一个膏体充填示范工程，其充填胶凝材料由早期的以水泥作为胶凝材料发展到后来的以中国矿业大学研制的PL膏体胶结料作为胶凝材料，但是这种胶凝材料中普通硅酸盐水泥占比达到一半左右，由水泥与石膏、石灰和多种外加剂等配制而成[16]。榆阳煤矿充填材料的配比为水泥∶辅料∶粉煤灰∶风积沙=1∶1.6∶10∶12[17]。岱庄煤矿充填材料中水泥、粉煤灰、煤矸石质量配比为1∶4∶6[18]。

目前在我国东部及沿海矿山，尤其是金属矿山井下充填中，已普遍采用以矿渣、脱硫石膏等工业固废为主要材料生产的“胶固粉”，用于等效替代水泥，可大幅降低充填成本，取得了显著的经济效益和环保效益。基于就地取材的原则，本文通过室内试验展开了以脱硫石膏、水泥、激发剂、矿渣为原材料的煤矿新型胶凝材料最优配比研究;以研制出的新型胶凝材料与水泥进行强度对比试验，确定以新型胶凝材料减量化替代水泥进行井下充填，并通过井下规模化试验验证，效果达标，设备和工艺不需要任何技改，材料成本节省约262万元/年。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用原材料由炉渣、粉煤灰、胶凝材料与水组成。炉渣与粉煤灰作为充填骨料，胶凝材料为矿用新型胶凝材料(胶固粉)与P·O42.5普通硅酸盐水泥两种，胶固粉由矿粉、脱硫石膏、水泥和激发剂组成。

(1)粉煤灰。本试验所用粉煤灰来自于梁家煤矿所在集团的热电有限公司，华电龙口每天产生粉煤灰500t。通过比重瓶法测得粉煤灰密度为0.691g/cm3。粉煤灰的特征粒径d10=4.60μm，d30=16.87μm，d60=43.09μm;曲率系数Cc=1.436，不均匀系数Cu=9.367，由此可知粉煤灰的颗粒粒径分布范围较广，且级配曲线分布形态较好，级配良好，适宜做充填材料。粉煤灰的化学组成见表1，粒径级配如图1所示。

(2)本试验所用炉渣由梁家煤矿基地电厂提供，由于该电厂燃煤种类较为固定，因此，每批次的炉渣组成及性质较为固定。炉渣的堆积密度为879kg/m3，真密度为2625kg/m3。经过24h后炉渣的吸水率为10%，压碎指标为30%。炉渣的粒径主要介于5~30mm 之间。由于炉渣与粉煤灰一样，都是燃煤的副产物，其化学组成极为相似，化学组成见表1。

(3)胶凝材料。矿粉、脱硫石膏、水泥均取自矿山周边企业，颗粒级配曲线如图1所示。激发剂为自行配置的碱性激发剂。根据标准《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046—2017)规定对矿渣粉进行质量评价，各评价指标的公式及计算结果为:

由计算结果可知，该矿渣碱度系数M0=1.07>1，为碱性矿渣;质量系数K =1.71>1.2，表明该矿渣具有活性，且活性较高;活性系数Ma为0.36;综合分析可知该矿渣的质量属于中等偏上，质量和活性能够满足碱激发胶凝材料的开发要求。

1.2 试验方案

基于前期室内试验结果及梁家煤矿的充填配比现状，确定本次试验固定料浆质量浓度为60%，胶砂比1∶10(其中骨料粉煤灰∶炉渣=2∶1)，选择三因素四水平正交试验，三因素分别是脱硫石膏掺量(A)，水泥掺量(B)，激发剂掺量(C)，矿粉是非控制因素，各因素水平取值见表2。

使用JJ-5型行星式水泥砂浆搅拌机，将胶凝材料、骨料、水按设计的质量比搅拌制成胶砂浆，灌入1767.5px ×1767.5px ×1767.5px三联模，浇筑成型，在温度(30±1)℃(由于煤矿井下温度较高，经过室内试验与井下取样强度对比确定)湿度不低于95%的标准恒温、恒湿养护箱中进行养护，至规定龄期后用伺服压力机测试试块的单轴抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

按照设计方案进行试验，分别测试龄期为3d、7d、28d的试块单轴抗压强度，研究脱硫石膏、水泥、激发剂对煤矿新型充填胶凝材料强度的影响，确定胶凝材料的最优配比。试验结果见表3，通过分析表3可发现第7组试块养护龄期为3d和7d时抗压强度最大，分别为3.16MPa和4.65MPa，此时方案组合为A2B3C4，配比为脱硫石膏12%、水泥8%、激发剂6%、矿粉74%;第14组试块养护龄期为28d时抗压强度最大为6.43MPa，此时方案组合为A4B2C3，配比为脱硫石膏16%、水泥6%、激发剂5%、矿粉73%。

2.2 极差分析

根据表3，对煤矿充填的新型胶凝材料正交试验抗压强度结果进行极差分析，极差分析结果及各龄期最优配比方案见表4。分析表4数据可知，3d抗压强度影响因素的显著性大小依次为水泥、激发剂、脱硫石膏，水泥与激发剂的显著性大小相近;7d抗压强度各因素的显著性为水泥与激发剂大小相等，大于脱硫石膏。由3d与7d各因素极差大小分析可知，水泥与激发剂对于试块的前期强度影响较大，为主要的影响因素;28d抗压强度各因素的显著性大小依次为脱硫石膏、水泥、激发剂，分析可知对于试块后期强度，脱硫石膏的影响作用更显著。

2.3 正交试验因素分析

对各因素水平相同的4组试验的平均结果进行分析。从图2可以看出，脱硫石膏掺量对早龄期抗压强度的影响规律不明显，养护3d抗压强度随脱硫石膏掺量增加呈先减小后增大的趋势，养护7d、28d时，抗压强度随脱硫石膏掺量增加均逐渐增大。当脱硫石膏掺量为16%时，抗压强度最大。3d、7d、28d的最大抗压强度分别为2.83MPa、3.92MPa、5.80MPa。由于试块的3d强度不稳定，总体来看脱硫石膏掺量增加与试块抗压强度增长呈正相关趋势。这是因为脱硫石膏中的CaSO4·2H2O 能促进水泥中C3S等的水化，增大液相中Ca(OH)2的浓度，为激发矿粉活性提供了碱性条件;另一方面，体系中的脱硫石膏在碱性环境中可直接与矿粉中的活性Al2O3反应生成针棒状的Aft，贯穿于水化生成物中间，起到碱性激发和硫酸盐激发的双重作用。

从图3可以看出，随着水泥掺量的增大，试块的3d、7d和28d的抗压强度均先增大后减小。当水泥掺量为6%时，胶凝材料的3d、7d、28d抗压强度最大分别为2.92MPa、3.95MPa、5.37MPa。这是因为，水泥水化生成C -S-H、C -A -H 和Ca(OH)2，生成的Ca(OH)2是矿粉的碱性激发剂，使玻璃体中的活性SiO2、Al2O3与上述水化生成物进行火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硅铝酸钙等，这些物质为水化产物中主要提供强度的部分。而水泥掺量过多，水泥水化过快，表面生成的硬化C -S-H 等物质会阻碍活性成分的水化反应，使得水化反应终止或减弱。

从图4可以看出，随着激发剂掺量的增加，煤矿新型胶凝材料的前期抗压强度变化规律不明显，养护3d抗压强度先增大后减小再增大，7d抗压强度先减小后增大，28d后期抗压强度则随着激发剂掺量增加不断增大。当激发剂掺量为6%时，胶凝材料3d、7d、28d抗压强度最大分别为2.97MPa、3.95MPa、5.37MPa。通过加入碱性激发剂，依靠其表面活性能和功能基团作用，使得原料中的SiO2、Al2O3获得更好的可溶性，其所含的潜在活性组分得到较大激发，这些活性组分与Ca(OH)2、CaSO4反应生成胶凝物质为充填体提供强度。

2.4 回归分析

针对煤矿新型充填胶凝材料配比正交试验结果，采用回归分析对数据进行拟合，其中R3d、R7d、R28d分别为试块养护3d、7d、28d的抗压强度值，MPa;x1为脱硫石膏掺量，%;x2为水泥掺量，%;x3为激发剂掺量，%。得到的拟合回归方程式见式(2)至式(4)。充填体3d强度回归模型(R2=0.916):

对式(2)进行极值分析，将所得的极值点代入回归模型中，得到3d强度取得极值下的胶凝材料优化配方为:脱硫石膏16%、水泥10%、激发剂3%、矿粉71%，其3d抗压强度可达到3.265MPa。充填体7d强度回归模型(R2=0.986):

对式(3)进行极值分析，得到7d强度取得极值下的胶凝材料优化配方为:脱硫石膏5%、水泥9%、激发剂5%、矿粉81%，其7d抗压强度可达到4.09MPa。充填体28d强度回归模型(R2=0.963):

对式(4)进行极值分析，得到28d强度取得极值下的胶凝材料优化配方为:脱硫石膏11%，水泥6%，激发剂8%，矿粉75%，其28d抗压强度可达到5.675MPa。

结合矿山对充填体的强度要求(7d大于3MPa，28d大于3.5MPa)及经济性分析，确定煤矿新型胶凝材料的最优配方为脱硫石膏16%、水泥6%、激发剂5%、矿粉73%，其3d、7d、28d抗压强度分别为2.89MPa、4.32MPa、5.35MPa，对应成本为332.7元/t。

3 工业充填及前期试验

3.1 胶固粉减量替代水泥试验

为将本项目研发的胶凝材料应用于工业充填，进行胶固粉与水泥的室内对比试验。基于梁家煤矿充填胶凝材料的掺量，每方充填料使用水泥120~140kg，统一设定室内试验水泥掺量为120g，炉渣为340g，粉煤灰为660g，质量浓度为60%。胶固粉采用上节最优配比所配置的产品，设计了胶固粉70~120g梯度试验，分析与水泥胶凝材料基准组的力学性能差异。试验结果见表5，强度趋势如图5所示。

由表5可以看出，在胶固粉与水泥同等掺量即120g掺量下，胶固粉5d早期强度是水泥的1.8倍，12d中期强度是水泥的1.31倍，28d长期强度是水泥的1.26倍。当胶固粉掺量为100g，即减量化约17%时，胶固粉的早中期强度高于水泥，而后期强度与水泥基本持平。通过图5可以看出，胶固粉的强度早期增长速度高于水泥强度增长，后期趋于平稳，水泥增长速度较稳定。从经济性与安全性综合考虑，采用胶固粉掺量为100kg进行后期的工业充填试验。

3.2 充填系统及工艺流程

为实现胶固粉在梁家煤矿的工业化应用，利用煤矿充填系统，开展胶固粉工业充填试验。将水泥充填现场数据与胶固粉充填试验现场数据进行对比，进一步验证胶固粉充填配比的可行性，以达到用胶固粉作为胶凝材料进行大规模充填的目的。梁家煤矿设计的膏体材料充填系统，适用于干燥材料制备充填料浆的工艺形式。充填系统采用强力搅拌机与泵送工艺处理膏体充填制浆难度大、输送阻力高的问题。充填工艺流程如图6所示。

将炉渣由输送机输送至料棚，由装载机铲运至漏斗，漏斗中炉渣落至计量斗，计量后的炉渣通过带式输送机输送至充填车间的搅拌机中;粉煤灰与胶凝材料通过散装粉料罐车分别输送至各自的筒仓内储存，筒仓内设置料位计，仓底部的螺旋输送机输送粉煤灰(胶凝材料)进入计量斗中，经计量后送至搅拌机中;水通过水泵供给至水计量斗，计量后输送至搅拌机中;炉渣、粉煤灰、胶凝材料和水通过间歇式强力搅拌机进行充分搅拌制成膏体，由充填泵加压后经充填管路输送至井下充填区域进行充填。

3.3 充填试验研究

2020年11月到2021年5月，先后对18条巷道进行充填。充填水泥胶凝材料单耗为120kg/m3，充填骨料为煤矿所在集团热电有限公司产生的粉煤灰和炉渣。2021年6月至7月先后对11条巷道进行充填，充填胶凝材料为胶固粉，骨料为粉煤灰和炉渣。充填试验截取的部分数据见表6。

通过表6可以看出，以胶固粉为胶凝材料的充填料浆与以水泥为胶凝材料的充填料浆泌水率相差不大，但是前者具有更好的流动性。地面留样抗压强度中胶固粉为胶凝材料的试块具有更大的早期强度。二者的井下取样强度相差不大且均满足矿山充填要求。因此，新型胶凝材料可长期大规模用于工业充填中。

3.4 经济性分析

基于固体废弃物生产的胶固粉充填胶凝材料，可以大大降低充填成本。已知以水泥为胶凝材料时充填胶凝材料年消耗量为2万t，骨料消耗量为16万t。表7显示了胶固粉充填工艺与水泥充填工艺的年充填成本比较。由表7可以看出，以水泥为充填胶凝材料每年综合成本约为1478万元。而以胶固粉为胶凝材料，每吨材料可以节省88元，与水泥相比由于采用低掺量充填，每年充填材料成本约为1215万元。与传统的水泥充填工艺相比，使用胶固粉减量化替代水泥，粗骨料粉煤灰和炉渣使用量不变，效果达标，设备和工艺不需要任何技改，材料成本节省约262万元/a。

4 结论

(1)正交试验的极差分析表明，在影响煤矿新型胶凝材料的几个影响因素中，水泥和激发剂对胶结体的早中期力学性能影响更显著，石膏对于胶结体晚期的力学性能影响更显著;正交试验因素分析表明，随着石膏和激发剂掺量的增加，试块抗压强度

总体呈现不断增大趋势，随着水泥掺量增加，抗压强度先增加后降低。

(2)煤矿新型胶凝材料的最优配方为脱硫石膏12%、水泥8%、激发剂6%、矿粉74%，其胶结体养护3d、7d、28d抗压强度分别为3.16 MPa、4.65MPa、5.52MPa，成本为332.7元/t。

(3)煤矿新型充填胶凝材料与P·O42.5普通硅酸盐水泥同等掺量下，5d、12d、28d强度分别提高80%、31%、26%;当新型胶凝材料减量化17%时与水泥的强度基本持平，从经济性与安全性综合考虑，采用胶固粉掺量为100kg进行后期的工业充填试验。

(4)通过充填试验地面留样测定数据得出，新型胶凝材料比传统水泥具有更好的流动性和早期强度，可长期大规模应用于工业充填中，每年节省成本约262万元。